SUJET D’EXAMEN D’ACCES AUX GRANDES ECOLES SCIENCES ET TECHNIQUES Matière : Chim

SUJET D’EXAMEN D’ACCES AUX GRANDES ECOLES SCIENCES ET TECHNIQUES Matière : Chimie Date de l’épreuve : 23-06-2013 Durée de l’épreuve : 2.5h Coefficient : 4 Exercice I (4,5 pts) Le carbone 6C est le composant essentiel des composés organiques. Cependant, il existe aussi dans la nature sous forme inorganique, principalement sous forme de dioxyde de carbone. 1– Etablir la configuration électronique à l’état fondamental du carbone et le situer dans le tableau périodique (période, groupe et bloc). 2– Que devient cette structure lorsque cet élément est engagé dans des liaisons chimiques ? 3– Le carbone naturel possède un radio-isotope 14C (t1/2 = 5730 ans ; 1 an = 365 jours). Ce radionucléide, émetteur α est couramment utilisé pour la datation d’objets anciens. On se propose ici de dater par le 14C, un échantillon trouvé lors d’une fouille archéologique. L’activité mesurée de cet échantillon est de 10 désintégrations par minute et par gramme de carbone (1gramme de carbone contient en moyenne 6,8×1010 a/ Ecrire la réaction de désintégration de atomes de carbone 14). 14 b/ Proposer un âge pour cet échantillon. C. 4– Le carbone peut se lier à l’oxygène pour former les oxydes CO et CO2. a/ Donner la structure électronique à l’état fondamental de l’oxygène 8O. b/ Quel est l’ion le plus stable susceptible de se former à partir de cet atome ? c/ Comparer l’électronégativité de C et de O. d/ Indiquer la structure de Lewis de CO et de CO2. e/ En utilisant la théorie V.S.E.P.R., prévoir la géométrie de CO2. f/ Lequel de ces deux oxydes est–il polaire? Justifier votre réponse. Exercice II (6 pts) Le monoxyde de carbone CO est un gaz incolore, inodore et extrêmement toxique. Il peut facilement provoquer la mort par asphyxie. Il convient donc de contrôler le taux de ce gaz et le cas échéant, de l’éliminer. On envisage l’équilibre suivant : CO(g) + H2O(g) ⇔ CO2(g) + H2(g) 1– A une température de 1500K et une pression de 1 bar, le taux relatif à la dissociation de H2O(g) en O2 et H2 est α1 = 2,21×10-4. En ce qui concerne le taux de dissociation de CO2 en CO et O2, il vaut α2 = 4,8×10-4 a/ Ecrire les deux réactions correspondantes et calculer leurs constantes d’équilibre. (le taux de dissociation est le nombre de moles dissociées par rapport au nombre de moles initiales). b/ En déduire la constante d’équilibre K de la réaction précédente. c/ Quelle est l’enthalpie standard de cette réaction à 1500K (ΔrSo 1500 = -36,45 J. mol-1.K-1 d/ Déterminer l’enthalpie standard de dissociation de CO(g) à 298K. )? 2– On se propose d’étudier un mélange de gaz, constitué de 10 moles de CO et de 30 moles de CO2 à T = 1500K et P = 1 bar. a/ Quelle quantité de H2O(g) doit-on ajouter pour qu’il ne reste plus que 1% de CO initial dans le mélange ? Ce procédé paraît – il rentable ? b/ Préciser la composition finale du mélange. Données : Constante des gaz parfaits : R = 8,31 J.mol-1.K T = 25°C et P = 1 bar -1 CO(g) CO2(g) H2(g) H2O(g) ΔfHo (kJ.mol-1 ? ) -395,5 -241,8 CP o (J.mol-1.K-1 29,3 ) 37,2 28,9 34,2 Exercice III (3,5 pts) Au cours d’un exercice physique intense, les muscles produisent de l’acide lactique, monoacide faible noté AH. Cet acide peut être éliminé par le couple H2CO3/HCO3 - qui constitue un tampon du sang. On effectue deux prélèvements de 100 ml, l’un de sang normal, l’autre de sang ou s’est formé 3×10-4 mol d’acide lactique. 1– Préciser le rôle que peut jouer une solution tampon. 2– Ecrire la réaction acido-basique de l’acide lactique ainsi que celle de H2CO3. 3– Pour chacune de ces réactions, donner l’expression de la constante d’acidité. 4– Ecrire la réaction qui correspond à l’élimination de l’acide lactique dans le sang. 5– Donner l’expression de la constante de cette réaction et calculer sa valeur. Cette réaction est –elle totale ? Justifier votre réponse. 6– Déterminer le pH des deux prélèvements, sachant que la composition du sang normal est : [H2CO3] = 1,4×10-3 mol.l-1 et [HCO3 -] = 1,4×10-3 mol.l-1. Données : Constantes d’acidité : Acide lactique AH : pKa1 =3,86 ; couple H2CO3/HCO3 - : pKa2 = 6,4 Exercice IV (2,5 pts) Les oxydes CO2 et N2O cristallisent avec la même structure cubique faces centrées de paramètres respectifs a1 = 557pm et a2 = 565pm. 1– Quel est le nombre de motifs par maille ? 2– Quelle est la masse volumique de ces composés à l’état solide ? 3– On donne les rayons covalents des atomes en pm : C (77), N (75), O (73) et on suppose les atomes sphériques. Calculer la compacité des deux cristaux. 4– Les températures de fusion sont de 180 K pour N2O et de 216 K pour CO2. Proposer une explication. Exercice V (3,5 pts) On considère le dérivé 1-bromo-1,2-diphényl propane (C15H15Br, composé A). 1– Combien d’atomes de carbone asymétriques possède cette molécule ? 2– Représenter selon Fischer les divers diastéréoisomères et les couples d’énantiomères correspondants. Quelle est la configuration absolue (selon Cahn Ingold et Prelog) des divers isomères optiques ? 3– L’action de la potasse alcoolique sur le dérivé A conduit à l’élimination d’une molécule de HBr selon un processus bimoléculaire. Détailler le mécanisme de la réaction. 4- Quel(s) isomère(s) optique(s) conduira (ont) à la formation de l’isomère cis (défini comme étant celui dont les deux groupes phényle sont disposés d’un même côté de la double liaison (dérivé B, C15H14)) et à celle de l’isomère trans ? Corrigé du sujet N°1 Exercice I (4,5pts) 1– Configuration électronique à l’état fondamental de 6C : 1s22s22p2 Période : 2 ; groupe : IVA ; bloc : s. 4x0.25 pt 2– Le carbone engagé dans les liaisons chimiques est tétravalent, sa structure est: 1s22s12p3. 0.25 pt 3– a/ Réaction de désintégration de 14C: 14 6C → -β + 14 7X (14 7X ≡ 14 7N). 0.25 pt b/ Détermination du nombre d’atomes de 14C restants (N) dans l’échantillon à l’instant t : N = A/λ = A×t1/2/Ln2 A est l’activité radioactive de l’échantillon, λ est la constante radioactive de 14C t1/2 est le temps de demi-vie de 14C. N = 10×365×24×60×5730/Ln2 = 4,34×1010 atomes. L’âge de l’échantillon (t) est déterminé selon la loi de désintégration radioactive : N/N0 = e-λt = e-Ln2×t/t1/2 ⇒ Ln(N/N0) = - Ln2×t/t1/2 L’âge de cet échantillon (t) est donné donc par la relation : t = - (Ln(N/N0))×t1/2/Ln2= (Ln(N0/N))×t1/2/Ln2 = (Ln(6,8×1010/4,34×1010))×5730/Ln2 ≈ 3712 ans. L’âge de l’échantillon analysé est d’environ 3712 ans. 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt 4– a/ Structure électronique de 8O : 1s22s22p4. 0.25 pt b/ L’ion le plus stable de O est O2- de structure électronique analogue à celle du néon. 0.25 pt c/ L’électronégativité de O est supérieure à celle de C; ces deux éléments appartenant à la même période. Ceci s’explique par l’évolution de cette propriété qui augmente le long d’une période du tableau périodique avec l’augmentation du numéro atomique. 0.25 pt d/ Structures de Lewis de CO2 et CO, sachant que C est tétravalent et O est divalent: Ө ⊕ CO2: O=C=O et CO : C = O ↔ C ≡ O 2x0.25 pt e/ Le dioxyde de carbone à une géométrie linéaire (formule VSEPR: AX2) 0.25 pt f/ CO2 possède un moment dipolaire nul par symétrie (compensation des moments de liaison C=O). En revanche, CO présente un moment dipolaire non nul en raison de la différence d’électronégativité entre C et O. 2x0.25 pt Exercice II (6pts) 1–a/ Ecriture des réactions de dissociation de H2O et CO2 : Dissociation de H2O : H2O(g) ⇔ H2(g) + ½ O2(g) nombre de moles total : nt à t0=0 n0 0 0 à teq n0(1-α1) n0α1 n0α1/2 n0(1+α1/2) La constante de cet équilibre (K1) a pour relation: K1 = PH2 (PO2)1/2 /PH2O avec Pi =(ni/nt)P d’où K1 = P1/2(α1/(1-α1))(α1/(2+α1))1/2 = 2,3.10-6 Dissociation de CO2 : CO2(g) ⇔ CO(g) + ½ O2(g) nombre de moles total : nt à t0=0 n0 à teq n0(1-α2) n0α2 n0α2/2 n0(1+α2/2) La constante d’équilibre correspond à : K2 = PCO (PO2)1/2/PCO2 avec Pi =(ni/nt)P d’où K2 = P1/2(α2/(1-α2))(α2/(2+α2))1/2 = 7,4.10-6 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt b/ K = PH2PCO2 /PCOPH2O = K1/K2 = 0,31 0.25 pt c/ Avant de déterminer l’enthalpie standard de la réaction à 1500K ( Δ rHo 1500), calculons d’abord enthalpie libre de la réaction à la même température (ΔrGo 1500). ΔrGo 1500 = - RTLnK = - 8,31×1500×Ln 0,31= 14598,8 J.mol-1 Cette enthalpie libre est reliée à ΔrHo 1500 par la relation : ΔrGo 1500 = ΔrHo 1500 - T ΔrSo 1500 Ce qui donne : ΔrHo 1500 = ΔrGo 1500 +T ΔrSo 1500 = 14598,8-36,45×1500 = -40076,2 J.mol-1 2x0.25 pt 0.25 pt 0.25 pt d/ D’après la loi de Kirchhoff : ΔrHo 1500 = ΔrHo 298 + ∫298 1500 ΔCP dT ⇒ ΔrHo 298 = ΔrHo 1500 - ∫298 1500 ΔCP dT = -40076,2 – 2,6(1500-298) = -43201,4 J.mol-1 uploads/Finance/ concours-2013-sol-proposition-epstt.pdf

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  • Publié le Dec 13, 2021
  • Catégorie Business / Finance
  • Langue French
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