PSI-PSI* Concours 2023 Devoir de vacances en chimie Pour les concours de la fili

PSI-PSI* Concours 2023 Devoir de vacances en chimie Pour les concours de la filière PSI, le programme de chimie est : — pour la première année, celui de MPSI; la chimie organique de PCSI semestre 1 est donc exclue. — pour la seconde année, celui de PSI. Aide à la révision : Programme de physique et chimie avec l’application appli.qmax.fr (gratuite, sur ordinateur ou androïd). Questionnaires à choix multiples conçu par des professeurs CPGE. Le premier contrôle sera constitué de questions de physique et chimie figurant dans les devoirs de vacances de physique et chimie (deux documents). Exprimer signifie que l’on attend une expression littérale. Calculer signifie que l’on attend une valeur numérique. Énoncé de quatre pages. Une classification périodique est fournie en annexe.     Corps pur Q. 1 Évaluer, dans les conditions atmosphériques usuelles, le volume a. d’une mole d’eau solide ou liquide. b. d’une mole d’eau gazeuse. Données : Connaissances usuelles, classification périodique, R = 8,31 J.K−1.mol−1 On attend une formule littérale puis une application numérique détaillée, convertie entre 1 et 100 dans une unité adaptée. Q. 2 Diagramme de phase du corps pur a. Tracer l’allure du diagramme de phase de l’eau. Affecter les trois domaines monophasés solide, liquide et gazeux. b. Comparer qualitativement Sms,Sml ,Smg les entropies respectives d’une mole d’eau solide, liquide ou gazeuse. c. Comparer qualitativement Vms,Vml ,Vmg les entropies respectives d’une mole d’eau solide, liquide ou gazeuse. d. Le diagramme de l’eau présente une spécificité rare : laquelle? Justifier à l’aide du document. Données : Points remarquables Pression Température Point critique C 218 atm 374◦C point triple T r 0,006 atm 0,01◦C 1 atm = 1,013 bar Document La formule de Clapeyron donne la pente de la courbe de l’équilibre chimique A(α1) = A(α2) dP d T = Sm2 −Sm1 Vm2 −Vm1 Smi est l’entropie d’une mole de A pure à la température T et la pression P dans la phase αi. Vmi est le volume d’une mole de A pure à la température T et la pression P dans la phase αi. page 1     Description d’un système et évolution vers un état final Q. 3 Combustion du carbone a. L’air est constitué d’environ 80% de diazote et de 20% de dioxygène. Exprimer puis calculer la masse molaire de l’air. b. Le charbon est ici modélisé par du carbone solide. Il réagit avec l’air pour former du dioxyde de carbone gazeux (le diazote est inerte). Écrire cette réaction dite de combustion. On note K 0 sa constante d’équilibre à la température ambiante. c. Le carbone et le dioxygène sont initialement en proportions stoechiométriques et évoluent sous pression atmosphérique P . On note P 0 la pression standard. Exprimer, en fonction de la quantité de matière initiale n en carbone, l’activité chimique de chacun des quatre constituants pour un avancement réactionnel ξ. d. Exprimer le quotient réactionnel Qr vu comme une fonction de ξ. e. Exprimer l’avancement final si la réaction est totale. f. Exprimer l’avancement final si l’équilibre chimique s’établit.     Évolution temporelle d’un système chimique Q. 4 La radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l’énergie, pour se transformer en noyaux atomiques stables. L’évolution de la concentration d’une substance radioactive suit une loi cinétique d’ordre un. On caractérise l’activité d’un atome par sa période T , temps au bout duquel la concentration initiale C0 a été divisée par deux. a. Établir la loi C (t ) donnant la concentration en noyaux radioactifs en fonction du temps t et des paramètres T et C0. b. Tracer C (t ) en positionnant C0 et la période T (aussi appelée demi-vie). c. Le carbone 14 est un isotope du carbone dont la demi-vie est 5730 ans. Proposer un protocole pour dater un objet archéologique (animal fossilisé ou matière attachée à des restes organiques). Document sur le modèle usuel (1) Le carbone naturel est composé de 99% de 12C , de 1% de 13C et de 10−10% de 14C . (2) Les réservoirs de carbone sont l’atmosphère, l’océan et la biosphère. (3) L’atmosphère a eu dans le passé la même concentration en 14C qu’aujourd’hui. (4) La concentration relative en 14C dans la biosphère vivante est la même que dans l’atmosphère. (5) La mort d’un animal fait cesser l’échange entre l’animal et l’atmosphère.     Structure des entités chimiques Q. 5 Le fluorure de calcium, naturellement dans la nature est la principale source mondiale en fluor. a. Déterminer le nombre d’électrons de valence du fluor et du calcium (classification périodique fournie). b. Déduire si ces éléments sont oxydant ou réducteur. c. Quels nombres d’oxydation prévoit-on pour l’élément calcium? d. Déduire les ions stables du fluor et du calcium puis la formule du fluorure de calcium. Q. 6 Les accumulateurs modernes sont constitués de lithium. On prend garde à ne pas utiliser d’électrolyte aqueux. a. Proposer deux propriétés du lithium expliquant cette utilisation (classification périodique fournie). b. Le lithium réagit vivement avec l’eau. Au contact de l’eau, la solution devient basique et un gaz est libéré. Écrire la réaction. Quelle est la nature de cette réaction? Q. 7 Le solvant eau a. Déterminer le nombre d’électrons de valence de l’hydrogène et de l’oxygène (classification périodique fournie). b. Écrire la formule de Lewis de la molécule d’eau (indiquer les règles utilisées). c. Indiquer sa géométrie en minimisant qualitativement son énergie. Ce solvant est-il polaire? (justifier) Si oui, représenter la direction du moment dipolaire moléculaire. d. H +(aq) dont l’activité chimique définit le pH est un proton entouré de n molécules d’eau. Illustrer pour n = 2. page 2 PSI-PSI* Concours 2023 Q. 8 Le tétrachlorométhane C C l4 est utilisé comme solvant ou réfrigérant. a. Écrire (en justifiant) la formule de Lewis de cette molécule (classification fournie). b. Représenter sa géométrie en minimisant qualitativement son énergie. Celle molécule est-elle polaire? (justifier) Si oui, représenter le moment dipolaire. Q. 9 Le trioxyde de soufre SO3 est un polluant majeur de l’atmosphère terrestre. a. Écrire (en justifiant) la formule de Lewis de cette molécule (classification fournie). b. Représenter sa géométrie en minimisant qualitativement son énergie. Celle molécule est-elle polaire? (justifier) Si oui, représenter le moment dipolaire.     Structure et propriétés physique des solides Q. 10 Les figures de diffraction de rayons X sur le cuivre sont compatibles avec la structure cubique à face centrée et permettent de mesurer le rayon atomique du cuivre R = 135 pm. a. Quelle est l’ordre de grandeur de la longueur d’onde utilisée? b. Représenter une maille de cuivre. Définir puis calculer la coordinence et la compacité. c. Exprimer puis calculer la masse volumique du cuivre. Données : Masse molaire du cuivre M = 63,55 g.mol−1 Nombre d’Avogadro N = 6,02.1023 mol−1 Sans calculatrice, on donnera les résultats avec 1 chiffre significatif et on prendra 1 p 2 = 0,7. Q. 11 Dans le cristal solide de fluorure de calcium C a F2, les cations C a 2+ forment un réseau cubique à faces centrées et les anions F −occupent tous les sites tétraédriques. a. Représenter avec soin la maille cristalline. Déduire la population par maille en cation et anion. b. Wikipedia indique : paramètre de maille : a = 5,463 Angstrom masse volumique calculée µ = 3,18 g/cm3 Relier la masse volumique à l’arête a du cube. Calculer la masse volumique à partir de la donnée de a et de la classification périodique. Votre valeur est-elle compatible avec celle de Wikipedia? c. Rappeler la masse volumique de l’eau. Ce solide coule-t-il?     Transformation chimique en solution aqueuse Q. 12 Calcul d’un pH On introduit c = 1,0.10−2 mol de chlorure d’ammonium solide (électrolyte fort) dans un litre d’eau. a. Écrire la réaction de l’ion ammonium sur l’eau. Indiquer le domaine D de variation de l’avancement. b. Quelles sont les valeurs prises par le quotient de réaction Qr lorsque l’avancement ξ varie dans D ? L’équilibre chimique peut-il toujours être atteint? c. Déduire l’évolution initiale du système (sans calcul). d. Calculer le pH de la solution à l’équilibre chimique. Donnée : pKa(N H + 4 (aq)/N H3(aq)) = 9,2 Sans calculatrice mais avec une hypothèse simple, on donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs. Q. 13 Équilibres de précipitation On introduit c moles de dihydroxyde de fer solide dans un litre d’eau. Donner la composition à l’état final (avec calculatrice). a. c = 1,0.10−2 mol.L−1 b. c = 1,0.10−6 mol.L−1 Donnée à 298 K : pKs(F e (OH )2) = 15 Q. 14 Diagramme potentiel-pH de l’eau a. Établir les équations des frontières séparant les domaines de stabilité des espèces eau, dioxygène et dihydrogène. b. Tracer le diagramme en affectant les trois domaines aux espèces précédentes. c. Écrire la réaction de dismutation de l’eau. Est-elle thermodynamiquement favorisable? d. Calculer sa constante d’équilibre. Le dihydrogène (vecteur d’énergie renouvelable) peut-il être fourni à faible coût par l’eau des océans? Données : Potentiels standard à 298 K : O2(g )/H2O uploads/Geographie/ cours-chimie-2023.pdf

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