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Numéro d’anonymat : Concours Régional des Olympiades de la chimie 2005 - Région

Numéro d’anonymat : Concours Régional des Olympiades de la chimie 2005 - Région Aquitaine Nord - CORRECTION ( barème sur 126 points ) Première partie : LES CIMENTS I] Quelles sont les deux matières premières pour fabriquer un ciment ? 2 points calcaire + argile(ou silice) II] Après chauffage des matières premières broyées, on obtient le « clinker ».La température doit être de l’ordre de  500°C  1500°C  2500°C 1 point 1500°C III] On ajoute au ciment du gypse pour réguler sa prise. Quelle est la formule du gypse ? 1 point CaSO4 IV] Quels sont les trois principaux éléments chimiques qui constituent un ciment ? 3 points Ca , Si et O Deuxième partie : METAUX I] Comment se nomme le minerai dont on tire l’alumine, oxyde d’aluminium Al2O3 ? 1 point la bauxite II] Comment obtient-on industriellement l’aluminium à partir de l’alumine ? 2 points par électrolyse de l’alumine fondue III] EXERCICE : AFFINAGE INDUSTRIEL DU CUIVRE Afin d’obtenir du cuivre pur, on réalise l’électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec deux électrodes en cuivre. L’anode est une plaque de cuivre impur de masse m = 300 kg et de 1,50 m2 de surface totale ;Les impuretés sont essentiellement constituées des métaux fer, cobalt et nickel. Le bain d’électrolyse est une solution à 100 g.L-1 de sulfate de cuivre, acidifiée par de l’acide sulfurique. Le courant d’électrolyse est de 15,0 kA ; la tension aux bornes de l’électrolyseur est de 0,6 V ; la durée de l’électrolyse est de 12 heures. La solution en fin d’électrolyse contient les cations H3O+, Cu2+, Ni2+ et Fe2+. DONNEES ; masses molaires en g.mol-1 : M(Cu) = 63,5 M(CuSO4) = 159,6 1 Faraday = 96 500 C 1) écrire les équations des réactions relatives à l’élément cuivre et qui se produisent à l’anode et à la cathode 2 points ANODE : Cu = Cu2+ + 2 e CATHODE : Cu2+ + 2 e = Cu 2) calculer la concentration molaire en ions Cu2+ dans l’électrolyte. 1 point 0,626 mol/L 3) En tenant compte de la composition du bain en fin d’électrolyse, écrire les équations des autres réactions se produisant à l’anode. 3 points Oxydations : Fe = Fe2+ + 2 e Co = Co2+ + 2 e Ni = Ni2+ + 2 e La concentration en ions Cu2+ du bain varie-t-elle au cours de l’électrolyse ? Justifier la réponse. 2 points La concentration de Cu2+ diminue, car une seule réaction a lieu à la cathode alors que plusieurs réactions se produisent en même temps à l’anode. 4) Déterminer la masse de cuivre pur obtenue à la cathode. 4 points Q = I x t = 15000 x 12 x 3600 = 6,48 . 108 C Q = n x F donc n = 6715 mol N (Cu) = 3357 mol M(Cu ) = 213 kg 5) calculer l’énergie consommée pour obtenir cette masse de cuivre pur. 2 points W = U x I x t = U x Q = 3,89 . 108 J IV] Comment se nomme le four où l’on réalise la réduction du minerai de fer pour obtenir de la fonte ? 1 point haut-fourneau V] Comment nomme-t-on le liquide qui surnage au-dessus de la fonte au bas du four ? En citer une application industrielle. 1 point le laitier utilisé en cimenterie VI] Quelle différence dans leur composition y a-t-il entre une fonte et un acier ? 1 point acier : % en carbone inférieur VII] EXERCICE : NICKELAGE  pour nickeler une pièce métallique M, on réalise une électrolyse : la pièce est plongée dans un bain contenant des ions Ni2+, elle est connectée à un des pôles d’un générateur, l’autre pôle étant connecté à une pièce en nickel. 1) Compléter le schéma ci-dessous en précisant la nature des électrodes (M ou Ni), les demi-équations correspondant aux transformations électrochimiques aux électrodes, on précisera s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction. 2 points électrode n° 1 : électrode n°2 : 2) On réalise l’électrolyse pendant t = 5 h sous un courant d’intensité I = 500 mA. Calculer la masse de nickel déposé sur M au bout des cinq heures. Données : charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C masse atomique molaire du nickel : M = 58,7 g.mol-1 nombre d’Avogadro : N = 6,02.1023 mol-1 4 points q= I x t = 9000C nb d’électrons ayant circulé = q/e = 6.63.1022 nb de mol d’électrons ayant circulé = 6,63.1022 /N = 0.093 mol = n nb de mol de Ni déposé = n/2 masse de Ni = M x n/2 = 2,74 g VIII] EXERCICE : COMPOSITION MASSIQUE D’UN ALLIAGE  On souhaite déterminer la composition massique d’un alliage nickel- zinc. Pour cela on attaque à l’acide sulfurique m = 2,5245 g d’alliage. Les métaux passent en solution sous forme ionique Ni2+ et Zn2+.On transvase la solution obtenue dans une fiole jaugée de Vf =1 L et on complète à l’eau distillée jusqu’au trait de jauge .Soit S cette solution. électrode n°1 électrode n°2 1) On dose dans un premier tant les ions Ni2+ seuls par précipitation avec la diméthylglyoxime suivant la réaction : C H3 C N C C H3 N OH OH 2 + Ni 2+ Ni O NH C C H3 O NH C C H3 N OH C CH3 NH OH C CH3 + 2 H+ précipité rouge Dans un bécher on verse Vs =10 mL de la solution à doser, de l’eau et on chauffe. On ajoute ensuite 20 mL de solution alcoolique de diméthylglyoxime à 10 g.L-1. On laisse le précipité se former et le milieu refroidir puis on lave le précipité sur un filtre en verre fritté préalablement taré de masse m1 = 33,8254 g .On place ensuite le filtre avec le précipité à l’étuve et on pèse le filtre refroidi, sa masse est alors m2 = 33,8746 g. Données : Masse molaire atomique du nickel : MNi = 58,7 g.mol-1 Masse molaire de la diméthylglyoxime = Md = 116,1 g.mol-1 Masse molaire du précipité : M = 288,91 g.mol-1 1a) Avec quoi prélève-t-on les 10 mL de solution S ? Justifier. 1 point 1b) Avec quoi prélève-t-on les 20 mL de solution de diméthylglyoxime ? Justifier. 1 point 1c) Quelle est la masse de précipité obtenue ? 1 point mp = m2 – m1 = 0,0492 1d) Quelle quantité de matière de nickel contient-il ? 1 point n de Ni = n précipité = mp/M = 0,170.10-3 mol contenu dans Vs 1e) Calculer la concentration molaire de S en nickel CNi. 1 point n *Vf/Vs = 0.0170. mol dans Vf soit CNi = 0,0170 mol/L 1f) Montrer que le nickel était bien le réactif en défaut pour cette réaction de précipitation. 2 points nombre de mole de DMG introduite = (10/116,1)*0.020 = 1,72.10-3 mol >> n de Ni Ni est bien en défaut .On a introduit la DMG en large excés pour être sûr de précipiter et donc doser tout le nickel. 1g) Quelle masse de nickel était contenue dans l’échantillon d’alliage attaqué ? 1 point mNi = 0,0170 x MNi = 1,00 g 1h) Quel est le pourcentage en masse de nickel dans l’alliage ? 1 point % Ni = mNi /m = ½,5245 = 39,6 % 2) On dose ensuite les ions Ni2+ et les ions Zn2+ par complexométrie en utilisant comme solution titrante l’EDTA qu’on notera H2Y2- de concentration Ce = 0,0500 mol.L-1. On dose Vs’= 20 mL de solution S et on obtient un volume équivalent Ve = 14,75 mL. Données : Masse molaire atomique du zinc = 65,4 g.mol-1 2a) Ecrire l’équation de réaction de dosage des ions Zn 2+ par H2Y2-. 1 point Zn 2+ par H2Y2- = ZnY2- + 2H+ 2b) Ecrire l’équation de réaction de dosage des ions Ni 2+ par H2Y2-. 1 point Ni 2+ par H2Y2- = NiY2- + 2H+ 2c) Ecrire la relation entre les quantité de matière n(Ni) , n(Zn) et n( H2Y2-).à l’équivalence. 1 point nNi + nZn = n H2Y2-. 2d) Ecrire la relation entre la concentration CZn dans S , CNi dans S , Ce , Vs’ et Ve. 1 point (CZn + CNi ) Vs’ = Ce Ve. donc Czn = (CeVe/Vs’) - CNi 2e) Application numérique : déterminer la concentration en zinc dans S 1 point Czn = (0,0500 *14,75/20) -0,0170 =0,0199 mol/L 2f) En déduire le pourcentage massique de Zn dans l’alliage. 1 point mZn = CZn MZn = 1,30 g donc % de Zn = 1,30/2,5245 = 51,5 % T roisième partie : POLYMERES I] TP Phénol- Formol 1) Avec quels réactifs fabrique-t-on la bakélite ? Citer une utilisation de cette résine. 2 points Réactifs : Phénol - formol ; Application : isolant thermique ou électrique 2) Qu’est-ce qu’une dismutation en oxydoréduction? Donner un exemple. 2 points C’est une réaction dans laquelle le même composé chimique est à la fois oxydant et réducteur. Ex : diiode  iodure + iodate 3) Qu’appelle-t-on un dosage en retour ? uploads/Industriel/ concours-2005-corrige.pdf