corrigé - Olympiades de chimie

Epreuve Régionale des Olympiades de la chimie 2010
Académie de Nantes (Lycée Clemenceau, Nantes)
EPREUVE PRATIQUE
QUESTIONS-REPONSES
Durée de l’épreuve : 3h
NOM :
PRENOM :
ELEVE EN CLASSE DE TERMINALE :
DU LYCEE :
NOTES IMPORTANTES
- Penser à consigner les valeurs numériques expérimentales sur cette feuille à
l’emplacement prévu
- Tout calcul donné sans unité sera considéré comme faux
1
I. L’éthanol : des vignes aux moteurs de véhicules
Produit
éthanol
Couples redox mis en jeux
Caractéristiques physico-chimiques
- Masse molaire : M = 46 g.mol-1
- Masse volumique : µ = 0,79 g.mL-1
-
Acide éthanoïque / Ethanol : CH3-COOH/ CH3-CH2-OH
Ion dichromate / Ion chrome III : Cr 2O72-(orange)/Cr3+ (vert)
Ion fer III / Ion fer II : Fe3+ (rouille)/ Fe2+(verdâtre)
PARTIE A : La distillation
Barème
1. Comment prélever le vin ? Pourquoi ?
Il faut prélever le vin avec une assez grande précision. On prendra donc une
pipette jaugée de 25,0 mL
1
2. Quel est le rôle du support élévateur ?
Le support élévateur permet de désolidariser rapidement le chauffe-ballon du
reste du Montage. Ainsi on peut stopper rapidement le chauffage du ballon.
1
3. Quel est le rôle du réfrigérant ?
Le réfrigérant permet de condenser ou liquéfier les vapeurs produites.
1
4. Légende du montage de distillation fractionnée
 chauffe-ballon
 entrée et sortie d’eau
 mélange eau-éthanol
 réfrigérant
 colonne de Vigreux
 éprouvette graduée
 thermomètre
 distillat
2
PARTIE B : Oxydation de l’éthanol
5. Ecrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction entre les ions dichromate et l’éthanol.
Cr2O72-(aq) + 14 H+(aq) + 6 e- = 2 Cr3+(aq) + 7 H2O
(x2)
+
C2H5OH(aq) + H2O = CH3COOH(aq) + 4 H (aq) + 4 e (x3)
----------------------------------------------------------------------------------2 Cr2O72-(aq) + 16 H+(aq) + 3 C2H5OH(aq) = 4 Cr3+(aq) + 3 CH3COOH(aq) + 11 H2O
2
3
Note
élève
6. Quel est le rôle de l’acide sulfurique ?
L’acide sulfurique apporte les ions oxonium nécessaires à la réaction
d’oxydoréduction.
1
7. Comment prélever la solution S1 et la solution de dichromate de potassium ?
Ces prélèvements doivent être effectués avec précision. Il faut donc utiliser
des pipettes jaugées.
1
8. Pourquoi faut-il attendre 20 minutes ?
Cette réaction d’oxydoréduction est une réaction lente puisqu’il a oxydation
de l’éthanol en éthanal puis oxydation de l’éthanal en acide éthanoïque.
1
9. D’après la couleur de la solution, peut-on affirmer que les ions dichromate ont été introduits en
excès ? Pourquoi ?
Après 20 minutes, la solution garde une coloration orangée par conséquent il
reste des ions dichromate.
1
10. Quel est le rôle de la solution de diphénylamine-4-sulfonate de baryum (DPASB) ?
La solution de DPASB joue le rôle d’indicateur de fin de dosage : elle donne
une coloration « vert canard » à l’équivalence
1
11. En vous aidant éventuellement d'un tableau d'avancement, montrer que la relation entre la
quantité n’1 d'éthanol oxydé et la quantité n(Cr2O72–) restant d'ions dichromate restant après cette
oxydation est : n(Cr2O72–) restant = C2V2 –
2
n’1.
3
Cr2O72– est en excès donc l'éthanol est le réactif limitant, il est totalement consommé.
n'
On a n’1 – 3xmax= 0 donc xmax = 1
3
et n(Cr2O72-) i – 2 xmax = n(Cr2O72-) restant
2 ’
on a alors n(Cr2O72-) restant = C2V2 – 2xmax= C2V2 –
n
3 1
2
PARTIE C : Dosage des ions dichromate en l’excès
12. Ecrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction entre les ions dichromate en excès et les ions Fe2+
Cr2O72-(aq) + 14 H+(aq) + 6 e- = 2 Cr3+(aq) + 7 H2O
Fe2+(aq) = Fe3+(aq) + e- (x6)
------------------------------------------------------------------Cr2O72-(aq) + 14 H+(aq) + 6 Fe2+(aq) = 2 Cr3+(aq) + 7 H2O+ 6 Fe3+(aq)
3
3
13. A-t-on réalisé un dosage direct ou indirect de l’éthanol ?
On a réalisé un dosage indirect car c’est l’excès d’ions dichromate qui est
dosé.
1
14. En vous aidant éventuellement d'un tableau d'avancement, montrer qu’à l’équivalence :
n’1=
3
1
C2 V2 –
C3V3E.
2
4
A l’équivalence, les réactifs sont introduits dans les proportions
stœchiométriques donc :
n(Cr2O72-) restant =
C2V2 –
15.
2
2 ’
n =
3 1
d’où n’1=
3
1
C2 V2 –
C3V3E
2
4
Valeur du volume à l’équivalence V3E
V3E = 10,2 mL
1
16. Calculer quantité de matière d’éthanol n’ 1
n’1=
3
1
× 0,10010,0.10-3 – × 0,50010,2.10-3
2
4
1
n’1= 2,25.10-4 mol
17. Déterminer n1 la quantité de matière d’éthanol dans la solution S 1
n1 = 200 n’1
n1 = 4,50.10-2 mol
1
18. Déterminer n0 la quantité de matière d’éthanol dans les 25 mL de vin prélevés pour la distillation.
En supposant que la totalité de l’éthanol a été extrait.
n0 = n1
1
19. Vérification du degré alcoolique du vin dosé.
Définition : Le degré alcoolique d’une boisson alcoolisée correspond au volume d’éthanol
pur en mL présent dans 100 mL de la boisson.
a) Déterminer n la quantité de matière d’éthanol dans 100 mL de vin
n = 4 n0
1
4
b) Déterminer m la masse d’éthanol dans 100 mL de vin
m = n ×M d’où m = 4 n0 × M
m = 4 × 4,50.10-2 ×46
m = 8,28 g
2
c) Déterminer V le volume d’éthanol en mL, puis le degré alcoolique d du vin dosé.
V=
donc V= 8,28 / 079 soit V = 10,5 mL par conséquent le degré
2
alcoolique de ce vin est d = 10,5°
30
TOTAL I
II. Synthèse de l'acide salicylique à partir d'une huile essentielle
Produits
Données physico-chimiques
Salicylate de méthyle
Acide salicylique
M1 = 152,1 g.mol-1 ; Teb = 220-224 °C ; Pureté = 98 %
Masse volumique :  = 1,174 kg.L-1
Très peu soluble dans l'eau (0,69 g.L-1 à 20 °C)
Mac = 138,1 g.mol-1 ; TF = 159 °C ; pKa = 3
Peu soluble dans l'eau (2 g L-1 à 20 °C) ; Très soluble dans l'eau à 100°C
Partie A : Synthèse de l'acide salicylique à partir d'une huile essentielle (acide salicylique brut)
1. Nommer les deux fonctions chimiques présentes dans la molécule d’aspirine
fonction acide carboxylique
fonction ester
2
2. Noter l’apparence du contenu du ballon lors de la synthèse
Mélange homogène, une seule phase
1
3. Calculer la quantité de matière n1 de salicylate de méthyle introduite
A.N.
1
4. Calculer la quantité de matière n2 de soude introduite.
1
A.N.
5. Quel est le réactif limitant ? Justifier la réponse.
le réactif limitant est donc le salicylate de méthyle
5
1
Partie B : Purification de l'acide salicylique par recristallisation
6. Quelle est l’apparence du contenu du ballon au cours de la recristallisation ? Justifier.
Mélange homogène. En effet l’acide salicylique est très soluble à chaud dans
l’eau, il s’est donc dissous.
1
7. Donner l’apparence du contenu du bécher lors de la recristallisation.
Les cristaux d’acide salicylique apparaissent progressivement au fur et à
mesure que la température diminue car sa solubilité diminue également.
2
8. Pourquoi amener le pH aux environs de 2
Il faut se placer à une valeur de pH inférieure à la valeur du pKa de l’acide
salicylique
2
9. Pourquoi convient-il de « casser le vide » pendant le rinçage ?
Pour réaliser un lavage efficace sur le Büchner, il faut un temps de contact
suffisant entre le solide à laver et l’eau. Sans casser le vide, cela n’est pas
possible
1
10. Calculer la valeur de la masse théorique d’acide salicylique qui devrait être obtenu.
A.N.
=
1
11. Masse m de la capsule à vide
Pas de point
12. Pourquoi est-il suffisant de porter l’étuve à une température de 80°C ?
Pour éliminer progressivement l’eau contenue dans l’acide salicylique
1
13. Définir le rendement de votre synthèse et si votre produit synthétisé a eu le temps de sécher,
le calculer.
Le rendement est définit par :
Masse expérimentale d’acide salicylique : mexp = 3,5 g
Rendement aux alentours de 80-85 %
2
6
Partie C : Analyse par chromatographie sur couche mince (CCM)
14. Commenter la CCM
Après élution, on constate que le dépôt du produit synthétisé
ne donne qu’une seule tache. On en déduit donc que ce
produit est pur. De plus cette tache a migré au même niveau
que celle correspondant au dépôt témoin d’acide
salicylique. Par conséquent le produit synthétisé est bien de
l’acide salicylique.
3
15. Par quelle autre méthode auriez-vous pu vérifier la pureté du produit synthétisé ?
Déterminer à l’aide du banc de Koffler, le point de fusion (température de
fusion) de l’acide salicylique synthétisé
TOTAL II
TOTAL GÉNÉRAL (I +II)
7
1
20
50