Alfred Nobel a été l`inventeur de la dynamite

Devoir 1°S n°2 (chimie)
Données : masses molaires en g/mol : H(1,0) ; C(12,0) ; N(14,0) ; O(16,0) ; Na(23,0) ; Mg(24,3) ;
P(31,0) ; Cl(35,5).
1bar = 105Pascal ; R = 8,31(constante des gaz parfaits)
I (4pt) Le phosphore est un élément chimique. Son symbole est P et son numéro atomique est 15,
son nombre de masse 31. C’est un chimiste allemand, Brand, qui en 1669, cherchant la pierre
philosophale dans l’urine, finit par extraire des restes de l’ébullition des particules irréductibles.
Laissées à l’air elles émettent une faible lumière au cours d’un processus d’oxydation. En grec, ϕϖs
signifie lumière et phosphore « qui porte la lumière ». Peu abondant, le phosphore représente
0,12% de l’écorce terrestre surtout sous forme de phosphates. Son rôle est important dans le
développement des végétaux. Il constitue avec le calcium et l’oxygène la quasi totalité des os et des
dents. Il est a l’origine des feux follets dans les cimetières.
1° Donner sa structure électronique. (0,5pt)
2° Quelle est sa position dans le tableau périodique ? (0,5pt)
3° Quelle est sa valence ? (0,5pt)
4° Donner le schéma de Lewis de la phosphine PH3. (1pt)
5° Donner la formule chimique des ions phosphates. (0,5pt)
6° Donner la formule chimique du phosphate de sodium (solide-neutre) puis écrire l’équation bilan
décrivant la dissolution du phosphate de sodium dans l’eau. (1pt)
II (3pt) On prépare une solution S1 en dissolvant 11,7g de chlorure de sodium dans 500mL d’eau
distillée.
On prépare une solution S2 en dissolvant 3,8g de chlorure de magnésium dans 400mL d’eau
distillée.
1° Ecrire les équations de mise en dissolution pour ces deux solutions. (1pt)
2° Déterminer les concentrations ioniques pour S1 et S2. (1pt)
3° On mélange S1 et S2. Déterminer les concentrations ioniques du mélange. (1pt)
III (6,5pt) Dans l’industrie alimentaire, on cherche à synthétiser des arômes alimentaires. L’arôme
alimentaire à odeur et à saveur de banane est l’acétate de 3-méthylbutyle de formule C7H14O2. Pour
le synthétiser au laboratoire, on fait réagir 30 mL de 3-méthylbutan-1-ol de formule C5H12O avec 20
mL d’acide acétique « glacial » de formule C2H4O2.
1° Ecrire l’équation bilan de la transformation. (1pt)
Réactifs et produit sont à l’état liquide. Il y a formation d’eau.
2° Calculer la masse de chacun des réactifs sachant que la masse volumique du 3-méthylbut-1-ol
est de 0,81g/mL et que celle de l’acide acétique est de 1,03g/mL. En déduire les quantités de
matière initiales. (1,5pt)
3° A l’aide d’un tableau d’avancement, identifier le réactif limitant de cette synthèse.
Quelle quantité d’arôme de banane a-t-on pu produire. (3pt)
4° En ne modifiant que le volume d’acide acétique, comment pourrait-on minimiser les pertes. Une
réponse quantitatives est attendue. (1pt)
IV (6,5pt) Alfred Nobel a été l’inventeur de la dynamite. L’espèce chimique explosive (solide) de
formule C3H5O9N3 se transforme chimiquement en diazote N2, en dioxyde de carbone CO2, en
dioxygène O2 et en eau. La réaction est initiée par un détonateur.
1° Ecrire l’équation bilan de la réaction (Tous les produits formés sont à l’état gazeux). (1pt)
2° On fait réagir 500g d’espèce chimique explosive.
Etablir le tableau d’avancement correspondant. (3pt)
3° Calculer la quantité de matière en gaz produit par l’explosion. (0,5pt)
4° Ce pain de dynamite est utilisé pour détruire un rocher lors de la construction d’un barrage. Pour
cela on creuse un trou dans ce rocher. On introduit la dynamite et l’on colmate le trou. Calculer la
pression du gaz produit par la réaction dans une cavité de volume V = 500cm3. On considèrera que
la température y est alors de 3000°K. Commenter le résultat obtenu. (2pt)
« La vie, c’est comme une bicyclette, il faut avancer pour ne pas perdre l’équilibre »
Correction devoir n° 2 (septembre 2005)
« On ne vous pardonnera pas une équation mal équilibrée »
I 1° (K)2(L)8(M)5
2° troisième ligne quinzième colonne
4° 8 électrons externes soit 4 doubles dont 3liants et un non liant
5° PO436° Na3PO4 d’où Na3PO4 (s) = PO43-(aq) + 3Na+(aq)
3° trivalent
II 1° Le chlorure de sodium et le chlorure de magnésium sont des solides ioniques. Ce sont des
empilements réguliers d’ions. Leur formule est une formule statistique : NaCl(s) signifie qu’il y a
autant d’ions sodium que d’ions chlorure. Lorsque l’on effectue une dissolution de ces solides, cet
empilement se brise, les ions se séparent et se mélanges aux molécules d’eau. C’est le phénomène de
solvatation (voir cours polycopié), ils passent en solution aqueuse Na+(aq) et Cl-(aq). L’équation de
la dissolution donne : NaCl(s) = Cl-(aq) + Na+(aq)
Pour le chlorure de magnésium il faut tenir compte de l’électroneutralité de la matière. La formule ne
peut être que MgCl2. L’équation de la dissolution dans l’eau est : MgCl2(s) = Mg2+(aq) + 2Cl-(aq)
2° On demande de déterminer les concentrations ioniques c’est à dire la concentration de chacun des
ions en solution.
Pour S1 : nNaCl = 11,7/(23+35,5) = 0,20mol donc n(Na+) = n(Cl-) = 0,20 mol
CNaCl = [Na+] = [Cl-] = nNaCl/V d’où [Na+] = [Cl-] = 0,40mol/L
Pour S2 : n(MgCl2) = 3,8/(24,3 + 35,5) = 0,04mol
n(Mg2+) = 0,040mol ; n(Cl-) = 0,080mol
[Mg2+] = 0,10mol/L ; [Cl-] = 0,2mol/L
3° Parler de la concentration du mélange ne veut rien dire. Il faut donner la concentration de chacun
des ions dans la solution. Pour cela il faut déterminer le nombre de mole de chacun des ions dans la
solution. Les ions chlorures étant présents dans les deux solutions de départ.
n(Na+) = 0,20mol ; n(Mg2+) = 0,040mol ; n(Cl-) = 0,080 + 0,20 = 0,28 mol
Le volume total de la solution est de 0,9L, on a alors :
[Na+] = 0,22mol/L ; [Mg2+] = 0,044mol/L ; [Cl-] = 0,31mol/L
III 1° C5H12O(l) + C2H4O2(l) = C7H14O2(l) + H2O(l)
2° m(C5H12O) = 30.0,81
m(C5H12O) = 24,3g
m(C2H4O2) = 20.1,03
m(C2H4O2) = 20,6g
n(C5H12O) = 24,3/88
n(C5H12O) = 0,28 mol
n(C2H4O2) = 20,6/60
n(C2H4O2) = 0,34 mol
état
C5H12O
C2H4O2
C7H14O2
H2O
initial
X=0
0,28
0,34
0
0
En cours
X
0,28 – X
0,34 - X
X
X
final
Xmax
0,28 - Xmax
0,34 - Xmax
Xmax
Xmax
La réaction est terminée lorsqu’un des deux réactif est épuisé c’est à dire lorsque :
0,28 – Xmax = 0 ou 0,34 – Xmax = 0
On choisit évidemment le plus petit Xmax c’est à dire Xmax = 0,28mol.
Le réactif limitant est donc C5H12O. On peut maintenant compléter le tableau d’avancement en
remplaçant Xmax par sa valeur. On a ainsi produit 0,28 mol d’arôme.
3° Il suffit de mélanger les réactifs en proportions stoechiométriques. L’acide acétique est en excès.
Il suffit de n’utiliser que 0,275 mol d’acide soit une masse de 0,28.60 = 16,5g soit un volume de
16,5/1,03 = 16,0mL.
IV 1° 1C3H5O9N3 (s) = 3CO2(g) + 3/2N2(g) + 1/4O2(g) + 5/2H2O(g)
2C3H5O9N3 (s) = 6CO2(g) + 3N2(g) + 1/2O2(g) + 5H2O(g)
4C3H5O9N3 (s) = 12CO2(g) + 6N2(g) + O2(g) + 10H2O(g)
2° n(C3H5O9N3) = m(C3H5O9N3)/M(C3H5O9N3)
n(C3H5O9N3) = 500/227
n(C3H5O9N3) = 2,2 mol
état
C3H5O9N3
CO2
N2
O2
initial
X=0
2,2
0
0
0
En cours
X
2,2 – 4X
12X
6X
X
final
Xmax 2,2 – 4Xmax = 0 6,6
3,3
0,55
2,2 – 4Xmax = 0 donc Xmax = 2,2/4 = 0,55mol
3° ngaz = n(CO2) +n(N2) + n(O2) +n(H2O)
ngaz = 15,9 mol
4° P = nRT/V
500cm3 = 500mL = 0,5L = 5.10-4m3.
-4
P = 15,9.8,31.3000/(5.10 )
P = 7,95.108Pa soit 7950bars
La pression est énorme, 8000fois la pression atmosphérique. La pierre explose.
H2O
0
10X
5,5
Avancement et colliers de perles
Exercice complémentaire pour vous aider à comprendre la notion de tableau d’avancement :
Une entreprise chinoise de fabrication de bijoux décide de délocaliser une de ses usines au Mans.
A) Cette usine doit faire face à une commande de 15000 colliers de perles. Chaque collier doit être
identique et être constitué de 10 perles rouges R et de 6 perles bleues B. Le stock de l’usine est de 10
000 sachets de perles rouges (chaque sachet contient 5 perles), 27 000 sachets de perles bleues (2
perles par sachet).
1° Ecrire l’équation modélisant la fabrication des colliers en tenant compte du fait que les perles du
stock sont en sachet.
2° Construire un tableau d’évolution (ou avancement) et déterminer le nombre de colliers que l’usine
peut fabriquer à l’aide de ses stocks ainsi que l’état des stocks après fabrication.
B) L’usine à fabriqué 10 000 colliers R4B10N (N perle noire) et 15 000 colliers R2B6. Ces colliers ne
conviennent plus au commanditaire. Il décide d’en modifier les formules et veut des colliers R5B11N2
et R5B15.
1° Ecrire l’équation modélisant la transformation des colliers.
2° Construire le tableau d’évolution de la transformation puis faire un bilan final.