Sujet de bac chimie FR 2011 - Ecole Européenne de Strasbourg

BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011
CHIMIE
DATE: 7 juin 2011
DURÉE DE L'EXAMEN :
3 heures (180 minutes)
MATÉRIEL AUTORISÉ :
Calculatrice non graphique et non programmable.
REMARQUE :
 Choisir deux questions A et deux questions B.
 Indiquer les questions choisies en marquant d’une croix les cases
appropriées sur le formulaire fourni.
 Utiliser des feuilles d’examen différentes pour chaque question.
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FR
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A1
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Barème
a)
L’acide mandélique ou acide 2-hydroxy-2-phényléthanoïque peut être purifié à
partir d'amandes amères.
La formule de structure de l’acide mandélique est la suivante:
L'acide mandélique se trouve dans certains produits cosmétiques.
Il est notamment utilisé pour traiter l'acné.
100 cm3 (mL) d'une solution aqueuse d'acide mandélique contiennent 1,59 g
d'acide mandélique.
Le pKa de l'acide mandélique est de 3,85 à 25,0 °C.
i.
Calculer la masse molaire moléculaire de l’acide mandélique.
1 point
On donne :
Les masses molaires atomiques (en g mol-1) :
H : 1,01 ;
C : 12,0;
O : 16,0
ii.
Calculer la concentration molaire de cette solution d’acide
mandélique.
2 points
iii.
Calculer le pH de cette solution d’acide mandélique à 25,0 °C.
3 points
iv.
En utilisant sa structure, expliquer pourquoi l’acide mandélique est
soluble dans l’eau.
2 points
v.
La solubilité de l’acide mandélique est meilleure dans une solution
aqueuse alcaline. Expliquer pourquoi.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A1
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Barème
b)
La concentration de l'acide mandélique dans un autre produit cosmétique
est déterminée par titrage, à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium,
NaOH(aq).
pH
VNaOH / cm3 (mL)
Le graphique ci-dessus représente la courbe de titrage de 25,0 cm3 (mL) de ce
produit cosmétique par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration
1,20 x 10-1 mol dm-3 (mol L–1).
On supposera que l'acide mandélique est le seul acide dans ce produit
cosmétique.
i.
Écrire l'équation de la réaction de titrage en utilisant des formules de
structure.
2 points
ii.
Préciser le pH au point d’équivalence et le volume de la solution de
base ajouté au point d’équivalence.
2 points
iii.
Calculer la concentration molaire de l’acide mandélique dans ce
produit cosmétique.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A1
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Barème
iv.
À l’aide du tableau ci-dessous, suggérer un indicateur approprié pour
effectuer ce titrage. Justifier le choix.
v.
c)
Indicateur
Zone de pH
bleu de thymol
1,2 – 2,8
bleu de bromophénol
3,0 – 4,6
phénolphtaléine
8,3 – 9,8
Quelle donnée relative à l’acide peut-on tirer de la valeur du pH au
point de demi-équivalence?
2 points
1 point
Afin de maintenir constant le pH d’un produit cosmétique contenant l’acide
mandélique, une solution tampon est nécessaire.
i.
Suggérer comment préparer une solution tampon à partir de
l'acide mandélique (aucun calcul n'est nécessaire).
2 points
ii.
Dans quelle zone de pH cette solution tampon serait-elle efficace?
2 points
iii.
Écrire les équations montrant comment cette solution tampon
réagit lors de l’addition d’un acide ou d’une base.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A2
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Barème
a)
Les piles à combustible sont utilisées dans les engins spatiaux comme
source d'énergie électrique. Certaines de ces piles utilisent le dihydrogène,
H2(g), et le dioxygène, O2(g), comme réactifs. Les gaz diffusent à travers une
électrode poreuse en carbone et réagissent dans une solution basique.
Le platine est utilisé pour catalyser la réaction.
On donne:
Les potentiels standard rédox des couples concernés :
Couple
b)
E / V
H2O(l) / H2(g)
– 0,83
O2(g) / OH-(aq)
+ 0,40
i.
Identifier le type de réaction se déroulant à l'électrode positive et écrire
la demi-équation correspondante.
2 points
ii.
Écrire la demi-équation de la réaction se déroulant à l'électrode
négative.
1 point
iii.
Écrire l'équation-bilan de la réaction actionnant la pile.
1 point
iv.
Expliquer comment évolue le pH dans chaque demi-élément lorsque la
pile fonctionne.
2 points
v.
Calculer la force électromotrice (f.e.m.) de la pile dans les conditions
standard.
1 point
Les piles à combustible plus récentes utilisent une solution basique
d'hydrazine, N2H4 (aq), et du dioxygène, O2(g), comme réactifs.
Les demi-équations appropriées sont :
N2H4(aq) + 4OH-(aq) ⇌ N2(g) + 4H2O(l) + 4eO2(g) + 2H2O(l) + 4e- ⇌ 4OH-(aq)
i.
Écrire l'équation-bilan de la réaction actionnant la pile.
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1 point
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Question A2
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Barème
ii.
L'hydrazine se comporte-t-elle comme un agent oxydant ou comme un
agent réducteur dans cette réaction? Expliquer votre réponse en utilisant
les nombres d'oxydation.
2 points
iii.
Calculer le volume de dioxygène gazeux consommé en une heure par la
pile dans les conditions standard quand la pile débite un courant
constant de 500 mA.
3 points
On donne :
Le volume molaire d’un gaz dans les conditions standard : 24,5 dm³ mol-1
(L mol-1).
1 Faraday = 9,65 x 104 C mol-1.
c)
Un chimiste veut convertir les ions chlorure, Cl-(aq), en dichlore, Cl2(g).
i.
Parmi ceux qui figurent dans le tableau ci-dessous, quel est le réactif
le plus approprié pour effectuer cette réaction? Justifier le choix.
ii.
Écrire l’équation-bilan de la réaction.
2 points
2 points
On donne :
Les potentiels standard rédox :
Demi-équation de réduction
d)
EӨ / V
MnO4-(aq) + 8H+(aq) + 5e- ⇌ Mn2+(aq) + 4H2O(l)
+ 1,51
Cl2(g) + 2e- ⇌ 2Cl-(aq)
+ 1,36
Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) + 6e- ⇌ 2Cr3+(aq) + 7H2O(l)
+ 1,33
L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium, NaClO(aq).
L’hypochlorite de sodium réagit en milieu acide avec l'iodure de potassium,
KI(aq), pour donner du diiode, I2(aq), qui peut être titré à l’aide d’une solution
de thiosulfate de sodium, Na2S2O3(aq), de concentration connue.
i.
Écrire l’équation de la réaction entre les ions ClO-(aq) et I-(aq) en milieu
acide pour former Cl-(aq) et I2(aq).
2 points
ii.
Écrire l’équation de la réaction de I2(aq) avec les ions S2O32-(aq). On
obtient des ions I-(aq) et des ions tétrathionate, S4O62-(aq).
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A2
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Barème
Un échantillon de 25,0 cm3 (mL) de cette eau de Javel est dilué jusqu’à
l’obtention de 250 cm3 (mL) de solution.
25,0 cm3 (mL) de cette solution sont ajoutés à un excès d’une solution
acidifiée d’iodure de potassium, KI(aq).
Cette dernière solution est titrée avec une solution de thiosulfate de sodium
de concentration 2,00 x 10-1mol dm-3 (mol L-1).
Le titrage nécessite 18,5 cm3 (mL) de la solution de thiosulfate de sodium.
iii.
Déterminer la concentration d’hypochlorite de sodium dans cet
échantillon d’eau de Javel.
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4 points
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Question A3
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Barème
a)
L’ammoniac, NH3(g), est obtenu selon le procédé Haber-Bosch, un procédé au
cours duquel le diazote, N2(g), et le dihydrogène, H2(g), réagissent sous haute
pression et en présence d’un catalyseur.
S’agit-il d’une réaction rédox ou d’une réaction acide-base selon la théorie
de Brønsted-Lowry? Justifier votre réponse.
2 points
b) Le carbonate de sodium, Na2CO3(s), peut être obtenu industriellement par le
procédé Solvay.
Dans ce procédé, le dioxyde de carbone, CO2(g), barbote dans une solution
saturée de chlorure de sodium, NaCl(aq), et d’ammoniac.
Il en résulte la production de chlorure d’ammonium, NH4Cl(aq), et
d’hydrogénocarbonate de sodium, NaHCO3(s).
Par chauffage, l’hydrogénocarbonate de sodium est décomposé.
Entre autres, il se forme du carbonate de sodium et du dioxyde de carbone.
c)
i.
Écrire l’équation de la réaction qui conduit à l’obtention de
l’hydrogénocarbonate de sodium et du chlorure d’ammonium.
2 points
ii.
Écrire l’équation de la réaction de décomposition thermique de
l’hydrogénocarbonate de sodium.
2 points
i.
Écrire l’équation de la préparation de l’ammoniac à partir de chlorure
d’ammonium, NH4Cl(s), et d’oxyde de calcium, CaO(s).
2 points
ii.
Calculer le pH d’une solution aqueuse d’ammoniac contenant
4,89 g d’ammoniac dans 500 cm3 (mL) de solution à 25,0 °C.
3 points
On donne:
Le pKb de NH3(aq) à 25,0 °C : 4,75
Les masses molaires atomiques (en g mol-1) :
H : 1,01 ;
N : 14,0
iii.
Une solution aqueuse de chlorure d’ammonium est-elle acide, neutre
ou basique ? Écrire l’équation appropriée.
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2 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question A3
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Barème
d) En 1906, Ostwald a développé une méthode d’obtention de l’acide nitrique,
HNO3(aq), en trois étapes successives .
Dans une première étape, l’ammoniac réagit lors d’une combustion avec le
dioxygène, O2(g), de l’air, à haute température (700 °C) et en présence d’un
catalyseur. On obtient du monoxyde d’azote, NO(g), et de l’eau.
Dans une seconde étape, après avoir refroidi le monoxyde d’azote à 200 °C,
celui-ci est oxydé en dioxyde d’azote, NO2(g).
Dans la troisième étape, le dioxyde d’azote réagit avec l’eau pour former de
l’acide nitrique et du monoxyde d’azote.
i.
Écrire les équations correspondant aux trois étapes du processus
d’obtention de l’acide nitrique.
ii. Une usine produit chaque jour 5,00 x 105 kg d’acide nitrique pur.
Calculer, dans les conditions standard, le volume d’ammoniac nécessaire
à l’obtention de cette masse d’acide, afin de maintenir cette production
journalière.
4 points
4 points
On donne:
Le volume molaire d’un gaz aux conditions standard: 24,5 dm3 mol-1(L mol-1)
Les masses molaires atomiques (en g mol-1):
H: 1,01 ; N: 14,0 ; O: 16,0
e)
L’argent, Ag(s), peut réagir avec l’acide nitrique, HNO3(aq), pour former une
solution de nitrate d’argent, AgNO3(aq), et du monoxyde d’azote, NO(g).
i.
Écrire l’équation-bilan rédox de cette réaction.
2 points
ii.
En utilisant les potentiels rédox fournis dans le tableau ci-dessous,
expliquer pourquoi l’or, Au(s), ne peut être attaqué par l’acide nitrique.
2 points
On donne: les potentiels standard rédox:
EӨ / V
Couple
Ag+(aq) / Ag(s)
+ 0,80
NO3-(aq) / NO(g)
+ 0,96
Au3+(aq) / Au(s)
+ 1,42
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Question B1
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Barème
a)
Un aldéhyde peut être converti en nitrile en réagissant avec le composé X.
Le nitrile obtenu peut être hydrolysé par l'acide chlorhydrique, HCl(aq),
bouillant. On obtient un acide carboxylique, comme indiqué ci-dessous :
X

HC
l
On considère le schéma réactionnel suivant:
A X

B HC
l C
dans lequel C représente le composé CH3-CHOH-COOH.
i.
Donner le nom systématique et écrire la formule de structure du
composé A.
2 points
ii.
Donner le nom systématique du composé C.
1 point
iii.
Écrire la formule du réactif X qui permet de transformer A en B.
1 point
iv.
Décrire le mécanisme de la transformation de A en B.
Montrer le mouvement des paires électroniques à l’aide de flèches.
3 points
Le composé A peut être préparé par oxydation d’un autre composé.
v.
Donner le nom systématique et écrire la formule de structure de cet
autre composé.
2 points
vi.
Donner le nom systématique du produit obtenu par l’oxydation du
composé A à l’aide d’une solution acidifiée de dichromate de
potassium, K2Cr2O7(aq).
1 point
vii.
Le composé C est-il un acide plus fort ou un acide plus faible que
l’acide propanoïque? Justifier la réponse.
3 points
Quand l’acide propanoïque est dissous dans un solvant non polaire, sa
masse molaire moléculaire semble être le double de la valeur attendue.
viii.
Suggérer une raison expliquant ce comportement sur base de sa
structure moléculaire.
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2 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B1
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Barème
b) Un composé D a une masse molaire moléculaire de 118 g mol1.
Une analyse a montré que sa composition centésimale en masse est :
C: 50,8 % ; H: 8,50 % ; O: 40,7 %.
i.
Montrer que la formule moléculaire du composé D est C5H10O3.
2 points
On donne:
Les masses molaires atomiques (en g mol-1) :
H : 1,01 ; C : 12,0; O : 16,0
Le composé D, mélangé à une solution d’hydroxyde de sodium, NaOH(aq),
est porté à ébullition.
Le mélange obtenu est neutralisé à l’aide d’un acide.
On obtient alors le composé C, dont la formule est CH3-CHOH-COOH, et un
alcool E.
ii.
Écrire les formules de structure développées et donner les noms
systématiques des composés D et E.
4 points
iii.
Écrire l’équation de la réaction réversible entre les composés C et E
qui produisent le composé D.
2 points
iv.
Préciser les conditions expérimentales nécessaires pour que la
réaction étudiée au b) iii. ci-dessus ait lieu.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B2
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Barème
a)
On considère les amines suivantes :
dopamine
tyramine
adrénaline
noradrénaline
i.
Pour chacune de ces amines, indiquer s’il s’agit d’une amine primaire,
secondaire ou tertiaire.
2 points
ii.
Donner le nom d’un autre groupement fonctionnel que l’on trouve sur
chacune de ces quatre amines.
1 point
iii.
De la noradrénaline ou de la tyramine, quelle est l’amine la plus
soluble dans l’eau? Justifier la réponse.
2 points
iv.
Expliquer pourquoi le pKb de la noradrénaline (pKb = 5,42) est
supérieur au pKb de l’adrénaline (pKb = 4,84).
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B2
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Barème
b) On considère les acides aminés suivants :
glycine (Gly)
alanine (Ala)
phénylalanine (Phe)
i.
Expliquer pourquoi le pKa du groupement fonctionnel -COOH de
l’alanine est inférieur à celui de l’acide propanoïque.
2 points
ii.
La masse molaire moléculaire de la glycine est pratiquement identique
à celle de l’acide propanoïque. Expliquer pourquoi la température de
fusion de la glycine est pourtant nettement supérieure à celle de l’acide
propanoïque.
2 points
L’alanine peut présenter une activité optique et un caractère amphotère.
iii.
Définir les deux termes soulignés.
2 points
iv.
Donner la représentation tridimensionnelle des deux énantiomères de
l’alanine.
1 point
v.
Expliquer pourquoi la glycine ne peut pas présenter d’activité optique.
1 point
vi.
En écrivant des équations appropriées, illustrer le caractère amphotère
de l’alanine en solution aqueuse.
2 points
La structure primaire d’un tripeptide est Ala-Gly-Phe.
vii.
Écrire la formule de structure semi-développée du tripeptide résultant
de la condensation de ces trois acides aminés.
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2 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B2
Page 3/3
Barème
c)
Le Kevlar est un exemple de polymère synthétique obtenu par réaction entre le
1,4-diaminobenzène et l’acide benzène-1,4-dicarboxylique.
i.
Écrire les formules de structure développées du 1,4-diaminobenzène et
de l’acide benzène-1,4-dicarboxylique.
2 points
ii.
Écrire la formule de structure semi-développée de l’unité structurale
(unité répétitive ou motif) du Kevlar.
2 points
iii.
Expliquer pourquoi le Kevlar est hydrofuge mais est soluble dans un
acide.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B3
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Barème
a)
Un des acides gras essentiels est l'acide linoléique. Il ne peut pas être
synthétisé par l'organisme humain et doit donc provenir de l'alimentation.
La formule de l'acide linoléique est représentée ci-dessous :
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
Le degré d'insaturation de l'acide linoléique peut être déterminé par addition de
diiode, I2(aq).
L’indice d’iode représente la masse (en grammes) de diiode qui s’additionne à
100 g d’un composé insaturé.
i.
Écrire l'équation de la réaction du diiode avec l'acide linoléique.
2 points
ii.
Calculer l'indice d'iode de l'acide linoléique.
3 points
iii.
Écrire la formule de structure semi-développée du triglycéride obtenu
lors de la réaction du propane-1,2,3-triol avec l'acide linoléique.
2 points
iv.
Montrer que l'indice d'iode du triglycéride obtenu en a) iii. vaut 174.
1 point
On donne:
Les masses molaires moléculaires (en g mol-1):
acide linoléique: 280; triglycéride de l’acide linoléique: 878
La masse molaire atomique (en g mol-1):
I: 127
La réaction d'hydrogénation est utilisée pour diminuer le degré d'insaturation
de certaines huiles lors de la production de margarine. Généralement, les
triglycérides d'une margarine ont un indice d’iode proche de 85.
v.
En supposant que les triglycérides présents dans les margarines ont
une masse molaire moléculaire similaire à celle du triglycéride de
l’acide linoléique, indiquer le nombre de doubles liaisons C=C
présentes dans une molécule d’un triglycéride d’une margarine.
1 point
vi.
Expliquer la différence de température de fusion entre l'huile de départ
et la graisse partiellement hydrogénée.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2011: CHIMIE
Question B3
Page 2/2
Barème
b) Une hydrogénation complète du triglycéride de l’acide linoléique conduit au
triglycéride de l’acide octadécanoïque.
Celui-ci peut être utilisé pour la fabrication d’un savon.
i.
Écrire l'équation de la réaction de saponification en utilisant des
formules de structure simplifiées et donner les noms systématiques
des produits de la réaction.
4 points
ii.
Calculer le volume de solution d’hydroxyde de potassium, KOH(aq), de
concentration 10,0 mol dm-3 (mol L–1) nécessaire pour saponifier
1,00 x 103 kg du triglycéride de l’acide octadécanoïque.
2 points
On donne:
La masse molaire moléculaire du triglycéride de l’acide octadécanoïque
(en g mol-1): 890.
c)
En solution aqueuse, un savon forme une émulsion avec les graisses.
i.
À l'aide de schémas légendés, expliquer comment un savon agit
comme agent émulsifiant.
3 points
ii.
Expliquer pourquoi une eau dure nuit à l'action d'un savon.
2 points
iii.
Pourquoi les détergents anioniques synthétiques agissent-ils
efficacement dans une eau dure ?
1 point
iv.
Indiquer les inconvénients liés à l’utilisation des détergents
synthétiques.
2 points
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