Devoir surveillé de chimie n°3

Page1sur6

LycéeJansondeSailly Devoir surveillé

de chimie n°3

Annéescolaire2021/2022

ClassedePCSI3

Duréedel’épreuve:2heures

Usagedescalculatrices:autorisé

N.B.Uneprésentationsoignéeestexigée;lesréponsesdoiventêtrejustifiées(avecconcision)etlesprincipauxrésultatsdoiventêtreencadrés.

Ondonnelavaleurdelaconstantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅mol!"⋅K!".

Lasérie«BreakingBad»aétédiffuséedurantcinqsaisonsde2008à2013.Ellenarrelesaventuresd’unprofesseurdechimie,WalterWhite,quisemetàproduiredelaméthamphétamineetquitombedansletraficdedrogue.Onrappellequelaméthamphétamineestunedrogueextrêmementaddictive,quiposederéelsproblèmesdesantépubliquedanscertainspaysparleseffetsgravesqu’elleprovoquesurlasanté.

Cettesériefaitdetrèsnombreusesréférencesàlachimie,dontcertainessontdiscutéesdanscedevoir.

Leproblèmeestconstituédetroispartiesindépendantes.

Page2sur6

I)LesélémentschimiquesdansBreakingBadLesscénaristesontintroduitlesélémentschimiquesenmettantenavantleursymbole.Toutd’aborddansletitredelasérie,quifaitapparaîtrelessymbolesBretBa,maisaussidanslegénérique,puisquelesnomsdesacteursfontapparaîtredessymboleschimiques,commecelaestprécisédansledocument1.

1) SymboleBr

a)Donnerlenomdel’élémentchimiquedesymboleBr,quiintervientdansletitredelasérieetdansleprénomdel’acteurprincipalBryanCranston.b)Écrirelaconfigurationélectroniqued’unatomedecetélémentetfairelelienaveclanotation«2-8-18-7»utiliséedanslacarte.Quelssontlesélectronsdevalence?c)Dansquellecolonnedutableaupériodiqueestsituécetélément?Àquellefamilleappartient-il?Citerlesdeuxpremiersélémentsdecettefamille.d)Seulsdeuxisotopesdel’élémentBrexistentnaturellement:l’isotope Br#$ etl’isotope Br%" .Donnerlacompositiondunoyaudechacundecesisotopes,etendéduireunevaleurapprochéedeleursmassesmolairesrespectives𝑀"et𝑀&(enproposantuneincertitude𝑢(𝑀")et𝑢(𝑀&)pourcesvaleurs).Déterminerl’abondancenaturelledechacundecesdeuxisotopesdubrome.Évaluerl’incertitudedevotreréponse.

2) SymboleBaa)Écrirelaconfigurationélectroniqued’unatomedebaryum.Endéduiredansquellecolonnedutableaupériodiquesetrouvecetélément.b)Lebaryumest-ilunmétalouunnon-métal?Endéduirequelquespropriétésducorpssimplebaryum.c)Lebaryumestunélémenttrèsréactif.Ils’enflammefacilementdansl’air,réagissantavecle

Page3sur6

dioxygènepourproduiredel’oxydedebaryumetaveclediazotepourproduiredunitruredebaryum.Enraisonnantsurlesionscourantsattendus,déterminerlaformulebrutedel’oxydedebaryum,d’unepart,etdunitruredebaryum,d’autrepart.Endéduirealorsleséquationsdesdeuxréactionsdecombustiondubaryumdansl’air.

3) Àpartirdel’épisode1delasaison2etjusqu’àl’épisode9delasaison3,ledirecteurdelaphotographieestMiChaelSlovis,écrittelqu’ilapparaîtdanslegénérique.Àpartirdel’épisode10delasaison3,sonnomapparaîtensuitecommeMiChaelSlovis.Proposeruneexplication.

Lebeau-frèredeWalterWhite,HankSchrader,passionnédeminéralogie,collectionnebeaucoupdecristaux.Dansl’épisode4delasaison4,ilmontresacollectionetenparticulieruncristalderhodoniteàbasedemanganèse.Devantlabellecouleurroseducristal,lehérosWalterWhitedonneuneexplication.

Danslaversionoriginaleenanglais,ildit:«Lesétatsd’oxydationdumanganèsesontcomprisentre−3et+7,cequilefaitpasserpartouteunegammedecouleurscommeleviolet,levert,lebleu.Maisl’étatleplusstableest+2,cequicorrespondgénéralementàunrosepâle.»,maiscurieusementdanslaversionfrançaise,latraductionest«…comprisentre−3et+3».

4) Lemanganèse,desymboleMn,estl’élémentdenuméroatomique𝑍 = 25.a)Endéduiresaconfigurationélectronique,leblocdutableaupériodiqueauquelilappartient,etsonnombred’électronsdevalence.b)Lesnombresd’oxydation(ouétatsd’oxydation)d’unélémentreprésententlesdifférenteschargesquepeutposséderunionmonoatomiquedecetélémentdanslescorpscomposésquilecontiennent,lorsqu’onutiliseunmodèleioniquepourlesliaisons.Laversioncorrecteest-ellelaversionenanglaisoulaversionfrançaise?c)L’ionpermanganateestunionmoléculairedeformuleMnO'!connupoursacouleurviolettecaractéristique.ProposerunestructuredeLewispourcetion,faisantporterlachargenégativesurl’atomeleplusélectronégatif.OnsaitquetouteslesliaisonsMn-Oontstrictementlamêmelongueur;endéduirequ’ilfautcompléterlaformuledeLewispard’autresformules,encitantetexpliquantleconceptutilisé.d)Déterminerlagéométriedel’ionMnO'!enutilisantlaméthodeVSPER.Bienpréciserlavaleurdelamesureendegrésdesanglesentrelesliaisons.Cettemesureest-ellelamêmeentretouteslesliaisons?

II)LefulminatedemercureLefulminatedemercure,deformuleHg(CNO)&estunexplosiftrèssensibleauxchocs.Ilaétéemployédanslesamorcesdecartouchesjusqu’àla2èmeguerremondiale.

Dansl’épisode6delasaison1,lehérosWalterWhitesesortd’unmauvaispasenlançantuncristaldefulminatedemercurequ’ilavaitpréalablementpréparé,cequiprovoqueunediversiongrâceàl’explosiongénérée.

Lapréparationdufulminatedemercureestdécritedansledocument2.

Page4sur6

5) Unesolutiond’acidenitriqueestunesolutionaqueusedanslaquelleonadissouslecorpspur

moléculaireHNO(dansdel’eau.L’équationdecettedissolutionest:HNO((ℓ) → H(aq). + NO(!(aq)

(réactiontotale).Dansl’ionnitrateNO(!,lestroislongueursdeliaisonN-Osontstrictementégales,alorsquecen’estpaslecasdanslamoléculeHNO(,quipossèdeuneliaisonN-Onettementpluslonguequelesdeuxautres.RendrecomptedecespropriétésaumoyendestructuresdeLewisadaptées.

Lapremièreétapedelasynthèseapouréquation:

Hg(ℓ) + 4H(aq). + 2NO(!(aq) = Hg(aq)

&. + 2NO&(g) + 2H&O(ℓ)

Laconstanted’équilibreassociéeàcetteéquationvaut:𝐾° = 0,02à𝑇 = 298K,températurefixéepourtoutecettesynthèse.

Laréactionestmenéedansunréacteurfermé,contenant𝑉/ = 100mLdesolutiond’acidenitriquedeconcentration𝐶 = 5,00mol⋅L!",danslaquelleonintroduitunequantité𝑛0 = 0,10moldemercuremétalliqueliquide.Levolumedelaphasegazeusedisponiblesurmontantlasolutionestde𝑉1 =1,00L.

6) Déterminerquelestleréactiflimitantdanslesconditionsindiquées.

7) Onfaitl’hypothèsequelaréactionestrigoureusementtotale.Déterminerlesquantitésdematièredetouslesréactantsdel’équationàl’étatfinaldanslecadredecettehypothèse(saufl’eau,quiestlesolvantdoncentrèslargeexcès).Montreralorsquecettehypothèsedoitêtrerejetée.

8) L’hypothèsed’uneréactiontotaleayantétérejetée,onendéduitquelaréactionatteintunétatd’équilibrechimique.Onnote𝜉23 l’avancementdelaréactiondanscetétat.Donnerl’expressionduquotientréactionnel𝑄23 enfonctionde𝜉23 etdesparamètresdusystème.Quelleestlavaleurde𝑄23 ?

9) Leréacteurpossèdeuneparoimobile.Àpartirdel’étatd’équilibreprécédent,a-t-onintérêtàtirerlaparoi(pouraugmenterlevolume𝑉1 disponiblepourlaphasegazeuse),oubienàlapousser(pourdiminuer𝑉1),sionveutdéplacerl’équilibredanslesensdelaconsommationdedavantagedemercure?

Ons’intéressemaintenantaufulminatedemercureproduitàl’issuedeladeuxièmeétape.

10) L’ionfulminateapourformuleCNO!.Sachantquel’atomed’azoteestl’atomecentral,montrerquetroisformulesmésomèresrespectantlarègledel’octetpeuventaprioriêtreécrites.Déterminerlaquelledecesformulesest,selonvous,laplusreprésentative.Déterminerlagéométriedel’ionfulminate.

11) Lorsd’unchoc,lefulminatedemercurepeutsedécomposerquasi-instantanémentenlibérantdumonoxydedecarbone,dudiazoteetdumercure.Écrirel’équationdelaréactionde

Page5sur6

décompositionquiseproduitquandWalterWhitejetteàterreuncristaldefulminatedemercure.

12) Sachantquelecristalapourdimensionsapproximatives5cmdelongpour4cm&desection,estimerlevolumedegazlibéréetexpliquerlaraisondel’explosionquiseproduit.

Données:

III)LaphosphineLafindupremierépisodedelasaison1setermineparl’intoxicationpardelaphosphinededeuxtueurspoursuivantlehéros.

LaphosphinePH(,encoreappeléehydruredephosphore,estuncomposégazeuxextrêmementtoxiqueparinhalation.

Onrappellequelephosphoreestl’élémentsituésousl’azotedansletableaupériodique.Laphosphineestdoncl’équivalentphosphorédel’ammoniacNH(.

13) DéterminerlagéométriedesmoléculesNH(etPH(enutilisantlathéorieVSEPR.Danscesmolécules,lesanglesdeliaisonsontétédéterminéségauxàrespectivement107°et94°.Commentercesvaleurs.

14) Laphosphineetl’ammoniacsont-ellesdesmoléculespolaires?Comparerl’intensitédeleurmomentdipolaire.

15) Comparerlapolarisabilitédelaphosphineetdel’ammoniac.

16) Encomparantlesdifférentesforcesintermoléculaires,attribueràlaphosphineetàl’ammoniacleurstempératuresd’ébullitionrespectives:−88℃et−33℃.

17) L’ammoniacestenviron3000foisplussolubledansl’eauquelaphosphine.Interprétercettedifférence.

Laphosphineestunemoléculetrèsstable.Néanmoins,àhautetempérature,ellepeutsedécomposerselonlaréactionsuivante:

PH((g) =14P'(g) +

32H&(g)

Lacinétiquededécompositiondelaphosphineenphasegazeuseafaitl’objetdenombreusesétudes.Onaainsiétabliqu’ils’agissaitd’uneréactiond’ordre1.

Dansl’unedecesétudescinétiques,unequantitéconnuedephosphineaétéintroduiteàl’instantinitial𝑡 = 0dansuneenceintedevolumeconstantinitialementvideetmaintenueàtempératurefixée.

Page6sur6

Laconcentrationvolumiqueenphosphineaétésuivieaucoursdutempsàl’aided’undispositifquineserapasétudiéici.

Lesrésultatsdusuiviàlatempératurede500℃sontregroupésdansletableausuivant:

18) Onnotera𝑘laconstantecinétiquedelaréaction.Sachantquelaréactionestd’ordre1,quelleest

laloidevitesse?Endéduirequelleexpressiondelaconcentration[PH(]estlinéaireenfonctiondutemps.

19) Enutilisantl’ensembledesvaleursfourniesdansletableau,déterminerlameilleurevaleurpossibledelaconstantecinétique𝑘à500℃,assortiedesonincertitude-type𝑢(𝑘).

20) L’énergied’activationdelaréactionvaut𝐸5 = 185kJ⋅mol!".Endéduirelavaleurdelaconstantecinétiqueà20℃.Calculeralorsladuréededemi-viedelaphosphineetcommenterl’affirmation:«Laphosphineestunemoléculetrèsstable.»