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XXIIèmes Olympiades de la Chimie

Concours 2006 des classes de terminale

Numéro de candidat

CORRECTION

« Chimie et habitat »

Questions sur les conférences (I)

Données ......................................................................................................................................................2

1. L’eau, notre fée du logis ......................................................................................................................2

2. Le ciment et le plâtre ...........................................................................................................................5

3. Les matières plastiques ........................................................................................................................8

Union des Industries Chimiques

Olympiades de la Chimie

Centre de Pau


Données

On donne les masses molaires suivantes :

M(H) = 1 g/mol M(C) = 12 g/mol M(N) = 14 g/mol

M(O) = 16 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(Mg) = 24,3 g/mol

M(S) = 32 g/mol M(Cl) = 35,5 g/mol M(K) = 39 g/mol

M(Ca) = 40,1 g/mol

1. L’eau, notre fée du logis

L’eau sur notre planète

1.1. Quel est le pourcentage d’eau douce sur Terre ?

[1] 2,5%

1.2. Quel pourcentage de l’eau douce totale représentent les glaciers et les calottes polaires ?

[1] 69%

1.3. Quel pourcentage de l’eau douce totale représentent les lacs et les rivières ?

[1] 0,3%

1.4. L’eau est-elle bien répartie sur la terre ? (expliquez cette répartition)

[1] Non. 10 pays sur terre se partagent 60% des précipitations. L’Afrique comporte des

déserts (Sahara, Kalahari) alors que la partie tropicale est très arrosée et possède de

nombreux lacs et rivières.

1.5. Pourquoi les industriels ont-ils supprimé les phosphates des lessives ?

[1] Parce que les phosphates participaient à l’eutrophisation des lacs et rivières, par la

prolifération des algues puis leur décomposition.

1.6. Le prix de l’eau est-il indépendant du prix du pétrole ?

[1] Non car le prix des produits de traitement de l’eau, son pompage, la construction et

l’entretien des réseaux sont conditionnés par celui du pétrole.


L’eau dans l’habitat

1.7. Pourquoi faut-il aérer l’eau du robinet avant de la boire ?

[1] Pour éliminer le chlore permettant de maintenir l’asepsie de l’eau (2 mg.L-1 durant le plan

vigipirate).

1.8. Quel est le pourcentage du prix de l’eau elle-même pour une bouteille d’eau en plastique ?

[1] 10%

1.9. Une ménagère a oublié une serviette dans un placard humide provoquant ainsi des tâches de

moisissures que ni un lavage à chaud ni un passage chez le teinturier n’ont pu faire disparaître.

Quel conseil donneriez-vous à cette ménagère (sachant qu’elle tient trop à cette serviette pour la

jeter à la poubelle) ?

[1] L’oxydation par le chlore (eau de javel) ou le peroxyde d’hydrogène H2O2

1.10. L’eau de javel est un désinfectant. Quel est l’agent actif dans une solution javellisée ? Quelle

zone de pH est souhaitable pour une efficacité maximale de désinfection ?

[1] L’ion hypochlorite, ClO-

[1] pH < pKa – 1 soit < 6,4 (mais supérieur à 5 pour éviter le dégagement de dichlore toxique)

1.11. Pourquoi faut-il enlever les feuilles tombées dans une piscine ?

[1] Pour éliminer les bactéries qu’elles transportent et éviter la consommation du chlore de

désinfection de la piscine.

1.12. Un jeune étudiant livré à lui-même est confronté à sa première vaisselle (un verre, une assiette

grasse et deux couverts). Sa mère lui a conseillé d’utiliser une bassine, d’y mettre de l’eau et un peu

de détergent. L’étudiant voulant simplifier le protocole verse un peu de détergent sur une éponge et

lave directement la vaisselle préalablement mouillée. Qui a raison ?

[1] L’étudiant, car il faut une concentration minimum de tensioactif pour pouvoir créer les

micelles avec la graisse pour la rendre compatible avec l’eau. Or cette concentration ne sera

atteinte dans la bassine d’eau qu’avec une grande quantité de tensioactif qui sera inutilement

versée à l’évier ensuite.


1.13. Sa mère, prise de pitié, lui offre un lave-vaisselle. Celui-ci comporte des résines adoucisseuses

d’eau, cationique et anionique. Illustrer leur fonctionnement chimique avec le cas d’une eau

contenant de l’hydrogénocarbonate de calcium.

[1] La résine cationique fixera le Ca2+ sous forme RCaR’

[1] La résine anionique fixera le HCO3- sous forme RHCO3

1.14. Comment s’effectue la régénération de ces deux résines ?

[1] La résine cationique : RCaR’ + Na+ = R + R’ + Ca2+

[1] La résine anionique : RHCO3 + Cl- = RCl + HCO3-

L’eau en pratique

1.15. Vous avez constaté que l’eau de Pau ne donne pas de précipité en présence d’une quantité

importante de SDS. L’eau d’un village voisin contient 80 mg.L-1 de Ca2+ et 15 mg.L-1 de Mg2+. Au

cours d’un cycle de lavage, vous mettez 3 gobelets de 30 cm3 de lessive liquide contenant 35% en

masse de tensioactif. On suppose que la lessive liquide a une masse volumique de 1 kg.L-1, que les

tensioactifs sont assimilables à du SDS (M = 288 g.mol-1), que la machine contient 10 L d’eau et

qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un agent anticalcaire si moins de 1% de tensioactif est précipité.

Sachant que 1 Ca2+ ou 1 Mg2+ réagissent avec 2 molécules de SDS, calculez s’il est nécessaire

d’utiliser un agent anticalcaire ou non.

[1] Concentration de tensioactif (SDS) : 30 x 3 x 1 x 0,35 / (288 x 10) = 1,09.10-3 mol.L-1

[1] Concentration en Ca2+ + Mg2+ = (80/40,1) + (15/24,3) = 2,61.10-3 mol.L-1

[1] Fraction consommée : 2,61.10-3 x 2 / 10,9.10-3 = 0,479

[1] Cette valeur est nettement supérieure à 1% donc il faut ajouter un agent anticalcaire.

1.16. Écrire la réaction permettant de passer de l’ion Cu(NH3)42+ à l’ion CuY2- (YH4 symbolise

l’EDTA)

[1] Cu(NH3)42+ + Y4- CuY2- + 4 NH3


1.17. Vous avez vu en TP que le précipité Cu(OH)2 peut donner CuY2- avec l’EDTA. Une eau

contenant les ions calcium et magnésium est amenée à pH = 12 pour précipiter Mg2+. Écrire la

réaction correspondante :

[1] Mg2+ + 2 OH- Mg(OH)2

1.18. Le dosage de Ca2+ par l’EDTA en présence de réactif de Patton-Reeder (PR) met en évidence

une curiosité : au point équivalent, le PR passe du rose fuschia au bleu, comme attendu, mais après

un moment, PR redevient rose fuschia. Si l’on reverse un peu d’EDTA, il redevient bleu mais à

nouveau rose fuschia après un certain temps, etc. Comment expliquer cela ? Quand doit-on arrêter

le dosage ?

[1] L’excès d’EDTA réagit lentement sur Mg(OH)2 donc PR redevient rose fuschia car l’EDTA

est en défaut.

[1] Il faut donc arrêter le dosage au premier virage de PR.

2. Le ciment et le plâtre

2.1. La matière première du plâtre est le gypse. Celui-ci est issu de carrières. Quels composés

contient le gypse brut ? Donnez aussi la formule chimique de ces composés.

[1] Gypse, CaSO4,2H2O (90%), [1] calcaire, CaCO3

[1] argile, [1] silice, SiO2

2.2. Quelle réaction chimique consiste à passer du gypse au plâtre ?

[1] CaSO4, 2 H2O → CaSO4, 1/2 H2O + 3/2 H2O

2.3. Quel est le nom chimique du produit obtenu ?

[1] CaSO4, 1/2 H2O : sulfate de calcium hémihydraté

2.4. À quelle température doit s’effectuer cette transformation ?

[1] 150°C

2.5. À partir de quelle température obtient-on le surcuit ? Donner sa formule brute.

[1] 290°C [1] CaSO4


2.6. Une autre manière d’obtenir du gypse consiste à utiliser du dioxyde de soufre, de l’hydroxyde

de calcium et d’autres réactifs. Écrire l’équation complète avec tous les réactifs.

[1] 2 SO2 + 2 Ca(OH)2 + O2 + 2 H2O 2 (CaSO4,2H2O)

2.7. Quelle est la réaction chimique ayant lieu lors de la prise du plâtre commercial ?

[1] CaSO4, 1/2 H2O + 3/2 H2O CaSO4, 2 H2O

2.8. Pourquoi le plâtre devient-il solide ?

[1] Le gypse formé est peu soluble dans l’eau et cristallise.

2.9. Donner la définition de la solubilité.

[1] C’est la quantité maximale de solide que l’on peut dissoudre, par unité de masse ou de

volume, dans un solvant, à une température donnée.

2.10. Calculer la masse d’eau théorique nécessaire à la prise d’un kilogramme de plâtre en poudre

(forme hémihydrate) à l’aide de l’équation écrite en 2.7.

Mplâtre = 40 + 32 + 4x16 + 1/2 x (2x1 + 16) = 145 g/mol

nplâtre = 1000 / 145 = 6,9 mol

D’après l’équation chimique de la question 2.7, il faut

neau = 3/2 x 6,9 = 10,34 mol.

Meau = 2x1 + 16 = 18 g/mol

[1] Donc : meau = 10,34 x 18 = 186 g

2.11. En pratique, il faut un peu plus d’eau que la quantité théorique calculée, pourquoi ?

[1] Car le mélange doit être pâteux pour être utilisable.

2.12. Pourquoi doit-on attendre longtemps avant de tapisser ou de peindre un plâtre réalisé ?

[1] Il faut attendre que l’eau en trop sorte du plâtre (séchage) sinon la tapisserie ou la

peinture risque de moisir ou de se détacher.

2.13. Quel est le pourcentage massique d’eau contenue dans un plâtre sec ?

En considérant la formule du gypse (CaSO4, 2 H2O) comme celle du plâtre sec :

Mgypse = 40 + 32 + 4x16 + 2 x (2x1 + 16) = 172 g/mol

M2 H2O = 2 x (2x1 + 16) = 36 g/mol

[1] Soit 36x100/172 = 21% d’eau


2.14. Étant donné cette quantité d’eau, pourquoi dit-on que ce plâtre est sec ?

[1] Les molécules d’eau ne sont pas libres, elles sont complexées au sulfate de calcium dans

un système cristallin.

2.15. Quelle est la différence entre le staff et le stuc ?

[1] Le staff est un plâtre armé de fibres végétales, de verre ou d’autres matériaux.

[1] Le stuc est un plâtre avec ajouts chimiques et poudre de pierre (imitation du marbre).

2.16. Quels sont les deux principaux composants du ciment ?

[1] CaCO3 (calcaire) et argiles (aluminosilicates).

2.17. Quel est le nom commercial du ciment ?

[1] Ciment Portland.

2.18. Qu’appelle-t-on la « clinkérisation » ?

[1] C’est la réaction entre le calcaire et l’argile du ciment, vers 1450°C dans un four rotatif.

2.19. Équilibrez les équations d’hydratation du silicate tricalcique et du silicate dicalcique :

[1] 2 Ca3SiO5 + 6 H2O 1 Ca3Si2O7,3H2O + 3 Ca(OH)2

[1] 2 Ca2SiO4 + 4 H2O 1 Ca3Si2O7,3H2O + 1 Ca(OH)2

2.20. Quels sont le nom chimique et le nom usuel de Ca(OH)2 ?

[1] Hydroxyde de calcium, chaux éteinte

Les Olympiades font des miracles, mais tout de même…


3. Les matières plastiques

Quelques pictogrammes

3.1. Sur un emballage, que signifie chacun des pictogrammes suivants ?

[1] matière recyclée [1] matière recyclable

3.2. Question bonus : il vous arrivera peut-être de voyager... Dans quels pays êtes-vous si vous

voyez ces symboles sur un emballage ?

[1] en Chine [1] au Japon

3.3. On trouve les pictogrammes suivants sur les emballages plastiques : un code numérique et/ou

des lettres y figurent. Reliez chaque pictogramme au nom du polymère et chaque nom à sa

molécule :

[7]

Polychlorure de vinyle Polypropylène Polyéthylène téréphtalate Polystyrène

Polyéthylène basse densité Autre + composites Polyéthylène haute densité

[6]

O

OO

O

O* **

Cl

** *

*

**


3.4. Indiquez les noms des polymères qui correspondent aux formules suivantes :

**

CN

[1] Polacrylonitrile (PAN) **

* CO2CH3

[1] Polyméthylméthacrylate (PMMA)

**

F F

F F [1] Polytétrafluoroéthylène (PTFE) * *[1] Polybutadiène

OO

OO

**

OH

CH2OH

OH CH2OH

OH

OH

n[1] Cellulose

OO

OO

**

OH

CH2OH

N

O

CH2OH

N

O

H

H

OH

n[1] Chitine

Le plastique c’est fantastique

3.5. Mais au fait, qu’est-ce qu’un monomère ?

[1] Une molécule utilisée comme motif élémentaire pour réaliser une polymérisation.

3.6. Comment appelle-t-on un polymère qui peut changer de forme lorsqu’on le chauffe ?

[1] Un polymère thermoplastique.

3.7. Comment appelle-t-on un polymère qui ne peut pas changer de forme lorsqu’on le chauffe ?

[1] Une polymère thermodurcissable.

3.8. Qu’est-ce qu’une polyaddition ?

[1] Réaction en chaîne dans laquelle les macromolécules (ou polymères) sont formées par

addition de monomères sur eux-mêmes. Les monomères sont généralement des alcènes.

3.9. Qu’est-ce qu’une polycondensation ?

[1] Réaction d’addition des monomères qui fait intervenir des réactions classiques de chimie

organique entre les groupes fonctionnels, avec élimination ou non d’une petite molécule.

3.10. Quel est le nom en nomenclature officielle de la molécule CH2=CHCl ?

[1] Chloroéthène.

3.11. Quel est le nom courant du polymère obtenu à partir de CH2=CHCl ?

[1] Le polychlorure de vinyle (PVC).


3.12. Ce dernier s’obtient-il par polyaddition ou par polycondensation ?

[1] Polyaddition.

3.13. Le Slime® est fabriqué à partir du PVA. Que signifie PVA ?

[1] Poly Vinyl Alcohol (mot anglais)

3.14. Quelle est la formule semi-développée du PVA ?

[1] —(CH2-CHOH)n—

3.15. Quelle est la masse molaire d’un PVA qui contient 2000 unités monomériques ?

[1] M = (2x12+16+4x1) x 2000 = 88000 g/mol.

3.16. Pour quelle raison le PVA est-il très soluble dans l’eau ?

[1] En raison des fonctions alcools polaires (hydrophiles).

3.17. Dans quelle catégorie de tensioactifs peut-on classer le PVA ?

[1] Les tensioactifs non ioniques (fonction alcool).

3.18. Quelle autre molécule faudrait-il utiliser pour fabriquer un polyester thermodurcissable à partir

du PVA ? Expliquez votre choix.

[1] Un diacide carboxylique, par exemple HOOC-CH2-COOH.

[1] Cela formera des ponts entre les chaînes de PVA. Avec un monoacide, on ne pourrait pas

lier deux chaînes de PVA ensemble.

3.19. Quelle fonction chimique reconnaît-on dans la molécule ci-contre ?

[1] Fonction amide.

3.20. Quel est le nom générique des molécules ayant cette fonction chimique dans un cycle ?

[1] Les lactames.

3.21. Quel est le nom courant du polymère obtenu par sa polymérisation ?

[1] Le nylon-6.

3.22. Qu’est-ce qu’un co-polymère ?

[1] C’est un polymère fabriqué à partir de plusieurs monomères différents.

3.23. Quelle est la différence entre un gel liquide et un gel solide ?

[1] Dans un gel solide, le polymère est réticulé par des liaisons chimiques fortes.

NH

O


[1] Dans un gel liquide, le polymère est réticulé par des liaisons physiques faibles, de type

liaisons hydrogène.

À propos du PET

3.24. Lors de la synthèse du PET, on utilise un chauffage à reflux. Quel matériel utilise-t-on pour

cela ?

[1] Un boy, un chauffe ballon, ballon, réfrigérant à boules ou à chicanes, une ou deux pinces.

3.25. Quel est l’intérêt de cette technique ?

[1] Effectuer la synthèse à température et pression constante, sans perte de matière par

les vapeurs.

3.26. On dispose d’un mélange liquide homogène contenant, entre autres, les trois substances

suivantes : diméthyltéréphtalate (Téb. = 288°C), l’éthane-1,2-diol (Téb. = 196°C) et le méthanol

(Téb. = 65°C). Quelle technique utiliser pour éliminer le méthanol ?

[1] La distillation.

3.27. Dessiner le schéma du montage de cette technique en précisant le nom de chaque élément.

[6] Boy

Thermomètre

Colonne Vigreux

Ballon monocol

Pince

Eau

réfrigérant droit

Récipient collecteur

Chauffe-ballon


A B C

3.28. L’INRS édite des fiches de toxicologie disponibles sur Internet. Que signifie « INRS » ?

[1] Institut National de Recherche et de Sécurité.

3.29. Quels sont les quatre rôles de ces fiches ?

[1] Donner les caractéristiques physico-chimiques des produits.

[1] Avertir des risques liés à l’utilisation des substances chimiques.

[1] Informer de la réglementation concernant le produit.

[1] Donner des recommandations de manipulation et de stockage.

3.30. Lors d’une chromatographie sur couche mince (CCM), on dépose trois substances et on obtient

le chromatogramme ci-contre. Que peut-on en conclure pour chacune des substances A, B et C ?

[1] Le A est une espèce pure (une seule tache).

[1] Le dépôt B contient l’espèce A et une autre, qui est commune au

dépôt C.

[1] Le dépôt C contient deux espèces : celle qui est commune à

l’espèce B et une autre.

3.31. Quelle est la définition du rapport frontal ?

[1] C’est le rapport de la distance parcourue par une tache sur la

distance parcourue par le front de l’éluant.

3.32. Calculez le rapport frontal de la tache de A.

[1] Rf = 1,25 / 4,50 = 0,28

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