Exercice 1

Lorsqu’on trempe une lame métallique de zinc dans une solution de dibrome, une réaction chimique intervient entre le métal et le dihalogène, qui produit des ions bromure et des ions zinc II. La constante d’équilibre de cette réaction vaut : K = 5 . 1061.

1- Ecrire l’équation-bilan de cette réaction. On dissout 22,6 g de bromure de zinc (ZnBr2) dans 500 mL d’eau pure.

2- Calculer les concentrations des ions Zn 2+ et Br en solution. On verse 100 mL de la solution dans un tube en U, muni en son milieu d’une paroi poreuse perméable aux ions. Deux électrodes de graphite disposées à chaque branche du tube sont reliées par un générateur de f.e.m. = 2,5 V, selon le schéma ci-contre : L’intensité peut être mesurée à l’aide d’un ampèremètre intégré au générateur (non représenté sur la figure).

3- Préciser les équations des réactions électrochimiques qui interviennent à chaque électrode.

4- Préciser la nature (en fonction de leur rôle électrochimique) des électrodes.

5- Donner le bilan de l’électrolyse et préciser la constante d’équilibre K′. Au bout d’une heure d’électrolyse, on débranche le générateur. La pesée de l’électrode de la branche (2) montre qu’elle a gagné : Δm = mfinale (électrode (2)) – minitiale (électrode (2)) = 122 mg.

6- Calculer les quantités des produits de l’électrolyse au bout d’une heure.

7- Quelle a été l’intensité moyenne du courant pendant l’heure qu’a duré l’électrolyse ? Après une heure d’électrolyse, on remplace le générateur par un résistor de résistance R.

8- Cocher les cases sur le document réponse se rapportant au système dans cette nouvelle situation.

9- Au bout de plusieurs dizaines de minutes, l’intensité finit par s’annuler. Déterminer alors les concentrations des ions en solution.

Exercice 2

Votre grand-mère possède-t-elle ce type de thermomètre ? Voici un thermomètre de Galilée. Ce thermomètre ancestrale permet de connaître la température ambiante en regardant quelle bulle flotte. En effet, chaque bulle contient un liquide avec une certaine densité qui monte ou descend en fonction de la température.

Le thermomètre de Galilée est un instrument de mesure de la température ambiante T. Il est constitué d’un tube cylindrique en verre scellé contenant un liquide transparent dans lequel sont plongés des boules numérotées de masses différentes mais de volume identique V. Dans toute l’étude, on suppose chaque boule parfaitement sphérique et de densité homogène (en réalité, les boules ont deux extrémités en pointe, un petit médaillon indiquant la température étant accroché à l’extrémité inférieure). La particularité du thermomètre provient du fait que la masse volumique du liquide ρ(T) diminue sensiblement quand la température T (en degrés Celsius) augmente.

Données :

  • ρ(20°) = 1001 kg.m-3
  • ρ(21°) = 1000 kg.m-3
  • Volume boule : V = 10-6 m3 = 1 cm3 Accélération de la pesanteur : g = 10 m.s -2

A T = 20°C, la boule A, complètement immergée, est en équilibre dans le liquide.
A T = 21°C, c’est la boule B qui est en équilibre dans le liquide.
On note respectivement ρA et ρB les masses volumiques des boules A et B.

1- Nommer les forces qui s’exercent sur la boule A.

2- Par application de la première loi de Newton, écrire l’équation vectorielle d’équilibre s’appliquant au centre de gravité de la boule A, immobile, en équilibre dans le liquide, en fonction de g, ρ(20°), ρA, V et k.

3- En déduire la masse volumique ρA de la boule A. Quelle est alors la masse volumique ρB de la boule B ? Calculer la différence de masse des boules A et B, soit Δm = mA – mB, exprimée en milligramme.

4- La température ambiante est de 21°C. On suppose que le tube ne contient que les deux boules A et B. Représenter sur un schéma les positions respectives des 2 boules.

Exercice 3

Énoncé

Adaptation du pH de l’eau d’un aquarium

Un aquarium et tout ce qu’il contient forment un système complexe à l’équilibre fragile. De nombreux facteurs peuvent provoquer un déséquilibre dangereux pour la vie et la santé des poissons. En particulier, le pH de l’eau est une grandeur à mesurer régulièrement et à réguler si nécessaire. Il ne doit pas varier de plus de 0,5 unité de pH.

Un aquariophile débutant n’arrive pas à réguler le pH de son aquarium qui contient des plantes et des poissons (scalaires, néons cardinal et guppys). Le matin, le pH de l’eau est d’environ 6,7 et le soir de 7,5.

Document n°1 : Paramètres optimaux de vie pour différents poissons

PoissonpHTempérature en °C
Guppy6,0 à 8,018 à 30
Scalaire4,5 à 7,027 à 30
Néon cardinal5,0 à 7,025 à 30

et exercice a pour but d’aider l’aquariophile à réguler le fonctionnement de son aquarium.

Sur les forums d’aquariophilie on peut trouver quatre techniques d’ajustement du pH :

Technique n°1. Ajouter un peu d’acide sulfurique, commercialisé, par exemple, sous la dénomination « pH minus ». Il s’agit d’un acide fort, la variation du pH sera rapide et peut-être plus importante que souhaitée.

Technique n°2. Injecter du dioxyde de carbone dans l’eau.

Pour injecter du dioxyde de carbone dans un aquarium, le plus simple est d’utiliser un kit comprenant un bulleur, un détendeur et une bouteille pressurisée.

Ce système peut être couplé à une électrovanne programmable permettant de choisir les horaires des périodes d’injection du dioxyde de carbone.

Le système peut encore être optimisé en combinant un pH-mètre à l’installation, permettant une gestion automatisée de la régulation du pH.

Technique n°3. Ajouter une solution contenant des ions hydroxyde de formule HO–. L’ajout doit être modéré car si l’eau devient trop basique, les ions ammonium présents dans l’eau pourraient se transformer en ammoniac, un gaz dissous particulièrement toxique pour les poissons.

Technique n°4. Ajouter de la craie dans l’eau de l’aquarium.

Données :

  • Les craies traditionnelles sont composées presque exclusivement de carbonate de calcium, un solide ionique constitué d’ions calcium Ca2+ et carbonate CO32- ;
  • Masse molaire du carbonate de calcium : M(CaCO3) = 100 g.mol-1;

  • Masse d’un bâton de craie : environ 10 g.

Couples acide/basepKa
H2CO3/HCO36,3
HCO3/CO32–10,3

Consommation et production de dioxyde de carbone et de dioxygène par les plantes aquatiques et les poissons :

De jour comme de nuit, les poissons respirent ; ils absorbent donc du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone.

En ce qui concerne les plantes, deux phénomènes sont à prendre en compte :

  • De jour comme de nuit, elles respirent.

  • De jour, lorsqu’elles reçoivent de la lumière, les plantes réalisent la photosynthèse : elles captent du dioxyde de carbone et produisent du glucose. La photosynthèse est modélisée par la réaction d’équation suivante : 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Globalement, lorsqu’elle reçoit suffisamment de lumière, une plante absorbe plus de dioxyde de carbone par la photosynthèse qu’elle n’en rejette par la respiration.

Questions

  1. Une solution « pH minus » vendue pour faire baisser le pH dans un aquarium contient des ions H3O+ à la concentration de 3,0 mol.L-1. Pour mettre en œuvre une des techniques, un aquariophile conseille sur un forum de prélever de l’eau de l’aquarium dans un récipient propre afin de diluer 50 fois la solution de « pH minus » avant de l’introduire dans l’aquarium. Déterminer la valeur du pH de la solution versée dans l’aquarium.

  2. Une des techniques propose d’injecter du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau et y forme l’acide carbonique H2CO3 selon la réaction d’équation suivante : CO2(aq) + H2O(l)  H2CO3(aq)

    1. À l’aide des couples acide/base mis en jeu, écrire l’équation de la réaction intervenant entre l’acide carbonique et l’eau.

    2. Quel est l’effet de cette injection de dioxyde de carbone sur la valeur du pH de l’eau de l’aquarium ? Cette injection est-elle à conseiller à l’aquariophile débutant ?

    3. Tracer, sur un axe gradué, les domaines de prédominance des espèces acido-basiques H2CO3 , HCO3 et CO32–. Déterminer l’espèce prédominante le matin et le soir dans l’eau de l’aquarium étudié.

  1. On considère un aquarium de volume 100 L dont l’eau a une valeur de pH égale à 3,0. On se propose d’étudier l’effet de l’ajout de craie dans l’eau comme proposé dans l’une des techniques.

3.1 L’ajout d’un quart de bâton de craie permettra-t-il d’obtenir une solution neutre ?

Pour répondre à cette question, on modélisera la transformation par la réaction intervenant entre les ions carbonate CO32– présents dans la craie et les ions oxonium H3O+ de l’aquarium formant de l’acide carbonique et de l’eau. On considèrera cette réaction comme totale.

3.2 Déterminer l’espèce prédominante après traitement. La modélisation choisie est-elle pertinente ?

4. Synthèse

En s’appuyant, entre autres, sur les équilibres acides/bases mis en jeu, rédiger un paragraphe expliquant :

  • la variation de pH de 6,7 à 7,5 observée en journée.

  • laquelle des quatre techniques convient pour réguler le pH dans l’aquarium considéré.

Exercice 4

Énoncé

La communication chez les abeilles

L’absence de détection des sons, le peu de sensibilité au toucher, et la déficience de la vue dans l’obscurité de la ruche sont remplacés chez l’abeille par des émissions chimiques comme les phéromones. Ces substances sont produites par tous les individus d’une ruche. La transmission du message chimique induit un changement de comportement des abeilles qui le perçoivent.

La phéromone mandibulaire de la reine

Cette phéromone est composée d’un mélange de 5 espèces chimiques. Une de ces espèces identifiée chez l’abeille domestique, et notamment chez la reine, est l’acide
(2E)-9-oxodéc-2-ènoïque dont la formule semi-développée est représentée ci-dessous. Elle assure la cohésion de la colonie en commandant aux ouvrières de nourrir la reine, de la toiletter.

Vous-êtes vous déjà fait piquer par une abeille ? Voici la formule topologique de l’acide (2E)-9-oxodéc-2-ènoïque, la molécule synthétisée par la reine des abeilles. Cette formule vous sera utile pour la suite de l’exercice.

Questions

    1. Recopier la molécule de l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque, encadrer les groupes caractéristiques présents et nommer les familles des fonctions correspondantes.

    1. La molécule d’acide 9-oxodéc-2-ènoïque possède deux stéréoisomères de configuration. Les représenter.

Une autre de ces espèces chimiques, l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque, de formule relativement semblable à la précédente, est émise lors du vol nuptial par la reine pour attirer les mâles.

    1. Le groupe caractéristique hydroxy étant OH, représenter l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque par analogie avec l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque.

    1. La molécule d’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque présente deux types de stéréoisomérie de configuration. Justifier.

Phéromone d’alarme et phéromone d’attaque.

Une des phéromones d’alarme est l’heptan-2-one. Elle est émise, entre autres, quand un intrus s’approche de la ruche ou qu’une abeille est agressée. La réaction d’alerte est immédiate dans la colonie, mais de courte durée.

Comment fait une abeille pour appeler au secours ? Voici le spectre d’absorption infrarouge de l’heptan-2-one, la molécule d’alerte des abeilles.

La phéromone d’attaque est l’éthanoate d’isoamyle. C’est une espèce chimique volatile qui est produite par des cellules bordant la poche à venin. C’est pourquoi, si une abeille pique, les glandes sécrétant cette phéromone restent avec le dard et continuent à émettre le signal d’attaque.

Voici le spectre infrarouge d’absorption de l’éthanoate d’isoamyle. Il s’agit de la molécule contenue dans les phéromones remâchées par les abeilles lors de l’attaque. Celle-ci leur donne du courage et les motive pour le combat.

Pour distinguer ces deux phéromones, on peut avoir recours à la spectroscopie infrarouge.

Voici un tableau qui répertorie les bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques :

Liaison O-HEntre 3100 et 3500
cm-1
Bande forte et large
Liaison O-H des acides carboxyliquesEntre 2500 et 3300 cm-1Bande forte et large
Liaison C-HEntre 2900 et 3100 cm-1Bande moyenne à forte
Liaison C-H de CHOEntre 2650 et 2800 cm-1Double bande moyenne
Liaison C=OEntre 1700 et 1800 cm-1Bande forte
Liaison C-OEntre 1200 et 1300 cm-1Bande forte

Ces spectres ne peuvent être distingués que grâce aux bandes d’absorption dont le nombre d’onde est compris entre 500 et 1500 cm-1.

    1. Attribuer à chaque spectre la molécule de phéromone correspondante, en expliquant votre choix.

Le spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle est représenté ci-dessous. Il comporte :

  • Un doublet à 0,9 ppm ;

  • Un quadruplet à 1,5 ppm ;

  • Un nonuplet (9 pics) à 1,8 ppm ;

  • Un singulet à 2,2 ppm ;

  • Un triplet à 4,1 ppm.

Repérer et numéroter les groupes de protons équivalents de la molécule d’éthanoate d’isoamyle, comme débuté ci-dessous avec l’exemple du groupe n°1 et justifier que le spectre correspond bien à la phéromone d’attaque.

Comment faire de la spectrographie ? Voici le spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle. On y retrouve tous les pics d’absorption.

Le miel source de nourriture

Le miel est la substance naturelle sucrée produite par les abeilles Apis mellifera. On distingue principalement :
• le miel de nectar : miel qui provient des nectars de plantes ;
• le miel de miellat : miel qui provient principalement d’excrétions d’insectes butineurs laissées sur les parties vivantes de plantes ou de secrétions de parties vivantes de plantes.

Les normes alimentaires internationales spécifient que la teneur en sucres réducteurs (glucose, fructose) doit être au minimum de :
• 60 g pour 100 g pour les miels de nectar ;
• 45 g pour 100 g pour les miels de miellat.

On souhaite doser les sucres réducteurs d’un miel de sapin (miel de miellat) par une méthode spectrophotométrique en utilisant un indicateur de présence de sucres réducteurs, le DNS.

Données
• Le DNS ou acide 3,5-dinitrosalicylique présente une forme oxydée de couleur jaune qui réagit de la même façon avec le fructose ou le glucose et se transforme en une forme réduite de couleur rouge.
• Le spectre d’absorption UV-Visible de la forme réduite du DNS présente un maximum d’absorption à la longueur d’onde  = 530 nm.

Protocole utilisé :
• préparer des solutions étalons de glucose dans une solution de DNS en excès ;
• mesurer l’absorbance A de solutions étalons de glucose dans une solution de DNS en excès à la longueur d’onde = 530 nm ;
• réaliser 50,0 mL d’une solution S0, solution aqueuse de miel contenant 0,60 g de miel de sapin ;
• diluer 10 fois la solution S0 dans une solution de DNS en excès ; Soit S1 la solution obtenue.

Questions

1. Expliquer pourquoi le DNS doit être introduit en excès.

2. Ce miel satisfait-il à la norme internationale ?

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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