Physique
chimie, synth�se et propri�t� lavante d'un savon, la pollution par le
dioxyde de soufre,
hypochlorite et eau de Javel.
E3C : enseignement de sp�cialit� premi�re g�n�rale.
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Synth�se
et propri�t� lavante d'un savon.
Protocole de la
synth�se d’un savon : l’ol�ate de sodium
�tape 1 : verser dans un ballon :
- 13,6 g d’huile d’olive (on consid�re que l’huile d’olive est de
l’ol�ine pure) ;
- 20 mL d’�thanol ;
- 20,0 mL de soude � 10 mol∙L-1 (en exc�s) ;
- quelques grains de pierre ponce.
�tape 2 : chauffer � reflux le m�lange r�actionnel pendant 20 minutes
environ.
�tape 3 : laisser refroidir le m�lange quelques minutes puis le verser
dans un b�cher contenant 200 mL d’une solution aqueuse concentr�e de
chlorure de sodium.
�tape 4 : le pr�cipit� obtenu, l’ol�ate de sodium, est le savon. Il est
filtr�, rinc� � l’eau sal�e, s�ch�, puis pes�.
�quation de la r�action mod�lisant la synth�se de l’ol�ate de sodium.
R est un groupe qui contient 17 atomes de carbone reli�s entre eux.
1. Esp�ces chimiques mises
en jeu dans la synth�se du savon.
1.1 L'eau
1.1.1 �tablir le
sch�ma de Lewis de la mol�cule d'eau en d�terminant au pr�alable le
nombre total d’�lectrons de valence.
L'oxyg�ne compte 6 �lectrons de valence ; l'hydrog�ne compte un
�lectron de valence.
1.1.2
Interpr�ter la g�om�trie coud�e de cette mol�cule.
Sch�ma de Lewis de la
mol�cule d'eau : 
g�om�trie de la mol�cule d'eau : mod�le VSEPR
type AX2E2 : 2 paires liantes et deux doublets
non liants autour de l'oxyg�ne, atome central.
Ces 4 paires se disposent autour de l'atome central, de telle mani�re
que les r�pulsions soient minimales.La
mol�cule d'eau � la forme d'un V : l'angle est inf�rieur � 109 � 28 ,
la r�pulsion entre les doublets non liants �tant plus importante que la
r�pulsion entre les doublets liants.
1.1.3 En
d�duire le caract�re polaire ou apolaire de la mol�cule d'eau en
justifiant votre r�ponse.
L'atome d'oxyg�ne porte deux paires d'�lectrons non liantes. l'atome
d'oxyg�ne est plus �lectron�gatif que l'atome d'hydrog�ne. La mol�cule
d'eau est polaire.
1.1.4 Justifier
que l’huile ne soit pas soluble dans l’eau.
L'huile porte de longues cha�nes carbon�es apolaires. De ce fait
l'huile n'est pas soluble dans l'eau.
1.2 La soude.
.La soude est une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium. Elle est
obtenue dans le cas de cette synth�se par dissolution dans l'eau d'un
�chantillon d'hydroxyde de sodium NaOH solidede masse m = 400 g pour
obtenir un volume V = 1,0 L de solution.
1.2.1 Exprimer,
puis calculer la concentration en quantit� de mati�re en solut� apport�
de lasolution de soude.
n = m / M(NaOH) = 400 / 40 = 10 mol dans 1 L.
1.2.2 �crire
l'�quation de la r�action qui mod�lise la dissolution de l'hydroxyde de
sodium solide NaOH(s) dans l'eau.
NaOH(s) --> Na+aq + HO-aq.
1.2.3 Exprimer puis
calculer les concentrations en quantit�s de mati�re effectives des ions
pr�sents dans la solution de soude.
[Na+aq] =[HO-aq] = C = 10 mol / L.
2. Analyse du protocole de synth�se
du savon
2.1. �tude
qualitative � partir des donn�es fournies
2.1.1 Pr�ciser le
r�le de l’�thanol dans l’�tape 1 en justifiant votre r�ponse.
L'�thanol joue le r�le de solvant. L'eau et l'�thanol sont miscibles ;
l'huile est soluble dans l'�thanol.
2.1.2 Apr�s le
chauffage, on r�alise les deux �tapes suivantes d�crites sur la figure
3 cidessous
Justifier l’utilisation d’eau sal�e dans l’�tape 3 et indiquer le nom
du dispositif utilis� � l’�tape 4 et son int�r�t.
Le savon est insoluble dans l'eau sal�e. Il pr�cipite.
Filtration sur
B�chner : par rapport � une filtration simple, filtration plus
efficace et le solide r�cup�r� est plus sec.
2.2 �tude quantitative
On cherche � d�terminer le rendement de la synth�se du savon. La masse
du savon obtenu est �gale � mexp = 10,5 g.
2.2.1 V�rifier que
la soude est le r�actif introduit en exc�s.
n(soude) =20,0 x 10 = 200 mmol = 0,200 mol.
n(huile) = 13,6 /M(huile) = 13,6 / 884=0,0154 mol.
0,0154 mol d'ol��ne r�agissent avec 3 x0,0154 ~0,046 mol de soude.
Celle-ci est donc en esc�s.
2.2.2 D�terminer le
rendement de cette synth�se. Commenter.
Quantit� de mati�re th�orique de savon : 3 x0,0154 = 0,0462 mol.
Masse th�orique de savon : 0,0462 M(savon) =0,0462 x 304 ~14,0 g.
Rendement : masse r�elle / masse th�orique = 10,5 / 14,0 =0,75.
Ce rendement est assez �l�v�.
3. Propri�t�s
lavantes d'un savon
On s’int�resse d�sormais aux propri�t�s lavantes d’un savon.
On peut repr�senter sch�matiquement l’ion ol�ate, l’ion actif du savon
de la fa�on suivante :
3.1 Caract�riser les parties 1 et 2
des sch�mas de l’ion � l'aide du vocabulaire suivant : hydrophile,
hydrophobe, lipophile, lipophobe.
La longue chaine carbonn�e ( partie 1) est hydrophobe et lipophile ; la
partie 2 est hydrophile et lipophobe.
3.2 En d�duire,
parmi les sch�mas suivants, celui qui peut expliquer le mode d'action
d'un savon. D�crire en un sch�ma et/ou une ou deux phrases l’�tape
suivante menant � l’�limination de la tache de graisse lors du lavage
par du savon.
La
partie lipophile ( hydrophobe) se fixe sur la graisse ; la partie
hydrophile reste dans l'eau.
En frottant, la tache de graisse se d�tache du tissu et se trouve
entra�n�e dans l'eau.
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Pollution par le dioxyde de soufre.
L’objectif
de l’exercice est de comparer la teneur en soufre d’un fioul domestique
datant de 1960 et d’un fioul domestique � nouvelle g�n�ration �.
La m�thode europ�enne de r�f�rence utilis�e pour la mesure de la
quantit� de mati�re de dioxyde de soufre gazeux est la fluorescence
ultraviolette.
On se propose de d�terminer la quantit� de mati�re de dioxyde de soufre
produite lors de la combustion des deux fiouls par une m�thode pouvant
�tre mise en oeuvre dans un laboratoire de lyc�e, un titrage ayant pour
support une r�action d’oxydo-r�duction.
Donn�es
- Couples oxydant-r�ducteur mis en jeu :
MnO4-aq / Mn2+aq et SO42-aq / SO2 aq.
- Dans le titrage, parmi les esp�ces pr�sentes, seuls les ions permanganate MnO4-aq conf�rent � la solution aqueuse une couleur violette.
Soit S1 une solution aqueuse contenant une quantit� de
mati�re de dioxyde de soufre identique � celle utilis�e pour la mesure,
par la m�thode europ�enne de r�f�rence, � la fin de la combustion
totale du fioul � nouvelle g�n�ration �.
On r�alise le titrage d’un volume V1= 20,00 � 0,02 mL de solution S1
introduite dans un b�cher par une solution aqueuse de permanganate de
potassium acidifi�e dont la concentration en quantit� de mati�re est C2 = (7,50 � 0,01) x 10-3mol.L-1.
Lors du titrage, l’�quivalence est obtenue pour un volume vers� VE = 8,5 � 0,4 mL de la solution aqueuse de permanganate de potassium.
1. Une des
impuret�s soufr�es dans le fioul, �voqu� dans l’introduction, est le
soufre. �crire l’�quation de la r�action mod�lisant la combustion du
soufre S(s).
S(s) + O2(g) --> SO2(g).
2. R�aliser et l�gender pr�cis�ment le sch�ma du montage utilis� pour r�aliser le titrage.
3. �tablir, � l’aide des donn�es l’�quation de la r�action d’oxydo-r�duction support du titrage �crite ci-apr�s:
2 fois {
MnO4- + 8H+ +
5e- = Mn2+ + 4H2O
} l'oxydant
MnO4-se r�duit.
5 fois { SO2
+2H2O = SO42- +
4H+ +2e-
} le r�ducteur SO2 s'oxyde.
dans le bilan pas d'�lectrons :
2 MnO4- + 5SO2
+2H2O = 2 Mn2+ +5
SO42- + 4H+.
4. D�finir l’�quivalence d’un titrage.
A l'�quivalence, les quantit�s de mati�re des r�actifs sont en
proportions stoechiom�triques. Avant l'�quivalence, l'ion permanganate
est en d�faut, apr�s l'�quivalence il est en exc�s.
5. D�crire
qualitativement comment �voluent, au cours du titrage, les quantit�s de
mati�re des esp�ces chimiques pr�sentes dans le b�cher.
La quantit� de mati�re de SO2 aq diminue ; celles de SO42- et Mn2+aq croissent.
6. Indiquer comment s’effectue le rep�rage de l’�quivalence, en pr�cisant votre raisonnement.
Avant
l'�quivalence, l'ion permanganate est en d�faut ( solution incolore ),
apr�s l'�quivalence il est en exc�s ( teinte violette ).
7. On note n1, la quantit� de mati�re initiale de dioxyde de soufre et n2,
la quantit� de mati�re des ions permanganate vers�s pour atteindre
l’�quivalence. Donner la relation entre les quantit�s de mati�re de
r�actifs introduits � l’�quivalence.
2n1 = 5 n2 ; n1 = 2,5 x C2 VE.
8. L’incertitude-type sur la quantit� de mati�re de dioxyde de soufre �tant �valu�e � une valeur de 8x10-6
mol lors de ce titrage, donner un encadrement � la valeur de la
quantit� de mati�re initiale de dioxyde de soufre dans la solution S1.
n1 = 2,5 x 8,5 10-3 x 7,50 10-3 =1,59 10-4 � 8 10-6 mol. [ 1,51 10-4 ; 1,67 10-4 mol / L].
9. La quantit� de mati�re de dioxyde de soufre dans le fioul datant de 1960 est d�termin�e �gale � 2,5 x 10-2
mol, ce qui correspond � une teneur en soufre de 0,8 %. Estimer la
teneur en soufre du fioul � nouvelle g�n�ration �. Commenter.
1,59 10-4 /(2,5 10-2) x 0,8 =5,1 10-3 %.
Le fioul nouvelle g�n�ration contient 0,8 /(5,1 10-3) =157 fois moins de soufre que le fuel des ann�es 60.
10. Il est possible
d’acheter du fioul domestique, notamment sur internet. Certains sites
utilisent le terme de � fioul d�soufr� �. Justifier cette appellation.
Le fuel nouvelle g�n�ration contient tr�s peu de soufre.
11. La fermeture
des centrales thermiques produisant de l’�lectricit� permettra-t-il
d’atteindre les objectifs �cologiques qui sont de r�duire de fa�on
significative les �missions de gaz � effet de serre d’ici 2050 et
autres polluants gazeux ? Justifier et proposer une alternative pour
produire de l’�lectricit�.
La production d'�lectricit� via les centrales thermiques � combustibles fossiles repr�sentent pr�s de 40 % des �mmissions de CO2. La fermeture de ces centrales permettra de se rapprocher des objectifs �cologiques.
Alternative : photovolta�que, �olien, hydraulique..
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Hypochlorite et eau de Javel.
L’eau de Javel est une solution aqueuse contenant des ions hypochlorite CℓO−(aq).
Le but de cet exercice est d’expliciter certaines des indications
donn�es par un fabricant proposant deux types de conditionnement,
flacon et berlingot, et d’�tudier une m�thode de dosage de l’eau de
Javel.
Flacon de 2L, concentration 9 �chl ; berlingot de 250 mL, concentration 36�chl.
1. Degr� chlorom�trique d’une eau de Javel.
Industriellement, l’eau de Javel est obtenue par barbotage de dichlore gazeux Cℓ2(g) dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO−(aq)).
La transformation chimique ayant lieu peut �tre consid�r�e comme totale
et elle est mod�lis�e par la r�action d’�quation :
Cℓ2(g) + 2 HO−(aq) --> Cℓ−(aq) + CℓO−(aq) + H2O(ℓ)
En France, l’eau de Javel est souvent caract�ris�e par son degr�
chlorom�trique (� chl) qui correspond au volume, exprim� en litres, de
dichlore gazeux n�cessaire pour pr�parer un litre de solution d’eau de
Javel. Ce volume est mesur� dans des conditions de temp�rature et de
pression telles que le volume molaire des gaz est Vm = 22,4 L.mol−1.
1.1. Montrer que la concentration en quantit� de mati�re des ions hypochlorite CℓO−(aq) d’une eau de Javel de titre chlorom�trique 9� chl est de 0,4 mol.L−1.
9 L de dichlore ont �t� n�cessaires pour pr�parer la solution soit 9 / 22,4 = 0,4 mol par litre de Javel.
Par suite (ClO-aq] = 0,4 mol / L.
1.2. Justifier le
protocole de dilution indiqu� sur l’�tiquette d’un berlingot de � JAVEL
CONCENTR�E � pour obtenir une eau de Javel pr�te � l’emploi.
Verser le contenu d'un berlingot dans une bouteille de 1 L est compl�ter avec de l'eau froide.
On dilue 4 fois la javel de ce berlingot : la solution dilu�e, pr�te � l'emploi est donc � 9 � chl.
2. Limite de conservation des eaux de Javel.
L’ion hypochlorite CℓO−(aq) en solution aqueuse est
fortement oxydant et capable d’oxyder l’eau elle-m�me. On peut
mod�liser cette transformation � partir des deux couples oxydant
-r�ducteur suivants : CℓO−(aq) / Cℓ−(aq) et O2(g) / H2O(ℓ).
Cette transformation, plus ou moins lente en fonction de certains
param�tres, impose une limite de dur�e d’utilisation aux eaux de Javel.
2.1. �tablir
l’�quation de la r�action d’oxydo-r�duction mod�lisant l’oxydation de
l’eau par les ions hypochlorite. Justifier le r�le oxydant de l’ion
hypochlorite.
L' ion ClO-aq, l'oxydant, se r�duit en gagnant des �lectrons : ClO-aq + 2H+aq+2e- --> Cl-aq +H2O .
Le r�ducteur, l'eau ,s'oxyde en lib�rant des �lectrons : H2O --> �O2+ 2H+ +2e-.
On ajoute ces deux demi-�quations : ClO-aq + 2H+aq+2e- +H2O --> Cl-aq +H2O + �O2+ 2H+ aq+2e-.
Simplifier : ClO-aq --> Cl-aq + �O2 .
2.2. Indiquer comment �volue le degr� chlorom�trique d’une eau de Javel dans le temps. Justifier la r�ponse.
Au cours du temps, la concentration en ion hypochlorite diminue ; il en est de m�me de son degr� chlorom�trique.
2.3. D’apr�s les
indications fournies par le fabricant, identifier trois facteurs qui
influent sur la d�gradation de l’eau de Javel.
La dur�e, la chaleur et la lumi�re.
3. Titrage d’une eau de Javel pr�te � l’emploi.
On se propose de contr�ler exp�rimentalement la concentration en ions hypochlorite CℓO−(aq) pr�sents dans une solution S d’eau de JAVEL achet�e en flacon de 2 L.
Pour cela, on proc�de au titrage de la solution S par une m�thode indirecte dont les �tapes sont d�crites ci-apr�s.
�tape 1 :
La solution S �tant trop concentr�e pour �tre dos�e directement, on
effectue une dilution au dixi�me afin d’obtenir un volume de 50,0 mL de
solution dilu�e not�e S’.
�tape 2 :
Dans un erlenmeyer de 150 mL, on introduit dans l’ordre :
• un volume V’ = 10,0 mL de solution S’ ;
• 20 mL d’une solution aqueuse d’iodure de potassium (K+(aq) + I−(aq)) de concentration effective en ions iodure [I−(aq)] = 0,10 mol.L−1 ;
• quelques gouttes d’acide sulfurique concentr�.
La transformation chimique ayant lieu lors de cette �tape peut �tre mod�lis�e par la r�action d’�quation :
CℓO−(aq) + 2 I−(aq) + 2 H+(aq) --> Cℓ−(aq) + I2(aq) + H2O(ℓ)
Les ions iodure I−(aq) �tant apport�s en exc�s dans le m�lange, la totalit� des ions hypochlorite CℓO−(aq) initialement pr�sents sont consomm�s.
�tape 3 :
On r�alise le titrage du diiode I2(aq) form� � l’issue de l’�tape 2 par une solution aqueuse de thiosulfate de sodium (2 Na+(aq) + S2O32−(aq)) de concentration effective en ions thiosulfate [S2O32−(aq)] = 5,0 10−2 mol.L−1.
La r�action support du titrage a pour �quation :
I2(aq) + 2 S2O32−(aq) --> 2 I−(aq) + S4O62−(aq).
� l’approche de l’�quivalence, on ajoute quelques gouttes de thiod�ne dans le m�lange r�actionnel.
Lors de ce titrage, le volume de solution aqueuse de thiosulfate de sodium vers� pour atteindre l’�quivalence est VE = 12,4 mL.
En solution aqueuse, le diiode I2(aq) est de couleur brune � forte concentration et jaune tr�s p�le � faible concentration.
Une solution aqueuse de diiode devient bleu fonc� en pr�sence de thiod�ne.
Parmi l’ensemble des esp�ces mentionn�es dans cet exercice, seul le diiode est color� en solution aqueuse.
3.1. Indiquer les pr�cautions � prendre lors de la manipulation des solutions S et S’.
Port de gants, blouse et lunettes de protection.
3.2. On donne le
sch�ma du dispositif exp�rimental mis en oeuvre lors de l’�tape 3.
Indiquer sans recopier le sch�ma sur la copie, les termes � mettre en
(a), (b), (c), (d) et (e) pour compl�ter la l�gende de ce sch�ma.
3.3. Indiquer comment l’�quivalence est rep�r�e lors de ce titrage. Justifier la r�ponse.
Avant l'�quivalence le diiode est en exc�s : teinte violette en pr�sence de thiod�ne.
Apr�s l'�quivalence, le diiode est en d�faut : solution incolore.
3.4. D�duire du
r�sultat de ce titrage la quantit� de mati�re de diiode form� dans le
m�lange r�actionnel � l’issue de l’�tape 2 et titr� par le thiosulfate.
A l'�quivalence : n(diiode ) = 0,5 n(thiosulfate) = 0,5 x VE x[S2O32−(aq)] =0,5 x 12,4 x 5,0 10-2 = 0,31 mmol.
3.5. D�terminer la concentration en quantit� de mati�re des ions hypochlorite de la solution S et commenter le r�sultat.
Quantit� de mati�re :
- initiale d'ion iodure : 20 x0,10 = 2,0 mmol.
- de diiode form� � l'�tape 2 : 0,31 mmol.
- d'ion hypochlorite : 0,31 mmol contenu dans 10 mL de solution S'.
- d'ion hypochlorite : 5 x0,31=1,55 mmol contenu dans 50 mL de solution S'.
Concentration en ion hypochlorite dans S' : C' = 1,55 / 50 = 0,031 mol/L.
Concentration en solution hypochlorite dans S : 0,031 x10= 0,31 mol/L.
Concentration initiale en ion hypochlorite : 0,4 mol / L.
La concentration en ion hypochlorite a diminu� de (0,4 -0,31) / 0,4 ~0,23 ( 23 %).
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