XXXI° Olympiades de la chimie : Concours « Coup de Cœur » - Corrigé - 3 décembre 2014 1 / 17

XXXI° OLYMPIADES DE LA CHIMIE

EPREUVE « COUP DE COEUR » 3 Décembre 2014

Corrigé Introduction Le transport aérien représente aujourd’hui environ 8 % de la consommation du pétrole et 2 à 3 % des émissions de CO2. On devrait observer, d’une part une augmentation de la consommation mondiale de carburants pour l’aéronautique résultant de l’accroissement du trafic aérien, mais aussi, d’autre part, une amélioration des performances des moteurs. Les moteurs à turbines de la majorité des avions civils utilisent du kérosène aéronautique, le Jet A1, un mélange complexe obtenu par distillation du pétrole. Les caractéristiques physico-chimiques d’un carburant aéronautique (ou « jet fuel » en anglais) sont définies par une norme internationale, A.S.T.M (cf. annexe 2) pour garantir la sécurité du transport aérien. La diminution des ressources d’énergie fossile et la sauvegarde de la qualité de l’environnement nécessitent la recherche de carburants alternatifs. L’application directe dans un jet fuel de carburants alternatifs initialement développés pour le transport terrestre (bioéthanol, biodiesel) n’est pas satisfaisante car ces carburants ne répondent pas aux normes actuelles. La communauté aéronautique se tourne donc vers des carburants de type « drop-in », c’est-à-dire un carburant pouvant se substituer au carburant aéronautique conventionnel, en partie ou en totalité, avec le minimum de modifications des avions et des moteurs existants ou en développement. Ces carburants devront être renouvelables et obéir à des critères de développement durable. En particulier la dernière révision de la norme internationale rend désormais possible l'utilisation d'un biocarburant qui pourra contenir jusqu'à 10 % de farnésane, une molécule issue de la transformation de sucres. Les batteries sont également une source d’énergie dans un avion. Elles assurent notamment le démarrage du moteur auxiliaire de puissance, APU (qui sert au démarrage des moteurs de l’avion), la stabilisation du réseau et le secours énergétique pour l’avionique. 1. Le Kérosène, carburant d’un avion

Les données nécessaires aux réponses de cette partie se trouvent en annexes 1, 2 et 3 Le kérosène est principalement constitué d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de formule chimique allant de C10H22 à C14H30 La combustion complète d’un hydrocarbure engendre la formation de dioxyde de carbone, CO2 et de l’eau. La combustion incomplète d’un carburant peut engendrer la formation d’autres composés tels que : CO, SO2, SO3, NO, NO2, N2O3, soufre…

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Pour séparer les différents hydrocarbures présents dans le pétrole brut, une étape de distillation est nécessaire. Ce procédé de séparation partielle aboutit à l’obtention des coupes de pétrole. 1.1 Du pétrole au kérosène 1.1.1 Quelle est l’origine du pétrole. Le pétrole est-il une matière première renouvelable ?

3 points Le pétrole provient de la décomposition d’une matière organique formée de débris végétaux et d’animaux qui se sont accumulés dans des bassins sédimentaires au fond des mers. Leur décomposition s’est produite à l’abri de l’air, sous pression et température élevées durant des millions d’années. C’est pour cela que le pétrole n’est pas une matière première renouvelable

1.1.2 Quels sont les atomes constituant les hydrocarbures (nom et symbole) ?

2 points Carbone C et hydrogène H 1.1.3 Expliquer le principe d’une distillation fractionnée.

3 points Une distillation fractionnée permet de séparer les constituants d’un mélange homogène et liquide, selon la température d’ébullition des constituants de ce mélange. Le composé le plus volatil est récupéré au sommet de la colonne à distiller, le moins volatil reste dans le ballon. 1.2 Quelques constituants du kérosène 1.2.1 Ecrire la formule semi-développée de l’alcane linéaire de formule brute C10H22 (n-décane).

1 point CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 ou CH3-(CH2)8-CH3

1.2.2 Ecrire la formule semi-développée puis topologique du 2,5-diméthyloctane. C’est un

isomère du n-décane, de quel type d’isomérie s’agit-il ? 5 points

Formule brute Formule semi-développée Formule topologique

C10H22 (CH3)-(CH2)2 – CH(CH3)-(CH2)2-CH(CH3)2

Même formule brute que le n-décane, mais formules développées différentes ce sont donc des isomères de constitution (ici de chaîne) 1.2.3 Le 2,5-diméthyloctane possède un carbone asymétrique, l’indiquer par une * sur la formule

semi-développée. 1 point

*

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1.2.4 Donner la représentation de Cram d’un des deux énantiomères du 2,5-diméthyloctane (se placer autour du carbone asymétrique)

3 points vec R1 : (CH3)-(CH2)2 – et R2 : -(CH2)2-CH(CH3)2 1.3 Combustion du kérosène 1.3.1 Quelle est l’origine des oxydes d’azote NOx libérés lors de la combustion incomplète d’un

carburant ? 2 points

La combustion se fait avec le dioxygène, O2, contenu dans l’air. Or il y a du diazote, N2, dans l’air, qui lors de la combustion est oxydé en monooxyde d’azote, NO, puis dioxyde d’azote, NO2. 1.3.2 Ecrire l’équation de réaction de combustion complète d’une mole de kérosène assimilé à un

alcane de formule brute C11H24. 4 points

C11H24 + 17 O2 → 11 CO2 + 12 H2O 1.3.3 Le pourvoir calorifique inférieur (cf. annexe 3) d’un kérosène est d’environ 43 MJ.kg-1. En

déduire l’énergie libérée en J.mol-1 de la réaction de combustion précédente. 3 points

M(C11H24) = 156 g.mol-1 = 156.10-3 kg.mol-1 E = PCI´M avec PCI en J.Kg-1 et M en kg.mol-1 E = 43000*0,156 = 6,7. 103 kJ.mol-1 = 6,7. 106 J.mol-1 1.4 « Bilan carbone » La DGAC (Direction Générale de l’Aviation Civile) a mis à disposition des voyageurs un calculateur d’émissions de CO2 de l’aviation (http://eco-calculateur.aviation-civile.gouv.fr) On peut donc simuler la quantité de CO2 émis par passager pour un vol Paris, Orly – Toulouse, cette quantité étant une valeur moyenne dépendant de nombreux facteurs (nombre moyen de passagers, type d’avion, fret, météo…). Une partie des résultats de cette simulation est donnée ci-contre. 1.4.1 Calculer la masse moyenne de kérosène (type Jet A1, de masse volumique d’environ

0,80 kg.L-1) utilisé lors de ce vol ? 4 points

mkérosène = µ (kérosène) * V(kérosène) avec µ masse volumique = 0,8 kg.L-1 et V volume nécessaire au trajet (L) pour l’ensemble des passagers. V = 5,2*5,7*110 = 3,26.103 L mkérosène = 3,26.103 * 0,8 = 2,6.103 kg soit 2,6 tonnes de kérosène en moyenne

Vol Toulouse – Paris, Orly  

Distance moyenne Toulouse –Paris,

Orly

570 km

Nombre moyen de passagers

110

Consommation moyenne en kérosène par

passager

5,2 L pour 100 km

 

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1.4.2 En utilisant l’équation de la réaction de combustion, (question 1.3.2.), donner l’ordre de

grandeur de la masse de dioxyde de carbone libérée dans l’atmosphère par passager lors de ce vol (détailler votre raisonnement)

6 points D’après l’équation de la réaction : n(CO2) = 11* n(kérozene) soit m(CO2) = (11*mkérosène) *M(CO2))/MKérosène m(CO2) ≈ 8 tonnes environ pour le vol Par passager : 73 kg de CO2 1.4.3 La valeur indiquée par le calculateur de la DGAC donne une valeur supérieure à celle

trouvée à la question précédente (90 kg de CO2 émis/passager). Quelle(s) hypothèse(s) peut on faire pour justifier ce résultat ?

2 points La valeur indiquée par le calculateur est supérieure car le calculateur ajoute à la quantité de CO2 émis au cours du vol, la quantité de CO2 nécessaire à la fabrication du kérosène. D’autre part le calcul a été fait avec une valeur moyenne de la masse volumique du kérosène et pour la réaction de combustion du seul décane. 2. L'avenir avec les biocarburants de nouvelle génération Les biocarburants, produits à partir de la biomasse, sont utilisés sous forme d’additifs ou de complément aux carburants fossiles (gazole, essence, ou kérosène). Il existe deux grandes filières de production des biocarburants pour le transport routier : la filière éthanol qui comprend l'éthanol pour les véhicules à essence et la filière des huiles végétales avec l'EMHV (esters méthyliques d'huiles végétales) pour les véhicules diesel, noté biodiesel. On distingue trois générations de biocarburants selon l'origine de la biomasse utilisée et les procédés de transformation associés. 2.1 Synthèse d'un biodiesel (ou Diester® en France)

Les données nécessaires aux réponses de cette partie se trouvent en annexes 1 et 4 2.1.1 Extraction d'huile végétale pure

Mode opératoire Etape 1 : - Chauffer à reflux, modérément pendant 30 minutes, 10 g de graines de colza bien broyées,

immergées dans un solvant adapté. - Filtrer sur Büchner et rincer les graines avec 10 mL de ce solvant. Etape 2 : - Transvaser le filtrat dans une ampoule à décanter et séparer les 2 phases. - Extraire la phase aqueuse avec 10 mL de solvant organique. - Introduire les phases organiques réunies dans l’ampoule à décanter. - Ajouter 50 mL d’une solution de chlorure de sodium saturée, agiter puis séparer les deux phases

par décantation. - Sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium anhydre. Étape 3 : Distiller la phase organique.

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2.1.1.1 Quel est le rôle du chauffage à reflux ? 2 pts

Le chauffage à reflux permet de chauffer le mélange réactionnel sans perte de matière. Le chauffage permet d’augmenter la vitesse de la réaction. 2.1.1.2 Faire un schéma annoté du chauffage à reflux utilisé dans l’étape 1.

6 pts

2.1.1.3 Pour l’étape 1, choisir dans la liste des solvants donnés en annexe 4, celui qui est le plus

adapté. Justifier avec précision ce choix. 4 pts

Le solvant doit être non miscible à l’eau, les esters gras doivent y être solubles, il doit être le moins toxique possible. Ici il faut choisir le cyclohexane. 2.1.1.4 Quel est le rôle de la filtration sur Büchner ?

2 pts La filtration sur Büchner sert à séparer le solide du liquide (séparation solide/liquide). La filtration sur Büchner est plus efficace et plus rapide qu’une filtration simple sur papier. Ici on sépare les graines de colza, du solvant (qui contient les espèces chimiques extraites) 2.1.1.5 Compléter le schéma du montage de l'étape 2 en indiquant la nature et la composition des

phases. Pourquoi observe t-on 2 phases ? 6 pts

On obtient 2 phases car le solvant (cyclohexane) est non miscible avec la phase aqueuse. La phase organique (cyclohexane) est au dessus car moins dense que l’eau. La phase organique contient : le cyclohexane et l’huile de colza. La phase aqueuse contient l’eau, les ions Na+, Cl-, les espèces solubles dans l’eau extraites des graines.

Phase aqueuse

Phase organique

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2.1.2 Transformation des huiles végétales semi-raffinées La transestérification est la technique classique de production de biodiesel. Il s'agit d'un procédé́ dans lequel les huiles végétales, les graisses animales ou les huiles à base de microalgues réagissent avec un alcool (éthanol ou méthanol) en présence d'un catalyseur. 2.1.2.1 Les huiles végétales sont constituées d’un mélange de triglycérides (triester du glycérol). A

quelle famille de biomolécules les huiles végétales appartiennent-elles ? 1 point

Les lipides 2.1.2.2 En nomenclature officielle, le glycérol s’appelle le propane-1,2,3-triol. Écrire sa formule

semi-développée. 2 points

Les triglycérides de l’huile de colza subissent une transestérification par réaction avec le méthanol pour donner des monoesters méthyliques. On supposera que l’huile de colza, constituée uniquement de trioléate de glycéryle, conduit à l’ester méthylique (le biodiesel) selon l’équation de la réaction suivante :

avec R : - C17H31 2.1.2.3 Calculer la masse maximale d’ester méthylique que l’on peut théoriquement obtenir à

partir d’une masse m = 1000 kg d’huile de colza, en supposant la réaction totale (détailler votre raisonnement : relations littérales et résultat numérique).

6 pts Quantité de matière de trioléate de glycéryle dans la masse m : nT = m / MT = 1,131×103 mol Quantité de matière d’ester méthylique : nEM = 3 nT = 3×m/MT = 3,394×103 mol Masse d’ester méthylique : mEM = nEM.MEM = 3×m×MEM/MT = 1,005×103 kg. 2.1.2.4 Le volume d’ester méthylique obtenu est V = 750 L. Calculer le rendement de la réaction

de transestérification (détailler votre raisonnement : relations littérales et résultat numérique).

6 pts masse réelle d’ester méthylique obtenue : mEMréélle = µEM×V = avec (µEM = 0,88 kg.L-1) rendement de la synthèse : r = mEMréélle/mEM = µEM×V/ mEM = 0,657 soit un rendement de 65,7 %

 Trioléate de glycéryle méthanol ester méthylique (biodiesel)

glycérol

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2.2 Du sucre de canne au Farnésane « Un vol Toulouse-Paris à la canne à sucre : Un vol Toulouse-Orly d'Air France a été assuré pour la première fois ce mardi avec 10 % d'un biocarburant à base de canne à sucre, le Farnésane… l'opération sera renouvelée une fois par semaine pendant un an.» (Le Figaro, 22/10/2014) Pour produire des biocarburants avancés on utilise les biotechnologies. Il s'agit d'extraire les sucres issus de plantes (canne à sucre…) et de les faire fermenter. Le farnésène ainsi obtenu est hydrogéné, pour conduire au farnésane qui peut être directement incorporé dans le diesel ou dans les carburants pour l’aviation sans modification technique des moteurs.

Les données nécessaires aux réponses de cette partie se trouvent en annexe 2 2.2.1 A propos du farnésène « Un farnésène est l'un des six stéréoisomères de deux isomères appelés α-farnésène et β-farnésène : le premier possède quatre stéréoisomères et le second en possède deux » (Wikipédia)

2.2.1.1 Donner la formule brute des molécules 1 et 2.

2 points Molécule 1 Molécule 2

C15H24 C15H24 2.2.1.2 Pourquoi dit-on que ce sont des isomères ?

2 points Même formule brute 2.2.1.3 Quelle relation d’isomérie il y a t-il entre ces 2 molécules ?

2 points Isomérie de constitution, ici de position (celle de la double liaison). 2.2.1.4 Combien de stéréoisomères de configuration la molécule 1 possède-t-elle ? Comment les

nomme t-on ? 2 points

On a donc 4 stéréoisomères de configuration Z/E (doubles liaisons C6 = C7 et C3 = C4) ; ce sont des diastéréoisomères. 2.2.1.5 Représenter le stéréoisomère de configuration de la molécule 2.

3 points

Molécule 1

Molécule 2

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2.2.2 A propos du farnésane Le farnésane est le 2,6,10-trimethyldodécane (dodécane : 12 atomes de carbone pour la chaîne principale). 2.2.2.1 Ecrire la formule semi-développée du farnésane. Quelle est sa formule brute ?

2 points C15H32

2.2.2.2 Combien de stéréoisomères de configuration peut on envisager ? Argumenter votre

réponse. 4 points

Cette molécule possède 2 C*.On peut donc envisager 4 stéréoisomères de configuration (pas axe ou centre de symétrie)

2.3 Biodiesel et farnésane en aéronautique ?

Utiliser les informations données dans le sujet et dans l’annexe 3 2.3.1 Expliquer pourquoi l’éthanol et le biodiesel ne sont pas utilisés actuellement en

aéronautique (votre réponse doit être argumentée). 4 points

Les caractéristiques de l’éthanol et le biodiesel ne répondent pas à la nome A.S.T.M. pour un carburant aéronautique. Ethanol : pouvoir calorifique trop faible, point éclair trop faible Biodiesel : pouvoir calorifique trop faible, température de fusion trop élevée, mauvaise stabilité à l’oxydation. 2.3.2 Qu’entend-on avec « trois générations de biocarburants » ?

3 points Première génération : biocarburants issus biomasse en compétition avec des ressources alimentaires (tournesol, colza, maïs…) Seconde génération : biocarburants fabriqués à partir de végétaux non alimentaires, c'est-à-dire de la biomasse lignocellulosique (déchets agricoles, résidus forestiers, bois, plantes dédiées…) Troisième génération : biocarburants fabriques à partir de micro-algues. 3. Les batteries dans un avion

Farnésane

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Dans un article du monde du 15 février 2013, on peut lire : « Airbus a tranché ! L'avionneur européen a annoncé, vendredi 15 février, qu'il "renonce à installer des batteries au lithium-ion" sur son futur avion long-courrier A350. A la place, Airbus va activer son "plan B" et installer des batteries au cadmium. Une technologie plus ancienne, moins performante, mais aussi plus éprouvée. Cette décision de l'avionneur européen intervient alors que les autorités de l'aviation enquêtent sur les incidents à répétition qui ont provoqué l'interdiction de vol, depuis le 17 janvier, du Boeing 787. Par deux fois, le 9 puis le 16 janvier, les batteries au lithium de deux Dreamliner ont pris feu obligeant les avions à atterrir en urgence».

Les données nécessaires aux réponses de cette partie se trouvent en annexes 1 et 5 3.1 Pile nickel-cadmium du laboratoire La pile nickel-cadmium est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin et mettant en jeu les couples oxydant-réducteur Ni2+(aq) / Ni(s) et Cd2+(aq) / Cd(s). Chaque demi-pile contient 20 mL de solution aqueuse de même concentration C0 = 0,10 mol.L-1. - l’une de sulfate de nickel (Ni2+(aq) + SO42–(aq)) à pH=0 - l’autre de sulfate de cadmium (Cd2+(aq) + SO42–(aq)) à pH=0 3.1.1 Elaborer le mode opératoire permettant de préparer 100,0 mL

d’une solution de sulfate de nickel de concentration C0 = 0,10 mol.L-1 à partir de sulfate de nickel hexahydraté, solide, dont l’étiquette est reproduite ci-contre. Toute la verrerie de base de laboratoire peut être utilisée.

§ Masse à prélever : m = C×V×M = 2,63 g (avec une balance

au cg) § Se munir d’une blouse, de lunettes, gants et travailler sous la hotte (cf. pictogrammes). § Peser une masse m = 2,63 g de sulfate de nickel dans un bécher propre ou sabot de pesée

(balance tarée) § Mettre un peu d’eau dans une fiole jaugée de 100,0 mL (préalablement rincée avec de l’eau

distillée ou déminéralisée) et transvaser le solide pesé à l’aide d’un entonnoir (sans pertes !). Ne pas respirer les « poussières ».

§ Récupérer les eaux de rinçage du sabot et de l’entonnoir. § Remplir la fiole jusqu’au ¾ avec de l’eau distillée (ou déminéralisée) § Agiter doucement pour dissoudre le solide § Compléter jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée et homogénéiser de nouveau. § Ne pas rejeter la solution à l’évier.

6 points

Sulfate de nickel (II) hexahydraté

M = 262,86 g.mol-1.

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3.1.2 Sachant que l’électrode positive est constituée par l’électrode de nickel, représenter la pile Cd/ Cd2+ // Ni2+/Ni, et faire apparaître le déplacement des porteurs de charge.

4 points

3.1.3 Quel type de réaction se produit à l’anode ?

1 point Il se produit une oxydation du cadmium (pôle -) 3.1.4 Quel type de réaction se produit à la cathode ?

1 point Il se produit une réduction des ions nickel (pôle +) 3.1.5 Ecrire la réaction qui se produit à chaque électrode puis la réaction globale.

3 points A l’anode : Cd(s) → Cd2+(aq) + 2 e- A la cathode : Ni2+(aq) + 2 e- → Ni(s) Bilan : Ni2+(aq) + Cd(s) → Ni(s) + Cd2+(aq) 3.1.6 Quel est le rôle du pont salin ?

2 points Le pont salin assure la jonction électrique entre les solutions contenues dans les deux béchers. Il contient une solution gélifiée d’ions (anion et cation) qui permet le déplacement des charges au sein de la solution. 3.1.7 On laisse débiter la pile. Comment évolue la concentration en ions Nickel ?

2 points D’après 3.1.5, les ions nickel sont consommés lors de la réaction de décharge. Leur concentration diminue. Pour vérifier cette évolution, on utilise un spectrophotomètre. On obtient alors les 2 documents ci-dessous donnant respectivement l’évolution de l’absorbance d’une solution de sulfate de nickel, Ni2+(aq), SO42-(aq), en fonction de la longueur d’onde et l’évolution de l’absorbance à 400 nm en fonction de la concentration en ion nickel.

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3.1.8 Rappeler la loi de Beer-Lambert.

2 points À une longueur d'onde donnée λ, l'absorbance A d'un mélange de n espèces absorbantes est la somme des absorbances individuelles Ai. Chaque absorbance individuelle est proportionnelle à la concentration de cette espèce. (valable pour des solutions diluées) 3.1.9 Donnez l’équation de la courbe représentant la fonction A = f(C).

4 points A = 21,4×C (accepter une valeur comprise entre 21 et 22 L.mol-1) 3.1.10 A une date t1, on mesure A = 0,95. Quelle est la concentration en ions nickel de

l’électrolyte à cette date t1 ? Ce résultat est-il cohérent avec la réponse donnée à la question 3.1.7. ?

3 points C = A/21,4 Cf ≈ 0,044 mol/L. Ce résultat est bien cohérent avec la réponse donnée à la question 3.1.7. puisque la concentration à la date t1 a bien diminué par rapport à la concentration initiale. 3.2 L’accumulateur Ni-Cd L’électrolyte de la batterie Nickel-Cadmium est en fait une solution très alcaline. De ce fait la force électromotrice de la pile est alors de 1,35V.

(-) acier | Cd(s), Cd(OH)2(s) | Li(OH)aq | NiO(OH)(s), Ni(OH)2(s) | acier (+) La réaction de décharge de l’accumulateur est alors :

Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) = Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s) 3.2.1 Quelle est la différence entre une pile et un accumulateur ?

1 point Dans une pile, la réaction ne peut avoir lieu que dans un sens (la décharge). Dans un accumulateur, la réaction peut se faire dans l’autre sens un certain nombre de fois en reliant l’accumulateur à un générateur extérieur (charge). 3.2.2 Compléter le tableau descriptif de l’évolution du système (expressions littérales).

4 points

Doc.1 : Spectre d’absorption d’une solution de sulfate de nickel

Doc.2 : Evolution de l’absorbance à 400 nm d’une solution de sulfate de nickel en fonction de sa concentration

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Équation Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) = Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s)

Avancement Quantités de matière (mol) Quantité

d’électrons échangés (mol)

État initial x = 0 n0 excès excès n2 n3 0 En cours de

réaction x n0 - x excès excès n2 + x n3 + 2x ne = 2x

État final

xf

n0 - xf excès excès n2 + xf n3 + 2xf ne = 2xf

3.2.3 Le cadmium étant le réactif limitant, donner la relation entre la quantité de matière initiale

de cadmium, notée n0, et la quantité de matière d’électrons échangés lorsque la réaction est terminée.

2 points Le cadmium est le réactif limitant donc xf = no La quantité de matière d’électrons échangés est donc né = 2 no 3.2.4 Déterminer la quantité maximale d’électricité que peut débiter cet accumulateur pour une

masse initiale de cadmium égale à m = 2,0 g. 6 points

n0 = m0/M(Cd) = 2,0 /112,4 = 1,8.10-2 mol ne- = 2 n0=3,6.10-2 mol Q = ne-×Na×e = 3,4.103 C Un fabriquant propose des piles rechargeables Ni/Cd de capacité 800 mAh pouvant être rechargées en 15 minutes. 3.2.5 Quelle est la valeur de la capacité de cette pile en unité SI ?

2 points Capacité = Qmax = 800 mAh = 800.10-3×3600 = 2,88.103 C 3.2.6 L’accumulateur étant totalement déchargé, on veut obtenir à nouveau, une capacité de 800

mAh. Quelle est l’intensité nécessaire en courant constant pour réaliser la charge rapide en 15 minutes ?

2 points Qmax = I×Δt soit I = Qmax/Δt = 2,88.103/(15×60) = 3,2 A 3.3 L’accumulateur Li-ion La plupart des équipements électroniques nomades actuels (ordinateur, téléphones portables, appareils photo…) sont équipés de batteries lithium-ion. Le lithium, métal alcalin, est trop réactif pour être utilisé sous forme de métal. Ces piles rechargeables contiennent uniquement des ions Li+. Lors de la décharge de l’accumulateur Li-ion, l’électrode de graphite est le lieu de la réaction d’équation : Li (graphite) → (graphite) + Li+ + e–. A l’autre électrode a lieu la réaction d’équation : NiO2 + Li+ + e → NiLiO2. 3.3.1 Le lithium est-il oxydé ou réduit à l’électrode de graphite ? En déduire le nom de cette

électrode et le signe de ce pôle. 2 points

Le lithium est oxydé, il perd un électron. Il s’agit de l’anode, le pole – de la pile lors de la décharge.

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3.3.2 Ecrire l’équation de la décharge de cette batterie

2 points Li(graphite) + NiO2 → NiLIO2 + graphite 3.3.3 La capacité d’une pile de téléphone portable est de 4160 C. En supposant que la tension aux

bornes de la pile est de 3,7 V lors de son fonctionnement, quelle est l’énergie électrique que peut fournir cette pile ? Donner sa valeur en Wh. Sachant que la masse de cette batterie est de 23 g, retrouver la valeur de la densité massique d’énergie électrique des batteries Lithium/ion.

6 points Q = I×Δt = 4160/3600 = 1,16 Ah Energie électrique fournie : E = U×I×Δt = Q×U = 4160×3,7 = 1,54.104 J E = (4160×3,7)/3600 = 4,27 Wh Densité d’énergie massique : dmassique = E/m avec dm en Wh/kg, E en Wh et m en kg Pour m = 23.10-3 kg ; dmassique = 186 Wh/kg On retrouve bien une valeur comprise entre 160 et 200 Wh/kg (donnée dans le tableau de l’annexe) 3.4 Conclusion 3.4.1 Quel est l’intérêt pour une compagnie aérienne d’utiliser des batteries lithium-ion ?

2 points Beaucoup d’énergie avec peu de masse (la masse est un critère essentiel pour économiser du carburant) Faible autodécharge 3.4.2 Quels problèmes peut-on rencontrer lors de leurs utilisations ?

2 points Charge problématique (chauffe d’ou risque d’incendie).., instabilité, 4. Un crime à l’aéroport de Toulouse Blagnac, l’enquête de Valentin Aéroport de Toulouse-Blagnac Effervescence inhabituelle en bout de piste : c’est un ballet de véhicules de pompiers, de police, ambulance …. AF … ZZZZZ … Autorisation d’atterrir ; parking en bout de piste. Vous allez être pris en charge par la cellule de crise EBOLA. Vous êtes placés en quarantaine et confinés dans l’appareil jusqu’à plus amples informations. Reçu fort et clair. Autour des véhicules, les personnels s’activent ; certains sont engoncés dans des tenues étanches contre les risques biologiques. Quelques minutes plus tard, ils sont à bord de l’aéronef où l’anxiété est palpable dans la cabine. Ils approchent du corps sans vie d’un passager pour l’évacuer en caisson vers l’hôpital pour réaliser des analyses et déterminer s’il était porteur du virus EBOLA. Au bout de quelques heures, deux nouvelles parvinrent à l’aéroport : - la victime n’était pas porteuse du virus ebola ce qui soulagea tout le monde ; mais, ce n’est pas

pour autant que les passagers purent quitter l’aéroport - l’homme avait été empoisonné à la ricine. Les passagers furent accueillis dans les salons de l’aérogare et un repas leur fût servi pour les faire patienter pendant que la police scientifique procédait à l’inspection de la scène de crime.

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De nombreux scellés furent recueillis et la police s’intéressa plus particulièrement à une ampoule contenant un liquide incolore. Valentin : « Cette affaire est extrêmement curieuse ; nous en saurons un peu plus après l’analyse du contenu de l’ampoule. Clovis, ce travail prime sur tout le reste ; on ne peut pas garder indéfiniment les passagers dans les salons de l’aéroport ». Clovis : « Entendu, patron ; je vous apporte les résultats le plus rapidement possible ». Valentin : « Pendant ce temps, je vais me renseigner sur la victime ». 4.1 Détermination de la nature du liquide par chromatographie en phase gazeuse L’analyse par chromatographie en phase gazeuse (CPG) permet d’obtenir le chromatogramme représenté ci-dessous.

4.1.1 Expliquer en quelques lignes le principe de la CPG à l’aide de la documentation de l’annexe 6 et de vos connaissances.

4 pts La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une technique qui permet de séparer des molécules d'un mélange complexe. Elle s'applique aux composés gazeux ou susceptibles d'être vaporisés par chauffage sans décomposition. Le mélange à analyser est vaporisé à l'entrée d'une colonne, qui renferme une substance active solide ou liquide appelée phase stationnaire, puis il est transporté à travers celle-ci à l'aide d'un gaz vecteur. Les différentes molécules du mélange vont se séparer et sortir de la colonne les unes après les autres après un certain laps de temps qui est fonction de l'affinité de la phase stationnaire avec ces molécules. 4.1.2 Identifier le liquide contenu dans l’ampoule. Justifier. Quel est son usage ?

3 pts Par comparaison, on identifie le liquide de l’ampoule au JP-8 Jet Fuel qui est un carburant pour avion. 4.2 Identification par spectroscopie de l’un des composés du liquide

Clovis a obtenu dans le laboratoire de police scientifique le spectre infrarouge et le spectre de masse de l’un des composés du liquide contenu dans l’ampoule

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4.2.1 A l’aide de la documentation donnée en annexe 6, interpréter le spectre infra rouge et le spectre de masse de ce composé.

Spectre infra rouge :

2 points Spectre IR : 2800-3000 cm-1 bandes d’élongation de valence Ctét-H Pas de bande caractéristique de O-H, C=O…. La molécule est certainement un alcane Spectre de masse :

2 points Le spectre de masse permet d’identifier la masse molaire du composé inconnu à l’aide du pic moléculaire : M = 114 g/mol. 4.2.2 Proposer une formule brute (justifier votre démarche).

4 points Molécule : hydrocarbure alcane C8H18 4.2.3 Sachant que cet hydrocarbure possède une ramification méthyle et un carbone asymétrique,

donner sa formule semi-développée. 6 points

Formule semi-développée du 3-méthylheptane.

Spectre IR du composé étudié Spectre de masse du composé étudié

www.mediachimie.org/.../spectral-database-organic-compounds-sdbs

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