Aurélie 07/04/11
 

 

  QCM chimie, synthèse d'un ester : concours kiné CEERRF 2011.



Mélange d'acides et de bases.
On introduit dans un becher divers volumes de quatre solutions aqueuses :
- V1 = 10 mL de solution d'acide chlorhydrique (H3O+aq + Cl-aq )  de concentration c1 =0,10 mol/L.
- V2 = 20 mL de solution d'acide nitrique (H3O+aq + NO3-aq )  de concentration c2 =0,010 mol/L.
- V3 = 20 mL de solution d'hydroxyde de sodium (Na+aq + HO-aq )  de concentration c3 =0,030 mol/L.
- V4 = 10 mL de solution d'ammoniac  de concentration c4 =0,12 mol/L.
Précision : dans le mélange se déroule d'abord la réaction entre la base la plus forte et l'acide le plus fort ; la deuxième réaction n'a lieu qu'une fois que la première a atteint son état final.
On donne pKa (H3O+aq / H2O ) = 0 ; pKa ( NH4+ aq/NH3aq) = 9,2 ; pKa ( H2O /HO-aq) = 14.
Le pH du mélange final vaut :
A- 1,2. B- 2,0. C- 4,3.  D-  4,6. E- 5,5. F- 6,0. G- 7,0.  H-  8,4. I- 9,2. Vrai. J- 12,3.  K-  autre.
n(H3O+aq) =c1 V1+ c2V2 = 10*0,1 +20*0,01 = 1+0,2 = 1,2 mmol.
n(HO-aq) =c3 V3=20*0,03 =0,6 mmol
H3O+aq +HO-aq = 2H2O. ( H3O+aq est en excès de 0,6 mmol )
n(NH3aq) =c4 V4=10*0,12 =1,2 mmol
H3O+aq +NH3 = NH4+ aq + H2O.
0,6 mmol H3O+aq réagit avec 0,6 mmol NH3 et donne 0,6 mmol NH4+ aq.
Le couple ( NH4+ aq/NH3aq) fixe le pH ; [NH4+ aq]fin=[NH3aq]fin d'où pH = pKa ( NH4+ aq/NH3aq) = 9,2.

Oxydation ménagée d'un mélange d'alcool et d'aldehyde.
Un mélange de propan-1-ol C2H5CH2OH et de méthanal HCHO est oxydé de manière ménagée par le dioxygène de l'air en présence d'un catalyseur. Le mélange de masse m = 9,0 g est intégralement oxydé en acide carboxylique. Pour déterminer la composition du mélange, on dose 1,0% de l'acide formé par une solution d'hydroxyde de sodium de concentration cB= 0,20 mol/L. Il a fallu verser un volume VB =12,5 mL de la base pour obtenir l'équivalence. On note m1 la masse de propan-1-ol et m2 la masse de méthanal dans le mélange.
Les valeurs des masses m1 et m2 sont :
 A- m1 = 1,5 ; m2 = 7,5. B- m1 = 3,0 ; m2 = 6,0. Vrai. C- m1 = 4,5 ; m2 = 4,5.  D-  m1 = 6,0 ; m2 = 3,0. E- m1 = 6,5 ; m2 = 2,5. F- m1 = 7,5 ; m2 = 1,5.  G-  autre.
n(HO-aq) =n(acide)= CBVB =0,20*12,5 =2,5 mmol.
Quyantité de matière totale d'acide n = 100 n(acide dosé ) = 2,5 10-3*100 = 0,25 mol.
m1 + m2 = 9,0 (1)
m1 / M1 + m2 / M2 = 0,25 mol ; M1 = 3*13+6+32 = 60 g/mol ; M2 = 12+2+16 = 30 g/mol.
m1 / 60 + m2 / 30 = 0,25 mol ; m1  + 2m2  = 0,25*60 = 15 (2)
(1) donne : m1  = 9,0- m2. Repport dans (2) : = 9,0+ m2 = 15.


Pile cadmium / argent.
On réalise une pile cadmium argent contenant les couples oxydant/réducteur Ag+aq/Ag(s) ; Cd2+aq / Cd(s). Les concentrations initiales des ions métalliques sont égales à 3,00 10-2 mol/L. La partie immergée de l'électrode de cadmium a une masse m = 3,36 g.
Lorsque la pile fonctionne la masse de l'électrode de cadmium diminue et il se forme un dépôt d'argent sur l'électrode d'argent. La transformation chimique qui se déroule peut être considérée comme totale.
M(Ag) = 108 ; M(Cd) = 112 g/mol.
Indiquer les bonnes réponses.
 A- une pile en fonctionnement est un système qui est à l'équilibre chimique. Faux ;
B- la lame d'argent constitue le pôle positif de cette pile. Vrai
Réduction de l'ion argent à la cathode positive : Ag+aq + e- = Ag(s).
 C-au pôle positif de cette pile a lieu une oxydation. Faux ;
D- Le volume minimal de solution  d'ion argent pour que la partie immergée du cadmium soit totalement consommée est de 100 mL. Faux ;
2Ag+aq + Cd(s) = 2Ag(s)+Cd2+aq.
n(Cd) = m/M =3,36 / 112 = 3*1,12 / 112 = 0,030 mol.
n(Ag+aq) = 2 *0,03 = 0,06 mol.
Volume cherché = n(Ag+aq) / [Ag+aq] =0,06 / 0,03 = 2,0 L.
E-La masse d'argent formé lorsque tout le cadmium est consommé est 3,24 g. Faux ;
n(Ag) = 0,06 mol ; masse = n M = 0,06*108 ~6,5 g.
  

Conductance.
On mesure la conductance d'une solution aqueuse saturée d'hydroxyde de calcium à l'aide d'une cellule de conductimétrie dont les électrodes ont une surface S = 1,0 cm2 et sont distantes de L= 4,7 mm.
On donne les conductivités molaires ioniques ( S m2 mol-1 ). lHO- = 2,0 10-2 ; lCa2+ =7,0 10-3.
Solubilité de l'hydroxyde de calcium dans l'eau  s = 1,8 10-2 mol/L.
La conductance mesurée par cette sellule est ( en S.I ) :
A- 1,8 10-5. B- 3,6 10-5. C- 5,7 10-5.  D-  1,8 10-4. E- 3,6 10-4. F- 5,7 10-4. G- 1,8 10-3.  H-  3,6 10-3. I- 5,7 10-3. J- 1,8 10-2. Vrai. K- 3,6 10-2. L- autre.
Ca(OH)2 (s) =Ca2+aq + 2HO-aq.
La solution est électriquement neutre : 2 [Ca2+aq] =[HO-aq] ; [Ca2+aq] = s et [HO-aq] = 2s avec s = 18 mol m-3.
Conductivité de la solution s = lCa2+[Ca2+aq]  + lHO- [HO-aq] =( lCa2++2 lHO-) s =(7,0 10-3 + 4,0 10-2) *18 =47 10-3 *18 S m-1.
Conductance G =  s S /L  =47 10-3 *18 * 10-4 / (4,7 10-3) =1,8 10-2 S.

Synthèse du méthylpropanoate de 2-méthylpropyle.
On se propose de faire la synthèse du méthylpropanoate de 2-méthylpropyle ( noté D), de formule semi-développée CH3-CH(CH3)- COO-CH2-CH(CH3)2 de deux manières différentes.
Question préliminaires.
Donner la formule topologique de D et encadrer le groupe fonctionnel. De quelle fonction organique s'agit-il ?

Donner les noms et les formules semi-développées de l'anhydride E et de l'alcool F qu'il faut choisir pour réaliser cette synthèse.
2-méthylpropan-1- ol (CH3)2-CH-CH2OH ; anhydride 2-méthylpropanoïque [(CH3)2-CH-CO]2O.

Donner le nom du montage à adopter pour effectuer cette synthèse.
Montage à reflux
Donner le nom et la formule semi-développée de l'acide carboxylique AH qui a servi à préparer l'anhydride F. Ecrire l'équation chimique de la réaction de formation de cet anhydride d'acide..
acide 2-lméthylpropanoïque. (CH3)2-CH-COOH
2(CH3)2-CH-COOH = [(CH3)2-CH-CO]2O + H2O.

Synthèse à partir d'un anhydride d'acide.
On réalise une synthèse en mélangeant n1 = 0,10 mol d'anhydride E et n2 = 0,1 0 mol  de l'alcool F. A la fin de l'expérience on a pu isoler une masse m = 11,5 g de méthylpropanoate de 2-méthylpropyle.
Ecrire l'équation de la réaction modèlisant la transformation en utilisant les formules semi-développées.

Donner une expression littérale du rendement et le calculer. Le résultat est-il conforme à la théorie ? Justifier.
Quantité de matière théorique d'ester = n1 = n2= 0,10 mol.
M : masse molaire de l'ester ; M = 12*8+16+32=144 g/mol.
Quantité de matière réelle d'ester : n' = m/M = 11,5 / 144 ~0,08 mol
Rendement : n'/n = m / (M n1)=0,08/0,1 ~0,8 ( 80 %).
La réaction entre un anhydride d'acide et un alcool est totale ; le résultat trouvé est en désaccord avec la théorie.



Synthèse à partir d'un acide carboxylique.
Ecrire, en utilisant les formules semi-développées l'équation chimique modèlisant la synthèse du 2-méthylpropanoate de 2-méthylpropyle à partir de l'acide carboxylique AH.

 Comparer les propriétés de cette transformation à celles de la synthèse à partir de l'anhydride d'acide.
L'estérification entre un alcool et un acide carboxylique est lente, limitée par l'hydrolyse de l'ester.
Par contre en remplaçant l'acide carboxylique par l'anhydride correspondante ( absence d'eau), la réaction est rapide et totale.
On veut produire la même quantité de matière du composé D que celle isolée au cours de l'expérience précédente, en utilisant la même quantité de matière initiale n2 d'alcool F.
 Calculer la quantité de matière n d'acide carboxylique nécessaire, sachant que la constante d'équilibre associée à cette réaction dans les conditions de l'expérience vaut K = 4,0.
K =[ester]éq[eau]éq / ( [acide ]éq [ alcool]éq )
K =x2 / ((n-x)(n2-x))  avec n2 = 0,1 et x = 0,08.
0,082 = 4(n-0,08) (0,1-0,08) ; 0,082 = 0,08(n-0,08 ) ; 0,08 = n-0,08 ; n = 0,16 mol.
En déduire l'expression littérale puis la valeur du volume d'acide carboxylique nécessaire.
On donne M( acide carboxylique) =Ma= 88 g/mol ; masse volumique de l'acide carboxylique r = 1,09 g/mL.
Masse d'acide carboxylique : m = n Ma ; volume d'acide : V = m /r =n Ma / r =0,16*88 / 1,09 =12,9 ~13 mL.





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