Aurélie 5 / 05
Devoir première S

polymère; chlorure de vinyle ; amine ; craquage du butane ; solvant chlorés ; alcools

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Un polymère a pour masse molaire moyenne 8,75. 10 4 g/ mol et pour degré de polymérisation moyen environ n=1,4. 103. Son analyse chimique montre qu'il contient, en masse, 56,8 % de chlore 38,4 % de carbone et le reste d'hydrogène. 

  1. Déterminer la formule et le nom du monomère.
  2. Donner la formule du polymère.
  3. En quelle année ce dernier a t il été inventé ? 1900 ? 1931 ? 1970 ?
  4. Le PVC brûle en émettant du dioxyde de carbone, de l'eau et un gaz d'odeur piquante.
    - Ecrire la réaction de combustion pour le monomère.
    - Que peut on employer pour caractériser le gaz d'odeur piquante ?
    On fabrique en France 1,5 10 5 tonnes par an de bouteilles en PVC Quelle masse de chlorure d'hydrogène serait libérée par l'incinération de ces bouteilles ? 
corrigé
Masse molaire du monomère = 8,75. 10 4 / 1,4. 103 = 62,5 g/mol.

formule brute CxHyClz.

masse molaire 12 x +y +35,5 z= 62,5

en conséquence z ne peut être supérieur à 1.

% hydrogène = 100-38,4-56,8=4,8 %

12 x / 38,4 = y / 4,8 = 35,5 z / 58,6 = 62,5 / 100= 0,625

x= 0,625*38,4/12 = 2 ; y = 0,625*4,8 = 3 ; z= 0,625*58.6/35.5=1

C2H3Cl chlorure de vinyle ( monomère)

-[CH2-CHCl]- n fois polychlorure de vinyle ( polymère)

En 1913, début de la production industrielle de PVC par le procédé en émulsion. En 1914, Klatte dépose le brevet de fabrication du chlorure de vinyle par réaction entre l’acétylène et le chlorure d’hydrogène.

Au début des années 1930, la production industrielle du PVC apparaît.

combustion du monomère : C2H3Cl + 2,5O2 --> 2 CO2 + H2O + HCl

Le gaz d'odeur piquante est du chlorure d'hydrogène HCl, très soluble dans l'eau, il donne une solution d'acide chlorhydrique.

(mesurer le pH de la solution ou vérifier que la solution est acide avec un papier indicateur universel)

masse molaire chlorure de vinyle : 62,5 g/mol

Qté de matière chlorure de vinyle (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)

n (chlorure de vinyle)= 1,5 1011/62,5 = 2,4 109 mol

n( HCl) = 2,4 109 mol

masse HCl (g)= Qté de matière (mol) * mase molaire HCl (g/mol) = 2,4 109*36,5 = 8,76 1010 g = 8,76 104 t.

L'analyse d'une monoamine est réalisée par combustion de 150 mg d'amine.On obtient 355,6 mg de dioxyde de carbone et 205 mg d'eau. L'élément azote se retrouve sous forme de diazote gazeux : le volume recueilli sous 98,66 kPa, à 20 °C est 31,5 mL.

  1. Montrer que le volume de diazote permet de connaître la masse molaire de l'amine.
  2. Déterminer la formule brute de l' amine.
  3. Sachant que le groupement fonctionnel se retrouve en bout de chaîne carbonée écrire la formule semi développée de cette amine.
  4. Quelle propriété possède une solution aqueuse de ce composé ? 
    corrigé
    formule brute de l'amine : CxHyN
combustion : 2CxHyN +(x+½y) O2 --> x CO2 + yH2O + N2.

d'où n( amine) = 2 n( N2)

volume molaire des gaz : V= RT/P = 8,31 * (273+20) / 9,866 104 = 2,47 10-2 m3 /mol= 24,7 L/mol

n(N2 ) = volume diazote (L) / volume molaire (L/mol) = 31,5 10-3 / 24,7 = 1,275 10-3 mol

n(amine) = 2*1,275 10-3 = 2,55 10-3 mol

Qté de matière amine (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol) soit M = masse /n(amine )

M= 0,15 / 2,55 10-3 = 59 g/mol

M= 12 x + y + 14 = 59 soit 12 x+y = 45

x= 3 et y = 9

CH3-CH2-CH2-NH2 : propylamine

(CH3)2CH-NH2 : isopropylamine

Une amine a des propriétés basiques.

Le craquage catalytique du butane gazeux est effectué à 500°C sous une pression de 5,0.105 Pa. On obtient un mélange de 2 hydrocarbures gazeux appelés A et B. Une solution de permanganate de potassium en milieu basique devient verte en présence du composé B et reste violette en présence du composé A.

Afin de déterminé la formule B, on fait agir sur lui une solution aqueuse de dibrome. Une masse m(B) de 0.70g de B suffit pour décolorer une solution aqueuse contenant m(Br2)=4.0 g de dibrome.

Le composé A subit une déshydrogénation catalytique et se transforme en un composé C qui se comporte comme B vis-à-vis d’une solution de permanganate de potassium en milieu basique.

Le composé B subit une réaction de polyaddition et forme un polymère de degré de polymérisation n=1,0.103.

  1. D’après le test avec le permanganate de potassium, que peut-on dire de B ? Donner sa formule générale.
  2. Ecrire l’équation d’addition du dibrome sur B. La réaction ayant lieu dans les proportions stœchiométriques, utiliser un tableau d’avancement pour calculer la quantité de matière initiale n(B)i de B et sa masse molaire. Donner le nom et la formule semi-développée de B.
  3. En déduire la formule de A et écrire l’équation associée au craquage du butane.
  4. Ecrire l’équation de la déshydrogénation de A
  5. Ecrire l’équationassociée à la polymérisation de B ; comment s’appelle le polymère obtenu ? Calculer sa masse molaire.

    Données : M(C) = 12.0 g/mol ; M(H)= 1.0 g/mol ; M(Br2)=160.0 g/mol ; M(C4H10)=58.0 g/mol ; Constante des gaz parfaits : R=8.3 S.I

corrigé
Le test avec le permanganate de potassium indique que l'hydrocarbure b est insaturé : ( alcène de formule brute CnH2n)

B+Br2 = B Br2 dibromoalcane

Qté matière dibrome : 4/160 = 0,025 mol

Qté matière B : 0,7 /M =0,025 mol d'où M= 0,7/0,025 =28

B est éthylène C2H4.

craquage du butane : C4H10 --> C2H4 +C2H 6 ( éthane)

déshydrogénation éthane : C2H 6 --> C2H4 + H2

polymérisation de l'éthylène : n CC2H4 -->-[-CH2--CH2]- n fois polyéthylène

masse molaire du polymère : 1000 * 28 = 28 000 g/mol.

Un polymère obtenu par polyaddition a pour masse molaire moyenne M = 47 040 g/mol et pour indice de polymérisation n = 1120 . Une analyse élémentaire du monomètre montre qu'il contient en masse 85,7 % de carbone et 14,3 % d'hydrogène.

  1. Calculer la masse molaire du monomère.
  2. En deduire la formule brute du monomère.
  3. Indiquer la formule développer et le nom du monomère.
  4. Ecrire l'équation de la réaction de polymérisation.
 

corrigé
masse molaire du monomère = M/n = 47040/1120 = 42 g/mol

formule brute du monomère CxHy ; 12 x / 85,7 = y / 14,3 = 42/100 = 0,42

x = 0,42*85,7/12 =3 ; y = 0,42*14,3 =6

CH3-CH=CH2 propène.

polymérisation : nCH3-CH=CH2 --> -[-CH3CH--CH2-]- n fois polymère

Un composé chimique B ne contient que des atomes de C, H et O. Une solution aqueuse dilué de B fait rougir l'hélianthine. Le dosage de 5,0 mL de cette solution aqueuse, de concentration massique 8,4g.L-1, nécessite 7,0 mL d'une solution de soude à 0,100mol.L-1.

  1. Quel groupement possède B ?
  2. Quelle est la masse molaire de B ?
  3. Une analyse montre que sa composition centésimale massique est de 40% en carbone et de 6,67% en hydrogène.
    - Déterminer la formule brute de B.
    - En déduire sa formule développée.
corrigé
si l'hélianthine est rouge, c'est un acide organique.

Un acide carboxylique possède le groupement -COOH

Lors du dosage par la soude on a à l'équivalence :

n(acide )=n(OH- )si c'est un monoacide carboxylique.

n(OH- ) =COH-*Véqui = 0,1*7 10-3 = 7 10-4 mol

7 10-4 mol d'acide dans 5 mL de solution soit : 7 10-4 / 5 10-3 = 0,14 mol/L.

concentration molaire (mol/L) * masse molaire (g/mol) = titre massique (g/L)

d'où : M= 8,4 / 0,14 = 60 g/mol.

Formule brute : CxHyO2 :

12x / 40 = y / 6,67 = M/100 = 0,6

x= 0,6*40/12 =2 ; y = 0,6*6,67 = 4

C2H4O2 soit CH3-COOH acide éthanoïque au acétique.

On brûle 0,500 g d'un echantillon d'une espèce chimique.

  1. Les produits de combustion sont uniquement CO2 et H2O. Que peut-on en déduire ?
  2. Les produits de la combustion passent dans un flacon contenant du chlorure de calcium anhydre. Cette espèce chimique est un desséchant puissant. Lorsque tous les produits de combustion sont passés dans le flacon, on pèse le chlorure de calcium et l'on s'aperçoit que sa masse a augmenté de 643 mg. Comment peut-on expliquer cette augmentation de masse ?
  3. A la sortie de ce flacon de chlorure de calcium, que reste-t-il des produits de combustion ?
    - Ce qu'il reste des produits de combustion est mis à barboter dans une solution d'hydroxyde de sodium. On constate que la masse de cette solution augmente de 1,57 g.Comment peut-on expliquer cette augmentation de masse ? Justifier en proposant une équation chimique.
  4. De quelle quantité de matière d'eau et de dioxyde de carbone les produits de combustion sont-ils constitués ?
corrigé
L'espèce chimique est donc seulement composée de Carbone, Hydrogène.( hydrocarbure)

Le chlorure de calcium anhydre CaCl2 fixe des molécules d'eau. La prise de masse correspond à la masse d'eau contenue dans les gaz (ou fumées) de combustion, soit 643 mg d'eau.

Il ne reste que CO2 qui ne réagit pas avec le chlorure de calcium.

La prise de masse correspond à la fixation du CO2 par la solution basique sous forme d'anion carbonate CO32-.

2Na+ + 2OH- + CO2 --> 2Na+ + CO32- + H2O

Na+ est un ion qui n'intervient pas dans le processus( ion spectateur)

Quantité de matière ( mol ): masse (g)/ masse molaire (g/mol)

n(H2O) = 0,643/(2+16) = 0,0357 mol

n(CO2) = 1,57/(12+2*16) = 0,0357 mol

Synthèse du chlorure de vinyle en plusieurs étapes :

- on fait réagir du dichlore sur l'éthylene en phase liquide a 50°C et sous une pression de 5.105 Pa ;

- le composé X obtenu est ensuite chauffé vers 600°C sous une pression de 25.105 Pa, en présence de nickel et de chrome. On obtient du chlorure de vinyle et un gaz Y d'odeur piquante très soluble dans l'eau ;

- pour identifier ce gaz, on procède à sa dissolution dans l'eau. La solution obtenue est jaune en présence de BBT et on obtient un précipité blanc noircissant à la lumière par ajout d'une solution aqueuse de nitrate d'argent.

  1. Ecrire l'equation associée à l'addition de dichlore sur l'éthylène. Quel est le nom de X ?
  2. Donner la formule de la solution aqueuse de nitrate d'argent. Quel est l'ion mis en évidence par la formation du précipité ?
  3. Quelle est l'indication donnée par la couleur du BBT ?
  4. Quelle est la formule de Y? Ecrire l'équation de sa dissolution dans l'eau. De quelle type de réaction s'agit'il ?
  5. Ecrire l'équation associée à la transformation de X en chlorure de vinyle ?
  6. En déduire la formule du chlorure de vinyle.
  7. Le chlorure de vinyle est ensuite polymérisé par polyaddition. Ecrire l'équation correspondante et quel est le nom du polymère obtenu?
corrigé
éthylène + dichlore --> 1,2-dichlorométhane

CH2=CH2+ Cl2 --> CH2Cl-CH2Cl

solution aqueuse de nitrate d'argent. Ag+(aq) + NO3-(aq) : mise en évidence de l'ion chlorure Cl-.

la couleur jaune du BBT met en évidence un milieu acide ( ion oxonium H3O+)

Y est le chlorure d'hydrogène HCl(g) : HCl(g) + H2O = H3O+ + Cl-.( réaction acide base)

CH2Cl-CH2Cl --> CH2=CHCl (chlorure de vinyle) + HCl

nCH2=CHCl --> --[CH2--CHCl ] --n fois polychlorure de vinyle.

Trois solvants chlorés sont utilisés aujourd'hui : le chlorure de méthylène ou dichlorométhane CH2Cl2, , le trichloréthylène ClHC= CCl2 et le perchloréthylène, ou rétrachloroéthvlène, Cl2C= CCl2 .

Le dichlorométhane peut être préparé directement par action du dichlore sur le méthane ; les deux autres peuvent l'être par action du dichlore sur l'éthylène H2C= CH2, avec élimination de chlorure d'hydrogène selon :

2 H2C= CH2 + 7 Cl2 --> ClHC= CCl2 + Cl2C= CCl2 + 7 HCl

Ces trois solvants sont ininflammables et n'affectent pas la couche d'ozone stratosphérique en raison de leur faible durée de vie. La France en produit environ 300 mille tonnes par an et en consomme à peu près le tiers.

  1. Écrire la formule de Lewis des trois solvants chlorés utilisés aujourd hui ; vérifier que tous les atomes suivent la règle de l'octet ou du duet.
  2. On souhaite préparer 250 tonnes de perchloréthylène par la réaction indiquée dans le texte. Déterminer :
    - la masse d'éthylène nécessaire.
    - le volume de dichlore utilisé ( Vmolaire = 24,0 L /mol)
    - la masse de trichloréthylène également produite.
    - le volume de solution d'acide chlorhydrique à 11,0 mol/L obtenu en dissolvant la totalité du chlorure d hydrogène produit dans de l'eau. Cl : 35,5 ; H : 1 ; C : 12 g/mol
corrigé

masse molaire C2Cl4 : M= 2*12+4*35,5 = 166 g/mol

Qté de matière (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)

n(C2Cl4)= 2,5 108 / 166 = 1,506 106 mol

n(C2H4)= 2 n(C2Cl4)=3,012 106 mol

masse éthylène (g) = masse molaire (g/mol) * Qté de matière (mol) = 28*3,012 106 mol=8,43 107 g = 84,3 t.

n(Cl2)= 7 n(C2Cl4)=1,054 107 mol

volume de dichlore (L) = volume molaire (L/mol) * Qté de matière (mol)= 24*1,054 107 =2,53 108 L.

n(C2HCl3)= n(C2Cl4)=1,506 106 mol

masse C2HCl3 (g) = masse molaire (g/mol) * Qté de matière (mol) = 131,5* 1,506 106 =1,98 108 g = 198 t.

n(HCl)= n(Cl2) = 1,054 107 mol

volume acide chlorhydrique (L) = Qté de matière (mol) / concentration (mol/L)= 1,054 107 / 11 = 9,58 105 L = 958 m3.

Pour chacune des équations ci-dessous, nommer les réactifs et les produits, puis indiquer si la réaction associée est une déshydratation, une substitution, une addition, une oxydation ou une réduction…
Donner la formule semi-développée de W, X, Y et Z

CH3 - CH2 - CHOH - CH3--> CH3 - CH = CH - CH3 + W

CH3-CH=CH2 + H2O --> Z

Pour cette dernière réaction, 2 isomères de Z sont envisageables, lequel obtient-on ?

corrigé
CH3 - CH2 - CHOH - CH3--> CH3 - CH = CH - CH3 + H2O déshydratation

butan-2-ol --> but-2-ène ( Z ou E) +eau

CH3-CH=CH2 + H2O --> CH3-CHOH-CH3 addition

propène + eau --> propan-2-ol

Un volume V=25 mL de cyclohexanol C6H11-OH est agité avec une solution concentrée d'acide chlorydrique en excès. Après 30 minutes d'agitation, le mélange est introduit dans une ampoule à décanter. La phase aqueuse est éliminée, puis la phase organique est lavée avec une solution d'hydrogénocarbonate de sodium, Na+ + HCO3-; et enfin traitée par du sulfate de magnésium anhydre. La phase organique est filtrée, puis distillée ; la masse de distillat alors recueilli vaut m=25.7g.

données : µ(cyclohexanol)=0.962g/mL ; µ(chlorocyclohexane)=1g/mL; µ(phase aqueuse)=1.10g/mL ; Teb(chlorocyclohexane)=142°C ; Teb(cyclohexanol)=161°C

  1. Lors du lavage par la solution d'hydrogénocarbonate de sodium, un dégagement gazeux se produit ; quelle est sa nature ? Ecrire l'équation de sa réaction de formation.
  2. Comment vérifier, à l'aide d'un test simple, la nature du produit organique formé lors de cette réaction ? décrire le test.
  3. Comment vérifier lors de la manip que le produit obtenu est le chlorocyclohexane ?
  4. Déterminer les quantités d'alcool traité et de dérivé chloré obtenu; en déduire le rendement de cette synthèse.

 

corrigé
H+ + HCO3- = CO2 (g) + H2O

dégagement de dioxyde de carbone

chlorocyclohexane + Ag+ donne un solide blanc AgCl.

Lors de la distillation le chlorocyclohexane, composé organique le plus volatil , distille vers 142 °C

On peut également déterminer sa masse volumique : 1 g/mL

masse cyclohexanol(g) = volume (mL) * masse volumique ( g/mL)

25*0,962 = 24,05 g

M(cyclohexanol)= 6*12+12+16 =100 g/mol

n(cyclohexanol) = 0,24 mol

C6H11-OH + H+ + Cl- = C6H11- Cl + H2O

donc 0,24 mol chlorocyclohexane

M (chlorocyclohexane)=6*12+11+35,5 = 118,5 g/mol

masse théorique chlorocyclohexane (g): Qté de matièe (mol) * mase molaire g/mol) =118,5*0,24 = 28,4 g

rendement : masse réelle(g) / masse théorique (g)=25,7 / 28,4 = 0,9

On réalise au laboratoire la déshydratation du 3,3-diméthylbutan-1-ol (CH3)3 C-CH2-CH2-OH. Après chauffage à reflux pendant trente minutes d'un mélange constitué de V = 30,0 mL de cet alcool et de 5 mL d'acide sulfurique concentré, le mélange est introduit dans une ampoule à décanter.

La phase aqueuse est éliminé, puis la phase organique est lavée avec une solution d’hydrogénocarbonate de sodium Na+ + HC03- et, enfin, traitée par du sulfate de magnésium anhydre. Le mélange obtenu est filtré. On recueille une masse m’ = 11,6 g d’un alcène A.

  1. Quel est le rôle du lavage par la solution d’hydrogénocarbonate de sodium ?
  2. Pourquoi ajoute-t-on du sulfate de magnésium à la phase organique après son lavage ?
  3. Déterminer la formule de A. Comment tester simplement qu’il s’agit d’un alcène ?
  4. Déterminer les quantités d’alcool traité et d’alcène obtenu. En déduire le rendement de cette synthèse.

Donnée : µ(3,3-diméthylbutan-1-ol) = 0,812 g.mL-1.

corrigé
H+ + HCO3- = CO2 (g) + H2O on élimine l'excès d'acide

sulfate de magnésium : désséchant, élimine les traces d'eau

(CH3)3C-CH=CH2

3,3-diméthylbut-1-ène

mise en évidence de l'alcène : décolore l'eau de brome

masse alcool (g) = masse volumique (g/mL) * volume (mL)=0.812*30 =24,36 g

mase molaire alcool : M=12*6 + 14+16 = 102 g/mol

n(alcool) = masse (g) / masse molaire (g/mol) =24,36/102 = 0,239 mol

(CH3)3 C-CH2-CH2-OH = (CH3)3C-CH=CH2 +H2O

donc d'après les coefficients de l'équation : 0,239 mol alcène

M(alcène) = 6*12+12 = 84 g/mol

masse alcène =masse molaire (g) * quantité de matière (mol) = 84*0,239 = 20,1 g

rendement = masse réelle / masse théorique = 11,6/20,1 = 0,58 ( 58%)

On souhaite determiner la formule brute d'une espece chimique X. Un échantillon est brulé en presence d'un excés de dioxygène et de produits de combustion sont récupérés.On ne trouve que CO2 et H2O.

  1. Pourquoi cette information n'est-elle pas suffisante pour déterminer la famille à laquelle apartient X ?
  2. Après quelques tests chimiques on est sûr qu'il s'agit d'un aldehyde.Quel test positif a-t-on pu effectuer ?
  3. La pesée des produits obtenus après combustion permet de determiner que X est constitué a 66.7% en masse de l'élément chimique C et à 11.1% de l'élément chimique H. Exprimer, en fonction de la masse molaire M de X la proportion d'élément chimique oxygène et en déduire M.
  4. En supposant que la formule brute de X est CxHyO exprimer M en fonction de x et y.
  5. Utiliser la proportion d'élément chimique C et H pour déterminer complétement la formule brute.
  6. Quels sont les aldéhydes possédants cette formule.
corrigé
les hydrocarbures et les composés oxygénés conduisent par combustion au CO2 et à H2O : on ne peut pas donner le nom de la famille à laquelle appartient X.

aldehyde : test positif à la liqueur de Fehling

formule brute : CxHyO ; M= 12 x+y+16

% massique d'élément oxygène : 100-66,7-11,1 = 22,2 %

12x/66,7= y/ 11,1 = 16 / 22,2 = M/100

d'où M= 1600/22,2 = 72 g/mol

et x=4 et y=8

CH3-CH2-CH2-CHO : butanal

CH3-CH(CH3) -CHO : 2-méthylpropanal

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