نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2021: الكيمياء - شعبة TSI لولوج مدارس المهندسين

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المملكة المغربية
وزارة التربية الوطنية والتكوين المهني
و التعليم العالي و البحث العلمي

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ASOOUCAcIHHASOKK30L›DOo1

Royaume du Maroc
Ministère de l'Éducation Nationale, de la Formation Professionnelle, de l'Enseignement Supérieur
et de la Recherche Scientifique
Département de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

4

ادل - ارئة 1 ‎CAN‏ وزّارة التجهيز و التقل و اللوجستيك و الماء
للح جيني ‎Ministère de l'Equipement, du Transport, LE JE‏
‎de la Logistique et de l’Eau Ecole Hassania des Travaux Publics‏

CNC 2021

Concours National Commun

d’Admission dans les Établissements de Formation d’Ingénieurs et
Établissements Assimilés

Épreuve de Chimie

Filière : TSI

Durée 2 heures

Cette épreuve comporte 5 pages au format A4, en plus de cette page de garde

Calculatrice autorisée

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Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière TSI

e Le candidat donnera une grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Il
convient en particulier de rappeler avec précision les références des questions abordées.

e Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé ou un oubli, il
le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à
prendre.

ENJEUX ENÉRGETIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX

Les besoins de l'humanité en énergie sont énormes et vitaux ; la consommation moyenne annuelle
par habitant vaut environ 23MWh.an-‘.hab”*, soit l'équivalent de 2t de pétrole ou 1g d’uranium
(PU). Les principales sources d'énergie fossile, le charbon et le pétrole, sont en épuisement et sont
polluantes, en plus.

Les enjeux énergétiques et environnementaux s'imposent, d’où la necessité d’avoir recours à
d’autres sources, comme les énergies renouvelables et la conversion chimique-électrique ; et à ce pro-
pos les accumulateurs à base de lithium connaissent un formidable essor depuis la découverte des
anodes de graphite par R. Yazami, et ses équipes, vers 1990, et on cherche à augmenter davantage la
capacité de stockage de leur énergie massique (en Wh.kg”!) et volumique. Ainsi ces accumulateurs
sont omniprésents dans les ordinateurs, les téléphones, les véhicules électriques (ou hybrides), etc.

Cette épreuve est formée d'un exercice (20% du barème) et d’un problème (80% du barème) ; elle
comporte de nombreuses questions indépendantes.

Données

La température T(K) = 273 + t(°C).

La pression standard : P°=1 bar=10° Pa.

On note ‏و‎ l'état physique d'un corps À : Ag :5 ou,1 ou, gr OÙ S : solide, 1: liquide, ‏ع‎ : gazeux, etc.
Nombre d’Avogadro : Na = 6,02.10*(mol—*).

Constante des gaz parfaits : R = 8,32 SI

La charge de l’électron, noté 6 est q = —e = —1, 6.10-!°C ; le Faraday 1F = e.Na = 96500C.
Formule de Nernst donnant le potentiel E(ox/red) à 25°C:

Agx-A*
Ox + n.e- + a.H30* = red + 81120 : E(ox/red) = E°(ox/red) + CE 0810 = moi,
où ax représente l’activité de la substance chimique X considérée et E° le potentiel standard.
e Le produit ionique de l’eau Ke(298K) = [H30*].JOH-] = 10-14
e D'autres données sont insérées dans les parties concernées.

Exercice (4 points/20)
1. Généralités

1.1 Donner les structures électroniques des élements y_!H et y !$O (Z : numéro atomique).
1.2 On considère la réaction : 2 H, + O, — 2 H,0

Préciser pour cet exemple qui est l'oxydant et qui est le réducteur.

En termes d'échanges d'électrons, donner les définitions d’un oxydant et d’un réducteur.

1.3 Le solvant 1120 peut être oxydé ou réduit, pour les deux couples oxydant /réducteur, notés
ox, / H,0 et 112077612, donner ox, et red».

Épreuve de Chimie 1/5 e SVP

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2. Pile à combustible : certains constructeurs automobiles envisagent la possibilité d'utiliser la pile
à combustible-moteur électrique, dont le fonctionnement, non polluant, est basé sur la réaction

2.1 Écrire la demi-réaction du couple redox 2H* / Hz, ; en déduire la relation entre le nombre
de moles de dihydrogène n,,, et le nombre de moles d'électrons échangés n,-.

2.2 Pour cette pile, donnez l'expression de la charge Q qui accompagne la consommation de
my, = 1kg de dihydrogène. On donne la masse molaire de ‏و17‎ : M(H,) = 2.10-*kg.mol *.
2.3 La force électromotrice de la pile considérée est E = 0,7V. En déduire la valeur de
l'énergie électrique We = E.Q pouvant être fournie par la consommation d’un kg de Hz ‏لي‎

Comme il est difficile de stocker le dihydrogène, on envisage de l'obtenir à bord du véhicule. Ainsi,
sous la température T et la pression P, dans un réformeur on considère l'équilibre gazeux :

CH,OH + H,0 = 3H, + ‏,و00‎ d’enthalpie libre standard A,G°(T) = 10,41 — 0,2205.T (kJ.mol *).
2.4 Montrer que cette réaction est quantitative à ‏ا‎ = 300°C (P=1bar).

2.5 Montrer que le fonctionnement global pile-réformeur revient à brûler le méthanol CH30H
; écrire la réaction bilan.

3. On considère l’accumulateur au plomb (ou batterie) schématisé en figure 1 ; en général, l'énergie
massique stockée est de l’ordre de 40W.h.kg* (l’energie d’1IW.h : 1watt pendant 1heure).

Lors de sa décharge, on étudie la réaction d’oxydo-réduction + Séparateur PVC -
dans cet accumulateur, permettant de générer de l'énergie
électrique.

© La cathode (+) est formée de l’oxyde PbO, entourant Pb et
fait intervenir le couple 000/7 1127 , en milieu acide ;

+ L'anode (-) est une plaque de Pb et fait intervenir le couple

+ L'électrolyte est une solution Sy concentrée de l'acide sulfu-
rique H,SO4 de concentration ©

On considèrera un accumulateur comportant les indications :
Charge : Q = 40A.h (1 ampère pendant 1heure) ;

Force électromotrice fém : E = 12V.

PbO,

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

Electrolyte : H,SO,
Figure 1: accumulateur au plomb

3.1 Donner les demi-réactions ayant lieu à la borne positive et à la borne négative ; en déduire
la réaction globale de la décharge.

3.2 Lors d’une décharge complète, avec Q = 40Ah, calculer la masse mpp de plomb ayant
réagi ; la masse molaire de Ph est Mp, = 2076-0101 1

3.3 On se propose de déterminer la concentration c de la solution d'acide sulfurique Sy. Pour
cela on réalise une solution S, en mélangeant 1mL de la solution Sy avec 1000mL d’eau
pure ; on détermine le pH de Sy qui vaut pHs, = 2,13.

La première acidité de H,SO4, est forte et la 2°""° a un pK,2(HSO; /SOT) = 1,9.

3.3.1 Dresser, selon le pH, le domaine de prédominance des espèces et justifier qu’on
puisse ne considérér que certaines espèces ; on pourra, par exemple, poser [HSO, ] = a,

3.3.2 En écrivant les relations entre les concentrations, déterminer la valeur de c; concen-
tration de S, ; en déduire la valeur de la concentration c.

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Problème (16 points/20) : quelques étapes dans l'élaboration d’un
combustible nucléaire à base d'uranium

L’uranium possède deux isotopes : Z33U et 733U, avec les abondances naturelles respectives 99,27 %

et 0,73 %. Seul l’isotope “23U sert à la production d’énergie nucléaire par la fission de son noyau. On
étudie des étapes pour obtenir du combustible nucléaire enrichi à 3% en *33U.
1. Préliminaire

1.1. Donner la configuration électronique du fluor ‏.لآو‎ Indiquer comment varie l’électronégativité
dans le tableau périodique des élements (lignes et colonnes) et commenter celle du fluor.

1.2. Donner les nombres d’oxydation de l'élement U dans les composés : UO», U305 et UO3.

1.3. Étude du cristal ionique uraninite UO2 s

Dans le cristal UO2,s, les ions uranium forment un réseau cubique faces centrées (CFC) et les ions 02-
occupent les sites tétraédriques. La masse volumique de UOz,s vaut ‏م‎ = 10164 kg.m7*. On donne les
masses molaires atomiques en g.mol 1 : M(O) = 16 et M(U) = 238.
1.3.1. Dessiner la maille du cristal UO, en précisant les positions des cations et des anions ; et
vérifier que la structure cristalline respecte la formule de l’uraninite.

1.3.2. Le rayon de l'ion oxyde vaut ‏يم‎ = 124pm. Déterminer le rayon du cation r*.

2. Hydrométallurgie de l'uranium

La figure 2 donne le diagramme
potentiel-pH simplifié de l'uranium
établi, en solution diluée, pour une E F
concentration c(en mol.L”*) d'uranium se
total dissous (aq) et pour pH ‹ 4. 05 ‏وض ص ل‎
Les espèces prises en considération 5 | ;

600: Us Ua Uay U(OH)4s, VOS 4 ‏لت‎

et UO2(OH)zs- ‏ال ٍْ 1د‎
On utilise la convention que sur la
frontière entre deux espèces dissoutes,

les concentrations en élement uranium E
de ces deux espèces sont égales. 80 83 10 18 26, 25 30 38 48
On donne ‏)ا‎ 13 /11( = -1 8017

14 C(enmol.L=})

Figure 2: Diagramme E(pH) de l'uranium

2.1. Recopier le tableau suivant et indiquer pour chacune des espèces de l'élément U la lettre
correspondante de À à F dans le diagramme E(pH).
Espèce 1 8 5 UF | U(OH)4s | VO se UO,(OH)›,

321
Lettre d'identification | |

2.2. À partir du graphe E(pH), déterminer la concentration c pour laquelle il a été construit.
2.3. À partir du graphe E(pH), déterminer le produit de solubilité K; du solide UO2(OH)2,-

Épreuve de Chimie 3/5 Tournez la e SVP

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2.4. À partir du graphe E(pH), déterminer la valeur du potentiel 7) uos ‏ا/‎

Le minerai d'uranium se trouve dans la nature sous forme d'oxyde ‏يو0نا‎ ; la lixiviation du minerai
par l'acide sulfurique en présence de fer III permet d'obtenir UO2SO4.

2.5. Une solution aqueuse maintenue à pH = 0 constant, contient [U**] = 10-?mol.L* et
[Fe* +] = 10 2mol.L-*. On donne à 298K le potentiel oxred ES (Fe›* /Fe?**+) = 0,68V.

Écrire l’équation-bilan et calculer sa constante d'équilibre K(T = 298K). Commenter.

2.6. La vitesse de cette réaction est de la forme : v = 1.1737 [1.1147 [1. Préciser avec justification si
la réaction est élémentaire ou non ; quel argument physique pourrait appuyer cette réponse?

2.7. Donner la loi d’Arrhenius 1)1( reliant la constante de vitesse k à la température T.

3. Pour un équilibre chimique, donner l'expression de son enthalpie libre standard A,G°(T) en
fonction de son enthalpie de réaction A,H° (T) et de son entropie de réaction A,5° (T).
Qu'appelle-t-on approximation d’Ellingham? Cette approximation sera utilisée dans la suite.

4. Étape de l'obtention de l’oxyde ‏مدنا‎

L'attaque acide du minérai suivie de plusieurs opérations aboutit à l’oxyde solide UO3,. Cet oxyde
est réduit par l'ammoniac pour donner l’oxyde ‏02لا‎ ., selon l'équilibre :

4.1. On travaille à P = 1bar et à T, = 500K, montrer que la réaction est quantitative.

4.2. Déterminer l’enthalpie standard de réaction A,H} (298K).

En déduire dans quel sens doit-on faire varier la température T, à pression constante, pour
favoriser la synthèse de ‏مدنا‎

4.3. Dans quel sens doit-on faire varier la pression P, à température constante, pour favoriser la
synthèse de UO2,5?
4.4. Étude de la possibilité de réduction de UO3 en uranium ‏ا‎

Déterminer l’enthalpie libre standard de l'équilibre Données thermodynamiques à 298K

de dismutation : 3UO7, = 2UO3,5 + Us. Corps ‏ملا‎ | UO›; | UO3;
Montrer que la réduction de UO3,; conduit à UO5,,, A,H°(kJ.molT 11| 0 | -1085 | -1224
et qu’on n'obtient pas le métal U. S°(J.K-mol”!) | 502| 77 | 1

5. Étape de l'obtention du térafluorure d'uranium UF, ; : on travaille à T, = 700K, et à P = 1bar.

On considère l'équilibre (2) : ‏رونا‎ + 4 HF, = UF4,s +2 H2Og, A,G5 (T) = —235,2 + 0,2435. T (kJ.mol=*)

Calculer la constante d'équilibre K,(T;) et déterminer les pressions partielles à l'équilibre ; on
justifiera d'éventuelles approximations.

6. Étape de l'obtention de l’hexafluorure d'uranium ‏يآلا‎ et de l'enrichissement
6.1. On considère l'équilibre : (3) : UF45s + ‏ما‎ = UFeg

L'affinité chimique standard de cet équilibre est A; (T) = 276 — 0,127.T (kJ.mol7*) ; montrer
que la synthèse est quantitative à T3 = 523K.

Le fluor possède un seul isotope '3F. Pour enrichir le produit obtenu en l’isotope fissile ‏,ناك‎ on peut
utiliser la centrifugation du gaz ‏يو آنا‎ car celle-ci permet de séparer les molécules gazeuses selon leur
masse molaire ; et à partir de ‏يآلا‎ enrichi, on obtient le combustible ‏.02لا‎ enrichi.

Épreuve de Chimie 4/5 e SVP

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6.2. Compte tenu des différents isotopes considérés, combien de masses molaires observera -t-
on? Justifier pourquoi on s'intéresse au gaz enrichi en le composé à faible masse molaire.

6.3. Étude des changements d’états physique de l’hexafluorure d'uranium
On s'intéresse aux changements d'état solide-gaz et liquide-gaz pour UF; et on donne la relation

entre la pression de vapeur saturante (en bars) et la température (en K) :
2559,5

6.3.1. Déterminer la température et la pression du point triple + : T, et P-.

6.3.2. On se place à Py = 1bar, à quelle température Ty le gaz UF ç est en équilibre diphasique?
sous quel état, solide ou liquide, se trouve-t-il alors?

7. Les étapes précédentes sont suivies par la réaction-bilan : UFg + 271120 + Hz,g — UO2,s + ‏م6111‎

Pour la fission nucléaire est-il necessaire d’obtenir le métal enrichi en 225117 Justifier.

La fission nucléaire s'accompagne par l'émission d'éléments radioactifs très dangeureux pour les
êtres vivants (cancers, mutations, …). En particulier l’iode 1311 inhalé a la propriété de se fixer très
rapidement sur la glande thyroïde ; pour éviter cette contamination, on sature celle-ci avec de l’iode
non radioactif, avant exposition, par ingestion de comprimés d’iodure de potassium 12127

8. On se propose de déterminer la masse m de K!?”I contenue dans un comprimé à l’aide d’un
dosage par une solution étalonnée de nitrate d'argent. On réalise une solution (S) par dissolution
de dix comprimés d’iodure de potassium dans un volume Vo = 1000mL d’eau. On dose les ions
iodure contenus dans V, = 100mL d’une prise d’essai de (S) à l’aide d’une solution de nitrate
d'argent de concentration ‏جيب‎ = 0,130mol.LT ! placée dans une burette.

On effectue un suivi de la conductivité ‏ه‎ de la solution contenue dans le bécher, pour un volume
versé v, et on obtient la courbe de la figure 3.

Données :

L'iodure d'argent Agl est un solide ionique
jaune de produit de solubilité pK, = 16,1.
La masse molaire de l'iodure de potassium
KI: M = 166,00g.mol ٠

©: conductivité en mS/m

8.1. Commenter et expliquer, qualitative- no es aan
ment, l'allure de la courbe o(v). 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
‏:لا‎ volume de solution ) Ag*, MO5) versé, en mL

8.2. En déduire la valeur de la masse m _ 0" 0"
d’iodure de potassium contenue dans Figure 3: Suivi de la conductivité lors du dosage de

un comprimé. (K*,I7) par (Ag, NO; )

Fin de l'épreuve.

Épreuve de Chimie 5/5 Tournez la e SVP

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