Modèle de concours : CNC 2024 Chimie (TSI) — Concours National Commun

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Concours National Commun - Session 2024 - Filière TSI

e On veillera à une présentation et une rédaction claires et soignées des copies.

1 convient en particulier de rappeler avec précision les des
questions abordées.

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

Toutes les réponses devront être très soigneusement justifiées.

e Si un résultat donné par l'énoncé est non démontré, il peut néanmoins être
admis pour les questions suivantes. Ainsi, les diverses parties de l’épreuve
sont relativement indépendantes entre elles.

Le sujet est composé de deux parties totalement indépendantes. La partie 1

est notée sur 4 points, la partie 2 sur 16 points.
Partie 1

Une solution aqueuse d’acide benzoïque C,H,COOH de concentration
C=10"molL" a un pH de 3,1. On donne la constante d’acidité du couple
C,H,COOH 1071.000 : K,=6,6.107.

1. Écrire l’équation bilan de la réaction de mise en solution de l’acide
benzoïque dans l’eau.

2. Exprimer le pH de la solution d’acide benzoïque en fonction de la grandeur
pK, =-log(K,), et des concentrations [C,H,COOH] et [C,H,COO- ] ;

3. Représenter sur une échelle de pH les domaines de prédominance de
l'acide benzoïque et de sa base conjuguée.

4. Quelle espèce prédomine dans la solution au pH =3,1 ?

Partie 2

Le protoxyde d’azote

Le protoxyde d’azote, appelé aussi monoxyde de diazote, ou encore oxyde
nitreux, a été découvert en 1772 par le chimiste anglais Joseph Priestley. Dans
les conditions normales de température et de pression, c’est un gaz incolore et
inodore, sans effet toxicologique, mais il peut être asphyxiant à forte
concentration. Il est employé depuis la fin du 18° siècle à des fins récréatives (gaz
hilarant), médicales (analgésique et anesthésique).… Le protoxyde d'azote est un
puissant gaz à effet de serre qui subsiste longtemps dans l'atmosphère. Les
émissions de protoxyde d'azote proviennent essentiellement de l'utilisation
d'engrais azotés, de déjections animales et de certains procédés industriels tels
que la fabrication du glyoxal et des acides, nitrique, adipique et glyoxylique.

Données :
- Numéro atomique de l’azote : Z(N)=7.

- Numéro atomique de l’oxygène : Z(0)=8.
- Constante des gaz parfaits : R=8,314J.K"'.mol".

Épreuve de Chimie 1/4

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- 2355 =0,06V à 25°C.

- Classement énergétique des différentes sous-couches électroniques d’un
atome : 1s ›2s ›2p›3s ›3p—›4s›3d ›4p—›5s›4d›5p›6s›4f ›.

- Les gaz sont considérés parfaits et les solutions aqueuses diluées.

- Le constituant A est noté ‏را‎ €N Solution aqueuse, A, en phase solide,

A, en phase gazeuse et A,, en phase liquide.

01)

1.  Atomes et molécules

1.1. Donner la configuration électronique de l’azote N et celle de l’oxygène O
dans leur état fondamental.
1.2. Quel est le nombre d’électrons de valence de l’atome d’azote ?
1.3. Donner le nombre d’oxydation de l’azote dans les espèces suivantes : N,,
NH}, NO;, NH,NO, et N,0.
1.4. La demi-équation redox du couple N,O/N, en milieu acide s’écrit :
NO + ‏يوالح 12+ مي لله‎ + PRO

Déterminer les entiers, ‏مه‎ n et 0. et exprimer le potentiel de NERNST du

couple N,O/N,. On note E°(N,O/N,) le potentiel standard de ce couple.

2. Préparation du protoxyde d’azote

Le protoxyde d'azote N,O est obtenu par décomposition thermique du
nitrate d'ammonium liquide à la température 7 =520K. L’équation-bilan de cette
réaction est :

Dans le cadre de l’approximation d’ELLINGHAM, l’expression alphanumérique
de l’enthalpie libre standard de la réaction (F) est A,G°(T)=-46,8-414.107T , avec
A,G°(T) en kJ.mol! et T en K.

2.1. Calculer l’enthalpie standard A,H° et l’entropie standard A,S° de la
réaction (F). Cette réaction est-elle exothermique ou endothermique ? Justifier le
signe de A,S°.

2.2. Comment faut-il choisir la température pour favoriser la formation du
protoxyde d’azote ?

2.3. Comment faut-il choisir la pression pour favoriser la formation du
protoxyde d’azote ?

2.4. Calculer la valeur numérique de la constante d’équilibre K°(520K) de la
réaction (F) à la température 7 - 5207 . En déduire que l’on peut faire l'hypothèse
d’une réaction totale.

On étudie la préparation du protoxyde d’azote à partir de la décomposition
du nitrate d’ammonium liquide dans un réacteur thermostaté à la température
17. Le réacteur de volume V , initialement vide, contient une quantité n, de

Épreuve de Chimie 2/4

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nitrate d’ammonium liquide. On note P la pression totale. On note n(H.,0,.) et

n(N.0,.) les quantités molaires respectivement de H,O,, et N,O,, à un instant

donné, et n, (F0) et n, (NO) à l’équilibre.

2.5. Quelle relation y a-t-il entre n(H,0,,) et n(N.0,.) ?

2.6. Calculer la variance du système dans le cas particulier de la décomposition
du nitrate d'ammonium liquide. Commenter.

Le réacteur thermostaté à la température 7 =520K et de volume V =10,0L,
initialement vide, contient une quantité n,=1,00mol de nitrate d’ammonium
liquide. On suppose que l’on peut faire l'hypothèse d’une réaction totale.

2.7. Déterminer la quantité de matière de chaque produit ainsi que la pression
totale dans l’enceinte à l’état final du système à l’issue de la réaction (F).
2.8. Calculer le quotient de réaction Q, à l’état final. En déduire que la rupture
d’équilibre s’est bien produite avant que l’état d’équilibre n’ait été atteint.

On fait cette fois l'hypothèse que l’on a apporté initialement dans le
réacteur vide, thermostaté à la température T7 et de volume V, une quantité de
nitrate d’ammonium n, suffisante pour que l’état final de la réaction (EF) soit un
état d’équilibre.

3

2.9. Montrer que la constante d’équilibre K° a pour expression K° =4€; (F5) ;

où &, est l’avancement de la réaction à l’équilibre.
2.10. Calculer &, pour 7 =520K et V=10,0L.
2.11. En déduire la quantité minimale ‏.د‎ de nitrate d’ammonium qu’il faudrait
apporter initialement dans le réacteur pour que l’état final soit un état d’équilibre
chimique. Commenter la valeur numérique obtenue.

3. Cinétique de la décomposition du protoxyde d’azote

Pour étudier la cinétique de la décomposition thermique du protoxyde
d'azote en phase gazeuse (réaction (E")), les japonais TANAKA et OZAKI ont
introduit dans un réacteur thermostaté de volume constant V, initialement vide,
une quantité de matière n, de protoxyde d’azote et ont mesuré la pression totale
P du gaz dans le récipient au cours du temps à la température T =873K .

لصي را

+ 1 0
2

La mesure de la variation de la pression totale P dans le réacteur en

fonction du temps de réaction + donne les résultats suivants :

Temps 7 (en s) 90

1,062] 1,119 | 1,195 | 1,254 | 1,314

On note P, la pression initiale et &(s) l'avancement de la réaction (E") à

Pression P (en bar)

l’instant 1. On supposera la réaction (E") totale dans le domaine de température
considéré.

Épreuve de Chimie 3/4

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3.1. Exprimer les quantités de matières n(N,0) ; n(N,) et n(0,) respectivement

de N,O, N, et O, en fonction des données utiles.
3.2. Définir la vitesse v de la réaction (F") par rapport à N,0.
3.3. Exprimer n(N.0) en fonction de R, 3, P,V et T.

3.4. Montrer que la vitesse de la réaction (E') est donnée par v= La › :
1

On suppose que la vitesse de la réaction se met sous la forme v=k [N,0] , oÙ
k est la constante de vitesse.
3.5. Que vaut l’ordre de la réaction ? Quelle est l’unité de k ?
3.6. Montrer que la pression P vérifie l’_équation :

| 3-2 ام
7

3.7. Vérifier que les données du tableau ci-dessus, correspondent bien à la
réponse à la question 3.6 et donner la valeur numérique de la constante ‏م‎

3.8. Définir le temps de demi-réaction, 1,,. Calculer sa valeur numérique à la
température T =873K .

3.9. La constante de vitesse k en fonction de la température suit la loi
d’ARRHENIUS :

où A est le facteur pré-exponentiel et E, l’énergie d’activation supposée
indépendante de la température.

Le temps de demi-réaction ‏من‎ à la température T'=1200K est 1,, =1,6ms . Calculer
l’énergie d’activation E,.

Épreuve de Chimie 4/4

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