Modèle de concours : CNC 2025 Chimie (MP) — Concours National Commun

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière MP

L’énoncé de cette épreuve comporte 6 pages.
L'usage de la calculatrice est aUtOrisé

On veillera à une présentation claire et soignée des copies. Il convient en particulier de rappeler avec
précision les | références | des questions abordées.

Dans les applications numériques, une attention particulière sera prêtée au nombre de chiffres
significatifs à utiliser pour afficher les résultats. La valeur numérique de toute grandeur doit être
accompagnée de son unité.

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 les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

Le carbone

Le carbone est très abondant dans l'univers. Il est présent sur Terre à l'état de corps simple
(charbon et diamants), de composés inorganiques (CO») et de composés organiques (biomasse,
pétrole et gaz naturel). Cet élément est indispensable à la vie organique sur Terre. Cependant,
le dioxyde de carbone est fortement responsable de l'effet de serre. En effet, depuis la révolution
industrielle, l'Homme ne cesse d'accroître sa consommation en combustibles fossiles et de répandre
de grandes quantités de de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. C’est la raison pour laquelle les
scientifiques cherchent à élaborer des méthodes pour réduire son émission ou pour le stocker afin
de le recycler.

Le sujet est constitué de quatre parties largement indépendantes.

Données numériques :

e Numéros atomiques du carbone C et de l'oxygène O : Ze = 6; Zo = 8.

Rayon de l'atome de carbone : r = 8 x 10-11 m.

Masses molaires : du carbone Me = 12 g.mol”*!, d'oxygène Mo = 16 g.mol”* et d'hdrogène
My = 1g.mol*.

Masse volumique de l’eau : p(eau) = 1000 g.L*.

Nombre d’Avogadro : N4 = 6,02 x 1023 mol”*.

Constante des gaz parfaits : R = 8,31 ‏.ا امم‎

Enthalpies standards de formation et entropies standards à 298 K :

Composés CO, ( 9 ) Ma» S7 O4 ( 5 ) MgCO3 ( s ) Si ‏و0‎ 8 )

4 | 0 مستا

Constantes d’acidité des couples de l'acide carbonique à 298 K :
PKai(H2CO3/HCO5) = 6,3; pKa(HCO; /CO2-) = 10,3.

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1** partie
Structures atomique et moléculaire
(Note : 4/20)

1.1. Donner la configuration électronique du carbone dans son état fondamental. Indiquer quels
sont les électrons de la couche de valence.

1.2. Dans quelle colonne et dans quelle ligne du tableau périodique trouve-t-on le carbone ?

1.3. Donner la configuration électronique de l'atome d’oxygène dans son état fondamental.
Indiquer quels sont les électrons de la couche de valence.

1.4.  Enrespectant la valence de chacun des atomes de carbone et d'oxygène, donner la représentation
de LEWIS de la molécule de dioxyde de carbone de formule moléculaire CO».

1.5. Quelle est la géométrie de la molécule de CO» ? Justifier.

2°m° partie

Variétés allotropiques du carbone

Le carbone solide existe dans la nature sous plusieurs variétés allotropiques. Les plus connues
sont le graphite et le diamant.

2.1. Structure cristalline du carbone diamant

Dans la structure diamant, les atomes de carbone forment une structure cubique à faces centrées
avec la moitié des sites tétraédriques occupés. Chaque atome de carbone est lié à ses proches voisins
par une liaison covalente.

2.1.1. Représenter la maille cristalline du carbone diamant.
2.1.2. Définir et calculer la coordinence et le nombre d’atomes par maille.
2.1.3. Montrer que, dans la structure diamant, le paramètre de maille a et le rayon r d’un atome

3
de carbone sont liés par la relation : 7 = 25 :

2.14. En déduire la compacité du diamant. Calculer sa valeur numérique.

2.1.5. Calculer la masse volumique du diamant.

2.2. Etude de l’équilibre diamant-graphite
On étudie l'équilibre :
Cgraphite = Caiamant (1)
Les enthalpies standards de formation, les entropies standards et les volumes molaires donnés

ci-dessous sont considérés comme indépendants de la température. On suppose, en plus, que les
solides sont incompressibles.

‎188 0

‎Épreuve de Chimie 2/6 ‏يه‎

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2.2.1. Calculer l’enthalpie libre de la réaction (1) dans les conditions normales ) 7 = 298 K,
P = P° = 1 bar). En déduire laquelle de ces deux formes cristallines est stable dans les conditions
normales.

2.2.2. Peut-on réaliser l'équilibre chimique (1) sous la pression P° = 1 bar par une modification
de température ? Montrer que, quelle que soit la température, le graphite est la variété thermody-
namiquement stable du carbone sous une pression de 1 bar.

2.2.3. Comment peut-on expliquer que la variété de carbone instable thermodynamiquement
ne se transforme pas spontanément en la variété stable et puisse tout-de-même être observée dans
la nature ?

2.2.4. Sous quelle pression minimale doit-on opérer à 298 K pour préparer du carbone dia-
mant ? Commenter.

3ème partie
Le dioxyde de carbone en solution aqueuse

3.1. Dissolution du dioxyde de carbone gazeux dans l’eau

La dissolution du dioxyde de carbone gazeux dans l’eau donne l'acide carbonique H3C O3. On
s'intéresse à l'étude de l'équilibre chimique suivant :

CO»2(g) + H2O(ligq) 2 H2CO3(ag) (2)

Sa constante d'équilibre est K, = 2,5 x 107? à 298 ‏كا‎ La pression sera exprimée en bar et
les concentrations molaires en mol.L7*. Dans les deux questions suivantes, le caractère diacide de
l’acide carbonique H,CO3 n’est pas pris en compte.

3.1.1. Ecrire l'expression de la concentration molaire de l'acide carbonique [H,CO3(aq)] en
fonction de la pression partielle du dioxyde de carbone gazeux ‏ووم‎ et de la constante d'équilibre

3.12. On donne Poo, = 4 x 107* bar, calculer la concentration molaire en dioxyde de carbone
dissous dans l’eau à 298 K.

3.1.3. Définir la solubilité d’une espèce chimique.

Le dioxyde de carbone possède des propriétés acides qu’on prendra en compte pour étudier
l'influence du pH sur sa solubilité dans l’eau à 298 K.

3.1.4. Montrer que la solubilité du dioxyde de carbone peut se mettre sous la forme :

es [H;0*] ١ 78

Exprimer les constantes a, b et c en fonction de K» et des constantes d’acidité de l'acide carbonique
Kai et Kaz-

3.15. Tracer le diagramme de prédominance acido-basique relatif aux espèces H,CO3(aq),
1700 (aq) et COT (aq).

On considère une solution aqueuse dont le pH est fixé à 8,3 (eau de mer) et la pression partielle
en dioxyde de carbone Poo, fixée à 4,0 x 107*bar (dioxyde de carbone atmosphérique).

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3.1.6. Déterminer la valeur de la solubilité s, exprimée en mol.L*, du dioxyde de carbone
atmosphérique dans l’eau de mer.

3.2. Dosage de l’ion hydrogénocarbonate dans une eau minérale

Le bicarbonate (ou ion hydrogénocarbonate HCO;) dans l’eau provient de la dissolution du
gaz carbonique CO» dans les sources naturelles. Plus il y en a, plus l’eau est gazeuse. Le bicarbonate
facilite la digestion et aide à réguler le pH du sang.

Pour déterminer la concentration en ion hydrogénocarbonate dans une eau minérale, on réalise
le dosage par pH-métrie de 50,0mL de cette eau à l'aide d’une solution d'acide chlorhydrique
(H3OŸ*, CI7) de concentration molaire 5,0 x 1072mol.L-*.

Le schéma du dispositif expérimental pour réaliser ce dosage est représenté sur la figure ci-
dessous.

(1) هه

3.2.1. Donner les noms des objets (1), (2) et (3).
3.2.2. Par quel instrument doit-on mesurer le volume de 50mL d’eau à doser ?

Lors de l'expérience, on a relevé qu'initialement le pH est pH) = 7, 4 et qu’à l’équivalence, on a
‏وو للم‎ = 4,4. A l'équivalence, le volume versé de la solution titrante est Ve = 14,4 mL.

3.2.3. Ecrire l'équation de la réaction de dosage. Justifier.

3.2.4. Déterminer l'expression de la constante d'équilibre de la réaction de dosage en fonction
des données du problème.

3.25. Calculer la valeur numérique de la constante d'équilibre de la réaction de dosage.
Commenter.

3.2.6. Déterminer la concentration molaire de l'ion hydrogénocarbonate dans l’eau minérale
dosée.

Épreuve de Chimie 4/6 ‏يهب‎

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qème

partie
Transformer le dioxyde de carbone en pierre

Les scientifiques ont établi le lien entre l'augmentation de la teneur en dioxyde de carbone dans
l'atmosphère et l'augmentation de la température terrestre moyenne. Pour faire face au défi du
changement climatique, diverses solutions de stockage du dioxyde de carbone sont actuellement
explorées. Parmi celles-ci, la capture et le stockage géologique du CO» apparait comme une option
prometteuse. Il s’agit de stocker les résidus industriels riche en dioxyde de carbone dans des roches
basaltiques. Ces roches, présentant des propriétés basiques, piègent le ‏و0‎ sous forme de carbonate
de calcium ou de magnésium. Le dioxyde de carbone gazeux se transforme ainsi en pierre. Cette
technique, connue sous le nom de procédé CarbFix, a été mise au point en Islande.

Dans toute cette partie, on modélise les roches basaltiques par la forstérite 119510

41. Stockage géologique à sec du dioxyde de carbone

Pour le piéger dans la roche basaltique, le dioxyde de carbone est injecté sous haute pression
dans des couches rocheuses situées entre 400 m et 800 m de profondeur où la température est de
3090 à 80°C. La réaction (3) qui modélise la transformation chimique qui se produit a pour équation
bilan :

Mg25i01(s) + 2CO2(9) Z 2M9CO3(s) + SiO2(s) 3)

On suppose que les enthalpies standards de formation et les entropies standards sont indépendantes
de la température.

4.1.1. Calculer l’enthalpie standard et l’entropie standard de la réaction (3).
4.1.2. Calculer la constante d'équilibre Æ de la réaction (3) à 80°C (353 K).

4.13. Rappeler la loi de van’t Hoff, puis étudier l'effet de la température sur la thermody-
namique de la réaction (3).

4.1.4. Déterminer la pression partielle en CO» minimale que doit avoir le gaz injecté pour que
la fixation sous forme de carbonate de magnésium puisse se faire à 80°C.

4.2. Utilisation de l’eau pour le stockage géologique du dioxyde de carbone

Au lieu de l'utiliser directement, le CO» capturé est dissous sous pression dans l’eau pour
former une solution d'acide carbonique 771:02 ‏(وه)‎ (voir réaction (2)). Cette solution est injectée
dans les roches basaltiques entre 400 m et 500 m de profondeur. Le contact entre la solution et ces
roches entraîne leur dissolution partielle et libèrent ainsi des ions ‏27و11‎ (aq) et Ca** (aq). Ces ions
réagissent avec l'ion carbonate CO37 (aq) pour former du carbonate de calcium CaCOz(s) ou de
magnésium MgCOz(s). Le dioxyde de carbone est ainsi capturé sous forme de carbonates sous
terre.

Dans le procédé CarbFix, l’eau et le dioxyde de carbone gazeux sont injectés dans la cavité
rocheuse, sous pression 25 bar et à une température comprise entre 20 °C et 30°C. Le débit en masse
d’eau liquide est de 1800 g.s”! et le débit en masse de dioxyde de carbone gazeux est de 70 g.s7!. On
suppose que l'intégralité du dioxyde de carbone gazeux injecté est dissous dans l’eau. On appelle
S la solution aqueuse obtenue. On suppose que l'ajout de dioxyde de carbone gazeux à l’eau ne fait
pas varier le volume du liquide.

4.2.1. Déterminer la concentration molaire ‏ول‎ de la solution S d’acide carbonique.

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On prendra par la suite : ‏و0‎ = 0,88 mol.L!. On ne tient compte que de la première acidité de
l’acide carbonique.

4.2.2. Déterminer la composition molaire de la solution S à l'équilibre. En déduire le pH de
cette solution. Commenter.

4.2.3. Justifier la nécessité d'utilisation de l’eau dans le procédé de stockage géologique du
dioxyde de carbone. Voyez-vous un inconvénient de ce procédé ?

FIN DE L'ÉPREUVE

Épreuve de Chimie 6/6 FIN

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