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

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Concours National Commun - Session 2025 - Filière TSI

L’énoncé de cette épreuve comporte 5 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 trois parties largement indépendantes.

Données numériques :

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

e Masses molaires : du carbone Me = 12 g.mol7*, d'oxygène Mo = 16 g.mol* et d’hdrogène
My ‏ح‎ 19.1101 1

» Masse volumique de l’eau : p(eau) = 1000 ‏17.و‎ 1
e Constante des gaz parfaits : R = 8,31 J.mol}K*,

e Enthalpies standards de formation et entropies standards à 298 K :

CO) M3005(5) | 51045)

A, H"(kJ.mol”*) -2170 -1090
5000 214

e 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
Structure atomique
(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. Le carbone présente des isotopes : les carbones 12, 13 et 14 de masses molaires respectivement
12,000 g, 13,000 g et 14,000 g.

1.3.1. Donner la structure des noyaux des trois isotopes du carbone.

1.3.2. Sachant que la masse molaire du carbone naturel est de 12,011 g et en supposant que
celui-ci ne contient pas de carbone 14, déterminer les fractions massiques des carbones 12 et 13.

2ème partie
Le dioxyde de carbone

2.1. La molécule du dioxyde de carbone

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

2.1.2. En respectant 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».

2.13. Quelle est la géométrie de la molécule de CO ? Justifier.

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

La dissolution du dioxyde de carbone gazeux dans l'eau donne l'acide carbonique 7712003. On
s'intéresse à l'étude de l'équilibre chimique suivant :

CO2(9) + H:O(liq) 2 H2CO3(aq) 0)

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

2.2.1. Ecrire l'expression de la concentration molaire de l'acide carbonique [H,CO4(aq)] en
fonction de la pression partielle du dioxyde de carbone gazeux Poo, et de la constante d'équilibre

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

2.2.3. 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.

Épreuve de Chimie 2/5 ‏يه‎

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2.2.4. Montrer que la solubilité du dioxyde de carbone peut se mettre sous la forme :
Exprimer les constantes a, b et c en fonction de K» et des constantes d’acidité de l'acide carbonique
Kai et Kar-

2.2.5. Tracer le diagramme de prédominance acido-basique relatif aux espèces H,CO3(aq),
HCOz (aq) et COST (aq). On considère qu’une substance A prédomine par rapport à une substance
B en solution si [A] › [B].

2.2.6. Etablir dans chaque domaine de prédominance, l'expression de log(s) en fonction du
pH, de Fo, , Ka, Kai et Kar.

2.2.7. Tracer l'allure de la courbe log(s) = f (pH).

2.2.8. Dans quel domaine de pH, la solubilité s du dioxyde de carbone gazeux est-elle la plus
grande ?

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).

2.2.9. Déterminer la valeur de la solubilité s, exprimée en mol.L*, du dioxyde de carbone
gazeux.

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

Le bicarbonate (ou ion hydrogénocarbonate HCO3) dans l’eau provient de la dissolution du
gaz carbonique COz 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
(H3O*, C17) de concentration molaire 5,0 x 107?mol.L*.

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

dessous.
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2.3.1. Donner les noms des objets (1), (2) et (3).

2.3.2. 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
PHeg = 4, 4. À l'équivalence, le volume versé de la solution titrante est Veg = 14,4 mL.

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

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

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

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

2.3.7. On donne, pour les indicateurs colorés suivants, les zones de virage et les couleurs des
formes acides et basiques.

Indicateur Zone de virage Teinte basique

Hélianthine

Bleu de bromothymol
Vert de bromocrésol

2.3.7.1. Comment doit-on choisir et utiliser un indicateur coloré pour un dosage acido-
basique ?

2.3.7.2. Quel est, dans la liste ci-dessus, l'indicateur coloré qui convient au dosage étudié ?

3èmM° 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 ‏و00‎ 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 M g25104.

3.1. 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
30°C à 80°C. La réaction (2) qui modélise la transformation chimique qui se produit a pour équation
bilan :

Mg25104(s) + 2CO2(g) Z 2MgCO3(s) + SiO2(s) (2)

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

Épreuve de Chimie 4/5 ‏يه‎

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3.11. Calculer l’enthalpie standard et l’entropie standard de la réaction (2).
3.1.2. Calculer la constante d'équilibre Æ de la réaction (2) à 80°C (353 K).

3.13. Rappeler la loi de van’t Hoff, puis étudier l'effet de la température sur la thermody-
namique de la réaction (2).

3.1.4. 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.

Pour étudier la réaction (2) expérimentalement, on se place dans une enceinte de volume
V = 10. fixé initialement vide. On introduit un excès de forstérite Mg25:04(s), du dioxyde de
carbone CO»(g) tel que la pression partielle initiale en CO2(g) soit de 25 bars. L'enceinte est en
contact avec un thermostat assurant que la température soit maintenue constante à 353 K. On peut
considérer que le volume et la température de l'enceinte sont fixes alors que la pression évolue au
fur et à mesure que la transformation chimique se produit.

3.15. Calculer le nombre de moles de CO2(g) introduites initialement dans l'enceinte.

3.1.6. Calculer le pourcentage de CO»(g) fixé sous forme de carbonate de magnésium une fois
l'équilibre thermodynamique atteint.

3.2. Utilisation de l’eau dans 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 H,C'O»(aq) (voir réaction (1)). 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 Mg** (aq) et Ca”* (aq). Ces ions
réagissent avec l'ion carbonate 007 (aq) pour former du carbonate de calcium CaCO3(s) ou de
magnésium MgCO4(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.s”!. 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.

3.2.1. Déterminer la concentration molaire ‏ون‎ de la solution S d’acide carbonique.

On prendra par la suite : ‏و‎ = 0,88 mol.L7!. On ne tient compte que de la première acidité de
l'acide carbonique.

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

3.23. 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 5/5 FIN

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