Modèle de concours d'accès au cycle de préparation à l'agrégation de sciences physiques (option physique) — CRMEF Marrakech-Safi 2018 — Épreuve : Chimie (autour de l'eau)

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ROYAUME DU MAROC
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‎CRMEF MARRAKECH-SAFT
CYCLE D'AGREGATION DE SCIENCES
PHYSIQUES - OPTION PHYSIQUE
Concours d'accès au cycle de préparation à l'agrégation de
sciences physiques
option physique - Session Juillet 2018
ÉPREUVE DE CHIMIE
Durée 4 heures
On veillera à une présentation claire et soignée des copies. Il convient en particulier de
rappeler avec précision les des questions abordées.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il
le signale dans sa copie et poursuit sa composition en indiquant la raison des initiatives
qu'il est amené à prendre de ce fait.
Le sujet proposé comporte trois parties qui peuvent être traitées indépendamment et dans
un ordre quelconque.
L'énoncé de cette épreuve comporte 8 pages ( y compris cette page de garde et
une dernière page vide )
L'usage de la calculatrice est autorisé
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‎Autour de l'eau‏
L'eau est présente dans tout le cosmos, sous forme de glace ou de vapeur. La Terre est la seule
planète du système solaire à posséder de l'eau liquide.
Nantie de propriétés originales, présente sur Terre depuis sa formation, en mouvement
permanent entre ses différents réservoirs, indispensable à l'éclosion de la vie et à son maintien au sein
des écosystèmes aquatiques et sur les continents, nécessaire à nombre d'activités et de réalisations
humaines, l'eau est une substance essentielle à la survie et au développement de l'humanité. Ses usages
se sont d'ailleurs intensifiés et les volumes d'eau utilisée par l'homme ont décuplé depuis le début du
XXe siècle.
A E 4 5
1° partie
Structure et propriétés de l’eau solvant
1.1. Structure de la molécule :
1.1.1. Établir la configuration électronique, dans à fondamental, des atomes de la molécule
d’eau. On donne Z(O) =8 , 2)11( ٠
1.1.2. En déduire le nombre d’électrons de valence de ces atomes.
1.1.3. Définir la valence d’un atome. Quelle est la valence de chacun de ces atomes ?
1.1.4. Donner le schéma de LEWIS de la molécule d’eau H,0 .
1.1.5. Quels sont les nombres d’oxydation de l’oxygène et de l’hydrogène dans H,0 ?
1.1.6. Déterminer la géométrie de la molécule d’eau en utilisant la méthode V.S.E.P.R.
1.1.7. Dans la molécule d’eau, l’atome d’oxygène et les deux atomes d’hydrogène portent des
charges électriques partielles. Quelle est l’origine de ce phénomène ?
1.1.8. Soit 6e (e étant la charge élémentaire et ô > 0 ( la charge partielle portée par l’un des deux
atomes d’hydrogène. Quelle est la charge partielle portée par l’atome d’oxygène ?
1.1.9. Proposer une expérience facilement réalisable devant les élèves permettant de mettre en
évidence le moment dipolaire de la molécule d’eau .
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1.2. L'eau solvant :
Un solvant est une substance, liquide ou supercritique à sa température d'utilisation, qui à la propriété
de dissoudre, de diluer ou d'extraire d’autres substances sans les modifier chimiquement et sans lui-même se
modifier. Les solvants sont utilisés dans des secteurs très diversifiés tels que le dégraissage, les peintures,
les encres, la détergence, la synthèse organique, et représentent des quantités considérables en termes de
tonnage et de chiffre d'affaires.
| In és
| RENTE ?
F— AN > © ‏هب‎ y
en — IR D mm,
= | Se Là 8 5
Schéma montrant la mise en solution d’un solide
1.2.1. Comment appelle-t-on la solution lorsque l’eau est utilisé comme solvant ?
1.2.2. Définir les notions suivantes :
a) Solvant polaire .
b) Solvant protique.
c) Solution acide .
1.2.3. Interpréter les affirmations suivantes :
a) Dans l’eau, le dioxyde de soufre SO, est plus soluble que le dioxyde carbone.
b) Dans l’eau, l’ammoniac NH, est plus soluble que la phosphine PH,. ”
c) L’éthanol (C,H,OH) est miscible à l’eau , alors que l’éthane (C,H,) ne l’ai pas.
1.2.4. Quelles sont les trois étapes qui interviennent lors de la dissolution d’un composé solide
ionique dans l’eau (on pourra raisonner sur le chlorure de sodium (NaCI)) ?
1.2.5. Faire un schéma représentant l’organisation des molécules d’eau autour des ions.
1.2.6. L’eau est une espèce qui peut jouer le rôle d’un acide ou d’une base.
1.2.6.1. Comment qualifie-on une telle espèce ?
1.2.6.2. Ecrire donc l’équation de dismutation de l’eau .
1.2.7. Le pH d’une eau pure à 37°C vaut pH = 6,85.
1.2.7.1. S’agit elle d’une solution acide , basique ou neutre ?
1.2.7.2. Déterminer le produit ionique de l’eau à 37°C.
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2°me partie
Minéralité d’une eau
La composition des eaux minérales varie beaucoup d'une source à l'autre, selon le temps de parcours dans la
roche et le type de roche parcouru ; l'eau se charge de sels minéraux contenus dans ces roches.
Les eaux minérales présentent souvent des teneurs en magnésium importantes et des teneurs
en nitrates généralement faibles. Leur dureté en calcium est trés variable.
Une eau minérale naturelle n'est pas potable au sens réglementaire ; elle contient des substances minérales en
quantités trop importantes pour pouvoir servir de boisson exclusive.
On se propose dans cette partie de vérifier la composition de quelques constituants chimiques
contenus dans une eau minérale dont la composition moyenne en minéraux est donnée dans
l'étiquette suivante ( en mg/L) :
Re RATE
LE MAG SA EC TT ;
| Maonesiim 119
Sulfate 50:2 1530 à
1 Hydrogénocarbonate HCO;- | 383,7 0
Nitrate ‏0ل‎ |. 43: 3
‏اليه‎ setà/Drongrest op 180°C 3554
2.1. Les sulfates :
Les sulfates représentent la source majeure de soufre, un composant essentiel de nombreuses protéines de la
peau des ongles, des cheveux, et des hormones comme l'insuline...
Une carence en soufre provoque souvent un ralentissement de la pousse des cheveux et des ongles.
Une surdose en sulfates peut provoquer des diarrhées chez les nourrissons.
L’ion sulfate SO; est composé de l’oxygène et du soufre (l’atome central) de numéros
atomiques respectifs Z(O) = 8 et Z(S) = 16.
2.1.1. Donner la configuration électronique à l’état fondamental de l’atome du soufre.
2.1.2. Quelles sont les valences possibles du soufre ? Comparer avec l'oxygène.
2.1.3. Etablir la structure de Lewis de l’ion sulfate. En déduire sa géométrie selon VSEPR..
2.1.4. L’ion sulfate forme avec l’ion baryum Ba” un précipité blanc de produit de solubilité Ks .
2.1.4.1. Définir la solubilité molaire (s ) d’un composé ionique dans l’eau.
2.1.4.2. Calculer la solubilité molaire du sulfate de baryum dans l’eau pure.
On donne Ks = 10".
‏تالت ل ل ## ب ل ل #2 > ل ب ل ل 2 ب‎
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2.1.5. On désire doser les ions sulfates. Pour cela on introduit un volume V.,, = 200mL de cette
eau dans un bécher. Puis on rempli la burette par une solution de chlorure de baryum de
concentration ‏مي‎ =0,400mol.L' . On suit l’évolution de la conductivité ‏ه‎ en fonction du
volume versé (V). On obtient le graphe suivant :
O(S.m'')
2 + 6 ‏ةو‎ 10 VA
On donne la conductivité équivalente limite de quelques ions concernés :
4. 7,6 mS.m'mol "A9 =12,72 mSm'mol" À =16,00mS.mmol”
2.1.5.1. Ecrire l’équation bilan de la réaction support du dosage .
2.1.5.2. Justifier brièvement l’allure de la courbe. |
2.1.5.3. Déterminer la concentration de L’ion sulfate dans l’eau minérale . Commenter.
2.1.5.4. Montrer qu’il y’aura formation du solide dés la première goutte ajoutée.
2.2. L'ion hydrogénocarbonate :
Les ions hydrogénocarbonates, ( appelés aussi ,bicarbonates) sont présents dans le sang : ils jouent un rôle
majeur dans la régulation du pH. Ils constituent le principal « tampon » de 1 ’organisme.
Le bicarbonate dans l'eau provient de la dissolution du gaz carbonique dans les sources naturelles. Plus il y en
a, plus l'eau est gazeuse.
Ce sont principalement les reins qui régulent la concentration des bicarbonates sanguins, en favorisant leur
rétention ou leur excrétion.
L’ion hydrogénocarbonate HCO, est un ampholyte , il apparaît dans les couples :
H,CO, / HCO, (pKa, =6,4) et HCO, / CO (pKa, =10,4)
2.2.1. Ecrire les équations des deux réactions possibles des ions hydrogénocarbonates avec l’eau.
2.2.2. Etablir le diagramme de prédominance des trois espèces en fonction du pH.
2.2.3. Sachant que le pH de cette eau minérale est de 7,3 . Quelle est l’espèce prédominante ?
Dans la suite , on néglige les deux autres especes.
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2.2.4. On veut déterminer par titrage acido-basique soit à l’aide d’un pH-mètre, soit en utilisant
un indicateur coloré approprié, la concentration C, de l’ion hydrogénocarbonate contenus dans
cette eau ; comparer à l’information portée sur l’étiquette.
On rempli la burette par une solution d’acide chlorhydrique de concentration Ca = 0,095 mol/L.
Dans le bêcher on introduit un volume V.,, = 200 mL de l’eau à étudier que l’on met dans un
bêcher , puis on ajoute quelques gouttes d’un indicateur coloré adapté.
On donne ci-après, la courbe d’évolution du pH en fonction du volume versé de l’acide
chlorhydrique ainsi que sa dérivée par rapport au pH.
4 8 12 16 20 V(nL)
2.2.4.1. Schématiser le dispositif expérimental nécessaire à cette manipulation .
2.2.4.2. Ecrire l’équation bilan entre l’ion hydrogénocarbonate et l’ion oxonium apporté par
l’acide chlorhydrique. Calculer sa constante d’équilibre et conclure.
2.2.4.3. Déterminer à partir du graphe la valeur de C, . Comparer avec l’étiquette .
224.4. Déterminer graphiquement, la valeur du pH à l’équivalence.
2.2.4.5. Parmi les indicateurs suivants, lequel doit-on utiliser ? Justifier la réponse.
CRMEF ‏متسس‎ Page6sur8 Tournerlapage SVP

3ème partie
Principe d’un chalumeau oxhydrique
Le chalumeau oxhydrique est un appareil amenant en un même point de l'hydrogène et de l’oxygêne et
permettant ainsi un mélange de gaz qui, enflammé, produit une température très élevée.
Il est notamment utilisé en soudure comme source de chaleur. )
Pratiquement, un rapport de 4/1 ou 5/1 d'hydrogène et d'oxygéne est 7h
nécessaire pour éviter une flamme oxydante. 7
Entrée du comburant (O;) ‏مسد ب‎ Les
Entrée du carburant (H) ‏لمع جا‎ a”
On donne les enthalpies molaires de formation et les entropies molaires des espèces à 298K :
7] H@ | 0© | ©
La combustion du hydrogène dans le dioxygène est régit par l’équation bilan :
2H,(g) + O8) - 2H,0(e) (1)
3.1. Calculer pour l’équilibre (1), à 298K :
3.1.1. L’enthalpie standard de réaction A,HY. Commenter son signe. | |
3.1.2. L’entropie standard de réaction ASE. Comment peut-on prévoir son signe ?
3.1.3. L’enthalpie libre standard de réaction A,G°. Commenter son signe. :
3.1.4. La constante d’équilibre ©. Commenter sa valeur.
3.2. La réaction ne se produit pas spontanément à 298K, pourquoi ? Comment peut-on l’amorcer ?
3.3. Du point de vue écologique, quel est l’avantage du chalumeau oxhydrique par rapport au
chalumeau oxyacétylénique qui utilise la combustion de l’acétylène C,H, dans le dioxygène ?
3.4. Déterminer la variance du système dans le cas général. Commenter sa valeur.
3.5. Dans quel sens évolue l’équilibre dans les deux cas suivants :
3.5.1. Si on augmente la température, tout autre facteur est fixé ? Justifier la réponse.
3.5.2. Si on augmente la pression, tout autre facteur est fixé ? Justifier la réponse.
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