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

استُخرج هذا النص آلياً من صور الامتحان وقد يحتوي على أخطاء في القراءة — الصور أعلاه هي المرجع.

— صفحة 1 —
المملكة المغربية
وزارة التربية الوطنية والتكوين المهني
و التعليم العالي و البحث العلمي

+.XHA‹HHCYO‹O
toColJoOHSORCÉoloL3OASOCIHRoAKEHol
ASOOUCAcloHHoASOKK3C›DOol

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 ‎AN‏ 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 : MP

Durée 2 heures

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

Calculatrice autorisée

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏

— صفحة 2 —
Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière MP

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 deux problèmes (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, ou, gr OÙ S : solide, ! : 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:

Aox-4$
Ox + 11.67 + a.H30* = red + BHO : E(ox/red) = E°(ox/red) + LÉ 10810 = Or

où ax représente l’activité de la substance chimique X considérée et E° le potentiel standard.
e Le produit ionique de l’eau K(298K) = [H30*].JOH-] = 101+
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_1H 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 1120/7602, donner ox, et red».

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

Épreuve de Chimie 1/5 Tournez la page SVP

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏

— صفحة 3 —
Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière MP

2.1 Écrire la demi-réaction du couple redox 2H* / Hg ; en déduire la relation entre le nombre
de moles de dihydrogène ny, 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 H, : 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 g-

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 :

CH30H + H,0 = 3H, + CO», d’enthalpie libre standard A,G°(T) = 10,41 — 0,2205.T (kJ.mol1" ›
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 + Séparteu PVC -
dans cet accumulateur, permettant de générer de l'énergie
électrique.

© La cathode (+) est formée de l’oxyde PbOz entourant Pb et
fait intervenir le couple PbO4/ 1127 , en milieu acide ;

+ L'anode (-) est une plaque de Pb et fait intervenir le couple
11027 / ‏ا‎

© L'électrolyte est une solution Sy concentrée de l'acide sulfu-
rique 112504 de concentration ©

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

Force électromotrice fém : E = 12V. Figure 1: accumulateur au plomb

PbO,

Electrolyte : H,SO,

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 Pb est Mpy = 207g.mol 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 ‏ره‎ concen-
tration de 51 ; en déduire la valeur de la concentration c.

Épreuve de Chimie 2/5 Tournez la e SVP

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏

— صفحة 4 —
Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière MP

Problèmes (16 points/20)

1“ Problème : des aspects sur la combustion d’alcanes

Données à Ty = 298K :

© Enthalpie de formationA #H° et capacité calorifique molaire à pression P constante C,.
Corps

A H°(298K, kJ.mo1”*)

On suppose les capacités calorifiques molaires standards C, indépendantes de la température T.
Énergie de rupture de liaison A — ‏ع) و1‎ : gazeux), à To = 298K : A — ‏وظ‎ — Ag + ‏و‎
Énergie de rupture de la liaison A — B2(kJ.mol !) | 432 | 411 347 |
© L'enthalpie de sublimation du carbone graphite (solide :gra) : Cora + ‏ونا‎ : AsupH° = 718kJ.mol 1
© La composition molaire de l'air : 20% de dioxygène et 80% de diazote.

1.1. La combustion des alcanes C,H3p+2,N € N° est une source d'énergie dans divers domaines
comme le transport, les usages industriels et domestiques, etc.

1.1.1. On se propose d'établir l'expression de l’enthalpie standard de formation d’un alcane gazeux,
CnHaon+2, Ag H°(CnHan+2,g; To = 298K) en fonction de n.
Pour cela, écrire un cycle thermodynamique pertinent et utiliser les énergies de liaison
tabulées. Pour le carbone, l’état standard est le graphite ‏ونا‎

[ 1.2. Écrire la réaction de combustion stoechiométrique complète de l’alcane dans l'air.

1. 1.3. Montrer que l’ enthalpie standard de combustion de l’alcane est de la forme :
AcH°(ChHon+2, To)(n) = —(a.n + b) ; donner les valeurs de a et b.

1. 1.4. Dans une enceinte adiabatique, sous 1 bar, on brûle des quantités stoechiométriques d’alcane
Cn Hon+2 et d'air. Déterminer l'expression de la température finale du système T;(n), et don-
ner l'allure du graphe T;(n) (on suppose ici n € R*).

1.2. On étudie quelques aspects de pollution causée par la combustion des hydrocarbures. En effet,
de nombreuses transformations peuvent se dérouler, c’est ainsi que dans les gaz d'échappement
des véhicules on a des oxydes polluants NO,, CO, etc.

1.2.1. À T constante (t › 225°C), on étudie la cinétique de la réaction : NO, + CO + NO + CO,.

On réalise plusieurs expériences à différentes concentrations initiales [NO»]o, [CO]o et on
mesure la vitesse initiale de la réaction. Les résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous.

Expérience | [CO]y en mol.L”* | [NOz]y en mol.L”* | Vitesse initiale ‏وه‎ en mol.L!.s”!
1 0,1 0,1 [0,5 10-

I. 2.1.1. Déterminer les ordres partiels initiaux par rapport à chacun des réactifs.
I. 2.1.2. Déterminer la valeur de la constante de vitesse k à la température T.
1.2.1.3. On a proposé le mécanisme suivant :

Préciser, avec justification, l'intermédiaire réactionnel et la réaction lente.

Tournez la page SVP

Épreuve de Chimie 3/5

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏

— صفحة 5 —
Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière MP

1.2.2. Dépollution par les pots catalytiques

Pour respecter certaines normes environementales (Euro 6), les véhicules sont équipés de systèmes
catalytiques où le monoxyde d’azote est réduit en diazote et en eau par l'ammoniac. La réaction
considérée est : ‏م4170‎ + ANH3,g 4 O2g = 4N2,g + 6H20,. Pour cette réaction, à 298K, on donne
l’enthalpie standard A,H° = — 1628kJ.mol7* et l’entropie standard A,S° = 79 1 -116-1

1.2.2.1. Montrer que la réaction est thermodynamiquement favorable à 298 K.

1.2.2.2. Quelle est l'influence de la température (à pression constante) sur cet équilibre? Justifier.

II‘ Problème : stockage électro-chimique dans un accumulateur lithium-ion

Données :
Masses molaires : M(3Li) = 6,9g.mol* ; M(C) = 12.7101 1
Potentiels redox (T = 298K) : Eÿ(2H* /H›s) = 0,00V ; E2(Li* /Lis) = —3,00V.

11.1. Aspects structuraux du carbone graphite et du lithium

Le carbone graphite !2C est un solide covalent qui a une structure en feuillets ou plans ABAB...
parallèles et distants de h = 335pm ; dans chaque plan les atomes de carbone sont disposés aux
sommets d’hexagones réguliers d’arrête a = 142pm : voir figure 2.

٠ Atome C

Figure 2: structure du graphite Cera en plans formés d’hexagones, et décalés

IL. 1.1. Montrer que le volume de la maille du graphite est V = 3/3.a°.h (figure 2-(3)).

I. 1.2. Déterminer la masse volumique du graphite pgra-
IL 1.3. Donner la structure électronique du lithium {Li et donner le nom de sa famille chimique.

IL 1.4. Le lithium est un réducteur très fort, il réagit violemment avec l’eau ; écrire le bilan de cette
réaction et calculer sa constante d’équilibre K(T = 298K).

Les accumulateurs lithium-ion s'imposent comme batteries de référence pour les dispositifs porta-
bles et pour la motorisation de véhicules électriques. Ils fonctionnent par l'échange réversible d'ions
Li* entre une électrode négative et une électrode positive, via un milieu chimique approprié.

II. 2. On considère l'exemple de l’accumulateur lithium-fer-phosphate (L.F.P) : voir figure 3.

e L'électrode négative (-) est du carbone graphite (hexagonal) Cora OÙ peuvent s'insérer des
atomes lithium ; cette électrode est formée par le composé d'insertion de formule Li, Ce, x variant
de zéro dans l’état déchargé, à un dans l’état chargé ;

e L'électrode positive est constituée d’un cristal de phosphate de fer FePO4 dans lequel des
ions lithium peuvent s’insérer pour former un cristal de phosphate de fer lithié Li, FePO4 ;

Épreuve de Chimie 4/5 Tournez la e SVP

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏

— صفحة 6 —
Concours Commun Marocain - Session 2021- Filière MP

e À l’intérieur, les ions lithium migrent dans un solvant approprié (par exemple Li*, PF, ).

Lors de la charge, il se produit la réduction des ions 177 qui s'accompagne de l'insertion des
atomes Li dans le graphite. Lors de la décharge, les atomes Li sont oxydés et les ions Li” se
désinsèrent du graphite. Dans la suite, on étudie la charge de cet accumulateur.

Figure 3: accumulateur lithium-fer-phosphate en charge

IL. 2.1. Écrire la demi-réaction de réduction à l’électrode (-), et conduisant à LiCe.

IL. 2.2. Justifier à l’aide de la structure électronique du phosphore j!P, qu’il puisse être pentavalent ;
en déduire, alors, le nombre d’oxydation du fer n.o(Fe) dans FePO4, et dans LiFePO4.

IL. 2.3. En déduire la demi-réaction d’oxydation à l’électrode (+) menant à la désinsertion du Li*.

IL. 2.4. Écrire l'équation bilan d’oxydo-réduction pendant la charge.

IL. 2.5. On souhaite déterminer la quantité maximale d'électricité Qmax qu’on peut stocker.
11. 2.5.1. Déterminer le nombre maximum N,7ax d’atomes de Li insérés dans 1 ‏ع‎ de C.

II. 2.5.2. Lors de la décharge, chaque atome de lithium peut libérer un électron. Déterminer la
charge électrique maximale Qmax que peut délivrer l’électrode de graphite lithié par
gramme de graphite, en ‏ع.0‎ 1 puis en mA.h.g*.

II. 2.6. Afin d'améliorer la capacité de stockage, on cherche à utiliser le silicium à la place du
graphite car il donne l’alliage d'insertion Li15Si4! ; on donne Ms; = 28g.mol 1
Déterminer la charge électrique maximale Q,nax,si Par ‏ع‎ de Si et justifier cet enjeu.

II. 3. La motorisation d’un ’avion-école’ fonctionne avec l'association de deux batteries lithium-ion ;
chaque batterie a une masse 72 kg, une force électromotrice E = 340V et une charge Q = 30

Déterminer l’energie totale stockée W en kW.h et l'energie massique de cette batterie ‏ثرت‎ en
117 ‏و1.1.‎ 1 ; comparer à celle d’une batterie de Pb de ‏وبرت‎ = 40W.h.kg* et commenter.

Fin de l'épreuve.

LA. Mukanova et al. À mini-review on the development of Si-based thin film anodes for Li-ion batteries. Materials Today Energy 9 (2018) 49-66

Épreuve de Chimie 5/5

نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو ‎wadifa-info.com‏