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Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2006 Page 1/12
XXIIèmes Olympiades de la Chimie
Concours 2006 des classes de terminale
Numéro de candidat
CORRECTION
« Chimie et habitat »
Questions sur les conférences (I)
Données ......................................................................................................................................................2
1. L’eau, notre fée du logis ......................................................................................................................2
2. Le ciment et le plâtre ...........................................................................................................................5
3. Les matières plastiques ........................................................................................................................8
Union des Industries Chimiques
Olympiades de la Chimie
Centre de Pau
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2006 Page 2/12
Données
On donne les masses molaires suivantes :
M(H) = 1 g/mol M(C) = 12 g/mol M(N) = 14 g/mol
M(O) = 16 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(Mg) = 24,3 g/mol
M(S) = 32 g/mol M(Cl) = 35,5 g/mol M(K) = 39 g/mol
M(Ca) = 40,1 g/mol
1. L’eau, notre fée du logis
L’eau sur notre planète
1.1. Quel est le pourcentage d’eau douce sur Terre ?
[1] 2,5%
1.2. Quel pourcentage de l’eau douce totale représentent les glaciers et les calottes polaires ?
[1] 69%
1.3. Quel pourcentage de l’eau douce totale représentent les lacs et les rivières ?
[1] 0,3%
1.4. L’eau est-elle bien répartie sur la terre ? (expliquez cette répartition)
[1] Non. 10 pays sur terre se partagent 60% des précipitations. L’Afrique comporte des
déserts (Sahara, Kalahari) alors que la partie tropicale est très arrosée et possède de
nombreux lacs et rivières.
1.5. Pourquoi les industriels ont-ils supprimé les phosphates des lessives ?
[1] Parce que les phosphates participaient à l’eutrophisation des lacs et rivières, par la
prolifération des algues puis leur décomposition.
1.6. Le prix de l’eau est-il indépendant du prix du pétrole ?
[1] Non car le prix des produits de traitement de l’eau, son pompage, la construction et
l’entretien des réseaux sont conditionnés par celui du pétrole.
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L’eau dans l’habitat
1.7. Pourquoi faut-il aérer l’eau du robinet avant de la boire ?
[1] Pour éliminer le chlore permettant de maintenir l’asepsie de l’eau (2 mg.L-1 durant le plan
vigipirate).
1.8. Quel est le pourcentage du prix de l’eau elle-même pour une bouteille d’eau en plastique ?
[1] 10%
1.9. Une ménagère a oublié une serviette dans un placard humide provoquant ainsi des tâches de
moisissures que ni un lavage à chaud ni un passage chez le teinturier n’ont pu faire disparaître.
Quel conseil donneriez-vous à cette ménagère (sachant qu’elle tient trop à cette serviette pour la
jeter à la poubelle) ?
[1] L’oxydation par le chlore (eau de javel) ou le peroxyde d’hydrogène H2O2
1.10. L’eau de javel est un désinfectant. Quel est l’agent actif dans une solution javellisée ? Quelle
zone de pH est souhaitable pour une efficacité maximale de désinfection ?
[1] L’ion hypochlorite, ClO-
[1] pH < pKa – 1 soit < 6,4 (mais supérieur à 5 pour éviter le dégagement de dichlore toxique)
1.11. Pourquoi faut-il enlever les feuilles tombées dans une piscine ?
[1] Pour éliminer les bactéries qu’elles transportent et éviter la consommation du chlore de
désinfection de la piscine.
1.12. Un jeune étudiant livré à lui-même est confronté à sa première vaisselle (un verre, une assiette
grasse et deux couverts). Sa mère lui a conseillé d’utiliser une bassine, d’y mettre de l’eau et un peu
de détergent. L’étudiant voulant simplifier le protocole verse un peu de détergent sur une éponge et
lave directement la vaisselle préalablement mouillée. Qui a raison ?
[1] L’étudiant, car il faut une concentration minimum de tensioactif pour pouvoir créer les
micelles avec la graisse pour la rendre compatible avec l’eau. Or cette concentration ne sera
atteinte dans la bassine d’eau qu’avec une grande quantité de tensioactif qui sera inutilement
versée à l’évier ensuite.
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1.13. Sa mère, prise de pitié, lui offre un lave-vaisselle. Celui-ci comporte des résines adoucisseuses
d’eau, cationique et anionique. Illustrer leur fonctionnement chimique avec le cas d’une eau
contenant de l’hydrogénocarbonate de calcium.
[1] La résine cationique fixera le Ca2+ sous forme RCaR’
[1] La résine anionique fixera le HCO3- sous forme RHCO3
1.14. Comment s’effectue la régénération de ces deux résines ?
[1] La résine cationique : RCaR’ + Na+ = R + R’ + Ca2+
[1] La résine anionique : RHCO3 + Cl- = RCl + HCO3-
L’eau en pratique
1.15. Vous avez constaté que l’eau de Pau ne donne pas de précipité en présence d’une quantité
importante de SDS. L’eau d’un village voisin contient 80 mg.L-1 de Ca2+ et 15 mg.L-1 de Mg2+. Au
cours d’un cycle de lavage, vous mettez 3 gobelets de 30 cm3 de lessive liquide contenant 35% en
masse de tensioactif. On suppose que la lessive liquide a une masse volumique de 1 kg.L-1, que les
tensioactifs sont assimilables à du SDS (M = 288 g.mol-1), que la machine contient 10 L d’eau et
qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un agent anticalcaire si moins de 1% de tensioactif est précipité.
Sachant que 1 Ca2+ ou 1 Mg2+ réagissent avec 2 molécules de SDS, calculez s’il est nécessaire
d’utiliser un agent anticalcaire ou non.
[1] Concentration de tensioactif (SDS) : 30 x 3 x 1 x 0,35 / (288 x 10) = 1,09.10-3 mol.L-1
[1] Concentration en Ca2+ + Mg2+ = (80/40,1) + (15/24,3) = 2,61.10-3 mol.L-1
[1] Fraction consommée : 2,61.10-3 x 2 / 10,9.10-3 = 0,479
[1] Cette valeur est nettement supérieure à 1% donc il faut ajouter un agent anticalcaire.
1.16. Écrire la réaction permettant de passer de l’ion Cu(NH3)42+ à l’ion CuY2- (YH4 symbolise
l’EDTA)
[1] Cu(NH3)42+ + Y4- CuY2- + 4 NH3
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1.17. Vous avez vu en TP que le précipité Cu(OH)2 peut donner CuY2- avec l’EDTA. Une eau
contenant les ions calcium et magnésium est amenée à pH = 12 pour précipiter Mg2+. Écrire la
réaction correspondante :
[1] Mg2+ + 2 OH- Mg(OH)2
1.18. Le dosage de Ca2+ par l’EDTA en présence de réactif de Patton-Reeder (PR) met en évidence
une curiosité : au point équivalent, le PR passe du rose fuschia au bleu, comme attendu, mais après
un moment, PR redevient rose fuschia. Si l’on reverse un peu d’EDTA, il redevient bleu mais à
nouveau rose fuschia après un certain temps, etc. Comment expliquer cela ? Quand doit-on arrêter
le dosage ?
[1] L’excès d’EDTA réagit lentement sur Mg(OH)2 donc PR redevient rose fuschia car l’EDTA
est en défaut.
[1] Il faut donc arrêter le dosage au premier virage de PR.
2. Le ciment et le plâtre
2.1. La matière première du plâtre est le gypse. Celui-ci est issu de carrières. Quels composés
contient le gypse brut ? Donnez aussi la formule chimique de ces composés.
[1] Gypse, CaSO4,2H2O (90%), [1] calcaire, CaCO3
[1] argile, [1] silice, SiO2
2.2. Quelle réaction chimique consiste à passer du gypse au plâtre ?
[1] CaSO4, 2 H2O → CaSO4, 1/2 H2O + 3/2 H2O
2.3. Quel est le nom chimique du produit obtenu ?
[1] CaSO4, 1/2 H2O : sulfate de calcium hémihydraté
2.4. À quelle température doit s’effectuer cette transformation ?
[1] 150°C
2.5. À partir de quelle température obtient-on le surcuit ? Donner sa formule brute.
[1] 290°C [1] CaSO4
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2.6. Une autre manière d’obtenir du gypse consiste à utiliser du dioxyde de soufre, de l’hydroxyde
de calcium et d’autres réactifs. Écrire l’équation complète avec tous les réactifs.
[1] 2 SO2 + 2 Ca(OH)2 + O2 + 2 H2O 2 (CaSO4,2H2O)
2.7. Quelle est la réaction chimique ayant lieu lors de la prise du plâtre commercial ?
[1] CaSO4, 1/2 H2O + 3/2 H2O CaSO4, 2 H2O
2.8. Pourquoi le plâtre devient-il solide ?
[1] Le gypse formé est peu soluble dans l’eau et cristallise.
2.9. Donner la définition de la solubilité.
[1] C’est la quantité maximale de solide que l’on peut dissoudre, par unité de masse ou de
volume, dans un solvant, à une température donnée.
2.10. Calculer la masse d’eau théorique nécessaire à la prise d’un kilogramme de plâtre en poudre
(forme hémihydrate) à l’aide de l’équation écrite en 2.7.
Mplâtre = 40 + 32 + 4x16 + 1/2 x (2x1 + 16) = 145 g/mol
nplâtre = 1000 / 145 = 6,9 mol
D’après l’équation chimique de la question 2.7, il faut
neau = 3/2 x 6,9 = 10,34 mol.
Meau = 2x1 + 16 = 18 g/mol
[1] Donc : meau = 10,34 x 18 = 186 g
2.11. En pratique, il faut un peu plus d’eau que la quantité théorique calculée, pourquoi ?
[1] Car le mélange doit être pâteux pour être utilisable.
2.12. Pourquoi doit-on attendre longtemps avant de tapisser ou de peindre un plâtre réalisé ?
[1] Il faut attendre que l’eau en trop sorte du plâtre (séchage) sinon la tapisserie ou la
peinture risque de moisir ou de se détacher.
2.13. Quel est le pourcentage massique d’eau contenue dans un plâtre sec ?
En considérant la formule du gypse (CaSO4, 2 H2O) comme celle du plâtre sec :
Mgypse = 40 + 32 + 4x16 + 2 x (2x1 + 16) = 172 g/mol
M2 H2O = 2 x (2x1 + 16) = 36 g/mol
[1] Soit 36x100/172 = 21% d’eau
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2.14. Étant donné cette quantité d’eau, pourquoi dit-on que ce plâtre est sec ?
[1] Les molécules d’eau ne sont pas libres, elles sont complexées au sulfate de calcium dans
un système cristallin.
2.15. Quelle est la différence entre le staff et le stuc ?
[1] Le staff est un plâtre armé de fibres végétales, de verre ou d’autres matériaux.
[1] Le stuc est un plâtre avec ajouts chimiques et poudre de pierre (imitation du marbre).
2.16. Quels sont les deux principaux composants du ciment ?
[1] CaCO3 (calcaire) et argiles (aluminosilicates).
2.17. Quel est le nom commercial du ciment ?
[1] Ciment Portland.
2.18. Qu’appelle-t-on la « clinkérisation » ?
[1] C’est la réaction entre le calcaire et l’argile du ciment, vers 1450°C dans un four rotatif.
2.19. Équilibrez les équations d’hydratation du silicate tricalcique et du silicate dicalcique :
[1] 2 Ca3SiO5 + 6 H2O 1 Ca3Si2O7,3H2O + 3 Ca(OH)2
[1] 2 Ca2SiO4 + 4 H2O 1 Ca3Si2O7,3H2O + 1 Ca(OH)2
2.20. Quels sont le nom chimique et le nom usuel de Ca(OH)2 ?
[1] Hydroxyde de calcium, chaux éteinte
Les Olympiades font des miracles, mais tout de même…
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3. Les matières plastiques
Quelques pictogrammes
3.1. Sur un emballage, que signifie chacun des pictogrammes suivants ?
[1] matière recyclée [1] matière recyclable
3.2. Question bonus : il vous arrivera peut-être de voyager... Dans quels pays êtes-vous si vous
voyez ces symboles sur un emballage ?
[1] en Chine [1] au Japon
3.3. On trouve les pictogrammes suivants sur les emballages plastiques : un code numérique et/ou
des lettres y figurent. Reliez chaque pictogramme au nom du polymère et chaque nom à sa
molécule :
[7]
Polychlorure de vinyle Polypropylène Polyéthylène téréphtalate Polystyrène
Polyéthylène basse densité Autre + composites Polyéthylène haute densité
[6]
O
OO
O
O* **
Cl
** *
*
**
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3.4. Indiquez les noms des polymères qui correspondent aux formules suivantes :
**
CN
[1] Polacrylonitrile (PAN) **
* CO2CH3
[1] Polyméthylméthacrylate (PMMA)
**
F F
F F [1] Polytétrafluoroéthylène (PTFE) * *[1] Polybutadiène
OO
OO
**
OH
CH2OH
OH CH2OH
OH
OH
n[1] Cellulose
OO
OO
**
OH
CH2OH
N
O
CH2OH
N
O
H
H
OH
n[1] Chitine
Le plastique c’est fantastique
3.5. Mais au fait, qu’est-ce qu’un monomère ?
[1] Une molécule utilisée comme motif élémentaire pour réaliser une polymérisation.
3.6. Comment appelle-t-on un polymère qui peut changer de forme lorsqu’on le chauffe ?
[1] Un polymère thermoplastique.
3.7. Comment appelle-t-on un polymère qui ne peut pas changer de forme lorsqu’on le chauffe ?
[1] Une polymère thermodurcissable.
3.8. Qu’est-ce qu’une polyaddition ?
[1] Réaction en chaîne dans laquelle les macromolécules (ou polymères) sont formées par
addition de monomères sur eux-mêmes. Les monomères sont généralement des alcènes.
3.9. Qu’est-ce qu’une polycondensation ?
[1] Réaction d’addition des monomères qui fait intervenir des réactions classiques de chimie
organique entre les groupes fonctionnels, avec élimination ou non d’une petite molécule.
3.10. Quel est le nom en nomenclature officielle de la molécule CH2=CHCl ?
[1] Chloroéthène.
3.11. Quel est le nom courant du polymère obtenu à partir de CH2=CHCl ?
[1] Le polychlorure de vinyle (PVC).
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3.12. Ce dernier s’obtient-il par polyaddition ou par polycondensation ?
[1] Polyaddition.
3.13. Le Slime® est fabriqué à partir du PVA. Que signifie PVA ?
[1] Poly Vinyl Alcohol (mot anglais)
3.14. Quelle est la formule semi-développée du PVA ?
[1] —(CH2-CHOH)n—
3.15. Quelle est la masse molaire d’un PVA qui contient 2000 unités monomériques ?
[1] M = (2x12+16+4x1) x 2000 = 88000 g/mol.
3.16. Pour quelle raison le PVA est-il très soluble dans l’eau ?
[1] En raison des fonctions alcools polaires (hydrophiles).
3.17. Dans quelle catégorie de tensioactifs peut-on classer le PVA ?
[1] Les tensioactifs non ioniques (fonction alcool).
3.18. Quelle autre molécule faudrait-il utiliser pour fabriquer un polyester thermodurcissable à partir
du PVA ? Expliquez votre choix.
[1] Un diacide carboxylique, par exemple HOOC-CH2-COOH.
[1] Cela formera des ponts entre les chaînes de PVA. Avec un monoacide, on ne pourrait pas
lier deux chaînes de PVA ensemble.
3.19. Quelle fonction chimique reconnaît-on dans la molécule ci-contre ?
[1] Fonction amide.
3.20. Quel est le nom générique des molécules ayant cette fonction chimique dans un cycle ?
[1] Les lactames.
3.21. Quel est le nom courant du polymère obtenu par sa polymérisation ?
[1] Le nylon-6.
3.22. Qu’est-ce qu’un co-polymère ?
[1] C’est un polymère fabriqué à partir de plusieurs monomères différents.
3.23. Quelle est la différence entre un gel liquide et un gel solide ?
[1] Dans un gel solide, le polymère est réticulé par des liaisons chimiques fortes.
NH
O
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[1] Dans un gel liquide, le polymère est réticulé par des liaisons physiques faibles, de type
liaisons hydrogène.
À propos du PET
3.24. Lors de la synthèse du PET, on utilise un chauffage à reflux. Quel matériel utilise-t-on pour
cela ?
[1] Un boy, un chauffe ballon, ballon, réfrigérant à boules ou à chicanes, une ou deux pinces.
3.25. Quel est l’intérêt de cette technique ?
[1] Effectuer la synthèse à température et pression constante, sans perte de matière par
les vapeurs.
3.26. On dispose d’un mélange liquide homogène contenant, entre autres, les trois substances
suivantes : diméthyltéréphtalate (Téb. = 288°C), l’éthane-1,2-diol (Téb. = 196°C) et le méthanol
(Téb. = 65°C). Quelle technique utiliser pour éliminer le méthanol ?
[1] La distillation.
3.27. Dessiner le schéma du montage de cette technique en précisant le nom de chaque élément.
[6] Boy
Thermomètre
Colonne Vigreux
Ballon monocol
Pince
Eau
réfrigérant droit
Récipient collecteur
Chauffe-ballon
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A B C
3.28. L’INRS édite des fiches de toxicologie disponibles sur Internet. Que signifie « INRS » ?
[1] Institut National de Recherche et de Sécurité.
3.29. Quels sont les quatre rôles de ces fiches ?
[1] Donner les caractéristiques physico-chimiques des produits.
[1] Avertir des risques liés à l’utilisation des substances chimiques.
[1] Informer de la réglementation concernant le produit.
[1] Donner des recommandations de manipulation et de stockage.
3.30. Lors d’une chromatographie sur couche mince (CCM), on dépose trois substances et on obtient
le chromatogramme ci-contre. Que peut-on en conclure pour chacune des substances A, B et C ?
[1] Le A est une espèce pure (une seule tache).
[1] Le dépôt B contient l’espèce A et une autre, qui est commune au
dépôt C.
[1] Le dépôt C contient deux espèces : celle qui est commune à
l’espèce B et une autre.
3.31. Quelle est la définition du rapport frontal ?
[1] C’est le rapport de la distance parcourue par une tache sur la
distance parcourue par le front de l’éluant.
3.32. Calculez le rapport frontal de la tache de A.
[1] Rf = 1,25 / 4,50 = 0,28
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