Aurélie 20/06/13
 

 

Chimie organique relativiste, Bac S Asie 2013.

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On s'intéresse à la réaction chimique entre l'eau et le 2-chloro-2-méthylpropane.

Etude de la transformation chimique.
Préciser les polarités des liaisons C-Cl et O-H.

Identifier les sites donneurs et accepteurs d'électrons pouvant être mis en jeu.
Les atomes d'oxygène et de chlore, porteurs de doublets non liants, sont des sites donneurs d'électrons..
L'atome de carbone lié au chlore et déficitaire en électrons : c'est un site accepteur d'électrons.
Cette réaction chimique peut conduire à deux produits par une substitution ou une élimination.

Attribuer à chaque molécule, le type de réaction en justifiant.
P1 résulte d'une substitution : le carbone central est resté tétragonal.
P2 résulte d'une élimination : formation de deux carbones trigonaux.

A partir du spectre IR indiquer la présence ou l'absence des groupe suivants.

Présence du groupe O-H lié par liaison hydrogène : large bande intense entre 3200 et 3400 cm-1.
Présence de liaisons C-H ( carbone tétraèdrique ) : bande fine intense entre 2800 et 3000 cm-1.
Absence de liaison C-H éthylénique : pas de bande entre 3000 et 3100 cm-1.
Absence de liaison C=C : pas de bande fine entre 1620 et 1680 cm-1.
 Ce spectre peut correspondre à P1.
Identifier le produit de la réaction à partir du spectre RMN suivant :

Un premier singulet vers 1,2 ppm ( 3 groupes méthyle CH3 équivalents).
Un second singulet vers 3 ppm ( proton du groupe O-H).
Ce spectre confirme que le produit de la réaction est bien P1.
Donner la nature de la réaction étudiée.
Il s'agit d'une réaction de substitution.
Justifier qualitativement que cette réaction puisse être suivie par conductimétrie.
La conductivité de la solution est liée à la présence d'espéces ioniques. Dans ce cas, la conductivité sera proportionnelle à la concentration des ions chlorures formés. La cinétique peut donc être suivie par conductimétrie.

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Etude cinétique.
Deux mélanges eau/acétone sont étudiés à différentes températures. L'eau est en large excès et intervient comme solvant et comme réactif. Le tableau suivant résume les conditions opératoires.

Eau
Acétone
2-chloro-2-méthylpropane
Température (°C)
Expérience A1
30 g
20 g
1,0 mL
25
Expérience A2 30 g
20 g
1,0 mL
30
Expérience A3 30 g
20 g
1,0 mL
40
Expérience B 25 g
25 g
1,0 mL
40
Le mélange eau/acétone est introduit dans un becher de 100 mL qui est placé dans un bain thermostaté. Lorsque la température à l'intérieur du becher est stabilisée à la valeur désirée, une sonde conductimétrique est introduite puis1,0 mL de 2-chloro-2-méthylpropane est versé dans le milieu réactionnel sous agitation. Au bout de quelques secondes, l"'agitation est stoppée puis a conductivité de la solution est suivie au cours du temps à l'aide d'un système informatisé. La durée de l'acquisition est de 20 minutes pour chaque étude.
On suppose que s(t) = K x(t) où s(t) représente la conductivité de la solution à un instant donné diminué de la conductivité initiale, K est une constante et x(t) représente l'avancement de la réaction à la date t.

Indiquer l'influence de la température sur la vitesse de la réaction.
A une date donnée, la conductivité de la solution, donc l'avancement x(t) sont d'autant plus grands que la température est plus élevée. La température est un facteur cinétique.

En comparant les expériences A3 et B, indiquer l'influence de la proportion eau/acétone sur la vitesse de la réaction.

A une date donnée, à température identique, la conductivité de la solution, donc l'avancement (x(t), dépendent de la proportion eau/acétone. Un solvant polaire, l'eau favorise la substitution. En présence d'une plus grande proportion d'acétone, moins polaire que l'eau, la vitesse de la réaction décroît.
Définir le temps de demi-réaction et le déterminer dans le cas de l'expérience A3.
Le temps de demi-réaction t½ est la durée au bout de laquelle l'avancement est égal à la moitié de l'avancement final.
 



Cinétique relativiste.
On imagine que la réaction est réalisée dans une navette spatiale s'éloignant à une vitesse v = 0,8 c de la terre où c représente la célérité de la lumière dans le vide. Les élèves enregistrent un temps de demi-réaction de 1000 s dans la navette. Un observateur terrestre peut aussi en déduire une mesure du temps de demi-réaction à l'aide d'un dispositif embarqué dans l'engin qui va envoyer un signal lumineux à deux balises fixes par rapport à la terre, placées dans l'espace, et munies de deux horloges H1 et H2 synchronisées. Un premier signal est envoyé au début de la réaction et un second lorsque le temps de demi-réaction est atteint. L'horloge H est fixe par rapport à la navette

Définir la notion de temps propre.
Le temps propre( Dtp) est la durée séparant deux événements se produisant au même endroit dans un référentiel galiléen( R). Une horloge fixe dans ce référentiel (R) mesure le temps propre.
Indiquer les deux référentiels étudiés ici.
Le référentiel terrestre
ou un référentiel lié aux deux balises fixes par rapport à la terre et le référentiel de la navette spatiale.
Donner les noms de Dtm et Dtp dans la relation Dtm = g Dtp. Dans quels référentiels sont mesurés ces temps ?
Le temps mesuré ( Dtm) est la durée séparant deux événements se produisant au même endroit dans un référentiel galiléen( R') en mouvement par rapport au référentiel (R). Deux horloges synchronisées, une sur chaque balise fixe détermine le temps mesuré.
Quel est le nombre suffisant d'horloge(s) qu'il faut pour mesurer le temps propre ?
Une horloge à bord de la navette spatiale mesure le temps propre.
Calculer g. Calculer la durée inconnue.
On donne 1/g2 = 1-v2/c2.
1/g2 =1-0,82 = 0,36 ; g2 =2,78 ; g = 1,67 ~1,7.
Dtm =1,67 *1000 ~1,7 103 s.
Dtm est supérieure à Dtp. Le temps s'écoule plus lentement dans la navette d'après des observateurs terrestres.
Citer une expéreince réaliste qui permet d'observer ce phénomène.
Des particules instables se désintègrent plus lentement du point de vue de l'observateur lorsqu'elles sont en mouvement à grande vitesse par rapport à cet observateur.
Le système GPS est tellement précis qu’il est nécessaire d’effectuer des corrections de relativité restreinte.





  



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