Physique chimie, concours technicien de laboratoire 2019.

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1. Arome de vanille.
La synthsèse de la vanilline se fait en trois étapes :
Etape 1 : - synthése de l'acétate d'isoeugénol à partir de l'isoeugénol

Etape 2 : transformation de l'acétate d'isoeugénol en acétate de vanilline.
Etape 3 : action de l'eau sur l'acétate de vanilline

espéce chimique
masse molaire g/mol
quelques propriétés
isoeugénol
164
d=1,08
nocif en cas d'ingestion, irritant pour les yeux, la peau, les voies respiratoires
acétate d'isoeugénol
205
Tfusion = 80°C
solubles dans la plupart des solvants organiques,
insoluble dans l'eau glacée
anhydride éthanoïque
102
d=1,08
corrosif, inflammable, provoque des brûlures
réagit avec l'eau

A synthèse de l'acétate d'isoeugénol : mode opératoire.

- Dans un ballon de 250 mL, introduire 10 g d'isoeugénol, 20 mL d'anhydride acétique, quelques gouutes d'acide orthophosphorique.
- Chauffer en utilisant un chauffage à reflux et maintenir une ébullition douce pendant 30 minutes.
- refroidir jusqu'à température ambiante. verser le contenu du ballon dans un becher contenant 30 mL d'eau glacée, tout en agitant.
- Filtrer sur büchner et laver les cristaux formés avec de l'eau glacée.
1. Quel est le rôle du montage à reflux ?
Le montage à reflux permet de travailler à température modérée ( la vitesse de la réaction augmente) tout en évitant les pertes de matière ( les vapeurs se condensent dans le réfrigérant vertical et retombent dans le ballon).
2 et 3. Quelles précautions faut-il prendre pour manipuler l'anhydride éthanoïque ?
- Pourquoi utilise-t-on de l'anhydride éthanoïque à la place de l'acide éthanoïque ?
Travailler sous hotte avec de la verrerie sèche, mettre des gants et des lunettes.
L'anhydride éthanoïque conduit à une réaction totale alors que l'acide éthanoïque conduit à un réaction limitée par l'hydrolyse de l'ester.
4. L'acide orthophosporique est un catalyseur de la synthèse. Quel est son rôle ?
Le catalyseur augmente la vitesse de la réaction en remplaçant une réaction lente par deux réactions rapides. Le catalyseur est régénéré en fin de réaction.
5. Quelle est la formule semi-développée et le nom de l'espèce A ? A : acide éthanoïque CH3-COOH.
6. Pourquoi verse-t-on le contenu du ballon dans l'eau glacée ?
Dans l'eau glacée l'acétate d'isoeugénol est insoluble : des cristaux se forment.
7 et 8. Calculer la quantité de matière initiale de chacun des réactifs. L'expérimentateur a obtenu 11,3 g de cristaux d'acétate d'isoeugénol. Calculer le rendement de la synthèse.

isoeugénol : masse (g) / masse molaire (g/mol) = 10 / 164 = 0,061 mol
anhydride éthanoïque : masse (g) = volume (mL) fois densité= 20*1,08 = 21,6 g
21,6 / 102 = 0,212 mol (en excès)
Qté de matière d'ester prévue : 0,061 mol soit 0,061*205 = 12,5 g
rendement : mase expérimentale / masse théorique = 11,3 / 12,5 = 0,904 ( 90,4 %).

Synthèse de la vanilline :

9. Quelle est la formule semi-développée et le nom de l'espèce B ?
Acide éthanoïque CH3-COOH.
10. Quel est le nom donné à cette réaction ?
Hydrolyse d'un ester.

2. Techniques séparatives.
11. Déterminer la formule semi-développée du triacétate de glycéryle.

12. Expliquer le principe de la chromatographie. Que signifie le terme phase gazeuse ?
Couplage chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse.
La chromatographie est une méthode de séparation et d'identification des constituants d'un mélange.
La chromatographie est basée sur la différence de solubilité d'une substance dans deux phases non miscibles : la phase stationnaire liée au support et la phase mobile ou solvant. 
Plus une substance est soluble dans la phase mobile, plus elle est entraînée par cette phase; inversement, une substance peu soluble dans la phase mobile migre peu
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1 : injecteur ; 2 : colonne ; 3 : détecteur ; 4 : intégrateur ou ordinateur ; 5 : thermostat de colonne ; 6 : gaz vecteur.
La chromatographie permet de séparer les espèces d'un mélange complexe de nature diverses.
Elle est utilisée pour repérer les substances qui composent un mélange gazeux ou susceptibles de le devenir sans décomposition par chauffage.
13. Quel rôle joue le spectromètre de masse ? Quel type d'ionisation est la plus fréquente dans ce type de couplage ? Expliquer le principe de ce type d'ioniseur.
 La spectrométrie de masse consiste à vaporiser une espèce ( dont la molécule est notée M), puis à l'ioniser ( une ou plusieurs fois). Les ions obtenus sont ensuite accélérés par un champ électrique. Les ions peuvent rester inchangés ou se scinder en fragments plus petits ( eux même chargés ou non ). Un dispositif, appelé analyseur, sépare les différents ions suivant leur rapport masse sur charge m/q où m est la masse de l'ion et q sa charge. les ions sont récuérés dans les récepteurs qui génèrent un courant dont l'intensité est proportionnelle aux nombres des ions détectés.
Electrospray : dispersion d’un liquide sous forme de gouttelettes chargées électriquement.
Les goutellettes formées  à l'extrémité d'un capillaire sont  soumises  à un champ électrique intense.
14. Suite à un changement de colonne, le temps de rétention de la molécule a changé malgré des conditions d'analyse identique ( même débit et même rampe de température ) Cependant nous savons que le pic de la triacétine devrait être élué à un temps de rétention entre 10,00 et 13,50 minutes. 4 pics présents sur le chromatogramme peuvent correspondre.
Pic
temps de rétention (minute)
largeur du pic à la base (min)
facteur de rétention
sélectivité
solvant
1,08



A
10,23
0,17
(10,23-1,08) / 1,08 =8,47

B
10,99
0,22
(10,99-1,08) / 1,08=9,18

C
12.85
0,33
(12,85-1,08) / 1,08=10,90

D
13,47
0,35
(13,47-1,08) / 1,08 =11,47

Quels facteurs peuvent avoir influencé le changement de temps de rétention ? Déterminez les facteurs de rétention ( ou de capacité) de ces 4 pics. Déterminer également les facteurs de séparation ( ou sélectivité) ainsi que la résolution entre tous les pics consécutifs ( A-B, B-C, C-D).
Le temps de  rétention varie en fonction du débit, de la température d'élution, de la composition de la phase mobile et du vieillissement de la colonne.
Facteur de rétention = rapport du temps passé par le soluté dans la phase stationnaire  sur le temps passé par ce même soluté dans la phase mobile.
k =(tri-tm) / tm.
La sélectivité mesure l'aptitude de la colonne à séparer le composé i du composé j : a = kj / ki.
aA-B =9,18 / 8,47=1,08 ;
aB-C =10,9 / 9,18=1,19 ; aC-D =11,47 / 10,9=1,05.
Résolution R =2(tRi-tRj) / (somme des bases des pics).
RA-B =2(10,99-10,23) / (0,22+0,17)=3,9.
RB-C =2(12,85-10,99) / (0,22+0,33)=6,76.
RC-D =2(13,47-12,85) / (0,35+0,33)=1,8.
15. Quelle valeur est prioritairement utilisée pour juger de la bonne séparation des pics ? Pourquoi ? Sont-ils bien séparés dans ce cas ?
Pour les valeurs de R > 1,5, les pics sont bien séparés. Ils sont bien séparés dans ce cas.
16. Les 4 pics présentent les spectres de masse suivants. Un spectre pourrait-il correspondre à la triacétine ? Justifier. L'allégation  "sans arôme ajouté " écrite sur l'emballage est-elle valable ?
Les spectres présentent tous un pic important à m/z = 43 ([CH3CO]+). Ils pourraient correspondre à la triacétine.
L'allégation  "sans arôme ajouté " écrite sur l'emballage n'est pas valable.
17. On remarque que les pics s'élargissent avec le temps. Expliquer la raison de cet élargissement. Par quelle relation peut-on théoriser cela ? Expliquer les termes de cette équation.
La vitesse de progression des solutés n'est pas tout à fait identique  ( ils prennent des chemins différents dans la phase mobile). Les pics s'élargissent avec le temps de rétention.
Equation de Van Ddemter :H = A + B / U + C U.
U : vitesse de la phase mobile.
H : hauteur équivalente d'un plateau théorique ( efficacité).
B / U traduit la dispersion du soluté.
C U : résistance au transfert du soluté entre les phases mobile et stationnaire.

3. Calculs de pH.
18. Calculer la concentration en ion H3O+ en moles / litre des solutions aqueuses présentant les pH suivants :
pH = 4,10 ; [
H3O+] = 10-4,10 =7,94 10-5 mol /L.
pH = 1,25 ; [ H3O+] = 10-1,25 =0,056 mol /L.
pH = 7,00 ; [ H3O+] = 10-7  mol /L.
19. Déterminer le pH d'une solution d'acide iodique HIO3 à 5 10-3 mol / L. Ka(HIO3 /IO3-) = 0,16.
Ka = [
IO3-] [H3O+] / [HIO3] =x2 /(C-x) avec x avancement volumique.
x2 =0,16(C-x) ; x2+0,16 x -0,16 x5 10-3 = 0.
x2+0,16 x -0,0008 = 0.
Discriminant D =0,162 +4x0,0008 =0,0288= 0,172.
x =(-0,16 +0,17) / 2 =0,00485 ~0,0049 mol / L.
pH = - log(0,0049) =2,3.
20. Quelles sont les concentrations de H3O+, CH3COOH et CH3COO- dans une solution d'acide acétique de pH=4 ? Donner la concentration initiale C0  de CH3COOH avant équilibre.
Ka = 1,8 10-5.
[H3O+]  = [CH3COO- ] = 10-4 mol / L.
Ka = [H3O+] [ [CH3COO- ] / [CH3COOH ].
[CH3COOH ] = [H3O+] [ [CH3COO- ] / Ka = 10-8 / (1,8 10-5 ) =5,56 10-4 mol / L.
C0 =
[CH3COO- ]+ [CH3COOH ]=6,56 10-4 mol / L.

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4. Oxydo-réduction, alcool dans le sang
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A 1 mL de sang est ajouté 10 mL de dichromate de potassium à 7 g / L.(M = 294 g / mol).
L'excès de dichromate est réduit par l'iodure de potassium.
Cette solution est dosée par le thiosulfate de sodium à 0,05 mol/L. VE = 15 mL.
21. Donner les demi-équations des couples suivants : Cr2O72- / Cr3+ et RCOOH / alcool ; I2/I- et S4O62- / S2O32-.
22. Donner les équations des réactions mises en jeu.
23. Calculer le taux d'alcool dans le sang en g / L et conclure.
3 fois { C2H5OH +H2O = CH3COOH + 4H+ + 4e- } oxydation alcool.
2 fois { Cr2O72- + 14H+ + 6e- = 2Cr3+ + 7 H2O } réduction de l'ion dichromate.
3C2H5OH + 2Cr2O72- +16H+= 3CH3COOH + 4Cr3+ + 11 H2O (1)

Cr2O72- + 6 e- +14 H+ = 2 Cr3+ + 7 H2O.
3 fois{2I- = I2 +2e-}.
Cr2O72- + 6 I- +14 H+ = 2 Cr3+ +3I2 +7 H2O. n (I2)=3 n(Cr2O72-)excès.

 I2 +2e-= 2I-.
2S2O32- = S4O62- + 2e-.
 I2 +2S2O32- = S4O62- +2I-. n(I2) =½n(S2O32-). Par suite : 3 n(Cr2O72-)excès =½n(S2O32-) ;
 n(Cr
2O72-)excès =n(S2O32-) / 6.
n(Cr2O72-)initial =7 / 294 x10 / 1000 = 2,38 10-4 mol.
n(Cr2O72-)excès =n(S2O32-) / 6 =0,05 x15 10-3 / 6 =1,25 10-4 mol.
n(Cr2O72-) oxydant l'alcool =(2,38-1,25) 10-4 =1,13 10-4 mol.
n(alcool) = 1,5 x
1,13 10-4 =1,695 10-4 mol.
M(alcool) = 46 g / mol.
Masse d'alcool : 46 x1,695 10-4 =7,8 10-3 g dans 1 mL soit 7,8 g / L, valeur largement supérieure à 0,5 g / L. Il y a infraction.
 
5. Validation de méthode.
24. Expliquer l'intérêt d'une validation de méthode.
Cette validation permet d'assurer la fiabilité et la traçabilité des résultats d'une analyse en laboratoire à partir d'une matrice donnée.
25. Expliquer le sens de la répétabilité et de la reproductibilité.
Répétabilité : les valeurs obtenues en suivant une même procédure ( même méthode, même instrument, même opérateur) subissent de faibles variations.
Reproductibilité : Les valeurs obtenues en faisant varier les conditions de mesure ( méthode, instrument, opérateur )
subissent de faibles variations.
26. Qu'est qu'une méthode juste et fidèle ?
Juste : l'écart entre le résultat d'une mesure et la valeur vraie de la grandeur mesurée est faible.
Fidèle :
étroitesse de l'accord entre les mesures effectuées sur des prises multiples d'un échantillon homogène.

6. Permanganate de potassium.
On dispose d'une poudre  de parmanganate de potassium pure à 98,3 % et on souhaite faire 200 mL de solution à 0,5 mol / L. Deux solutions filles diluées à 0,1 et 0,05 mol/L seront préparées.
27. Calculez les quantités nécessaires à la préparation de la solution mère et proposez un protocole pour la préparation de ces trois solutions.
Quantité de matière : n = C V = 0,5 x0,2=0,1 mol.
M(KMnO4) =158 g / mol ; masse m = 158 x0,1 = 15,8 g de produit pur.
Masse à peser : 15,8 / 0,983 =16,07 g.
Peser 16,07 g de solide ( balance de précision + coupelle).
Verser dans une fiole jaugée de 200 mL contenant 1 / 3 d'eau distillée et surmontée d'un entonnoir à solide.
Rincer coupelle et entonnoir.
Agiter jusqu'à dissolution complète puis compléter jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée. Agiter pour rendre homogène.
Solution fille à 0,1 mol / L : fiole jaugée de 200 mL ; pipette jaugée de 200 / 5 = 40 mL.
Solution fille à 0,05 mol / L : fiole jaugée de 200 mL ; pipette jaugée de 200 / 10 = 20 mL.
Prélever la solution mère ; verser dans la fiole jaugée ; complèter jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée ; agiter.
28. Que signifient  les pictogrammes suivants ?

29. Quelles précautions faut-il prendre pour le stockage de ce produit ?
Récipient bien fermé, au sec, endroit frais et ventilé.
Ne pas stocker près de matières combustibles.


7. Réfraction de la lumière.

30. Une radiation lumineuse se propageant dans l'air pénètre dans un liquide sous une incidence i= 40°. L'angle de réfraction est r = 30°. Déterminer l'indice du liquide.
1 sin i = n sin r ; n = sin 40 / sin 30 =1,29.
31. Soient les dioptres suivants dont les milieux ont pour indices respectifs :
n1 = 1,644 ; n2 = 1,502.
n1 = 1,644 ; n2 = 1,000.
n1 = 2,420 ; n2 = 1,000.
Déterminer pour chacun d'eux  la valeur de l'angle d'incidence limite.
n1 sin ilim = n2 sin 90 ;
sin ilim = n2 / n1.
sin ilim =1,502 / 1,644 =0,9136 ; ilim =66,0° ;
sin ilim =1,000 / 1,644 =0,6083 ; ilim =37,46° ;
sin ilim =1,000 / 1,420 =0,413 ; ilim =24,41°.

8. Effet Doppler.
Un radar de contrôle routier émet une onde sonore continue qui se réfléchit sur une cible. La figure ci-dessous représente le front d'onde à l'instant t = 4 T ( T : période temporelle ).
A. Véhicule muni d'une sirène et immobile.

Fréquence du son f = 680 Hz ; vson = 340 m /s
32. Définir une onde sonore mécanique progressive.
Propagation d'une perturbation ( variation de pression) dans un milieu matériel avec transport d'énergie, sans transport de matière.
33. Expliquer le principe de propagation d'une onde sonore. Précisez en justifiant sa nature longitudinale ou transversale.
La variation de pression se propage dans le milieu matériel. L'onde est longitudinale.
34. Définissez la période temporelle et précisez sa valeur.
Durée séparant deux perturbations identiques en un point donné.
T = 1 / f = 1 / 680 =1,47 10-3 s .
35. Définissez la période spatiale et précisez sa valeur.
Plus petite distance séparant deux points dans le même état vibratoire.
l = vson T = vson / f = 340 / 680 = 0,50 m.
36. Déterminez si deux points situés à la distance d = 55,0 m l'un de l'autre dans la même direction de propagation sont en phase. Justifier.
55 = 110 x0,5 = 110 l.
Deux points distants d'un nombre entier de longueur d'onde vibrent en phase.
37. Déterminez la distance parcourue par le front d'onde à t = 3T.
d = vson x 3T = 340 x3 x1,47 10-3 =1,50 m.
38. L'onde se réfléchit sur un obstacle situé à 680 m de la source. Déterminer le temps au bout duquel l'écho de l'onde revient à la source après émission du signal.
t = distance aller + retour / célérité = 2 x 680 / 340 = 4 s.
B. Le véhicule se déplace à la vitesse v.
39. Expliquer le principe de l'effet Doppler.
Le radar émet une onde continue qui est réfléchie par toute cible se trouvant dans la direction pointée. Par effet Doppler, cette onde réfléchie possède une fréquence légèrement différente de celle émise : plus grande fréquence pour les véhicules s'approchant du radar et plus petite pour ceux s'en éloignant.
40. Le véhicule se rapproche d'un observateur immobile. Donnez la relation entre f ', fréquence perçue par l'observateur, f fréquence de la sirène, v et vson.
f ' = f / (1-v / vson).
41. Le son perçu par l'observateur fixe possède une fréquence f ' = 716 Hz. Le son est-il plus grave ou plus aigu que le son d'origine ? Justifier.
 f ' > f, le son perçu est plus aigu.
42. Déterminer la vitesse v du véhicule.
1-v / vson = f / f '.
v / vson = 1-f / f ' ; v = vson(1-f / f ') =340 (1-680 / 716) =17,1 m /s ( 61,5 km / h).




  

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