Aurélie 9/3/06
d'après concours aide technique de laboratoire Versailles 2002

acide acétique, spectrophotométrie, ultrasons, optique , électronique ( AO)


acide acétique (6 pts)

 

  1. On dispose d'un flacon de 1 L d'acide acétique. Sur l'étiquette on lit : PM: 60,05 g/mol ; d=1,05 ; pourcentage massique d'acide pur : 100%
    - Quelle est sa formule brute ? Quel autre nom est connu ? Donner sa formule semi-développée plane.
    - On veut fabriquer 2,0 L d'une solution aqueuse à 1,0 mol/L de cet acide. Faire la liste du matériel ; quelles sont les consignes de sécurité ? Décrire le protocole.
  2. On veut maintenant préparer 500,0 mL d'une solution d'acide acétique de concentration 0,0100 mol/L à partir de la solution précédente. Décrire le mode opératoire en précisant la verrerie utilisée.
  3. Réaction entre une solution d'acide acétique et une solution d'hydroxyde de sodium. On introduit dans un bécher 20,0 mL d'une solution d'acide acétique de concentration Ca= 0,0100 mol/L. On ajoute progressivement une solution d'hydroxyde de sodium de concentration Cb =0,0100 mol/L et on mesure le pH de la solution obtenue. On appelle Vb le volume de solution d'hydroxyde de sodium versé.

    - Faire un schéma du dispositif expérimental.
    - Indiquer les opérations d'étalonnage du pHmètre.
    - Identifier parmi les deux courbes celle qui donne pH=f(Vb).
    - Donner la définition de l'équivalence.
    - Déterminer en justifiant les coordonnées du point équivalent.
    - Cette étude permet-elle de savoir si l'acide acétique est un acide fort ou un acide faible ? Justifier.

  4. Un mélange d'acide acétique et de penta-1-ol est chauffé dans un bain marie à l'ébullition. L'équation de la réaction s'écrit :
    CH3-CO2H + CH3-(CH2)4-OH= CH3-CO2-(CH2)4-CH3 + H2O.
    - Représenter le montage à reflux. Quel est son intérêt ?
    - Donner le nom et les caractéristiques de cette réaction. Pourquoi chauffe-t-on ? Donner le nom du composé organique obtenu.
    - Ecrire l'équation chimique de la réaction si on remplace le pentan-1-ol par le propan-1-ol

corrigé
formule brute : C2H4O2 ; autre nom : acide éthanoïque ; formule semi développée :

On veut fabriquer 2,0 L d'une solution aqueuse à 1,0 mol/L de cet acide :

masse de 1 L de solution commerciale : 1,05 kg = 1050 g

n= m/M = 1050/60,05 = 17,5 mol dans 1 L

facteur de dilution F= 17,5 / 1 = 17,5

volume de solution mère à prélever pour préparer 2 L de solution à 1 mol/L : 2 /17,5 = 114,4 mL

liste du matériel : fiole jaugée 2 L ; burette graduée ou pipette graduée + pipeteur

consignes de sécurité : port de blouse, gants lunettes et travail sous hotte.

prélever 114,4 mL de la solution commerciale ( burette graduée ou pipette graduée) ; verser dans la fiole jaugée de 2 L, contenant un peu d'eau distillée.

compléter avec eau distillée jusqu'au trait de jauge ; agiter pour rendre homogène

préparer 500,0 mL d'une solution d'acide acétique de concentration 0,0100 mol/L à partir de la solution précédente :

F= 1/0,01 = 100 ; volume pipette jaugée = 500/100 = 5 mL

prélever 5 mL de la solution mère ( pipette jaugée + pipeteur) ; verser dans la fiole jaugée de 500 mL.

compléter avec eau distillée jusqu'au trait de jauge ; agiter pour rendre homogène.


étalonnage du pHmètre : placer la sonde de mesure dans une solution tampon pH=7 : ajuster la lecture

placer la sonde ( après rincage dans une solution tampon à pH=9 : régler la pente en ajustant le pH

courbe 1 : pH=f(Vb) : courbe 2 : courbe dérivée

définition de l'équivalence : à l'équivalence les quantités de matière d'acide et de base mis en présence sont en proportions stoechiomètriques.

Avant l'équivalence, dans le bécher, l'acide est en excès ; après l'équivalence la base est en excès.

l'acide acétique est un acide faible : le pH à l'équivalence est différent de 7 ; le pH à la demi-équivalence permet de déterminer le pKa ( on trouve 4,8 alors que le pKa d'un acide fort est égal à zéro)


montage à reflux : permet d'accélérer une réaction chimique lente en évitant les pertes de matière des réactifs et produits ( les vapeurs se condensent et retombent dans le milieu réactionnel.

1 : réfrigérant ; 2 : ballon ( contenant les réactifs et les produits) ; 3 : élévateur à croisillons ; 4 : sortie de l'eau ; 5 : entrée de l'eau : 6 : pierre ponce

nom et les caractéristiques de cette réaction : estérification, lente athermique, limitée par l'hydrolyse de l'ester.

on chauffe pour accélérer la réaction chimique.

nom du composé organique obtenu (ester) : éthanoate de pentyle.

équation chimique de la réaction si on remplace le pentan-1-ol par le propan-1-ol :

CH3-CO2H + CH3-(CH2)2-OH= CH3-CO2-(CH2)2-CH3 + H2O.


Cinétique chimique (4 pts)  
  1. Pour tester un TP d'oxydation des ion iodure I- par les ions peroxodisulfate S2O82- on prépare :
    - Une solution S de peroxodisulfate d'ammonium (NH4)2S2O8 de concentration 0,0100 mol/L.
    - Une solution S' d'iodure de potassium de concentration 0,20 mol/L
    H : 1 ;O : 16 ; N : 14 ; S : 32 g/mol.
    Quelle masse de peroxodisulfate d'ammonium (NH4)2S2O8 faut-il peser pour préparer 100 mL de solution de S ?
  2. A 25°C à la date t=0 s on mélange 100 mL de la solution S et 100 mL de la solution S' . L'équation chimique de la réaction est :
    2I- + S2O82- = I2 + 2 SO42-
    La formation du diode étant responsable de la coloration brune de la solution, on peut suivre la cinétique de la réaction à l'aide d'un spectrophotomètre. On obtient la courbe C=[I2]= f(t)

    - Ecrire sous la forme oxydant / réducteur les deux couples en présence.
    - Nommer la grandeur physique mesurable à l'aide d'un spectrophotomètre.
    - Donner la relation générale donnant [I2] en fonction de la grandeur mesurée par le spectrophotomètre.
    - Cette relation dépend de la longueur de la cuve contenant l'échantillon étudiée. De quelle autre grandeur liée au spectrophotomètre dépend cette relation ?
    - Déterminer en mmol / min la vitesse molaire volumique de formation du diode à la date t= 20 min.
    - Donner en justifiant la vitesse de disparition des ions peroxodisulfate à la même date.

 


corrigé
masse de peroxodisulfate d'ammonium (NH4)2S2O8 à peser pour préparer 100 mL de solution de S à 0,01 mol/L :

M((NH4)2S2O8 ) = 2*(14+4) + 2*32+8*16 = 228 g/mol

Quantité de matière (mol) : volume solution (L) * concentration (mol/L) = 0,1*0,01 = 10-3 mol

masse(g) = quantité de matière (mol) * masse molaire (g/mol) = 10-3*228 = 0,228 g.

couples oxydant/réducteur : S2O82- /SO42- ; I2 /I- .

grandeur physique mesurable à l'aide d'un spectrophotomètre : absorbance, notée A, grandeur sans unité

[I2] et l'absorbance A sont proportionnelles, du moins aux faibles concentrations. A= k [I2]

k constante dépendant de la largeur de la cuve et de la longueur d'onde de la lumière utilisée.

vitesse molaire volumique de formation du diode à la date t= 20 min : coefficient directeur de la tangente à la courbe à la date considérée.

vitesse de disparition des ions peroxodisulfate à la même date :

n(S2O82- = = n( I2) d'après les coefficients de l'équation : en conséquence la vitesse de disparition des ions peroxodisulfate à t = 20 min est égale à la vitesse molaire volumique de formation du diode à la date t= 20 min.


ultrasons (3 points)

Un générateur (GBF) de tension sinusoïdale alimente un émetteur E d'ondes ultrasonores. On visualise cette tension sur la voie A d'un oscilloscope. Après propagation dans l'air le signal est détecté par un récepteur R à ultrasons relié à la voie B de l'ozcilloscope. On peut déplacer R sur un rail rectiligne qui permet de mesurer la distance émetteur-récepteur ER. La position fixe de E correspond à la mesure 0.

  1. Faire le schéma du montage en faisant apparaître les connexions électriques.
  2. On considère les fréquences suivantes : 3 Hz ; 300 Hz ; 3000 Hz ; 30 kHz ; 3 MHz.
    - Que signifient les symboles kHz et MHz ?
    - Indiquer les fréquences correspondant à des sons audibles.
    Quelle est celle qui correspond à un infrason ?
  3. On obtient l'oscillogramme ci-dessous : Voie A : 0,5 V/div et 5 ms/div. Déterminer l'amplitude, la période et la fréquence.
  4. On éloigne R de E. Comment évoluent la période et l'amplitude du signal observé sur la voie B ?
    - On repère deux positions successives de R, distantes de 8,5 mm pour lesquelles les signaux observés sont en phase avec le signal observé sur la voie A. En déduire la célérité de l'onde ultrasonore.

corrigé

les symboles : kHz = 103 hertz ; et MHz = 106 hertz

les fréquences correspondant à des sons audibles sont comprises entre 2 Hz et 20 kHz : 300 Hz ; 3000 Hz ; 3 Hz correspond à un infrason

l'amplitude : 3 div soit 1,5 V ; la période : 5 div soit 5*5 10-6 = 2,5 10-5s et la fréquence : f=1/T=1/2,5 10-5= 40 000 Hz = 40 kHz.

On éloigne R de E : la période ne change pas ; l'amplitude du signal observé sur la voie B diminue.

longueur d'onde : l = 8,5 10-3 m ; célérité de l'onde ultrasonore v = l f = 8,5 10-3*40000 =340 m/s.


optique (4,5 points)

 

  1. On dispose d'un laser He-Ne. Il fournit un étroit pinceau lumineux monochromatique. Que symbolise He-Ne ?
    - Définir monochromatique.
    - Donner l'intervalle des longueurs d'onde des radiations visibles par l'oeil humain.
    - La longueur d'onde de la lumière émise est l= 632,8 nm. Quelle est la couleur correspondante ?
    - Quelle principale précaution faut-il prendre lors de l'utilisation d'un laser ?
    - Donner la vitesse de propagation de cette lumière dans l'air.
  2. Angle d'incidence : 30° ; indice de l'eau 1,33 ; indice de l'air : 1. Calculer l'angle de réfraction du rayon pénétrant dans l'eau.
    - Compléter le schéma en traçant la marche de la lumière jusqu'à sa sortie dans l'air.
    - Comment visualiser le faisceau dans l'air ? dans l'eau ?
  3. On se propose de déterminer la distance focale d'une lentille à l'aide de la formule de conjugaison des lentilles minces en utilisant un banc d'optique comportant un objet lumineux, un écran et la lentille étudiée. Lequel des schémas suivants est correct ? Justifier.

    - Construire l'image A'B' de l'objet AB ; quelles grandeurs faut-il mesurer pour déterminer la distance focale de la lentille ?

  4. Afin de déterminer la distance focale d'une lentille divergente on accole à cette lentille divergente une seconde lentille convergente de vergence C2 connue.
    - Comment peut-on rapidement distinguer une lentille convergente d'une lentille divergente ?
    - Quelle sont parmi les valeurs suivantes de C2 : -21 d ; -8 d ; 3 d ; 21 d , 27 d celles qui permettent en théorie de déterminer la distance focale si l'ordre de grandeur de la vergence de la lentille est-20. Justifier.
    - La longueur du banc d'optique est 1,80 m. Une seule des valeurs retenues convient. Laquelle ? Justifier.

corrigé
He : hélium ; Ne : néon.

monochromatique : une seule fréquence, une seule couleur. 

intervalle des longueurs d'onde des radiations visibles par l'oeil humain : 400 nm ; 800 nm.

l= 632,8 nm : couleur jaune orange

principale précaution à prendre lors de l'utilisation d'un laser : ne pas diriger le faisceau vers les yeux

vitesse de propagation de cette lumière dans l'air : 3 108 m/s.

angle de réfraction du rayon pénétrant dans l'eau : n1 sin i1 = n2 sin i2 ; sin i2 = n1 sin i1/ n2 =sin 30 / 1,33 =0,376 ; i1 = 22°.

visualiser le faisceau dans l'air : envoyer de la fumée sur le trajet du faisceau.

visualiser le faisceau dans l'eau : placer des particule en suspension ( KMnO4), utiliser du lait ou de la fluoresceine.

Le schéma b est correct ; dans le schéma a, la lentille fonctionne en loupe : on ne peut pas obtenir une image sur un écran.

il faut mesurer OA et OA' pour calculer la distance focale.

On distingue rapidement une lentille convergente d'une lentille divergente de la manière suivante : une lentille convergente a les bords minces, une lentille divergente a les bords épais.

La vergence C de l'ensemble est égale à la somme des vergences de chaque lentille et C doit être positive ( l'ensemble des deux lentilles accolées doit être convergent) donc 21 d ou 27 d
Prendre la lentille la plus convergente 27 d (l'image se formera plus près de la lentille )


électronique (2,5 points)

  1. Quel matériel utilise-t-on pour étudier les variations de la tension uS au cours du temps ? Indiquer les branchements.
  2. Donner la relation entre l'amplitude UE de la tension d'entrée et la tension crète à crète UCC délivrée par le GBF.
  3. R1 = 20 kW, R2 = 50 kW. On fait varier uE et on étudie uS dont l'amplitude est notée US. On observe que pour UE<3,7 V, la tension uS est sinusoïdale de même fréquence que celle de uE; pour UE>3,7 V, la tension est écrétée.
    UE(V)
    0
    1
    1,5
    2
    2,5
    3
    3,7
    4
    5
    US(V)
    0
    3,5
    5,3
    7
    8,8
    10,5
    12,9
    12,9
    12,9
    A= US/UE

    - Compléter le tableau.
    - Pour UE<3,7 V l'AO est utilisé en régime linéaire. Pourquoi ?
    - Quel nom donne-t-on à A ?
    - Donner l'expression théorique de A en fonction des résistances.
    - En sortie on branche une charge Re. Calculer l'amplitude de l'intensité du courant traversant Re quand UE=2V et Re = 100 W.
  4. Le GBF est remplacé par un microphone, la charge Re par un haut parleur. On fixe R1 = 1 kW, R2 = 20 kW. Quel est l'intérêt de ce montage ?

corrigé
pour étudier les variations de la tension uS au cours du temps on utilise un oscilloscope. Relier la masse du GBF à celle de l'oscilloscope, la voie 1 à la sortie du GBF et la voie 2 au point S.

 relation entre l'amplitude uE de la tension d'entrée et la tension crète à crète UCC délivrée par le GBF : UE = ½UCC.

UE(V)
0
1
1,5
2
2,5
3
3,7
4
5
US(V)
0
3,5
5,3
7
8,8
10,5
12,9
12,9
12,9
A= US/UE
xxxxx
3,5
3,53
3,5
3,52
3,5
3,49
3,49
3,49
our UE<3,7 V l'AO est utilisé en régime linéaire : la tension de sortie est proportionnell eà la tension d'entrée.

A : coefficient d'amplification en tension

A= (R1+R2) / R1.

amplitude de l'intensité du courant traversant Re : US= 3,5*UE = 7 V ; US=ReI soit I= US/Re=7/100 = 0,07 A.

intérêt de ce montage : amplificateur de tension ( A= 21) .


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