corrigé 2005 - Académie de Rouen

Olympiades de la chimie
Académie de Rouen
Concours régional
2005






QUESTIONNAIRE


Le thème de ce questionnaire est :


CHIMIE et HABITAT





La durée de l'épreuve est de 2 heures



(((((((( Informations importantes ((((((


* Ce questionnaire est composé d'une succession de lectures, de questions
et de petits exercices.

Il est important de traiter le maximum de questions.




Les questions et exercices sont repérés par leur numérotation chiffrées :
"I.1 etc. ".




* Seule la liasse de "feuilles de réponses" devra être rendue à la fin de
l'épreuve.
Vous devez l'utiliser pour y inscrire les réponses aux questions posées.

* Ce questionnaire sera conservé par le candidat.


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Le thème des olympiades est cette année chimie et habitat.


Si l'on a une petite idée de ce que peut couvrir la chimie, quelle
signification donne-t-on au mot "habitat" ?


L'habitat est tout d'abord le milieu géographique qui réunit les
conditions nécessaires à la vie d'une espèce animale ou végétale.
L'habitat, c'est aussi la manière dont l'homme aménage les lieux où il
vit.



La chimie va jouer, directement et indirectement un rôle important dans
l'habitat :

> Elle est présente dans les matériaux de construction, d'étanchéité
et d'isolation.

> Elle intervient souvent de manière très discrète, pour rendre plus
confortable les lieux choisis par l'homme pour y vivre.


L'habitat c'est aussi le développement durable avec tous les faits
d'éducation qui s'y attachent ; à défaut, l'habitat devient précaire
et l'habitant doit migrer vers des sites plus favorables à sa survie.

> La chimie va être utilisée pour permettre de qualifier l'habitat de
salubre ou d'insalubre.


La chimie a donc une incidence quotidienne sur notre habitat, parfois
négative (pollution) mais souvent positive (confort - assainissement).
C'est ce que nous allons essayer de mettre en évidence au travers de ce
questionnaire.






Mais en fin de compte, que faut-t-il à un lieu pour qu'il soit qualifié
d'habitat par l'homme ?


> Tout d'abord un abri, si possible solide, sec et bien isolé.


> Et des conditions favorables à la vie : de l'eau potable, de
l'énergie, de la nourriture.


> Un peu de confort


Pour chacun de ces items, la chimie est présente.
I. Un toit pour s'abriter.


Après avoir mangé à notre faim, un toit pour s'abriter est le premier de
nos soucis, surtout s'il pleut.


Les premiers humains (ainsi que les ours) ont colonisés toute sortes
d'abris naturels, en particulier les grottes que l'on rencontre plus
fréquemment dans les roches calcaires qu'ailleurs.
Aujourd'hui encore l'habitat troglodyte se rencontre sur les falaises
calcaires.


Vous vous demandez ce que la chimie peut bien avoir à faire avec les
grottes !


Et à votre avis, qui les a creusées ?


Un peu de chimie bien sur !


De part leur nature, les ions calcium [Ca2+] et les ions carbonate [CO32-
] ont toujours manifesté une grande affinité à coexister à l'état solide.


En Normandie, nous en avons la preuve tous les jours lorsque l'on fait
bouillir l'eau du robinet et beaucoup de crustacés s'en portent bien.


Il nous reste à expliquer comment un peu de chimie est capable de creuser
une grotte dans une roche calcaire.



1. Pour commencer un petit compte rendu d'expérience :

Dans un tube à essai, on place un petit morceau de marbre. On ajoute
ensuite un volume raisonnable d'acide chlorhydrique à 2 moles par litre.


Immédiatement on observe une effervescence signe d'un dégagement gazeux
important.


Notre premier soucis est de placer un bouchon muni d'un tube de garde
contenant une solution concentrée de chlorure de calcium ou bien une
solution d'eau de chaux. (voir le schéma ci-contre).


Dans le tube de garde on observe d'abord un précipité blanchâtre puis
après quelques instants le précipité se dissous et la solution redevient
limpide.
Fin du compte rendu.


1. Quel est le constituant principal du marbre ?


Na2HPO4
CaCO3
MgSO4
Al2O3
2. Quel gaz se dégage lorsque l'on verse la solution de HCl sur le
marbre ?


Le dioxyde de carbone CO2..


Ecrire l'équation de réaction associée à cette transformation.


CaCO3 (s) + 2 H3O+ + 2 Cl-(aq) Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq) + 3 H2O +
CO2 (g)




3. Quelle est la composition du précipité observé ?


CaCO3 (s) le carbonate de calcium


Ecrire l'équation de réaction de précipitation.


Ca2+(aq) + 3 H2O + CO2 (g) CaCO3 (s) + 2 H3O+




4. Lors de la réaction de précipitation, la solution de chlorure de
calcium devient-elle :


Plus acide ?
plus basique ?
reste neutre ?




5. Pour quelle raison observe t'on la dissolution du précipité ?


Il fond .
Il réagit avec le CO2 (g).
Il s'oxyde au contact de l'air.
Il est réduit par l'eau.




6. Compléter l'équation bilan de la réaction de dissolution du
précipité formé dans la phase initiale ?


CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O(l) 2 [pic](aq) +
Ca2+(aq)




7. Nommer l'espèce carbonée soluble formée lors de cette réaction.


L'ion hydrogénocarbonate




8. Un peu de calcul :


On donne l'expression de la constante d'équilibre de la réaction de
dissolution du précipité :
Keq. = [pic]


a. Montrer que l'on peut l'exprimer en fonction des KA de "l'acide
carbonique"


Donner l'expression des KA de "l'acide carbonique"


[pic] [pic]


[pic] [pic]


Keq. = [pic] = [pic]




Les Ka de l'acide carbonique valent : [pic]4.10-7 ; [pic]5.10-11 ;


b. Calculer la valeur de cette constante d'équilibre de
la réaction de dissolution du précipité.






2. Deuxième partie : la formation des grottes

- Dans la nature, les grottes et voies d'eau souterraines se sont formée
selon un processus similaire. On veut bien entendu parler de la
dissolution du carbonate de calcium, car chacun sait que les épaisses
couches de calcaire que l'on rencontre ça et là on été formée par des
sédiments de nature animale.
En ces temps là, l'activité volcanique, les forêts qui brûlaient, bien
plus que l'activité humaine, chargeaient de CO2 l'eau de pluie.
Celle-ci en s'infiltrant dans les roches calcaires y solubilise,
lentement mais sûrement, le CaCO3.


1. Parmi ces minéraux, un seul ne contient pas de carbonate de calcium.




Lequel ? aragonite
calcite
gypse
dolomite
La solubilité dans l'eau pure du carbonate de calcium est ~ 0,01g.L-1 à
15°C.


2. Quel volume d'eau faudrait-il pour solubiliser une mole de carbonate
de calcium ?


1 m3
10 m3
100 m3


On donne : masse molaire du carbonate de calcium = 100g.mol-1 ?




Dans de bonnes conditions de température, l'eau de pluie peut solubiliser
le CO2 à raison de environ 44mg par litre.


3. Qu'elle est la concentration molaire en CO2 de l'eau de pluie ?


1.10-2 mol.L-1
1.10-3 mol.L-1
1.10-4 mol.L-1
1.10-5 mol.L-1


On donne : Masse atomique molaire du carbone : 12g.mol-1


Masse atomique molaire de l'oxygène : 16g.mol-1




En utilisant la valeur de la constante d'équilibre associée à l'équation
de réaction établie à la question N°6, comparer la solubilité du
carbonate de calcium dans l'eau pure et dans l'eau de pluie chargée en
CO2.


4. Dans l'eau de pluie, la solubilité de CaCO3 est :


5 fois plus élevée ;
10 fois plus élevée ;
20 fois plus élevée ;
100 fois plus élevée.




3. Embellissement des grottes :
Une fois la cavité formée par dissolution, les eaux d'infiltration
suintent le long des parois et des concrétions calcaires apparaissent.

1. Pour quelle raison le carbonate de calcium dissous se dépose t'il ?


La température de l'air dans la grotte est plus faible que celle
de la roche.


L'eau s'évapore au contact de l'air.

En présence d'air, le carbonate de calcium est moins soluble
dans l'eau.


L'eau perd le CO2 dissous.


Les concrétions calcaires qui se sont développées de cette façon au cours
du temps ont formé des constructions monumentales que l'on peut admirer
dans de nombreuses grottes.


2. Comment nomme t'on ces concrétions?


Compléter le dessin ci-dessous.