Questionnaire
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 Olympiades de la chimie Académie de Rouen Concours régional 2006 QUESTIONNAIRELe thème de ce questionnaire est : CHIMIE et HABITAT La durée de l'épreuve est de 2,0 heures Informations importantes
Il est important de traiter le maximum de questions. Les questions et exercices sont repérés par leur numérotation chiffrées : "I.1 etc. ".
Vous devez l'utiliser pour y inscrire les réponses aux questions posées.
Le thème des olympiades est cette année encore 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 :
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 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 ?
Pour chacun de ces items, la chimie est présente. L'habitat et le développement durable. La notion de développement durable est de plus en plus évoquée pour justifier certaines démarches, notamment en ce qui concerne le choix de sources d'énergie, de matériaux de construction. Depuis quelques années, des campagnes publicitaires sont élaborées pour sensibiliser les populations à l'usage de techniques et matériaux "alternatifs". Ce sont l'utilisation du bois comme matériaux de construction, du ciment et de ses dérivés pour le gros œuvre des bâtiments, de l'énergie électrique d'origine éolienne, des carburants d'origine agricole, de solutions techniques réduisant les gaz à effet de serre, etc. . Les exemples sont nombreux et variés et bien souvent la chimie joue un rôle non négligeable dans ces réalisations. Il est cependant des matériaux utilisés depuis de nombreuses années et qui présentent toutes les caractéristiques correspondant aux critères d'un développement durable. Le bois joue, aujourd'hui encore, un rôle important dans les activités liées à l'habitat : environnement, murs, charpente, huisserie, mobilier, chauffage et même alimentation. Il est concurrencé par d'autres matériaux tel que l'acier, les matières plastiques et l'aluminium. Si la principale source de matières plastiques reste le pétrole, on développe chaque jour de nouvelles matières plastiques d'origine végétale bien que celles-ci restent marginales pour des raisons économiques. Les différentes crises pétrolières et la prise de conscience de la limite des ressources pétrolières font que d'autres matériaux connaissent un renouveau bien souvent du fait de leur aptitude à être recyclé, c'est le cas de l'aluminium.
L'aluminium, est un métal dont les minerais sans être inépuisables sont disponibles en quantités suffisantes et qui de surcroît est 100% recyclable. Les nombreuses qualités, tant physiques que chimiques, de l'aluminium et de ses alliages en font un matériau incontournable.
Sans doute car il fut découvert au : XVIe siècle XVIIe siècle XVIIIe siècle XIXe siècle XXe siècle Le premier scientifique à avoir isolé l'élément aluminium est Hans Christian OERSTED, plus connu pour ses travaux sur l'électromagnétisme que pour cette découverte.
Un ensemble d'atomes dont les noyaux ont le même nombre de nucléons ; Un ensemble d'atomes dont les noyaux ont le même nombre de protons ; Un ensemble d'atomes dont les noyaux ont le même nombre de neutrons. Un ensemble d'atomes ayant des noyaux identiques ;
Le nom aluminium a pour étymologie : Le mot latin "Alumen" Le mot anglais "Alumina" Le mot latin "Alumnus" Le mot arabe "Al Loumin" Sur la centaine d'éléments répertoriés sur terre, l'aluminium ne représente que 1,8 % en masse de la terre. Par contre, si l'on ne considère que la croûte terrestre, l'aluminium est un élément très répandu.
2,5 % d'aluminium 4,5 % d'aluminium 8,5 % d'aluminium 14,5 % d'aluminium
En mélangeant de la bauxite et du carbone à 1000 °C ? En électrolysant AlCl3 sur une cathode de mercure ? En chauffant de l'argile en présence de sodium ? Par action du potassium (K) sur AlCl3 Je ne sais pas.
Très dur Très souple Inoxydable Très léger Très bon marché Brillant. Isolant Si la métallurgie de l'aluminium fut d'abord chaotique ; en 1827 la préparation de Wölher utilisait la réaction entre AlCl3 et K (potassium) et le prix de l'aluminium était exorbitant. Le procédé Sainte-Claire Deville (chauffage de chlorure d'aluminium et de sodium, de cryolithe, de carbone et de sodium) a permis, dés 1860, de préparer industriellement l'aluminium que l'on l'appelait "l'argent tiré de l'argile" ; très rapidement l'aluminium devint accessible avec la mise au point de ce procédé.
Pour faire fabriquer un blindage pour son carrosse, Pour faire fabriquer des sabres pour l'armée, Pour faire fabriquer des couverts, Pour faire fabriquer des équipements militaires. La métallurgie moderne de l'aluminium naquit en 1886 lorsque le français Héroult et l'américain Hall mirent au point, indépendamment l'un de l'autre, le procédé par électrolyse ignée utilisant l'alumine dont le procédé de préparation industrielle fut mis au point par l'allemand Bayer. Ce n'est toutefois qu'au début du XXe siècle qu'elle se développa.
Le principal minerai utilisé en métallurgie de l'aluminium est la bauxite. La bauxite a été décrite par Pierre Berthier en 1821. La bauxite est un mélange d'oxydes hydratés d'aluminium, de fer, de silicium et de titane. On trouve des bauxites blanches, riches en silicium et pauvres en fer et des bauxites rouges riches en fer et pauvre en silicium. Seules les bauxites rouges peuvent être utilisées pour la production d'aluminium. Composition massique d'une bauxite rouge : Al2O3 : 55% ; Fe2O3 : 25% ; SiO2 : 4% ; TiO2 : 3% ; H2O : 13%
Du site des Baux de Provence De la ville de Bouxwiller en Alsace Du nom du prince Bocskai Du grec "boxeitos"
La première transformation du minerai ou minéralurgie va permettre d'isoler l'alumine. Ce processus, mis au point par l'allemand Bayer, est assez long : il comporte cinq étapes et dure plusieurs jours :
Ce processus permet d'obtenir une alumine dont la pureté avoisine 99,5% de Al2O3 en masse. Quelques données : Masses molaires en g.mol-1 : Al2O3 : 102 ; Fe2O3 : 159,1 ; SiO2 : 60,8 ; TiO2 : 79,9 ; H2O : 18 Les bauxites blanches dont la teneur en SiO2 est voisine de 30% et la teneur en Fe2O3 de 4% sont impropres à la minéralurgie de l'alumine car en milieu très basique, il se forme un aluminosilicate de sodium insoluble de composition : (3Al2O3, 3Na2O, 5SiO2, 5H2O). Par contre, les bauxites blanches servent à la fabrication de ciments spéciaux, d'abrasifs et de produits réfractaires. Pour comprendre et illustrer les différentes étapes de la minéralurgie, remémorons nous quelques expériences d'identification d'ions par action d'une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH). Pour toutes ces expériences, nous utilisons des solutions de concentration molaire apportée égale à 0,1 mol.L-1
Des solutions acides Des solutions amphotères Des solutions basiques Des solutions de soude
Une entité chimique pouvant libérer un proton (H+) Une entité chimique réagissant avec tous les acides Une entité chimique pouvant capter un proton (H+) Une entité chimique réagissant avec l'eau pour donner H3O+.
Cette réaction donne un précipité de couleur rouille insoluble dans un excès de solution de NaOH.
La transformation est assez lente.
Lorsque l'on ajoute progressivement une solution de NaOH à une solution contenant des ions Al3+, on observe d'abord la formation d'un trouble qui va en s'épaississant et que l'on identifie comme étant un précipité d'hydroxyde d'aluminium ; si l'on continue à ajouter une solution concentrée de NaOH, le précipité est solubilisé.
Al3+ Al(OH)3  
Une réaction d'oxydation Une réaction de réduction Une réaction acido-basique Une réaction d'amphotérisation
Réalisons maintenant un mélange correspondant à la composition d'une bauxite rouge : Dans un mortier on broie finement : 5,5 g de Al2O3 ; 2,5 g de Fe2O3 ; 0,4 g de SiO2 ; 0,3 g de TiO2 ; 1,3mL de H2O.
La structure cristalline n'est pas celle de la bauxite Le mélange n'est pas homogène La poudre est trop fine La vraie bauxite est une roche La composition ne contient pas d'impureté On ajoute à ce mélange 20 mL de solution concentrée de NaOH que l'on porte à ébullition puis on laisse pendant 24 heures à température ambiante dans un récipient en polyéthylène.
On filtre le mélange réactionnel.
La silice Les ions silicate Les ions Al3+ Les ions aluminate Les ions Fe3+ Le filtrat est ensuite dilué puis neutralisé jusqu'à pH = 6,0. On observe un précipité blanc que l'on isole. La masse de précipité, séché à 120°C, est égale à 7,80 g
Al2O3 Al(OH)3 Fe(OH)3 (3Al2O3, 3Na2O, 5SiO2, 5H2O) Le précipité est alors chauffé dans un four à 500°C pendant plusieurs heures, au refroidissement on obtient 5,10 g d'alumine.
Zone de rédaction Le rendement de la préparation est égal à : Industriellement : on ne neutralise pas la solution d'ion aluminate, on refroidit la solution saturée basique ce qui a pour effet de faire précipiter l'alumine hydratée que l'on isole par filtration, la liqueur refroidie est ensuite réutilisée pour traiter la bauxite ou éventuellement pour préparer la cryolithe. L'alumine hydratée est alors calcinée pour obtenir l'alumine Al2O3 qui sera utilisée pour la métallurgie de l'aluminium.
Transformer l'alumine en aluminium n'est pas chose aisée, l'affinité de l'aluminium pour l'oxygène est très forte.
L'aluminium est passivé par l'air, L'aluminium est un métal inoxydable, L'aluminium est recouvert d'une couche étanche d'alumine, L'aluminium est recouvert de carbonate. Pour produire de l'aluminium, il faut réduire l'alumine. Toutefois l'alumine ne peut être réduite par les réducteurs classiques de la pyrométallurgie (C, CO), il est cependant possible de réaliser une réduction chimique en utilisant un métal plus réducteur que l'aluminium tel que le sodium ou le potassium. Ce procédé peu rentable, utilisé à la fin du XIXesiècle, n'a connu qu'un développement industriel éphémère. La fabrication industrielle de l'aluminium n'a vu son essor qu'au début du XXe siècle avec la mise au point du procédé d'électrolyse ignée de l'alumine. Pour cela il a fallu résoudre deux problèmes essentiels : La fusion de l'alumine. L'électrolyse des sels fondus.
Ce sont des fusibles Ce sont des réfractaires Ce sont des fondants Ce sont des infusibles Pour abaisser la température de fusion de l'alumine, on utilise un bain de cryolithe fondue. La cryolithe est un fluorure de sodium et d'aluminium de composition : Na3AlF6 ou 3 NaF,AlF3 La cryolithe est préparée par action de l'acide fluorhydrique sur une solution basique d'alumine. La cryolithe étant insoluble dans l'eau elle est recueillie par filtration.
L'acide fluorhydrique est préparé par action de l'acide sulfurique (H2SO4) sur le fluorure de calcium (CaF2), un des fluorures le plus répandu sur terre. L'acide sulfurique est un acide qualifié de "fort" en solution dans l'eau. Pour cette étude, nous admettrons que les deux protons de H2SO4 sont équivalents.
H+  HO- H2O H3O+ Le pKA de l'acide fluorhydrique est égal à 3,2.
La quantité d'alumine solubilisée dans un bain de cryolithe fondue correspond à environ 8% de la masse totale. On y ajoute aussi de petites quantités de fluorure de calcium et d'aluminium pour diverses raisons (masse volumique, abaissement du point de fusion.). Le bain d'électrolyse est liquide à 950°C, et à cette température, sa masse volumique est égale à 2150 kg.m-3. La masse volumique de l'aluminium fondu(eb. = 660°C) étant plus élevée(~ 2500 kg.m-3), il se rassemble au fond de la cuve d'électrolyse. La chaleur nécessaire pour maintenir le bain d'électrolyse à l'état fondu est principalement fournie par le passage de l'électricité dans le bain fondu. La chaleur dégagée lors de la réaction du carbone des électrodes avec le dioxygène formé lors de l'électrolyse participe aussi au chauffage du bain d'électrolyse
Car les électrons sont freinés dans le bain fondu Car il y a dissipation d'énergie par effet Joule Car la réaction associée à l'électrolyse libère de l'énergie Le passage de l'électricité n'est pas responsable de l'échauffement Mais que se passe-t-il dans la cellule d'électrolyse ? Les différentes espèces chimiques sont à l'état fondu. L'alumine et la cryolithe réagissent pour donner : Na3AlF6 + Al2O3 3 NaAlOF2 La cryolithe se dissocie pour donner : Na3AlF6 NaAlF4 + 2 NaF A 850°C, à l'état fondu, Na F se dissocie : NaF Na+ + F- ainsi que NaAlF4 : NaAlF4 Na+ +  et NaAlOF2 Na+ +  Le mélange fondu est donc très complexe. D'après les études menées, les réactions aux électrodes seraient : Electrode : Na + 3 Na+ + 3 e- 4 Na+ + 4 F- + AlElectrode : 2 + 4 F- + 6 Na+ 2 + O2 (g) + 4 e- + 6 Na+
Zone de rédaction 2 Al2O3 4 Al + 3 O2 (Equation 1) Sachant que à la température du bain fondu le dioxygène produit à l'électrode brûle le carbone des électrodes pour donner du CO2,
Zone de rédaction Note : Pour produire 1 tonne d'aluminium, on consomme environ 500 kg de carbone.
Une réaction de dissociation Une réaction acidobasique Une réaction d'oxydoréduction Une réaction de complexation Une réaction d'électrocution
A l'électrode on peut observer une réaction de ………………… car ………..…. ………..…. A l'électrode on peut observer une réaction de ………………… car ………..…. ………...….
L'électrode est une ……………….. car …………………………………………… L'électrode est une ……………….. car ……………………………………………
L'électrode est ……………….. car …………………………………………… L'électrode est ……………….. car ……………………………………………
ou : Quel est le rendement de cette électrolyse ?
Un ensemble d'électrolyseur appelé "cuve d'électrolyse" est alimenté par un générateur de tension de 4,2 Volt continu. L'intensité du courant est de 100.000 Ampère. La densité de courant à l'électrode est de 1,0 Ampère par cm2. Sachant que l'électrode est formée par une surface importante de carbone recouverte d'aluminium fondu, ce sont les électrodes qui limitent la densité de courant. Chacune des électrodes est formée d'un barreau de carbone de section 0,50,5 m2.
Zone de rédaction La tension appliquée entre les électrodes est égale à 4,2 Volt. Elle se répartit comme suit : Tension effective d'électrolyse : 1,70 Volt. Chutes de tension : Dans le bain : 1,50 Volt A l'électrode : 0,40 Volt A l'électrode : 0,45 Volt Pertes en ligne : 0,15 Volt.
Quantité d'électricité par unité de temps. Energie utilisée pour produire 100 kg d'aluminium. Quantité d'énergie par unité de temps. Travail fourni par l'électrolyseur par unité de temps.
P = RI P = UI P = RI2t P = UI2
Zone de rédaction
Zone de rédaction
6,021023 Coulomb par mole 96486 Coulomb par mole 1,61019 Coulomb par mole 8,32 Coulomb par mole
La charge portée par une mole d'électrons est …………………………….. Calcul du rendement électrique : Quotient de la quantité d'électricité nécessaire pour fabriquer une mole d'aluminium par la quantité d’électricité fournie:
Une Deux Trois Six
D Zone de rédaction onnée : MAl = 27,0 g.mol-1 pour fabriquer 725 kg d'aluminium il faut : ……………………..
Zone de rédaction La quantité d'électricité fournie à l'électrolyseur en une journée est : ……………………..
Zone de rédaction Calcul du rendement énergétique de l'électrolyse de l'aluminium. On rappelle que le produit d'une charge électrique par une tension a la dimension d'une énergie. (L'électron Volt est une unité d'énergie utilisée à l'échelle atomique.)
Zone de rédaction L'électrolyse à nécessité ……………………… J
Zone de rédaction
Zone de rédaction On peut en conclure que la production de l'aluminium est un processus coûteux, d'autant plus qu'il est indispensable de veiller à la protection de l'environnement ce qui augmente notablement les coûts. Par chance, l'aluminium est l'un des matériaux issu de la chimie qui est recyclable à 100% sans nécessiter des coûts de traitement exorbitant.
L'aluminium ne peut à lui seul résoudre tous les problèmes de construction, les matières plastiques jouent un rôle important dans le confort de notre habitat. Par exemple : les huisseries en aluminium isolent très peu du froid, car l'aluminium est un très bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. Pour éviter des déperditions de chaleur trop importantes, on habille un cadre en matière plastique isolante avec de l'aluminium, l'ensemble isole l'intérieur des habitations du froid tout en ayant les avantages de l'aluminium : aspect et rigidité. La principale source de matière plastique provient des produits de transformation du pétrole. Or les ressources en pétrole n'étant pas intarissables, l'homme cherche donc à produire des matières plastiques à partir de matière première renouvelable.
Parmi les matières premières renouvelables, le colza occupe une place de plus en plus importante.
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Un chou Une plante Une graminée Un arbuste
Ses fruits Son feuillage Sa fleur Ses racines Des graines du colza on tire une huile riche en acide érucique. L'acide érucique est une des formes de l'acide docos-13-énoïque représenté ci-dessous. CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CO2H Que l'on peut écrire : CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)11-CO2H
.......................................... ; ................................................... 
L'acide docos-13-énoïque peut-être représenté sous deux formes différentes, l'une d'elles est l'acide érucique.
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..................................................................................................... Que faut-il ajouter au nom de l'acide docos-13-énoïque pour différentier les deux molécules ?
…………………………………… …………………………………… 
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Réaction de réduction Réaction de neutralisation Réaction d'estérification Réaction d'oxydation Pour réaliser cette transformation il est possible d'utiliser l'ozone.
Linéaire ? triangulaire ? pyramidale ? coudée ? Mais il est préférable d'utiliser l'eau oxygénée (H2O2) en milieu acide pour réaliser cette transformation.
H2O O2 OH- H3O+
CH3-CH=CH-CH2-COOH
H2O2 .................. = .................................... et CH3-CH=CH-CH2-COOH + ................ = CH3COOH + HOOC-CH2-COOH +
CH3-CH=CH-CH2-COOH + H2O2 ....... ..................................................
La moitié de l'acide brassilique est amené à réagir avec un excès d'ammoniac (NH3).
.  .......................................... ...................................................
D'oxydoréduction ? Acide-base ? D'estérification ? De saponification ? Le produit de cette réaction est ensuite déshydraté puis hydrogéné, on obtient le composé ci dessous. H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2
.................................................................................................... On fait réagir ce composé avec l'autre partie d'acide brassilique. On obtient des macromolécules linéaires par condensation d'un groupe caractéristique "acide carboxylique" avec un groupe caractéristique "–NH2". Cette macromolécule est commercialisée sous l'appellation Nylon 13-13.
Ester Carbonate Amide Uréthane
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..................................................................................................... Le colza n'est pas la seule plantes fournissant des matières premières utilisées par l'industrie des matières plastiques. Certaines de ces matières premières n'ont pas encore pu être copiée par le chimiste de manière satisfaisante. C'est le cas de l'acide 11-aminoundécanoïque produit à partir de l'huile de ricin. |
) par filtration,
