Agrégation physique-chimie interne 2021, épreuve 2Sujet et rapport du jury

AGREGATION CONCOURS INTERNE ET CAER

COMPOSITION SUR LA CHIMIE ET LE TRAITEMENT AUTOMATISÉ DE L'INFORMATION

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -Concours interne de l'Agrégation de l'enseignement public :
  

  

• -Concours interne du CAER / Agrégation de l'enseignement privé :
  

  

CO_2, déchet ou ressource ?

• -à accroître leurs efforts afin de limiter l'utilisation de combustibles fossiles ;
• -à développer des sources d'énergies dites alternatives ;
• -à mettre en place des solutions pour la capture et la séquestration du CO_2;
• -à développer des technologies pour utiliser le CO_2 comme une ressource de matière carbonée.

• 1)Quelques propriétés de la molécule
• 2)Spectroscopie Infra-Rouge
• 3)Étude cinétique suivie par spectroscopie Infra-Rouge

• 1)Dissolution du CO_2 dans 1'eau - Aspects thermodynamiques
• 2)Dissolution du CO_2 dans l'eau - Aspects cinétiques
• 3)Dosage du CO_2 dissous dans les analyses du secteur agroalimentaire

• 1)Le CO_2 à l'état solide
• 2)Production de la caféine
• 3)Dioxyde de carbone et métallurgie

A - Autour de la molécule CO_2

1. Quelques propriétés de la molécule

• a.À partir des annexes B1 et B2, identifier et préciser les connaissances construites par les élèves pendant le cycle 4 et la classe de seconde et nécessaires pour aborder la séance.
• b.Proposer une problématique scientifique de l'activité sur laquelle faire travailler les élèves.
• c.Présenter, sous forme d'une trace écrite de fin d'activité, les éléments de cours que les élèves doivent retenir à l'issue de cette séance.
• d.Citer un modèle plus élaboré de la liaison chimique abordé dans l'enseignement postbaccalauréat.

Figure 1 : Représentation schématique des modes normaux de vibration de la molécule CO_2. Les modes de déformation c) et d) sont dans des plans perpendiculaires.

Figure 2 : Spectre IR du CO_2 à l'état gazeux.

Figure 3 : Spectre de rayonnement du corps noir à différentes températures (en unités arbitraires) : 5800 K, température de surface du Soleil ; 288 K, température moyenne de surface de la Terre.

Figure 4 : Évolution lors de l'augmentation de température du spectre IR en absorbance d'un mélange de glace initialement formé à 10 K, et contenant H_2 O, NH_3, H2CO en concentrations relatives 10 : 5 : 0,3 (d'après Bossa, Astrophys. J., 507, 1524, 2009).

Q12. La fiche de sécurité du méthanal H_2 CO comporte les pictogrammes suivants :

Donner leurs significations.
Q13. Le méthanal est habituellement commercialisé sous forme de solution aqueuse. Rappeler sous quel autre nom courant est également désignée la solution aqueuse de méthanal. Quelles précautions doit-on prendre lors de sa manipulation ?

3) Étude cinétique suivie par spectroscopie IR

Figure 5 : Évolution de la constante de vitesse apparente de formation de l'aminométhanol k' avec la température (d'après Bossa, Astrophys. J., 507, 1524, 2009). Les paramètres de régression linéaire des données expérimentales ln (k ' ) = f( 1 /T) sont : pente − 568K; ordonnée à l'origine − 2, 66.

B - Le CO_2 en solution aqueuse

Figure 6 : Évolution de la concentration atmosphérique en CO_2 (d'après NOAA 2007 ; Canadell, PNAS 2007).

1) Dissolution du CO_2 dans l'eau - Aspects thermodynamiques

• a.Annoter la production, présentée en annexe C1, À RENDRE AVEC LA COPIE. Les indications devront permettre à l'élève d'identifier ses réussites et ses erreurs, dans le but de le faire progresser.
• b.Rédiger le document de correction à visée formative que le professeur pourrait distribuer à la classe après avoir rendu les copies.

2) Dissolution du CO_2 dans l'eau - Aspects cinétiques

3) Dosage du CO_2 dissous dans les analyses du secteur agroalimentaire

Figure 7 : Représentation schématique du titrage d'une solution décimolaire d'ions HCO_3^−et CO_3^(2 −) par un acide fort. V représente le volume d'acide fort ajouté.

C - Le dioxyde de carbone et ses différents états

1) Le CO_2 à l'état solide

• a.En s'appuyant sur le document de l'annexe B4, rédiger un protocole expérimental que les élèves seraient susceptibles de suivre.
• b.Préciser les consignes énoncées pour construire le graphique à exploiter et proposer des critères de réussite, associés à cette activité, que les élèves pourraient utiliser.

2) Production de la caféine

• a.Indiquer la ligne de programme traduisant la relation de stœchiométrie utilisée par la suite dans le code.
• b.Proposer une suite à ce programme qui permet de donner la composition du système en fin de la transformation, considérée totale.

3) Dioxyde de carbone et métallurgie

Figure 9 : Variations de Δ_r G^∘ en fonction de la température pour les réactions de formation des oxydes NiO(s) et CO_2 (g).

Annexes

• -Constante des gaz parfaits : R = 8, 314 J.K^(− 1).mol^(− 1)
• -Constante d'Avogadro : N_a = 6, 022 × 10^(23) mol^(− 1)
• -Charge élémentaire : e = 1, 602 × 10^(− 19)C
• -Constante de Planck : h = 6, 626 × 10^(− 34) J.s
• -Constante de Boltzmann : k_B = 1, 381 × 10^(− 23) J.K^(− 1)
• -Célérité de la lumière dans le vide : c = 2, 998 × 10^8 m.s^(− 1)
• -1 Debye = 0, 3336 × 10^(− 29)C.m

1. Principe de la méthode

• a)Refroidir l'échantillon de vin aux environs de 0 °C ainsi que la pipette servant à son prélèvement.
• b)Prélever dans un bécher de 100 mL, 25 mL de solution 0, 1 mol.^(− 1) d'hydroxyde de sodium.
• c)Y introduire 10 mL de vin au moyen de la pipette refroidie à 0 °C.
• d)Ajouter 2 gouttes de solution aqueuse d'anhydrase carbonique à 1 g par litre.
• e)Placer le bécher sur l'agitateur magnétique, mettre en place l'électrode et le barreau magnétique et procéder à une agitation modérée.
• f)Lorsque le liquide est revenu à la température ambiante, ajouter progressivement une solution 0,05 mol. L^(− 1) d'acide sulfurique jusqu'à pH = 8, 4.
• g)Continuer les ajouts d'acide sulfurique 0, 05 mol.L^(− 1) jusqu'à pH = 4, 2.

• h)Procéder par ailleurs à l'élimination du CO_2 sur 50 mL environ de l'échantillon de vin initial par agitation sous vide pendant 3 minutes, en réchauffant la fiole dans un bain d'eau à 35 °C environ.
• i)Appliquer sur 10 mL de vin décarboniqué le même mode opératoire que ci-dessus (étapes b à g) Soit V^′(mL) le volume d'acide sulfurique utilisé entre pH8, 4 et 4,2 .

Annexe A5 - Diagramme de phases du dioxyde de carbone

Annexe A6 - Schéma simplifié de synthèse de la caféine à partir de l'uracile (d'après Zajac, Synthetic communication, 33, 3291-97, 2003).

LE DIOXYDE DE CARBONE : VALORISATIONS INDUSTRIELLES ET AU LABORATOIRE

I. Traitement des eaux usées alcalines par le dioxyde de carbone.

• -Couples acide/ base :
  (H_2 O, CO_2(aq))/HCO_3^−(aq) : pK_(A1) = 6, 4(à 25^∘C); HCO_3^−(aq)/CO_3^(2 −)(aq) : pK_(A2) = 10, 3(à 25^∘C); H_3 O^+(aq)/H_2 O(aq); H_2 O(aq)/HO^−(aq)
• - pK_E = 14, 0( à 25^∘C)

Document 2 :

• 1.Écrire l'équation de la réaction qui se produit lors de l'ajout de l'acide chlorhydrique dans la solution S.
• 2.Dans le cas de la neutralisation par le dioxyde de carbone, quelle est l'espèce carbonatée qui prédomine (parmi CO_3^(2 −), HCO_3^−et CO_2 ) à l'équivalence du titrage ? Justifier.
• 3.En déduire l'équation de la réaction lors de l'ajout de la solution de dioxyde de carbone dans la solution S.
• 4.Comparer les points d'équivalence et interpréter le résultat.
• 5.Soit V_E le volume à l'équivalence. Pour les deux neutralisations, évaluer graphiquement les variations du pH autour de V_E ± 2 gouttes. En déduire la neutralisation la plus adaptée au traitement des eaux usées.

Doc. 3 Schéma du montage

if __name__ == '__main__':
    reactifs = ["1,3-Dimethyl-5-nitrouracile", "fer", "oxonium"] # reactifs de l'étape de synthèse
    produits = ["5-amino-1,3-diméthyluracile", "ion fer(II)"] # produit de l'étape de synthèse
coef_stoech = [1, 3, 6] # coefficients stoechiométriques
print (reactifs)
print ("les ions oxonium sont introduits en excès")
ni_A = float(input("Entrer la quantité de matière initiale, en mmol, de 1,3-Dimethyl-5-nitrouracile :"))
ni_B = float(input("Entrer la quantité de matière initiale, en mmol, de fer :"))
n_stoe_A = ni_B/3
n_stoe_B = ni_A*3
if n_stoe_A < ni_A :
    print ("le 1,3-Dimethyl-5-nitrouracile est en excès et le fer est en défaut ")
if n_stoe_A > ni_A :
    print ("le fer est en excès et le 1,3-Dimethyl-5-nitrouracile est en défaut")
if n_stoe_A == ni_A :
else:
    print ("Les réactfs sont introduits en conditions stoechiométriques")
    print("Pour un système dans les conditions stoechiométriques, il faudrait : \n"
        "* " + str(n_stoe_A) + " mmol de 1,3-Dimethyl-5-nitrouracile et " + str(ni_B) +
            " mmol de fer \n" "ou bien \n"
            "* "+ str(ni_A) + " mmol de 1,3-Dimethyl-5-nitrouracile et " + str(n_stoe_B) +
            " mmol de fer")

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

1. H_3 O_((aq))^+ + Cl_((aq))^− + Na_((aq))^+ + Bl_((aq))^− ⟶ 2H_2 O_((aq)) + NaC|_((s))
2. Sur le document ? on observe que, à l équivulur a le pH de la solution 5 mètengéc uvec le CO_2 and de 8,5. le P_(K_A) du carple H_2 O, CO_2/HCO_3 etant à 6, 4, 8, 5 > _6 4, donc HCO_3 peredomine
3. Na^+ + HO^− + H_2 O, CO_2 → HCO_3^− + 2H_2 O + Na^+ (Je sa's que cit foux)
4. Sun le document 2, on applique la méthode des tangeartes, aux 2 courbes et on trouve que leur volume è léquivalence est identique: V_E = 20 mL.
   Con pourreit égorlanner déterminer le paint dimflcation de chaque coorbe. Cela vent dor dire que les deux couples pouticipant à chaurax des réactions ent le mâme pK_A.
   

   

5. En Dupposant que 1 goutle carresponde è 1mL, Paun lácide chlorhydrique, à ± 2 gourkes prés, le pH vare extra 9,8 et 4, 3. Tandis que poun la solution de dótgde de carbone, celevi-v vari artre 9,2 et 7,5 . common. [√92; 7; 5] est wore and senies L peca preón que [9, 5; 4, 3] de [8, 5; 6, 5], la solutior de dioxigde de carbone est la plus ada plée.
   De plos, si on considencit que 1 goutte ↔ o, 5 mL , at intervalle sucit encone plos prio's ot resservi autoun de [6, 5; 8, 5]

Document 2 :