PLP2 MATH-SCIENCES – SUJET DE CHIMIE

Les alcalino-terreux

I – GENERALITES SUR LES ATOMES

Données :

Masse molaire du Calcium : 40,1 g.mol-1

masse du proton : mp = 1,00727 u.m.a

masse du neutron : mn=1,00866 u.m.a

1 Faraday = 96500 C

Nombre d'Avogadro : N = 6,022 1023

Constante de Planck : h = 6,62 10-34 J.s

On connaît actuellement 6 éléments appartenant à cette famille qui sont (classés par ordre croissant de leur numéro atomique) : Béryllium – Magnésium - Calcium – Strontium – Baryum et Radium.

  1. Quelle colonne de la classification périodique occupe la famille des alcalino-terreux ?
  2. Donnez à chacun son numéro atomique sa configuration électronique.
  3. Un autre élément devrait normalement appartenir à cette famille mais en a été exclu. Lequel et pour quelle raison ?
  4. Si l’on réussit un jour à obtenir un septième alcalino-terreux quel seront son numéro atomique et sa configuration électronique ?
  5. Quel type d’ion donnent les alcalino-terreux ?
  6. Quelles sont les formules des oxydes des alcalino-terreux sachant qu’il s’agit de composés ioniques ?
  7. Ces oxydes sont-ils acides ou basiques ? Justifiez simplement.
  8. Les alcalino-terreux ont des énergies de première ionisation " anormalement élevées " et des affinités électroniques " anormalement faibles ". Comment peut-on expliquer simplement ces deux " anomalies " ?
  9. Le Béryllium ne possède qu’un seul isotope stable. Sa masse molaire atomique est 9,012 g. mol-1.

  1. Calculez l’énergie de cohésion de cet isotope stable, en Joule mol-1 puis en MeV par noyau puis en MeV par nucléon.
  2. Représentez sommairement la courbe d’Aston de stabilité des isotopes et y placer cet isotope. Fait-il parti des isotopes les plus stables  ? Si non, par quel type de processus peut-il se stabiliser ?
  3. Cet isotope est utilisé comme " générateur de neutrons " dans l’industrie nucléaire. Un atome de cet isotope fixe en effet une particule a, un neutron est libéré et il se forme un autre noyau dont on précisera la nature exacte. Ecrire la transformation correspondante et dire si elle est en accord avec la réponse à la question 8-b)
  4. Il existe également trois isotopes radioactifs du Béryllium 8Be , 9Be et 10Be.

  5. Un de ces isotopes est émetteur de type a ce qui peut paraître surprenant puisque ce type de radioactivité est généralement observé pour les atomes lourds de Z>84. Quel est cet isotope ? Qu’a-t-il de particulier qui justifie cette forme de radioactivité ? Ecrire la réaction nucléaire correspondante
  6. Les deux autres isotopes sont des émetteurs de type b. Attribuez à chacun son type de radioactivité b+ ou b- en justifiant simplement la réponse. Ecrire les réactions nucléaires correspondantes.

  1. Le Strontium est très utilisé en pyrotechnie (feux d’artifices) en raison de la belle couleur rouge qu’il émet quand il est mis dans une flamme, cette émission de lumière rouge est due à deux raies intenses présentes dans son spectre d’émission. La première dont la longueur d’onde est de 605 nm est de couleur jaune-orangée, la deuxième correspond à une longueur d’onde de 461 nm et est de couleur bleue. On donne d’autre part l’énergie de première ionisation du Strontium qui est de 5,7 eV/atome.

  1. Calculer les énergies associées à ces deux raies.
  2. Calculer la longueur d’onde de la raie émise quand l’électron passe de l’état ionisé à l’état fondamental.

  1. Le Magnésium (Z=12) possède trois isotopes stables 24Mg, 25Mg et 26Mg leurs abondances naturelles sont respectivement : 78,6% - 10,1 % et 11,3% . Calculer la masse molaire atomique approchée du Magnésium et expliquer pourquoi le résultat obtenu n’est qu’approximatif.

 

II) Oxyde de Calcium

  1. Comment prépare-t-on l’oxyde de Calcium ?
  2. Quel est le nom courant de l’oxyde de calcium ?
  3. Citez quelques usages courants de cet oxyde.
  4. Dans l’enseignement secondaire cet oxyde est utilisé pour caractériser le dioxyde de carbone.

  5. Décrire l’expérience réalisée.
  6. L’oxyde de calcium réagit avec l’eau. Ecrire la réaction.
  7. On donne la solubilité à 25 °c dans l’eau pure de l’oxyde de calcium : s = 1,8 10-2 mol.L-1.

  8. Calculer le pKs correspondant.
  9. Calculer le pH de la solution saturée.
  10. En réalité, le pKs trouvé dans la littérature est de pKs = 5,3

  11. Quelle raison peut-on invoquer pour justifier la différence ?
  12. Pour la suite on prendra la valeur pKs = 5,3.

    On donne le pKs de CaCO3 : pKs = 8,4 et les pKa successifs de l’acide carbonique CO2,H2O : pK1 = 6,4 et pK2 = 10,3

  13. Montrer qu’il y a précipitation de CaCO3 si on fait barboter du CO2 dans la solution saturée d’oxyde de calcium.
  14. Toutefois, si on fait barboter CO2 trop longtemps, on peut observer la redissolution du précipité formé.

  15. Comment évolue le pH de la solution au cours du barbotage de CO2 ?
  16. Calculer la molarité des ions CO32- au moment de la redissolution
  17. Calculer le pH lors de la redissolution.
  18. En déduire la molarité des espèces autres espèces carbonées.
  19. Faudra-t-il un léger ou inversement un très grand excès de CO2 pour observer cette redissolution Le test à l'eau de chaux risque-t-il d'être faussé ?

 

La réaction de précipitation de CaCO3 peut aussi s’écrire :

Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) + CO2(aq) = CaCO3(s)+ H2O

15) Calculer la constante de cet équilibre.

16) Que se passe-t-il si on souffle dans une pipette immergée dans une solution saturée d’oxyde de calcium ? Pourquoi ?

On donne la constante de l’équilibre de dissolution de CO2 : CO2(g) = CO2(aq) Kdis = 3 10-2

On suppose que le pH moyen de la salive est 6,75 et que la concentration moyenne des ions Ca2+ dans la salive est de 3 10-3 mol.L-1. On suppose que le CO2 expiré est à la pression partielle de 0,04 bars.

  1. Dans de telles conditions la formation d’un dépôt de CaCO3 sur les dents est-il thermodynamiquement favorisé ?

 

III) Dosage des ions Ca2+ et Mg2+ par compléxométrie

On veut doser une eau minérale contenant Ca2+ et Mg2+.

On utilise comme agent titrant l’acide éthylène diamine tétra acétique (E.D.T.A).

1) Quelle est sa formule développée ?

L’indicateur utilisé est le NET.

2) Que signifie ce sigle ?

3) Comment se manifeste le virage si on tamponne le milieu à pH=10 ?

4) Comment préparer une solution tampon molaire pH=10 à partir d’une solution 2 mol.L-1 d’ammoniaque et d’une solution 2 mol.L-1 d’acide chlorhydrique ? (pKa NH4+/NH3 = 9,25).

On veut doser une eau minérale (eau de Cilaos) sur l’étiquette de laquelle il est écrit : Ca 110,5 mg/L – Mg 20,5 mg/L. On veut utiliser 100 ml d’eau minérale et avoir une tombée de burette de 10 ml.

5) Quel doit être le titre de la solution d’E.D.T.A utilisée ?