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QCM corrigé des olympiades de la chimie ROUEN 2004

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 ...




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Olympiades de la chimie
Académie de Rouen
Concours régional
2004




QUESTIONNAIRE CORRIGE



Le thème de ce questionnaire est :

CHIMIE et BEAUTE





La durée de l'épreuve était de 2 heures


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

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




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

((((((((((((((((((((((((((((((((((((

Lecture
Ciel un cheveu blanc !

Tôt ou tard, une majorité d'entre nous doit faire ce constat.

Beaucoup de personnes, les chiffres sont très difficiles à obtenir, vont cacher l'outrage du temps derrière une coloration.

A cette pratique se sont ajoutés des phénomènes de mode, il devient courant "d'améliorer" son apparence.
Un moyen très efficace consiste à changer la couleur des cheveux.
Bien entendu cette pratique n'est pas nouvelle si l'on en juge par le mouvement Punk dont les adeptes teintent avec des couleurs voyantes, éventuellement fluorescentes, la crête qu'ils arborent.
L'usage de colorants naturels tels que le henné, l'indigo ou le brou de noix est connu de l'humanité depuis des siècles..

Tout cela est bien beau, mais nous amène à poser quelques questions :

Qu'est-ce qui colore les cheveux ?
Pourquoi existe-t-il une grande variété de teintes de cheveux ?
Comment teindre durablement les cheveux ?

Dans cette partie du questionnaire, nous allons essayer de répondre à toutes ces questions en progressant logiquement.

La couleur des cheveux

La couleur des cheveux se décide à leur racine.
Des cellules, les mélanocytes, synthétisent des pigments, les mélanines, que d'autres cellules, les kératinocytes, incorporent aux cellules qu'elles fabriquent. Ces dernières cellules possèdent un exosquelette de kératine (un peu comme les insectes). La kératine est la protéine constituant la structure du cheveu mais aussi de la peau et des ongles.
Lorsque le cheveu croît, les cellules nouvellement créées meurent, ce sont les cellules mortes dont la kératine est le squelette qui s'organisent "en écailles" pour former le cheveu.

Les pigments ou mélanines sont aussi responsables de la coloration de la peau et de l'iris de l'œil.

Mais, pour obtenir cette grande diversité de coloration des cheveux, il doit exister un grand nombre de mélanines de structure différente ?

Eh bien non ! Il existe deux structures principales de mélanines, l'eumélanine et la phéomélanine.
De surcroît ces deux structures sont synthétisées à partir d'une seule et unique molécule : la tyrosine.
La tyrosine est l'un des acides ±-aminés essentiels, cela signifie qu'il doit être apporté par l'alimentation car notre métabolisme ne le synthétise pas.

La tyrosine est l'acide 2-amino-3-(4-hydroxyphényl)propanoïque ou pour les biochimistes la 4-hydroxyphénylalanine.
Dans les mélanocytes, la tyrosine est rapidement oxydée en DOPA (3,4-dihydroxyphénylalanine) la DOPA va à son tour être oxydée en quinone qui se transforme en DHICA (acide 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylique) qui va se décarboxyler en DHI (5,6-dihydroxyindole).
Ces deux molécules sont les monomères de l'eumélanine.
Une forte proportion de DHI va donner un polymère de teinte noire alors qu'une forte proportion de DHICA va donner un polymère de teinte brune.

En présence de cystéine et du catalyseur enzymatique approprié, la DOPA va former une nouvelle molécule qui est le monomère de la phéomélanine.
La phéomélanine teinte les cheveux en rouge orangé (roux). (accessoirement en blond)

Questionnaire

La structure du cheveu

La kératine est une protéine constituant de 65 à 95 % de la masse des cheveux.

Que sont les protéines ?

Des cellules mortes  FORMCHECKBOX 
Des polysaccharides  FORMCHECKBOX 
Des macromolécules  FORMCHECKBOX 
De la peau séchée  FORMCHECKBOX 
Un condensât d'acides ±-aminés  FORMCHECKBOX 

En dehors des cheveux, citer deux parties du corps humain dont le constituant principal est la kératine.

Les ongles, la peau

Le cheveu humain est formé à partir d'une vingtaine d'acides ±-aminés, le plus important en quantité est la cystéine, le cheveu humain en contient environ 17,5 %.

Exercice : Quelle formule semi développée pour la cystéine ?

Donner la formule semi développée générale d'un acide ±-aminés.





La cystéine contient un seul atome de soufre et un seul atome d'azote. Les autres atomes sont le carbone l'oxygène et l'hydrogène. Sa masse molaire est égale à 121 g.mol-1.


Donner la formule brute de la cystéine. C3H7O2N


Justifier votre réponse.

 EMBED Equation.3  = 74 g/mol ; M-R = 47 g/mol ; enlevons 32 g/mol il reste 15 g/mol ce qui correspond à –CH3.

Dans la classification périodique, l'élément soufre est situé en dessous de l'élément oxygène.

Quelle est la structure de la couche électronique de valence du soufre ?



Combien de liaisons covalentes simples peut-il former ? Deux

Sachant que pour la molécule de cystéine l'atome de soufre est situé en bout de chaîne carbonée, proposer une formule semi-développée.








On peut considérer que la structure du cheveu est constituée d'un empilement de chaînes macromoléculaires de kératine.

Comment ces macromolécules s'associent-elles entre elles ?

En créant des réticulations  FORMCHECKBOX 

Par concaténation  FORMCHECKBOX 

En formant des liaisons hydrogène  FORMCHECKBOX 

En utilisant une colle biologique  FORMCHECKBOX 

Quelle macromolécule à structure en hélice doit sa cohésion à des liaisons de ce type?

La Cellulose  FORMCHECKBOX 

Le Polyéthylène  FORMCHECKBOX 

L'A.D.N.  FORMCHECKBOX 

La graisse  FORMCHECKBOX 

La couleur des cheveux

Lecture

La mélanine est responsable de la teinte des cheveux.

La mélanine est constituée de macromolécules différentes en structure mais très proches l'une de l'autre car elles sont formées à partir d'une molécule unique : la tyrosine.
La tyrosine est un acide ±-aminé, son nom en nomenclature systématique de la tyrosine est : acide 2-amino-3-(4-hydroxyphényl)propanoïque.
La tyrosine est qualifiée d'acide ± -aminé essentiel, en effet parmi la vingtaine d'acides ± -aminés nécessaires à la vie de l'être humain, 8 d'entre eux sont qualifiés d'essentiels.

Questionnaire

Quelles autres parties du corps humain sont teintées par la mélanine ?

Les ongles  FORMCHECKBOX 

La peau  FORMCHECKBOX 

L'iris de l'Sil  FORMCHECKBOX 

Le sang  FORMCHECKBOX 


Dessiner en formule semi développée une molécule de tyrosine.








Pour quelle raison certains acides ± -aminés sont-ils qualifiés d'essentiels ?

Parce que contrairement aux 12 autres, ils sont nécessaires à la vie  FORMCHECKBOX 

Ils sont nécessaires à la vie et notre métabolisme ne peut les fabriquer  FORMCHECKBOX 

Ce sont les seuls qui soient utilisés par les différents métabolismes  FORMCHECKBOX 

Parce qu'on les trouve dans l'alimentation.  FORMCHECKBOX 

Lorsque l'on veut construire une molécule de tyrosine à partir de modèles moléculaires, il est possible d'obtenir deux structures différentes.

Pour quelle raison peut-on obtenir deux structures différentes ?

Les acides að-aminés possèdent un atome de carbone asymétrique
Exception : la glycine
Dessiner ces deux structures en représentation de Cram








Pour quelle raison ces deux structures ne sont-elles pas superposables ?


Elles sont image miroir l'une de l'autre

Comment se nomme la propriété associée à cette caractéristique ?


La chiralité

Quelle relation stéréochimique lie les deux molécules de tyrosine ?


Ce sont des énantiomères

Les deux mélanines

Les mélanines sont des macromolécules formées par addition ou condensation de monomères issus de la tyrosine pour l'eumélanine et de la tyrosine et de la cystéine pour le phéomélanine.

Dans les structures qui vous sont proposées, identifier et recopier le ou les monomères


Ci-contre un fragment d'eumélanine.


Rechercher les deux monomères principaux que vous représenterez dans le cadre ci-dessous
Différencier le monomère issu du DHI de celui issu du DHICA














Ci-contre, un fragment de phéomélanine.

Rechercher le monomère que vous représenterez dans le cadre ci-dessous.













Calculer la masse molaire du monomère de phéomélanine.





Sachant qu'une molécule de phéomélanine est constituée de n monomères, exprimer sa masse en g.mol-1 puis en Daltons.





Que représente 1 Dalton ?

1 gramme par molécule  FORMCHECKBOX 

1 unité de masse atomique  FORMCHECKBOX 

la masse atomique d'un atome de 12C  FORMCHECKBOX 

la masse moléculaire d'un monomère  FORMCHECKBOX 

Rappeler la définition d'une unité de masse atomique

C'est la masse en kg du proton  FORMCHECKBOX 

C'est la masse en kg du neutron  FORMCHECKBOX 

C'est 1/12 de la masse d'un noyau de carbone 12  FORMCHECKBOX 

c'est 1/12 de la masse de l'élément carbone  FORMCHECKBOX 
Teinture ou coloration des cheveux

Lecture

Dans les "Premiers Temps", la coloration des cheveux avait un but initiatique, puis elle servit à cacher les cheveux blancs ou ternes sans avoir recours à une perruque.

Aujourd'hui, la coloration des cheveux est devenue un phénomène de mode. Pour s'en convaincre, il suffit de recenser les publicités destinée à en promouvoir les produits.

Les produits utilisés sont aujourd'hui beaucoup moins agressifs que par le passé mais ils ne sont malheureusement pas sans une certaine nocivité.

On distingue trois types de teinture ou colorations:

La coloration directe (fugace) généralement d'origine naturelle : henné, camomille, brou de noix et même l'indigo. De ces substances, seule la camomille ne possède pas un réel pouvoir colorant, la camomille ravive la teinte des cheveux clairs, elle contient des "azulènes" qui sont aussi utilisés comme azurants par les fabricants de lessives.
Ce type de coloration ne dure pas, la teinture est lavée après quelques shampoings.

La coloration semi permanente, demi permanente ou ton sur ton a une durée de vie plus importante, mais doit être renouvelée régulièrement.

La teinture ou coloration permanente
Pour rendre une teinture permanente il faut absolument incorporer le colorant dans la structure du cheveu et faire en sorte que celui-ci ne puisse s'en échapper.

Pour cela, les "capilliculteurs" ont développé deux outils :

Le premier consiste à permettre aux substances colorantes de pénétrer à l'intérieur de la structure en écaille de la kératine.

La kératine étant une protéine, les macromolécules doivent leur cohésion à des liaisons comme les liaisons hydrogène.
En milieu basique, ces liaisons s'affaiblissent et la structure du cheveu devient plus ouverte.
Il est alors possible d'y incorporer de petites molécules qui vont rester piégées lorsque le milieu redeviendra neutre.

Cependant, les petites molécules colorantes peuvent quitter le cheveu lors des lavages et la coloration est qualifiée de semi permanente.

Le second outil utilisé pour la teinture des cheveux, est similaire au procédé de teinture des toiles avec un colorant développé.

Une fois les petites molécules introduites dans la structure du cheveu, on les fait réagir pour en fabriquer de plus importantes qui resteront piégées dans la structure du cheveu. Un peu comme les mélanines.
Exercice : Etude d'une substance colorante : Le cristal violet

Le nom en nomenclature systématique du cristal violet est :
chlorure de tris(4-N,N-diméthylaminophényl)carbonium.
Sa masse molaire est égale à 408,5 g.mol-1.
Dès pH = 2, le cristal violet colore en violet intense les solutions aqueuses.

En milieu très basique, les ions HO- vont réagir avec le cristal violet pour donner du
tris (4-N,N-diméthylaminophényl)méthanol. La solution de tris(4-N,N-diméthylaminophényl)méthanol est incolore.



Pour quelle raison le cristal violet colore-t-il ses solutions alors que le tris(4-N,N-diméthylaminophényl)méthanol ne les colore pas ?

L'atome de carbone central du cristal violet est plan.


Afin d'étudier le pouvoir colorant du cristal violet, on en prépare une solution aqueuse à 7,5 mg.L-1 pour réaliser un spectre d'absorption.


Ce spectre va permettre de sélectionner une longueur d'onde que l'on dénomme « longueur d'onde de travail ».


On prépare ensuite une série de solutions diluées de concentrations connues (gamme de dilution) à partir d'une solution aqueuse à 6,0 mg.L-1 dénommée "solution mère".




Quelle longueur d'onde va-t-on choisir pour le travail qui va suivre ?

590 nm

Quels sont les critères retenus pour le choix de la longueur d'onde de travail ?

Forte absorption pour cette longueur d'onde

Pas d'absorption "parasite"
Tableau de dilution

N° de la solution54321Volume de solution mère (mL)1020304050Volume d'eau (mL)403020100

Technique de laboratoire de chimie.

Vous disposez d'un volume suffisant de solution mère, et de tout l'équipement disponible dans un laboratoire de chimie.

Quels équipements allez-vous utiliser pour réaliser la gamme de dilution proposée :
Annoter les cases correspondant au matériel utilisé
MatérielQuantitéEprouvette graduée de 100 mLEprouvette graduée de 50 mLEprouvette graduée de 25 mLEprouvette graduée de 10 mLBecher de 400 mLBecher de 250 mL1Becher de 100 mLBecher de 50 mL1 ?Becher de 25 mLPipette jaugée de 50 mL1Pipette jaugée de 30 mLPipette jaugée de 25 mL1Pipette jaugée de 20 mL1Pipette jaugée de 15 mLPipette jaugée de 10 mL1Pipette jaugée de 5 mL1Fioles jaugées de 100 mLFioles jaugées de 50 mL5Fioles jaugées de 25 mLBurette de 50 mLBurette de 25 mLBurette de 10 mL
























Calculer en fonction de C0 la concentration molaire des différentes solutions.

N° de la solution54321Volume de solution mère (mL)510202550Volume d'eau (mL)454030250Concentration en fonction de C0.C0/10C0/52.C0/5C0/2C0

Colorimétrie

Couleur absorbée et couleur perçue

Le tableau ci-dessous donne la correspondance entre la couleur absorbée par une solution et la couleur perçue par l'œil.

Longueur d'onde absorbée (nm)Couleur absorbéeCouleur perçue400 – 435VioletJaune – vert435 – 480BleuJaune480 – 490Bleu – vertOrangé490 – 500Vert – bleurouge500 – 560Vertpourpre560 – 580Jaune – vertViolet580 – 595JauneBleu595 – 625OrangéBleu – vert625 – 750rougeVert – bleu
Quelles sont les (ou la) couleur(s) absorbée(s) par une solution de cristal violet ?
Justifier votre réponse.

Le jaune (pic à 590 nm)

Le vert – vert-jaune (épaulement à 510 – 580 nm)

Le spectrophotomètre permet de mesurer la transmittance "T" ainsi que l'absorbance "A" de la solution.

Donner une définition de la transmittance :


 EMBED Equation.3 

Donner la définition de l'absorbance :

 EMBED Equation.3 

(pour ces deux définitions, il est préférable de s'en tenir aux formules mathématiques en prenant soin de définir les termes utilisés pour la définition de la transmittance)

Il existe une relation de proportionnalité entre la concentration molaire en espèce colorante et l'absorbance de la solution à la longueur d'onde de travail. (A = K(C).

Proposer une grandeur qui par calcul permettra de vérifier cette affirmation.

 EMBED Equation.3 

Utiliser le tableau ci-dessous pour y porter la grandeur calculée.

N° de la solution54321Concentration en fonction de C0.Absorbance0,040,100,190,250,48K

Donner la valeur moyenne de K :




La relation entre l'absorbance et la concentration molaire obéit à la loi de Beer – Lambert.

Donner l'expression de la loi de Beer - Lambert :


A = e(l(C

Expliciter chacun des termes de la loi de Beer - Lambert.


A : Absorbance de la solution

E : coefficient d'absorption

L : épaisseur de solution traversée

C : concentration molaire de soluté

Sachant que la masse molaire du cristal violet est de 408,5 g.mol-1, calculer le coefficient d'absorption molaire (eðlð) du cristal violet à la longueur d'onde de travail. L'épaisseur de la cuve spectrophotométrie est de 0,01 m.









3,34.103mol-1.m2
Coloration directe

Les colorations directes utilisent des substances issues des plantes, henné, camomille, brou de noix, indigotine, mais pas uniquement. Les romains et très certainement les grecs furent les premiers à teinter leurs cheveux, pour cela ils plongeaient un peigne de plomb dans le vinaigre et se coiffaient avec. Cette pratique fut très populaire au XIXe siècle. L'usage des sels de plomb, autorisé dans les colorants capillaires, est aujourd'hui strictement interdit.


Un peu de culture générale :
Cocher la case réponseAffirmationvraifauxLa camomille est une plante apparentée aux chrysanthèmes.XLa camomille est la fleur du tilleulXLa camomille teinte les cheveux en blondsXLa camomille est mentionnée dans la pharmacopéeXOn prépare des collyres à base camomilleXL'indigo est la teinture originale des Jean'sXL'indigo et le pourpre ont la même structureXHenné est le nom d'un arbuste d'Asie et d'Afrique.XLe brou de noix est utilisé dans des solutions "bronzantes"XLe brou de noix est préparé avec les feuille du noyerX

Et un peu de chimie

Le principe colorant du Henné est la lawsone.

Sur cette molécule on trouve :

un cycle aromatique  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique cétone  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique alcool  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique quinone  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique phénol  FORMCHECKBOX 

Le principe colorant du brou de noix est le pyrogallol.

le nom de cette molécule est : 2,3-dihydroxyphénol  FORMCHECKBOX 
1,2,3-trihydroxybenzène  FORMCHECKBOX 
benzène-1,2,3-triol  FORMCHECKBOX 
1,2,3-triphénol  FORMCHECKBOX 

l'indigo est une molécule naturelle dont l'essor en teinture date de la fin du XIXe siècle lorsque la firme B.A.S.F. en a démarré la production à l'échelle industrielle.

Sa structure est donnée ci-dessous :

Sur cette molécule on trouve :

un cycle aromatique  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique cétone  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique alcool  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique amine  FORMCHECKBOX 
un groupe caractéristique amide  FORMCHECKBOX 


La formule brute de l'indigo est : C16H2O2N2  FORMCHECKBOX 
C16H10O2N2  FORMCHECKBOX 
C16H12O2N2  FORMCHECKBOX 
C16H14O2N2  FORMCHECKBOX 

VI. Les colorations semi permanentes

Lecture

Les teintures semi permanentes sont habituellement commercialisées en un seul et unique flacon contenant tous les réactifs nécessaires à la teinture : la solution ammoniacale, les colorants ainsi que d'autres molécules tels des agents tensioactifs.
Des molécules de la famille du 1,4-diaminobenzène possèdent la faculté d'absorber une partie de la lumière visible, il s'ensuit qu'éclairées en lumière blanche elles apparaissent de la teinte de la couleur complémentaire. Il reste alors au chimiste le soin de synthétiser des dérivés de cette structure pour obtenir une gamme importante de colorations.

Les molécules utilisées en coloration semi permanente sont incorporées dans la structure du cheveu en faisant s'ouvrir la structure du cheveu sous l'action de molécules de NH3.
Ces petites molécules vont rester piégées lorsque le milieu redeviendra neutre.
Mais après quelques shampoings elles vont diffuser hors du cheveu et la coloration va s'atténuer et il sera nécessaire de la raviver régulièrement.


La molécule ci-contre permet à elle seule d'obtenir une grande variété de teintes dont voici quelques exemples :
-R1-R2-R3-R4teinte-H-H-H-HRouge /orangé-CH3-H-H-HMagenta-CH2OH-CH2OH-CH2OH-HBleu / violet








Questionnaire

VI-1 Quel sont les noms des "substituants" suivants :


-NO2 : nitro

-CH3 : méthyl

-CH2OH : hydroxyméthyl

-NH2 : amino

-NH-CH3 : N-méthylamino



Lecture

Les colorations permanentes

Les colorations permanentes sont habituellement constituées d'un tube de colorant et d'une bouteille d'agent de développement ou révélateur.

Le tube de colorant contient deux molécules incolores, la "base" et le "coupleur", ces molécules sont souvent des composés aromatiques : diamines, phénols, aminophénols, etc.
Ces molécules sont en solution dans un milieu tamponné à pH basique (9,0 – 10,0).

Lors de la teinture on traite les cheveux avec le contenu du tube de colorant et lorsque les molécules sont incorporées dans la structure du cheveu, l'agent de développement est alors appliqué.
C'est habituellement une solution d'eau oxygénée.

La base, qui possède au moins une fonction amine, est alors oxydée pour donner une imine, cette réaction est lente.

La réaction de l'imine avec le coupleur est rapide, l'imine va substituer un atome d'hydrogène sur le cycle aromatique du coupleur, il s'ensuivra une oxydation interne.

La molécule résultante présente alors un système de doubles liaisons conjuguées entre elles. Ce type de molécule a la propriété d'absorber la lumière visible.

La taille de la nouvelle molécule est telle qu'une fois revenue en milieu neutre elle ne peut plus s'échapper de la structure du cheveu même après de nombreux shampoings.

La figure ci-dessous montre un exemple de réactions simplifiées faisant intervenir le 1,4-diaminobenzène (base) avec trois coupleurs différents permettant ainsi d'obtenir les trois couleurs de base.



La fille (ou le fils) de mon coiffeur s'estime quelque peu chimiste depuis qu'elle (il) s'est inscrit(e) aux Olympiades de la Chimie.
Elle (il) se demande s'il est possible d'obtenir, à meilleur coût, les réactifs utilisés en coiffure et va pour cela réaliser quelques expériences.

Dans un premier temps, elle (il) va analyser les deux phases de la coloration.

Puis elle (il) va déterminer la teneur en NH3 des produits utilisés pour traiter les cheveux lors d'une teinture.

Et ensuite, elle (il) va déterminer la teneur en eau oxygénée du révélateur de coloration.
Etude chimique d'une coloration permanente des cheveux

Première phase : l'oxydation de la "base".

Ecrire la demi équation de réaction montrant la transformation du 1,4-diaminobenzène.



= 2 H+(aq) + 2 e- +




Quel(s) élément(s) permet(tent) d'affirmer qu'il s'agit bien d'une oxydation


Le 1,4-diaminobenzène cède deux électrons.

Les couples d'oxydoréduction de l'eau oxygénée sont :  EMBED Equation.3  et  EMBED Equation.3 
Ecrire la demi équation de réaction faisant intervenir l'eau oxygénée.


H2O2 (aq) 2 H+(aq) + 2 e- = 2 H2O(l)

Donner l'équation de réaction d'oxydation du 1,4-diaminobenzène par l'eau oxygénée.



+ H2O2 (aq) + 2 H2O




La réaction entre l'imine ("base oxydée") et le coupleur est- elle une réaction :

D'addition nucléophile  FORMCHECKBOX 
De couplage oxydant  FORMCHECKBOX 
De couplage réducteur  FORMCHECKBOX 
De substitution électrophile aromatique  FORMCHECKBOX 

Justifier votre réponse.


Le nombre d'atomes d'hydrogène de "imine – coupleur" est supérieur à celui du colorant.

Etude du comportement acido-basique de NH3 en solution suivi de l'analyse d'une solution ammoniacale utilisée en teinture.

Pour ouvrir la structure du cheveu afin d'y incorporer des colorants ou des pigments il est nécessaire d'utiliser des solutions basiques.
A cet effet, des solutions ammoniacales sont utilisées en teinture des cheveux.

Qu'est ce qui caractérise une solution basique ?


pH > 7

Quelle est l'espèce chimique associée à la molécule d'eau qui est prédominante en milieu basique ?

L'ion HO-(aq)

Quelle relation lie cette espèce chimique à la molécule d'eau ?


H2O(l) = HO-(aq) + H+

Deux termes sont utilisés relativement à la molécule NH3.
Il s'agit d'ammoniac et d'ammoniaque. Qu'est ce qui différentie ces deux termes ?


Ammoniac : C'est le gaz NH3

Ammoniaque : qualifie une solution aqueuse de NH3

La molécule NH3 réagit avec l'eau.

La structure électronique de la molécule NH3 nous permet d'affirmer que celle-ci aura le comportement d'une base selon Brönsted.

Rappeler la définition de Brönsted pour les acides et pour les bases.


Base : Entité chimique pouvant capter(capturer) un proton.


Acide : Entité chimique pouvant céder (libérer) un proton.

Quel indice permet de conclure que NH3 aura le comportement d'une base ?


L'atome d'azote porte un doublet d'électrons non engagés dans une liaison

Il peut donc capter un proton.

Quel rôle l'eau va-t-elle jouer dans cette réaction ?


L'eau est l'acide qui va fournir le proton.

Ecrire l'équation de réaction de la molécule NH3 avec l'eau, vous écrirez les deux demi équations.


NH3 (aq) + H+ = NH4+(aq)


H2O(l) = HO-(aq) + H+


NH3 (aq) + H2O(l) = NH4+(aq) + HO-(aq)

Sachant que l'on dispose de n0 moles de NH3 et que l'eau est le solvant de la réaction, donc en grand excès, compléter le tableau d'évolution (avancement) proposé ci-dessous :

Equation de réactionNH3 (aq) + H2O(l) = NH4+(aq) + HO-(aq)EtatAvancement
mol.Quantités de matière en molesInitialx = 0 n0 excès 0 0Finalx = xfnf = n0 – xf excès xf xf
Exprimer le quotient de réaction associé à cette réaction :

 EMBED Equation.3 


Donner l'expression de la constante d'équilibre K pour la réaction de la molécule de NH3 avec l'eau :


 EMBED Equation.3 






Montrer que l'on peut l'exprimer cette constante d'équilibre K en fonction de la constante d'acidité [KA] de l'espèce "acide conjugué" de la molécule NH3.
Pour cela, écrire l'équation de réaction correspondante ainsi que l'expression de la constante d'équilibre KA pour cette espèce acide.

 EMBED Equation.3 


A quelle température sont définis les KA ?

0°C  FORMCHECKBOX 

20°C  FORMCHECKBOX 

25°C  FORMCHECKBOX 

298 K  FORMCHECKBOX 

273 K  FORMCHECKBOX 

Rappeler l'expression du taux d'avancement de réaction [Ä].

 EMBED Equation.3 

Exprimer la constante d'équilibre pour la réaction de la molécule de NH3 avec l'eau en fonction de Ä.

[HO-] = xf(VT ; [NH4+] = xf(VT ;
[NH3] = (n0 - xf)(VT ;
On remplace dans KT
que l'on multiplie par :  EMBED Equation.3 
Comme xmax = n0 = C(VT

On obtient :  EMBED Equation.3 

Sachant que le KA = 5,6.10-10, en déduire la valeur de Ä.

 EMBED Equation.3  = 5,6.10-10 donc C.tð2 + 5,6.10-10.tð  5,6.10-10 = 0

tð =  EMBED Equation.3 

La transformation est-elle totale ? Justifier votre réponse.


tð ( 1 (si C ( 1 mol.L-1, tð ( 2.10-5) la transformation n'est pas totale.

Dans le but d'éviter une trop forte agressivité de ces solutions on en limite le pH à ~ 9.

Pour quelle raison limite-t-on le pH de ces solutions ?

Pour éviter de solubiliser les cheveux  FORMCHECKBOX 

Une solution trop basique détruit les cellules  FORMCHECKBOX 

Si le pH est trop élevé les cheveux noircissent  FORMCHECKBOX 

En milieu trop basique les triglycérides sont saponifiés  FORMCHECKBOX 

A cause de l'odeur de NH3  FORMCHECKBOX 




Titrage d'un produit commercial:

La teneur maximale autorisée en espèces ammoniacales dans les produits utilisés pour la coiffure est de 11 % de "NH3" en masse, toutes espèces acido-basiques confondues.

Calculer la concentration molaire maximale en NH3 " EMBED Equation.3 " d'un tel produit.

Nombre de moles de NH3 dans un litre :  EMBED Equation.3  = 6,17 mol.

Donc  EMBED Equation.3 

Données :
Masse volumique d'une solution de NH3 à 11 % en masse = 0,954 kg.dm-3.
Masse molaire de NH3 = 17,0 g.mol-1.
 EMBED Equation.3  = 9,2

Pour déterminer la concentration molaire en ammoniac d'une solution du commerce, on effectue un titrage mettant en jeu une réaction acide base.

La solution titrante est une solution d’acide chlorhydrique (H+(aq),Cl-(aq)) de concentration molaire égale à 0,100 mol.L-1.

Quelle est l'espèce chimique, apportée par la solution d'acide chlorhydrique, qui va intervenir lors du titrage ? Justifier votre réponse.


L'ion H3O+.

Car HCl est totalement dissocié en solution aqueuse.



Ecrire l'équation de réaction du titrage.

NH3 (aq) + H+ = NH4+(aq)

H3O+ = H2O + H+


NH3 (aq) + H3O+ = NH4+(aq) + H2O(l)

Exprimer puis calculer la constante d'équilibre de cette réaction

 EMBED Equation.3  = 109,2


Rappeler les caractéristiques d'une réaction utilisable pour un titrage.
Est-il convenable d'utiliser cette réaction pour un titrage ?


Totale, rapide, univoque.

Elle est totale car K > 104. (critère pour une réaction acideobasique)




Titrage colorimétrique :

On donne ci-contre la courbe de titrage pH-métrique, par l'acide chlorhydrique, d'une solution diluée du produit étudié.



Les conditions de réaction sont identiques à celles du titrage réalisé.



On donne les zones de virage de quelques indicateurs colorés :

Hélianthine 3,1 – 4,4
Rouge de méthyle 4,2 – 6,2
B.B.T. 6,0 – 7,6
Phénolphtaléine 8,0 – 9,9
Questionnaire

Rappeler la définition de l'équivalence.

Etat pour lequel il y a changement de réactif limitant.
ou
Les réactifs sont apportés dans les conditions stoechiométriques.


Quel est le réactif limitant avant l'équivalence ? La solution est elle acide ou basique ?

Avant l'équivalence, c'est H3O+ car NH3 est en excès, la solution est basique.


Quel est le réactif limitant après l'équivalence ? la solution est elle acide ou basique ?

Après l'équivalence, c'est NH3 , H3O+ est en excès, la solution est acide.


Quelle caractéristique de la courbe de titrage indique que l'on a atteint l'équivalence ? Justifier votre réponse.

Le pH subit une variation importante pour une très faible addition de titrant.

C'est un "saut de pH"

Quel indicateur coloré allez-vous utiliser ?


Le rouge de méthyle.

Justifier votre réponse.


La zone de virage correspond au pH à l'équivalence.




Pour réaliser le titrage, on dilue précisément vingt fois la solution ammoniacale (S1) à analyser, on obtient une solution (S2). Le volume de prise d'essai (vpe) est égal à 10 mL .

Il faut ajouter un volume véquivalent égal à 11,6 mL de solution d’acide chlorhydrique pour obtenir le virage de l'indicateur coloré.


Questionnaire

Compléter le tableau d'évolution ci-dessous.
En déduire la relation à l'équivalence donnant la concentration de la solution diluée de NH3 en fonction de CHCl, véquivalent, et vpe.

Equation de réaction H3O+ + NH3 (aq) = NH4+(aq)+H2O(l)EtatVolume de titrant en mLAvancement (mol)Quantité de matière en molesInitial00 0 n(NH3) 0 excèsAvant l'équivalencev1 < V (éq)x1(CHClV1–x1)=0 (n(NH3)-x1)>0 x1 excèsEquivalenceV (éq)x (éq)(CHClVeq–xeq)=0 (n(NH3)-xeq)=0 xeq excès
Note : Ce tableau rend compte du système "becher" où se déroule le titrage.

En déduire la relation à l'équivalence et calculer la concentration molaire en NH3 de la solution diluée ainsi que la concentration molaire du produit commercial.

A l'équivalence, xeq = CHCl.veq = n(NH3) = vPE.[NH3](2)
[NH3](2) =  EMBED Equation.3  = Pour S2, [NH3] = 0,116 mol.L-1

[NH3](1) = 20.[NH3](2) = Pour S1, [NH3] = 2,32 mol.L-1

Ce résultat est-il en accord avec le résultat attendu ?


Non, car on attends 6,17 mol.L-1

Le pH initial de la solution diluée est égal à 9,0.

Rappeler l'expression de la constante d'acidité de l'ion ammonium (NH4+)

 EMBED Equation.3 

En déduire la concentration molaire en ion NH4+ dans la solution S2 : [NH4+](2).

 EMBED Equation.3 

[NH4+](2) = 0,184 mol.L-1
Sachant que  EMBED Equation.3  est égal à [NH3] + [NH4+] le produit utilisé par le coiffeur est-il en conformité avec la législation ?
oui

Justifier votre réponse.

(0,116 + 0,184)x20 H" 6 mol.L-1

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