Évolution d'un système et stratégie de synthèse

Exercices corrigés

1. Quelle relation lie la quantité d'électricité Q à la quantité de matière d'électrons échangés n(e-) ?

   • A.Q = n(e-) / F avec F = 96 500 C/mol
   • B.Q = n(e-) × F avec F = 96 500 C/molBonne réponse
   • C.Q = n(e-) × F avec F = 6,02 × 10^23 C/mol
   • D.Q = n(e-) × I avec I l'intensité en ampères

   Réponse : B — Q = n(e-) × F avec F = 96 500 C/mol

   La constante de Faraday F = 96 500 C/mol est la charge portée par une mole d'électrons. Donc n(e-) moles d'électrons transportent une charge Q = n(e-) × F. On la combine en général avec Q = I × Δt (I en ampères, Δt en secondes) pour remonter aux quantités de matière. Ne confonds pas F avec le nombre d'Avogadro : F = NA × e, soit 6,02 × 10^23 × 1,6 × 10^-19 ≈ 96 500 C/mol.

2. Dans une pile en fonctionnement, l'électrode siège de l'oxydation est :

   • A.la cathode, qui est la borne positive
   • B.la cathode, qui est la borne négative
   • C.l'anode, qui est la borne négativeBonne réponse
   • D.l'anode, qui est la borne positive

   Réponse : C — l'anode, qui est la borne négative

   Règle qui ne change jamais : anode = oxydation, cathode = réduction. Dans une PILE, l'oxydation libère des électrons qui partent dans le circuit extérieur, donc cette électrode est la borne négative. Attention, la polarité s'inverse dans un électrolyseur (l'anode y est reliée à la borne + du générateur), mais l'anode y reste le siège de l'oxydation.

3. Comment définit-on le rendement d'une synthèse organique ?

   • A.La masse de produit obtenue divisée par la masse totale des réactifs engagés
   • B.La quantité de produit obtenue divisée par la quantité initiale du réactif en excès
   • C.La quantité de réactif consommée divisée par la quantité de réactif initiale
   • D.La quantité de produit obtenue divisée par la quantité maximale théorique de produitBonne réponse

   Réponse : D — La quantité de produit obtenue divisée par la quantité maximale théorique de produit

   Le rendement r = n(produit obtenu) / n(produit maximal), la quantité maximale étant calculée à partir du RÉACTIF LIMITANT supposé totalement transformé. L'option 1 compare des masses de composés différents, ce qui n'a pas de sens chimique. L'option 2 est l'erreur classique : raisonner sur le réactif en excès conduit toujours à un rendement sous-évalué. L'option 3 définit le taux d'avancement final, pas le rendement.

4. À quoi sert le chauffage à reflux lors d'une synthèse organique ?

   • A.À accélérer la réaction en chauffant, sans perdre de matière par évaporationBonne réponse
   • B.À déplacer l'équilibre en éliminant progressivement le produit formé
   • C.À purifier le produit en le séparant des impuretés par condensation sélective
   • D.À augmenter la constante d'équilibre K de la réaction

   Réponse : A — À accélérer la réaction en chauffant, sans perdre de matière par évaporation

   Le montage à reflux, c'est un ballon chauffé surmonté d'un réfrigérant : la température, facteur cinétique, accélère la réaction, et les vapeurs se condensent puis retombent dans le ballon, donc rien ne s'échappe. L'option 2 décrit une distillation menée en cours de réaction (technique différente), l'option 3 une distillation fractionnée. Le reflux joue sur la durée, pas sur la composition finale.

5. Pour la réaction CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+ (K = 1,8 × 10^-5), on prépare un mélange tel que [CH3COOH] = 1,0 × 10^-2 mol/L, [CH3COO-] = 1,0 × 10^-2 mol/L et [H3O+] = 1,0 × 10^-3 mol/L. Que peut-on conclure ?

   • A.Qr,i = 1,0 × 10^-3, inférieur à K : le système évolue dans le sens direct
   • B.Qr,i = 1,0 × 10^-5, inférieur à K : le système évolue dans le sens direct
   • C.Qr,i = 1,0 × 10^-3, supérieur à K : le système évolue dans le sens indirectBonne réponse
   • D.Qr,i = 1,8 × 10^-5 : le système est déjà à l'équilibre

   Réponse : C — Qr,i = 1,0 × 10^-3, supérieur à K : le système évolue dans le sens indirect

   L'eau est le solvant, elle n'apparaît pas dans Qr. Donc Qr,i = ([CH3COO-] × [H3O+]) / [CH3COOH] = (1,0 × 10^-2 × 1,0 × 10^-3) / (1,0 × 10^-2) = 1,0 × 10^-3. On compare ensuite : 1,0 × 10^-3 est bien plus grand que 1,8 × 10^-5 (attention aux exposants négatifs, -3 est supérieur à -5). Donc Qr,i > K, et le système évolue dans le sens indirect pour faire redescendre Qr jusqu'à K.

6. Lors d'une électrolyse, 0,040 mol d'électrons ont circulé. À la cathode se produit la réduction Cu2+ + 2 e- = Cu(s). Quelle masse de cuivre s'est déposée ? (M(Cu) = 63,5 g/mol)

   • A.2,54 g
   • B.1,27 gBonne réponse
   • C.0,635 g
   • D.5,08 g

   Réponse : B — 1,27 g

   L'équation indique qu'il faut 2 mol d'électrons pour former 1 mol de cuivre : n(Cu) = n(e-)/2 = 0,040/2 = 0,020 mol. Puis m = n × M = 0,020 × 63,5 = 1,27 g. Le distracteur 2,54 g correspond à l'oubli du facteur 2 (on aurait pris n(Cu) = n(e-)), et 0,635 g à une division par 2 de trop. Le coefficient stœchiométrique des électrons est LE détail à ne jamais sauter.

7. On fait réagir 0,20 mol d'un acide carboxylique avec un large excès d'alcool. La réaction produit un ester de masse molaire M = 88 g/mol, tous les nombres stœchiométriques valant 1. On isole 13,2 g d'ester. Quel est le rendement ?

   • A.75 %Bonne réponse
   • B.66 %
   • C.88 %
   • D.15 %

   Réponse : A — 75 %

   L'alcool est en large excès, donc le réactif limitant est l'acide : n(ester)max = 0,20 mol. La quantité réellement obtenue vaut n = m/M = 13,2/88 = 0,15 mol. Le rendement est donc r = 0,15/0,20 = 0,75, soit 75 %. Vérification à rebours : 0,75 × 0,20 = 0,15 mol, soit 0,15 × 88 = 13,2 g. Cohérent. Attention à ne pas confondre la masse obtenue (13,2 g) avec une quantité de matière.

8. Dans un groupe carbonyle C=O, quel atome constitue un site accepteur de doublet d'électrons, et pourquoi ?

   • A.L'oxygène, parce qu'il porte deux doublets non liants qui le rendent riche en électrons disponibles
   • B.L'oxygène, parce qu'il est plus électronégatif que le carbone et attire donc les électrons vers lui
   • C.Le carbone, parce que l'oxygène plus électronégatif attire les électrons et lui laisse une charge partielle δ+Bonne réponse
   • D.Le carbone, parce qu'il porte une charge négative héritée de la double liaison avec l'oxygène

   Réponse : C — Le carbone, parce que l'oxygène plus électronégatif attire les électrons et lui laisse une charge partielle δ+

   La liaison C=O est polarisée : l'oxygène, nettement plus électronégatif que le carbone, attire à lui les électrons de la liaison. Il en résulte une charge partielle δ- sur l'oxygène — qui est donc un site DONNEUR, d'autant qu'il porte des doublets non liants — et une charge partielle δ+ sur le carbone. Un atome pauvre en électrons est un site ACCEPTEUR : c'est donc bien le carbone. L'option 4 se trompe de signe : le carbone est δ+, pas négatif.

9. Quel est l'ordre logique des étapes d'un protocole de synthèse organique ?

   • A.Purification, transformation, isolement, analyse
   • B.Transformation, analyse, isolement, purification
   • C.Isolement, transformation, purification, analyse
   • D.Transformation, isolement, purification, analyseBonne réponse

   Réponse : D — Transformation, isolement, purification, analyse

   On fait d'abord réagir les réactifs (transformation, souvent à reflux), puis on sépare le produit du mélange réactionnel (isolement : extraction, filtration, décantation), puis on élimine les dernières impuretés (purification : recristallisation, distillation fractionnée), et enfin on vérifie ce qu'on a obtenu (analyse : température de fusion, CCM, IR, RMN). L'analyse arrive nécessairement en dernier, puisqu'elle sert à valider le produit purifié.

10. Une pile contient 6,5 g de zinc comme réactif limitant, consommé selon Zn(s) = Zn2+ + 2 e-. Quelle quantité d'électricité maximale cette pile peut-elle débiter ? (M(Zn) = 65 g/mol, F = 96 500 C/mol)

    • A.1,93 × 10^4 CBonne réponse
    • B.9,65 × 10^3 C
    • C.3,86 × 10^4 C
    • D.9,65 × 10^4 C

    Réponse : A — 1,93 × 10^4 C

    Trois étapes. n(Zn) = m/M = 6,5/65 = 0,10 mol. Chaque atome de zinc libère 2 électrons, donc n(e-) = 2 × 0,10 = 0,20 mol. Enfin Q = n(e-) × F = 0,20 × 96 500 = 19 300 C, soit 1,93 × 10^4 C. Le distracteur 9,65 × 10^3 C correspond à l'oubli du facteur 2 (on aurait pris n(e-) = 0,10 mol). Retiens que la capacité d'une pile est toujours fixée par son réactif limitant.

11. Un système évolue spontanément dans le sens indirect. Que peut-on dire de l'évolution de son quotient de réaction Qr au cours du temps ?

    • A.Qr augmente jusqu'à atteindre K
    • B.Qr reste constant, seul l'avancement varie
    • C.Qr diminue jusqu'à atteindre KBonne réponse
    • D.Qr diminue jusqu'à s'annuler

    Réponse : C — Qr diminue jusqu'à atteindre K

    Évoluer dans le sens indirect, c'est consommer les produits et reformer les réactifs. Or Qr s'écrit produits au numérateur, réactifs au dénominateur : le numérateur diminue pendant que le dénominateur augmente, donc Qr diminue. Mais il ne descend pas jusqu'à zéro (option 4) : il s'arrête exactement à K, valeur pour laquelle le système est à l'équilibre. Quant à l'option 2, Qr n'est constant que si le système est DÉJÀ à l'équilibre.

12. On électrolyse une solution de nitrate d'argent avec I = 0,50 A pendant 1930 s. La réduction à la cathode s'écrit Ag+ + e- = Ag(s). Quelle masse d'argent se dépose ? (M(Ag) = 108 g/mol, F = 96 500 C/mol)

    • A.0,54 g
    • B.1,08 gBonne réponse
    • C.2,16 g
    • D.10,8 g

    Réponse : B — 1,08 g

    Q = I × Δt = 0,50 × 1930 = 965 C. Puis n(e-) = Q/F = 965/96 500 = 1,0 × 10^-2 mol. Ici l'équation ne fait intervenir qu'UN électron par ion argent, donc n(Ag) = n(e-) = 1,0 × 10^-2 mol. Enfin m = n × M = 1,0 × 10^-2 × 108 = 1,08 g. Le distracteur 0,54 g vient d'une division par 2 réflexe, héritée du cas du cuivre : lis toujours l'équation avant d'appliquer un facteur.