Mines Chimie PSI 2018

A2018 ­ CHIMIE PSI

ÉCOLE DES PONTS PARISTECH,
ISAE-SUPAERO, ENSTA PARISTECH,
TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH,
MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY,
IMT Atlantique, ENSAE PARISTECH.
Concours Centrale-Supélec (Cycle International),
Concours Mines-Télécom, Concours Commun TPE/EIVP.
CONCOURS 2018
ÉPREUVE DE CHIMIE
Durée de l'épreuve : 1 heure 30 minutes
L'usage de la calculatrice et de tout dispositif électronique est interdit.

Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente
sur la première page de la copie :

CHIMIE - PSI
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages de texte.

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur
d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant 
les
raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

A 2018 CHIMIE PSI

DEBUT DE L'ENONCE

le bioéthanol
Des données utiles pour la résolution du problème sont fournies à la fin de 
l'énoncé.
L'épuisement des ressources fossiles ainsi que l'augmentation de l'effet de 
serre impliquent
de trouver des solutions économes en consommation de pétrole notamment dans le 
domaine
des transports. Une voie consiste à mélanger l'essence à des biocarburants: le 
bioéthanol est
ainsi présent à hauteur de 10% dans l'essence SP95-E10, et jusqu'à 85% dans le 
superethanol
E85.
Les biocarburants de seconde génération sont issus de sources 
ligno-cellulosiques (bois,
feuilles, pailles). Afin de fabriquer le biocarburant, la cellulose contenue 
dans ces végétaux
est tout d'abord séparée de la lignine et de l'hémicellulose par cuisson acide 
puis par
explosion à la vapeur. La cellulose, polymère de glucose, est ensuite 
transformée en glucose
(sucre à six atomes carbone de formule brute C6H12O6(s)) par hydrolyse 
enzymatique. Le
glucose est enfin transformé en éthanol lors d'une étape de fermentation 
utilisant des
levures.

1Représenter la structure de Lewis de la molécule d'éthanol. Expliquer pourquoi 
l'eau
et l'éthanol sont miscibles. Quelle est la conséquence sur les carburants à 
base de mélange
d'essence et d'éthanol ?
2Ecrire l'équation chimique (réaction (1)) de la synthèse de l'éthanol liquide 
à partir de
la fermentation anaérobie d'une mole de glucose (C6H12O6(s)), seul du dioxyde 
de carbone est
produit en même temps que l'éthanol.
3-

Calculer et commenter l'enthalpie standard de cette réaction à 298 K.

On cherche à présent à mesurer la quantité de chaleur libérée lors de la 
combustion complète
de l'éthanol dans l'air. On brûle complètement 3g d'éthanol dans une bombe 
calorimétrique à
partir de la température Ti=298,0 K. A la fin de l'expérience, l'eau du 
calorimètre est à la
température Tf= 318,0 K. Le volume d'eau est de 1000 mL et on négligera la 
capacité
calorifique du calorimètre par rapport à celle du volume d'eau.
4Ecrire l'équation bilan de la réaction (notée (2)). Pourquoi dit-on que le 
bioéthanol est
un carburant propre alors que sa combustion produit des gaz à effet de serre ?
5Calculer grâce à l'expérience de calorimétrie l'enthalpie standard molaire de 
la réaction
de combustion de l'éthanol (liquide) à 298 K.
6Calculer grâce aux données fournies en annexe l'enthalpie standard molaire de 
la
réaction de combustion de l'éthanol (liquide) à 298 K. Conclure.

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Chimie 2018 - Filière PSI
Ont été superposés ci-après les diagrammes potentiel-pH du manganèse (traits 
fins) et de
l'éthanol (traits épais).
Conventions de tracé :
· Concentration totale en espèce dissoute : C = 10­2 mol.L­1.
· On considérera qu'il y a égalité des concentrations aux frontières séparant 
deux
espèces en solution.

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7Associer aux différents domaines du diagramme potentiel-pH de l'élément 
manganèse
les espèces solides Mn, MnO2 et Mn(OH)2 ainsi que les ions en solution Mn2+, 
MnO4 et
-

MnO42 . Justifier. On précisera pour chaque espèce du manganèse son degré 
d'oxydation.
8-

Déterminer l'équation de la frontière verticale séparant l'espèce 4 de l'espèce 
5.

9Donner (en justifiant) l'équation de la frontière verticale séparant CH3COOH et
CH3COO ainsi que celle de la frontière séparant CH3COOH et CH3CH2OH.
10-

En utilisant le graphique, déterminer le potentiel standard du couple MnO2/Mn2+.

11-

En justifiant, donner la configuration électronique de l'ion Mn2+.

On souhaite doser l'éthanol contenu dans un flacon étiqueté « équivalent 
biocarburant ». Le
protocole à suivre est le suivant.
1ère étape : Extraction de l'éthanol du mélange initial
Placer le biocarburant dans une ampoule à décanter, introduire 20 mL d'eau 
distillée, agiter
et laisser décanter. Récupérer la phase aqueuse. Renouveler cette opération 2 
fois. Mélanger
les 3 phases aqueuses obtenues dans une fiole jaugée de 100 mL. Compléter 
jusqu'au trait de
jauge avec de l'eau distillée ; on obtient ainsi la solution S1 de 
concentration molaire C1 en
éthanol. Cette solution contient a priori tout l'éthanol provenant du 
biocarburant.

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Chimie 2018 - Filière PSI
2ème étape : Préparation de la solution à titrer
La solution S1 étant trop concentrée, il est nécessaire de réaliser une 
dilution. On veut obtenir
50 mL de solution S2 de concentration C2 = C1/10.
3ème étape : Oxydation de l'éthanol
Dans un erlenmeyer, introduire : précisément V3 = 100 mL de solution de 
permanganate de
potassium de concentration C3 = 1,0.10­2 mol.L­1, un volume V2 = 2,00 mL de S2 
prélevé à la
pipette jaugée, environ 2 mL d'acide sulfurique concentré manipulé avec 
précaution. Boucher
l'erlenmeyer puis le fixer dans un cristallisoir rempli d'eau chaude et laisser 
pendant 20 à 30
minutes.
-

4ème étape : Dosage de l'excès d'ions MnO4 dans la solution
Doser le contenu de l'erlenmeyer par une solution contenant des ions Fe2+ de 
concentration
C4 = 2.10­1 mol.L­1. Noter le volume VE versé à l'équivalence. Le titrage doit 
être réalisé
suffisamment lentement sur la fin pour dissoudre le précipité brun de MnO2 qui 
se forme
pendant la réaction.
12Décrire un protocole pour l'étape de dilution en précisant la verrerie et le 
matériel
utilisé.
-

13-

Ecrire l'équation de la réaction qui a lieu entre l'éthanol et MnO4 en milieu 
acide.

14-

Ecrire l'équation de la réaction de dosage entre Fe2+ et MnO4 en milieu acide.

15-

Pourquoi ne dose-t-on pas directement l'éthanol par MnO4 ?

-

-

16Sachant que VE = 10,0 mL, calculer la quantité d'éthanol n2 contenue dans la 
solution
S2. En déduire la concentration C1 en éthanol de la solution S1.
17A l'aide du diagramme potentiel-pH, expliquer pourquoi on doit rajouter de 
l'acide
sulfurique concentré dans le mélange pour réaliser la 3ème étape. Comment 
peut-on s'assurer
que la réaction d'oxydation de l'éthanol par les ions permanganate est bien 
possible grâce à ce
diagramme ?

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Chimie 2018 - Filière PSI
Moins toxique que le méthanol, le bioéthanol peut être utilisé dans des piles à 
combustible
selon le schéma suivant:

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18Sachant que l'équation bilan est la même que celle de la combustion de 
l'éthanol dans
l'air, reproduire et compléter le schéma de la pile en renseignant les espèces 
chimiques
manquantes et en précisant le sens des ions dans l'électrolyte et des électrons 
dans le circuit
extérieur.
19-

Commenter succinctement les avantages et inconvénients pratiques de cette pile.

20-

Ecrire les demi-équations à chaque électrode.

21-

Calculer la tension à vide standard de la pile.

Le bioéthanol peut aussi être utilisé pour produire du dihydrogène par 
reformage. En
général, c'est le Rhodium à l'état métallique qui est utilisé comme catalyseur.
22-

Situer le Rhodium dans la classification périodique (ligne et colonne).

23Le Rhodium métallique cristallise selon la structure cubique à face centrée. 
Sachant
que sa masse volumique est d'environ 12,4 g/cm3, en déduire le rayon atomique 
de l'élément
Rh.

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Chimie 2018 - Filière PSI

Données :
Numéros atomiques : Z(Mn)=25, Z(Rh)=45
Masses molaires :
M(Rh)= 103 g.mol-1 , M(C) = 12 g.mol­1 ; M(O) = 16 g.mol­1 ; M(H) = 1,0 g.mol­1
Constante d'Avogadro : NA= 6,0.1023 mol-1.
Constante des gaz parfaits :R= 8,3 J.K-1.mol-1
Constante de Faraday : F= 96500 C.mol-1
RT
ln10 = 0,06V
Constante de Nernst à 298 K :
F

Enthalpies standard de formation, entropies standard et capacités calorifiques 
molaires
standard (à 298 K):

C2H5OH(g)

fH° (kJ.mol-1)
-235

Sm° (J.K-1.mol-1)
283

!
!!"
(J.K­1.mol­1)
-

C2H5OH(l)
O2(g)

-277
0

161
205

112
29

N2(g)
CO2(g)
H2O(g)

-394
-242

214
189

29
37
34

H2O(l)

-286

70

75

Enthalpie standard de combustion du glucose :
combH° = -2816 kJ.mol­1

C6H12O6(s) + 6 O2(g)  6 CO2(g) + 6 H2O(g)

pKS(Mn(OH)2) = 12,7 à 25°C
Constante d'équilibre de la réaction d'autoprotolyse de l'eau à 25°C : Ke = 
10-14
pKa(CH3COOH/CH3COO­) = 4,8 à 25°C
Potentiels redox standards à pH = 0 et à 25°C :
E°(CH3COOH/CH3CH2OH) = 0,037 V
E°(O2/H2O) = 1,23 V
10
7
3
Approximations numériques : 2 
7
4

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Chimie 2018 - Filière PSI

2,5

f(x)=lnx
2

1,5

1

0,5

0

1

2

3

4

5

FIN DE L'ENONCE

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6

7

8

9

10