E3C2 – 10 points – Durée 1h – calculatrice autorisée
Sujet n°G1SPHCH02738 ,n°G1SPHCH02742 et n°G1SPHCH02752
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La fumée de cigarette est l’un des polluants atmosphériques les plus répandus dans l’environnement intérieur. Allumer une cigarette initie une série de processus chimiques impliquant la transformation ou la formation de plus de 4 000 espèces chimiques : des goudrons, des gaz toxiques, des composés irritants, etc. Les formules de quelques espèces chimiques présentes dans la fumée de cigarette sont représentées ou citées ci-dessous.
Le tabagisme passif est défini comme l’inhalation involontaire de la fumée de tabac présente dans l’air. Dans cette partie on cherche à déterminer si une femme enceinte est victime d’un tabagisme passif.
Données :
- Numéros atomiques : H (Z = 1) ; C (Z = 6) ; N (Z = 7)
- Masse molaire de l’ion thiocyanate SCN− : 58 g·mol-1
- Cercle chromatique :
1. Après avoir recopié la formule semi-développée de chacune des quatre molécules représentées ci-dessus, identifier le groupe caractéristique présent et l’associer à une famille de composés.
| Molécule |  |  |  |  |
| Groupe caractéristique | Hydroxyle | Carbonyle | Carboxyle | Carbonyle |
| Famille | Alcools | Aldéhydes | Acides carboxyliques | Cétone |
2. Justifier le nom donné à la propanone.
Propanone :
- propan : 3 atomes de carbones
- One : famille des cétones (C=O présente ailler que sur le 1er atome de carbone), ici la seule possibilité est de le mettre sur le carbone du milieu, la position est évidente. C’est pourquoi elle n’est pas précisée.
3. Établir le schéma de Lewis de la molécule de cyanure d’hydrogène de formule HCN et proposer une géométrie pour cette molécule.
| Atome | Numéro atomique | Configuration électronique | Nombre de doublets liants | Nombre de doublets non liants |
| H | 1 | 1s1 | 1 | 0 |
| C | 6 | 1s2 2s2 2p2 | 4 | 0 |
| N | 7 | 1s2 2s2 2p3 | 3 | 1 |
Représentation de Lewis de la molécule de cyanure d’hydrogène de formule HCN :
Géométrie pour cette molécule : les liaisons se repoussent au maximum, géométrie linéaire.
Le cyanure d’hydrogène est absorbé par le corps, puis en partie dégradé en ions thiocyanate SCN− que l’on retrouve ensuite dans la salive ou dans l’urine. Dans la salive, par exemple, les concentrations en masse en ions thiocyanate sont en moyenne de 112 mg·L-1 chez les non-fumeurs et de 349 mg·L-1 chez les fumeurs. Les ions thiocyanate peuvent donc être considérés comme des marqueurs biologiques du tabagisme car leur concentration renseigne sur l’exposition d’une personne à la fumée du tabac.
Principe du dosage
Un échantillon noté S de 250 µL de salive d’une femme enceinte est prélevé. Les ions thiocyanate présents dans l’échantillon étant incolores et n’absorbant pas dans le proche ultraviolet, on les fait réagir avec une solution d’ions fer III, Fe3+(aq). On obtient 10,0 mL d’une solution S’dans laquelle s’est formée l’espèce ionique de formule Fe(SCN)2+, soluble dans l’eau. La transformation chimique est modélisée par la réaction d’équation suivante :
SCN–(aq) +Fe3+(aq) → Fe(SCN)2+(aq)
La courbe ci-dessous représente l’absorbance d’une solution aqueuse contenant l’espèce ionique Fe(SCN)2+ en fonction de la longueur d’onde.
4. Expliquer pourquoi les ions thiocyanate ne peuvent pas être dosés directement par spectrophotométrie UV-visible. Indiquer l’intérêt de les faire réagir avec les ions Fe3+
Les ions thiocyanate sont incolores et n’absorbent pas dans le proche ultraviolet. Impossible de les dosés directement par spectrophotométrie UV-visible.
En les faisant avec les ions Fe$^{3+}$, ils se transforment en Fe(SCN)$^{2+}{(aq)}$. Les ions Fe(SCN)$^{2+}{(aq)}$ absorbent dans le visible et peuvent donc être dosés par spectrophotométrie UV-visible.
Préparation de la gamme de solution étalon et tracé de la droite d’étalonnage
On cherche à doser l’espèce chimique Fe(SCN)2+ présente dans la solution S’.
À partir d’une solution S0de concentration C0= 2,0×10−4 mol.L-1 en ions Fe(SCN)2+, on prépare la gamme d’étalonnage composée des solutions S0, S1, S2, S3 et S4 dont les concentrations sont données dans le tableau ci-dessous.
| Solution | S0 | S1 | S2 | S3 | S4 |
| [Fe(SCN)2+] en mol·L-1 | 2,0×10-4 | 1,6×10-4 | 1,0×10-4 | 0,80×10-4 | 0,40×10-4 |
5. Indiquer la verrerie nécessaire pour préparer 50,0 mL de solution S2 à partir de la solution S0 en justifiant votre raisonnement.
Lors d’une dilution la quantité de matière se conserve :
$n_0=n_2$
Or
$n=C\times V$
Donc
$C_0V_0=C_2V_2$
$V_0=\frac{C_2V_2}{C_0}$
$V_0=\frac{1,0.10^{-4}\times50,0.10^{-3}}{2,0.10^{-4}}$
$V_0=25,0.10^{-3}L$
$V_0=25,0\ mL$
V2 le volume fille est celui d’une fiole jaugée et V0 le volume de la solution mère est prélevé avec une pipette jaugée.
Prenons une pipette jaugée de 25,0 mL et une fiole jaugée de 50,0 mL.
Protocole :
- Verser la solution mère dans un bécher
- Prélever à l’aide d’une pipette jaugée V0=25,0 mL de la solution mère
- Introduire V2 dans une fiole jaugée 50,0 mL
- Ajouter de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge
- Homogénéiser la solution
On mesure l’absorbance de chacune des solutions et on trace le graphique ci-dessous donnant l’évolution de l’absorbance en fonction de la concentration en ions Fe(SCN)2+.
6. Après avoir rappelé l’expression de la loi de Beer-Lambert en indiquant les unités des grandeurs, déterminer si les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec cette loi.
Loi de Beer-Lambert : l’absorbance d’une solution contenant une espèce colorée est proportionnelle à la concentration molaire c :
A=K.c
Avec :
- A l’absorbance sans unité
- C la concentration en mol.L-1
- K en L.mol-1
Nous avons une droite qui passe par l’origine, A et C sont proportionnelles. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec cette loi.
Avec :
- A l’absorbance sans unité
- C la concentration en mol.L-1
- 3,89.103 en L.mol-1
Détermination de la concentration en ions thiocyanate dans la salive
Dans la solution S’ tous les ions thiocyanate contenus dans la salive de la femme enceinte ont réagi avec les ions Fe3+ présents en large excès. L’absorbance de la solution S’ a pour valeur A = 0,65.
7. Déterminer la concentration en quantité de matière des ions Fe(SCN)2+ dans la solution S’. En déduire leur quantité de matière dans la solution de volume V = 10,0 mL.
$A=3,89.10^3\times c$
$c=\frac{A}{3,89.10^3}$
$c=\frac{0,65}{3,89.10^3}$
$c=1,67.10^{-4}\ mol.L^{-1}$
Déterminons la quantité de matière dans la solution de volume V = 10,0 mL
$c=\frac{n}{V}$
$n=c\times V$
$n=1,67.10^{-4}\times10,0.10^{-3}$
$n=1,67.10^{-6}\ mol$
8. Recopier et compléter le tableau d’avancement ci-dessous. En déduire la relation entre la quantité de matière des ions Fe(SCN)2+ à la fin de la transformation et la quantité de matière en ions SCN– initialement présente dans la solution.
| SCN–(aq) | +Fe3+(aq) | → Fe(SCN)2+(aq) | ||
| État du système | Avancement (en mol) | n (SCN–) | n (Fe3+) | n (Fe(SCN)2+) |
| État initial | x = 0 | excès | ||
| État final | xmax | excès |
| SCN–(aq) | +Fe3+(aq) | → Fe(SCN)2+(aq) | ||
| État du système | Avancement (en mol) | n (SCN–) | n (Fe3+) | n (Fe(SCN)2+) |
| État initial | x = 0 | $ 1,67.10^{-6}$ | excès | 0 |
| État final | xmax | $ 1,67.10^{-6}-x_{max}=0$ | excès | $x_{max}=1,67.10^{-6}$ |
$n^{final}{Fe(SCN)^{2+}{(aq)}}=n^{initial}{SCN^-{(aq)}}$
9. Déterminer la valeur de la concentration en masse des ions thiocyanate SCN− dans l’échantillon de salive de la femme enceinte et conclure sur le potentiel tabagisme passif de cette femme.
L’élève est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n’a pas abouti.
« Un échantillon noté S de 250 µL de salive d’une femme enceinte est prélevé »
$c=\frac{n}{V}$
$c=\frac{1,67.10^{-6}}{250.10^{-6}}$
$c=6,68.10^{-3}mol.L^{-1}$
$c_m=c\times M$
$c_m=6,68.10^{-3}\times58$
$c_m=0,387\ g.L^{-1}$
$c_m=387\ mg.L^{-1}$
« Dans la salive, par exemple, les concentrations en masse en ions thiocyanate sont en moyenne de 112 mg·L$^{-1}$ chez les non-fumeurs et de 349 mg·L$^{-1}$ chez les fumeurs »
La concentration trouvée est supérieure à la concentration chez les fumeurs. Cette femme est donc exposée au tabagisme passif.