Constitution de la matière : relation entre structure des entités chimiques et propriétés

Exercice 1. Dihalogènes et halogénures d'hydrogène ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

À $25~^\circ\mathrm{C}$ sous $1~\mathrm{bar}$, $\mathrm{F_2}$ et $\mathrm{Cl_2}$ sont gazeux, $\mathrm{Br_2}$ liquide, $\mathrm{I_2}$ solide.

Interpréter.

$\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$ et $\mathrm{HI}$ ont des moments dipolaires décroissants.

Prévoir l'ordre de leurs températures d'ébullition.

Exercice 2. L'anomalie de l'eau ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

À partir de la série $\mathrm{H_2Te}$, $\mathrm{H_2Se}$, $\mathrm{H_2S}$ (section 3), estimer la température d'ébullition qu'aurait l'eau sans liaison hydrogène.

Expliquer pourquoi $\mathrm{NH_3}$ ($-33~^\circ\mathrm{C}$) bout plus haut que $\mathrm{PH_3}$ ($-88~^\circ\mathrm{C}$) mais plus bas que l'eau.

Exercice 3. Deux isomères C₄H₁₀O ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

Le butan-1-ol bout vers $117~\mathrm{°C}$, l'éthoxyéthane vers $35~\mathrm{°C}$.

Leurs solubilités dans l'eau à $20~\mathrm{°C}$ sont voisines, de l'ordre de $70~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$.

Interpréter ce contraste.

Exercice 4. Tableau de solvants ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Niveau écrit Agro-Véto

Données ($\mu$ en $\mathrm{D}$, $\varepsilon_r$, ébullition en $^\circ\mathrm{C}$, densité) :

• eau $1{,}85,\ 78,\ 100,\ 1{,}00$.
• Éthanol $1{,}7,\ 25,\ 78,\ 0{,}79$.
• Propanone $2{,}9,\ 21,\ 56,\ 0{,}79$.
• Dichlorométhane $1{,}6,\ 9,\ 40,\ 1{,}33$.
• Cyclohexane $0,\ 2,\ 81,\ 0{,}78$.
• Éthoxyéthane $1{,}2,\ 4,\ 35,\ 0{,}71$.

Classer ces solvants, interpréter leur miscibilité à l'eau, choisir un solvant pour extraire un ester peu polaire d'une phase aqueuse.

Exercice 5. Solubilité des alcools ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

Méthanol, éthanol et propan-1-ol sont miscibles à l'eau en toutes proportions.

À $20~\mathrm{°C}$, le butan-1-ol se dissout à environ $75~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$, le pentan-1-ol à environ $20~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$, l'hexan-1-ol à environ $6~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$.

Le glucose, à six carbones, dépasse $500~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$.

Interpréter.

Exercice 6. Suivi d'une oxydation par chromatographie ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

On oxyde le cyclohexanol en cyclohexanone.

Plaque de silice, éluant cyclohexane et acétate d'éthyle 80/20.

Front à $8{,}0~\mathrm{cm}$.

Le mélange réactionnel donne deux taches à $2{,}0$ et $4{,}4~\mathrm{cm}$, le cyclohexanol de référence une tache à $2{,}0~\mathrm{cm}$.

Calculer les $R_f$, attribuer, prévoir l'effet d'un éluant 50/50.

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Exercice 7. Dissolution du chlorure de sodium ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Niveau écrit G2E

Loi de Coulomb fournie : $$E = \frac{e^2}{4\pi\cdot\varepsilon_0\cdot\varepsilon_r\cdot r}.$$

Distance $\mathrm{Na^+}$-$\mathrm{Cl^-}$ au contact $0{,}28~\mathrm{nm}$.

$\varepsilon_r$ : eau $78$, méthanol $33$, cyclohexane $2$.

Le sel se dissout à environ $360~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$ dans l'eau, de l'ordre de $10~\mathrm{g\cdot L^{-1}}$ dans le méthanol, pratiquement pas dans le cyclohexane.

Calculer l'énergie molaire d'attraction d'une paire dans chaque solvant et interpréter.

Exercice 8. Reconnaître des amphiphiles ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle

Espèces :

• octadécane
• glucose
• octadécanoate de sodium
• éthanoate de sodium
• dodécylsulfate de sodium
• phosphatidylcholine (deux chaînes de $16$ à $18$ carbones, tête phosphate et ammonium)

Lesquelles sont amphiphiles ?

Structures formées dans l'eau et dans du cyclohexane contenant un peu d'eau ?

Effet d'une acidification sur l'octadécanoate ?

Exercice 9. Sens d'une émulsion ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

Une mayonnaise (huile environ $80~\%$ en masse, jaune d'œuf, vinaigre, sel) conduit le courant.

Une goutte se disperse dans l'eau, pas dans l'huile.

Identifier les phases, le rôle du jaune d'œuf, et prévoir la conductivité du beurre.

Exercice 10. Perméabilité d'une bicouche ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Niveau écrit Agro-Véto

Classer par perméabilité décroissante à travers une bicouche lipidique pure : ion $\mathrm{Na^+}$, glucose, $\mathrm{O_2}$, urée, éthanol.

Pourquoi les cellules ont-elles des canaux ioniques ?

Exercice 11. Nitrophénols isomères ★★★

Approfondissement · 40 min · Niveau écrit ENS BCPST, plus exigeant

Le 2-nitrophénol fond vers $45~\mathrm{°C}$ et bout vers $216~\mathrm{°C}$.

Le 4-nitrophénol fond vers $114~\mathrm{°C}$ et se décompose vers $280~\mathrm{°C}$.

Le $4$ est nettement plus soluble dans l'eau, et seul le $2$ est entraîné par la vapeur d'eau.

Interpréter, puis proposer une séparation du mélange obtenu par nitration du phénol.