Olympiade de Chimie du Royaume-Uni · Année 2025

Problèmes

Problème 1Les poudres à combustion rapide comme la nitrocellulose sont utilisées dans les cartouches de ball-trap. La nitrocellulose est principalement constituée de trinitrate de cellulose, préparé en ajoutant de la cellulose (formule brute $\ce{C6H7(OH)3O2}$ ) à un mélange d'acides nitrique et sulfurique concentrés, donnant le trinitrate de cellulose ( $\ce{C6H7(ONO2)3O2}$ ) et un autre produit. L'ion nitronium $\ce{NO2+}$ , formé dans le mélange acide, nitre les groupes alcool. L'acide nitrique agit comme base de Lewis et accepte un proton de l'acide sulfurique pour former l'intermédiaire $\ce{H2NO3+}$ , qui se décompose en $\ce{NO2+}$ . (a) Écrire l'équation de la réaction entre la cellulose et l'acide nitrique formant le trinitrate de cellulose. (b) Écrire l'équation de formation de $\ce{H2NO3+}$ puis celle de sa décomposition en $\ce{NO2+}$ . (c) La combustion complète du trinitrate de cellulose produit du dioxyde de carbone, de l'eau et un élément gazeux. Écrire l'équation de combustion complète de $\ce{C6H7N3O11}$ et calculer l'enthalpie standard de combustion avec $\Delta_f H^{\circ}(\ce{CO}) = -110,5$ , $\Delta_f H^{\circ}(\ce{CO2}) = -393,5$ , $\Delta_f H^{\circ}(\ce{H2O}) = -285,8$ et $\Delta_f H^{\circ}(\text{trinitrate de cellulose}) = -653,1$ kJ mol $^{-1}$ . (d) Lors du tir, il n'y a pas assez de temps pour réagir avec l'oxygène de l'air ; le trinitrate de cellulose se décompose entièrement en produits gazeux (sans former $\ce{O2}$ ) à plus de $200\ ^{\circ}\mathrm{C}$ . Écrire l'équation de décomposition et calculer le volume total de gaz produits par 5,00 g de trinitrate de cellulose à $200\ ^{\circ}\mathrm{C}$ , en m $^3$ .Solutions: 1
Problème 2L'astate est l'élément naturel le plus rare de la croûte terrestre, avec une masse totale estimée à 30 g à tout instant ; on suppose qu'il s'agit entièrement de l'isotope $^{219}$ At. (a) Estimer le nombre d'atomes d'At présents naturellement sur Terre à un instant donné. (b) Le bismuth, sous-produit du raffinage du plomb, est concentré en ajoutant Mg et Ca au mélange Pb–Bi ; le bismuth forme l'alliage A contenant 7,91 % de Ca et 9,60 % de Mg en masse, sans plomb. Déterminer la formule empirique de l'alliage A. (c) L'alliage A réagit avec $\ce{Cl2}$ pour former du bismuth et deux composés ioniques B et C dans un rapport 2:1. Écrire les formules de B et C. (d) L'astate est produit en bombardant $^{209}_{83}$ Bi avec des particules $\alpha$ ; les noyaux fusionnent en $^{x}_{y}$ At plus deux neutrons. Donner les nombres de masse et atomique de l'isotope. (e) Le bismuth excédentaire est éliminé par l'acide nitrique concentré, formant du nitrate de bismuth(III), de l'eau et un gaz incolore de masse molaire 30,01 g mol $^{-1}$ . Écrire l'équation. (f) BrAt est préparé en deux étapes : $\ce{Br2}$ réagit avec D pour ne donner que E, puis E réagit avec $\ce{At2}$ pour donner BrAt et D ; le spectre de masse de E montre deux pics majeurs d'intensité quasi égale à m/z 205,82 et 207,82. Donner les formules de D et E. (g) On synthétise 3,60 g de BrAt ; la demi-vie de cet isotope est de 433 minutes. Au bout de combien de temps (heure entière la plus proche) ne reste-t-il que 3,65 mg de BrAt ?Solutions: 1