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Olympiades de la chimie

Académie de Rouen

Concours régional

2005


QUESTIONNAIRE



Le thème de ce questionnaire est :

CHIMIE et HABITAT

La durée de l'épreuve est de 2 heures




 Informations importantes 


  • Ce questionnaire est composé d'une succession de lectures, de questions et de petits exercices.


Il est important de traiter le maximum de questions.

Les questions et exercices sont repérés par leur numérotation chiffrées : "I.1 etc. ".



  • Seule la liasse de "feuilles de réponses" devra être rendue à la fin de l'épreuve.

Vous devez l'utiliser pour y inscrire les réponses aux questions posées.


  • Ce questionnaire sera conservé par le candidat.




Le thème des olympiades est cette année chimie et habitat.

Si l'on a une petite idée de ce que peut couvrir la chimie, quelle signification donne-t-on au mot "habitat" ?

L'habitat est tout d'abord le milieu géographique qui réunit les conditions nécessaires à la vie d'une espèce animale ou végétale.

L'habitat, c'est aussi la manière dont l'homme aménage les lieux où il vit.


La chimie va jouer, directement et indirectement un rôle important dans l'habitat :


  • Elle est présente dans les matériaux de construction, d'étanchéité et d'isolation.




  • Elle intervient souvent de manière très discrète, pour rendre plus confortable les lieux choisis par l'homme pour y vivre.



L'habitat c'est aussi le développement durable avec tous les faits d'éducation qui s'y attachent ; à défaut, l'habitat devient précaire et l'habitant doit migrer vers des sites plus favorables à sa survie.


  • La chimie va être utilisée pour permettre de qualifier l'habitat de salubre ou d'insalubre.



La chimie a donc une incidence quotidienne sur notre habitat, parfois négative (pollution) mais souvent positive (confort – assainissement). C'est ce que nous allons essayer de mettre en évidence au travers de ce questionnaire.


Mais en fin de compte, que faut-t-il à un lieu pour qu'il soit qualifié d'habitat par l'homme ?


  • Tout d'abord un abri, si possible solide, sec et bien isolé.




  • Et des conditions favorables à la vie : de l'eau potable, de l'énergie, de la nourriture.




  • Un peu de confort



Pour chacun de ces items, la chimie est présente.

  1. Un toit pour s'abriter.



Après avoir mangé à notre faim, un toit pour s’abriter est le premier de nos soucis, surtout s'il pleut.
Les premiers humains (ainsi que les ours) ont colonisés toute sortes d'abris naturels, en particulier les grottes que l'on rencontre plus fréquemment dans les roches calcaires qu'ailleurs.

Aujourd'hui encore l'habitat troglodyte se rencontre sur les falaises calcaires.
Vous vous demandez ce que la chimie peut bien avoir à faire avec les grottes !
Et à votre avis, qui les a creusées ?
Un peu de chimie bien sur !
De part leur nature, les ions calcium [Ca2+] et les ions carbonate [CO32-] ont toujours manifesté une grande affinité à coexister à l'état solide.

En Normandie, nous en avons la preuve tous les jours lorsque l'on fait bouillir l'eau du robinet et beaucoup de crustacés s'en portent bien.
Il nous reste à expliquer comment un peu de chimie est capable de creuser une grotte dans une roche calcaire.



    1. Pour commencer un petit compte rendu d'expérience :


D
ans un tube à essai, on place un petit morceau de marbre. On ajoute ensuite un volume raisonnable d'acide chlorhydrique à 2 moles par litre.

Immédiatement on observe une effervescence signe d'un dégagement gazeux important.
Notre premier soucis est de placer un bouchon muni d'un tube de garde contenant une solution concentrée de chlorure de calcium ou bien une solution d'eau de chaux. (voir le schéma ci-contre).
Dans le tube de garde on observe d'abord un précipité blanchâtre puis après quelques instants le précipité se dissous et la solution redevient limpide.

Fin du compte rendu.


      1. Quel est le constituant principal du marbre ?




Na2HPO4

CaCO3 

MgSO4

Al2O3

      1. Quel gaz se dégage lorsque l'on verse la solution de HCl sur le marbre ?


Le dioxyde de carbone CO2..
Ecrire l'équation de réaction associée à cette transformation.
CaCO3 (s) + 2 H3O+ + 2 Cl-(aq) Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq) + 3 H2O + CO2 (g)



      1. Quelle est la composition du précipité observé ?


CaCO3 (s) le carbonate de calcium
Ecrire l'équation de réaction de précipitation.
Ca2+(aq) + 3 H2O + CO2 (g) CaCO3 (s) + 2 H3O+



      1. Lors de la réaction de précipitation, la solution de chlorure de calcium devient-elle :




Plus acide ? 

plus basique ?

reste neutre ?



      1. Pour quelle raison observe t'on la dissolution du précipité ?


Il fond .

Il réagit avec le CO2 (g). 

Il s'oxyde au contact de l'air.

Il est réduit par l'eau.



      1. Compléter l'équation bilan de la réaction de dissolution du précipité formé dans la phase initiale ?


CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O(l) 2 (aq) + Ca2+(aq)



      1. Nommer l'espèce carbonée soluble formée lors de cette réaction.


L’ion hydrogénocarbonate



      1. Un peu de calcul :


On donne l'expression de la constante d'équilibre de la réaction de dissolution du précipité :

Keq. =


        1. Montrer que l'on peut l'exprimer en fonction des KA de "l'acide carbonique"


Donner l'expression des KA de "l'acide carbonique"


Keq. = =

Les Ka de l'acide carbonique valent : 4.10-7 ; 5.10-11 ;


        1. Calculer la valeur de cette constante d'équilibre de la réaction de dissolution du précipité.



Keq. = 8.103


    1. Deuxième partie : la formation des grottes


- Dans la nature, les grottes et voies d'eau souterraines se sont formée selon un processus similaire. On veut bien entendu parler de la dissolution du carbonate de calcium, car chacun sait que les épaisses couches de calcaire que l'on rencontre ça et là on été formée par des sédiments de nature animale.

En ces temps là, l'activité volcanique, les forêts qui brûlaient, bien plus que l'activité humaine, chargeaient de CO2 l'eau de pluie.

Celle-ci en s'infiltrant dans les roches calcaires y solubilise, lentement mais sûrement, le CaCO3.


      1. Parmi ces minéraux, un seul ne contient pas de carbonate de calcium.


Lequel ? aragonite

calcite

gypse 

dolomite

La solubilité dans l'eau pure du carbonate de calcium est ~ 0,01g.L-1 à 15°C.


      1. Quel volume d'eau faudrait-il pour solubiliser une mole de carbonate de calcium ?


1 m3

10 m3 

100 m3
On donne : masse molaire du carbonate de calcium = 100g.mol-1 ?

Dans de bonnes conditions de température, l'eau de pluie peut solubiliser le CO2 à raison de environ 44mg par litre.


      1. Qu'elle est la concentration molaire en CO2 de l'eau de pluie ?


1.10-2 mol.L-1

1.10-3 mol.L-1 

1.10-4 mol.L-1

1.10-5 mol.L-1
On donne : Masse atomique molaire du carbone : 12g.mol-1

Masse atomique molaire de l'oxygène : 16g.mol-1

En utilisant la valeur de la constante d'équilibre associée à l'équation de réaction établie à la question N°6, comparer la solubilité du carbonate de calcium dans l'eau pure et dans l'eau de pluie chargée en CO2.


      1. Dans l'eau de pluie, la solubilité de CaCO3 est :




5 fois plus élevée ;

10 fois plus élevée ; 

20 fois plus élevée ;

100 fois plus élevée.



    1. Embellissement des grottes :

Une fois la cavité formée par dissolution, les eaux d'infiltration suintent le long des parois et des concrétions calcaires apparaissent.


      1. Pour quelle raison le carbonate de calcium dissous se dépose t'il ?


La température de l'air dans la grotte est plus faible que celle de la roche.




L'eau s'évapore au contact de l'air. 
En présence d'air, le carbonate de calcium est moins soluble dans l'eau.
L'eau perd le CO2 dissous. 

Les concrétions calcaires qui se sont développées de cette façon au cours du temps ont formé des constructions monumentales que l'on peut admirer dans de nombreuses grottes.


      1. Comment nomme t'on ces concrétions?


Compléter le dessin ci-dessous.






  1. Les matériaux de construction :


Si les premiers hommes colonisèrent des grottes et des cavernes, aujourd'hui l'habitat troglodyte n'est plus très répandu, mais de nombreux vestiges sont conservés.
Les grottes étaient créées par des phénomènes géochimiques, principalement dans les régions où les roches calcaires prédominent.

Les humains ont rapidement appris à tailler ces roches tendres d'abord pour agrandir leurs grottes puis obtenir des moellons qu'ils ont assemblés pour élever des murs.
Lors de l'étude précédente, nous avons utilisé l'action d'un acide sur un morceau de calcaire, il s'en est suivi une effervescence témoignant d'un dégagement gazeux.

Les roches calcaires utilisées comme matériau de construction sont soumises à des érosions naturelles, le phénomène est particulièrement visible sur les statues de marbre et sur les façades soumises aux intempéries.



    1. Quel phénomène est responsable de la dégradation des monuments et habitations construits avec des roches calcaires ?


L'effet de serre 

La diminution de la couche d'ozone 

Les pluies acides 

L'érosion pluviale 

Les pigeons. 

Pour construire des bâtiments, il a fallu relier les blocs rocheux entre eux, certaines civilisations taillèrent les roches de telle sorte qu'elles s'emboîtent parfaitement, c'est le cas des civilisations incas.
Ce sont probablement les grecs qui furent les premiers constructeurs à utiliser un liant minéral pour assembler les blocs de pierre entre eux. Ils utilisèrent la chaux obtenue par cuisson du calcaire. Mais ce sont les romains qui améliorèrent le procédé en ajoutant des cendres volcaniques et de la brique pilée à la chaux, créant ainsi un véritable liant hydraulique.



    1. Quelle signification donnez-vous au mot hydraulique pris dans ce contexte ?


Le liant peut durcir sous l'eau 

Le liant doit être asséché pour durcir 

Le liant durci au contact de la roche sans apport d'eau 

Le liant utilise l'eau contenue dans la roche 

Bon nombre d'ouvrages d'art réalisés à l'époque antique existent encore de nos jours, preuve de l'excellence des liants utilisés pour les construire.
En quelques siècles, l'homme est passé du précaire à la pierre puis au tout en béton (ou peu s'en faut).
Mais le béton, d'où vient-il ? De quoi est-il formé ? Comment le prépare-t-on ?
Le béton est un matériau de construction obtenu en associant des gravats, du sable, du ciment et de l'eau.
Le lien entre ces différents modes de construction c'est le ciment



    1. le ciment




      1. L'origine du mot "ciment" est très ancienne, il est dérivé :


du bas latin cimerium 

du mot grec :  

du mot latin : caementum 

de l'espagnol cimenterio 

les premiers ciments modernes furent produits dés le 18e siècle en Grande Bretagne, mais c'est le français Louis Vicat qui a établi en 1817 les principes chimiques des ciments et définit le protocole de fabrication du ciment hydraulique, à savoir les proportions calcaire et de silice.
En 1824, l'écossais Joseph Asdin faisait breveter le ciment Portland qui fait encore référence aujourd'hui,le béton à base de ciment Portland est le matériau de construction le plus répandu. (Portland est une ville du sud de l'angleterre).



      1. Pour quelle raison J. Asdin a-t-il donné le nom de Portland à ce type de ciment ?


Car il était né à Portland 

Car la première fabrication a eu lieu à Portland 

Car le ciment est aussi dur et a l'aspect de la pierre de Portland 

Car c'est à Portland que l'on importait le ciment 


Le ciment moderne est un mélange complexe d'oxydes : la chaux CaO, la silice SiO2, un peu d'alumine Al2O3 et d'oxyde de fer(III) Fe2O3.

Fabrication du ciment :
On porte à une température de 1450°C un mélange de calcaire (CaCO3) et d'argile que l'on nomme "le cru".
Sous l'action de la chaleur, l'argile, qui est un aluminosilicate complexe se décompose en ses oxydes et le calcaire subit une décarbonatation.
La silice et alumine réagissent alors avec la chaux pour donner un mélange de silicate et d'aluminate de chaux que l'on nomme "clinker".
Le clinker refroidi est alors broyé en poudre fine, additionné de 3 à 5 % de gypse (CaSO4,2H2O).

Cette poudre est le ciment portland.
Lors de cette opération, il est possible d'ajouter des éléments minéraux de différentes origines pour préparer les ciments spéciaux.



      1. Ecrire l'équation de réaction de décarbonatation du calcaire.



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