[PDF] Proposition de corrigé de la composition de chimie 2020

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1 Proposition de corrigé de la composition de chimie 2020

Introduction : la molécule d'hydrazine

1. L'azote possédant 5 électrons de valence et l'hydrogène 1 seul, 7 paires de valence sont à

représenter dans le structure de Lewis :

L'azote étant l'élément suivant le carbone dans la classification périodique, on peut anticiper une

longueur de liaison N-N voisine de celle de la simple liaison C-C à savoir proche de 1,5 Å ou 1,5

10 -10 m.

2. Dans le modèle de répulsion des paires électroniques de la couche de valence, l'environnement

autour de l'atome d'azote est de type AX 3 E 1 . Le polyèdre de coordination dans lequel s'inscrivent

les atomes liés à l'atome d'azote est le tétraèdre. L'angle mesuré de 108° est inférieur à 109,5°

(valeur attendue pour un tétraèdre régulier) en raison de la présence d'une paire non liante, plus

répulsive qu'une paire liante. 3.

A/ Synthèse et purification de l'hydrazine

4. 1

ère

étape : ClO

(aq) + NH 3(aq) → NH 2 Cl (aq) + HO (aq) 2

ème

étape : NH

2 Cl (aq) + NH 3(aq) + HO (aq) → N 2 H 4(aq) + Cl (aq) + H 2 O (aq) 2

5. En établissant un tableau d'avancement prenant en compte le rapport molaire des quantités de

réactifs utilisés, on écrit : ClO (aq) + 2 NH 3(aq) → N 2 H 4(aq) + Cl (aq) + H 2 O (aq) 1 30

1-x 30-2x x

Le rendement est de 60% (rdt = x/x

max × 100) et le réactif limitant est l'ion hypochlorite donc x = 0,60 mol

EMR = (0,6 × M

N2H4 )/( 1 × M NaOCl + 30 × M NH3 EMR = (0,6 × 32,0)/(74,5 + 30 ×17,0) = 0,033 Valeur très faible d'où l'intérêt de recycler l'ammoniac lors de cette synthèse. 6. L'hydrazine et l'eau sont deux molécules polaires et protiq ues. Elles possèdent des

caractéristiques proches. La moléc ule d'hydrazine comme l'eau peut générer des liais ons

hydrogènes (les éléments oxygène et azote sont suffisamment électronégatifs pour que les liaisons

N-H et O-H soient polarisées). L'établissement de liaisons H intermoléculaires entre ces deux

espèces est à l'origine de leur miscibilité en toutes proportions. 7. 8.

La température d'ébullition de l'azéotrope est supérieure à celle de l'eau et de l'hydrazine. Ainsi

le produit obtenu en tête de colonne sera un corps pur dont la nature dépend de la fraction

massique en hydrazine du mélange à distiller et le résidu de la distillation sera le mélange

azéotropique. Ici la composition massique en hydrazine du mélange issu de la synthèse est

largement inférieure à celle de l'azéotrope donc la distillation permettra de séparer l'eau du

mélange azéotropique mais ne permettra pas d'obtenir d'hydrazine anhydre. 9.

Il s'agit d'un composé défini de formule (N

2 H 4 )p(H 2 O)q. On détermine les valeurs de p et q à l'aide de la valeur de la fraction massique :

32p / (32p + 18q) = 0,64

q/p = (32/18) × (1/0,64-1) = 1

La formule du composé défini est (N

2 H 4 )(H 2 O) 3 10. Domaine 1 : une seule phase liquide constituée de N 2 H 4(l) et H 2 O (l) Domaine 2 : deux phases : une phase liquide constituée de N 2 H 4(l) et H 2 O (l) et une phase solide constituée de N 2 H 4(s) Domaine 3 : deux phases solides, l'une constituée N 2 H 4(s) et l'autre contenant le composé défini de fraction massique en hydrazine égale à 0,64 ((N 2 H 4 )(H 2 O)). Domaine 4 et domaine 5 : deux phases, l'une liquide constituée de N 2 H 4(l) et H 2 O (l) et l'autre solide constituée du composé défini. Domaine 6 : deux phases, l'une liquide constituée de N 2 H 4(l) et H 2 O (l) et l'autre solide constituée de H 2 O (s) 11. Le mélange équimolaire d'hydrazine et d'eau a la composition d u composé défini. La température de solidification est égale à -51°C. Le seul domaine où coexistent deux phases correspond au palier horizontal de la courbe pour lequel on a coexistence de la phase liquide (eau + hydrazine) et d'une phase solide constitué du composé défini (CD)

Les paramètres intensifs sont : p, T, x

l N2H4 , x l H2O

Relation entre les paramètres :

Au sein de la phase liquide : x

l N2H4 + x l H2O = 1 Condition d'équilibre correspondant au changement d'état du composé défini : N 2 H 4 ,H 2 O (s) D N 2 H 4(l) + H 2 O (l)

K°(T) = (x

l N2H4 )(x l H2O

Température

en°C -51°C temps

1ercristaldecomposédéfini

refroidissementducomposédéfini 4 Relation particulière entre les compositions des phases: N 2 H 4 ,H 2 O (s) D N 2 H 4(l) + H 2 O (l) EI : n 0 0 équ : n - x x x donc x l N2H4 = x l H2O

Variance v = 4-3= 1 ; la pression est fixée (1 bar) donc le nombre de degrés de liberté est égal à

0 [ La température ne peut varier dans le domaine correspondant à la cristallisation du

composé défini.

B/ Décomposition de l'hydrazine

B.1 L'hydrazine comme monergol dans l'aérospatial 12. La réaction de formation d'un constituant physico-chimique est la réaction qui à partir des

éléments constitutifs pris dans leur état standard de référence à T (P° = 1 bar) conduit à l'espèce

chimique avec un nombre stoechiométrique égal à +1. 13.

L'enthalpie standard de la réaction est :

D r H° = D f H° N2(g) + 2D f H° H2(g) - D f H°

N2H4(l)

avec D f H° N2(g) = D f H° H2(g) = 0 donc D r H° = - D f H°

N2H4(l)

Les données fournies nous permettent de calculer D f H°

N2H4(g)

en utilisant le fait que l'enthalpie est une fonction d'état. D f H°

N2H4(l)

= D(N 2 ) + 2 D(H 2 ) - D(N-N)- 4D(N-H) - D vap H° N2H4

A.N D

f H°

N2H4(l)

= 947 + 2 × 436 - 164 - 4× 390 - 44,7 = 50,3 kJ.mol -1 Et D r H° = - 50,3 kJ.mol -1

Le signe est négatif, la réaction est exothermique comme attendu pour une réaction utilisée pour

le fonctionnement d'un moteur. 14. D r

S° = S°

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