Questions du sujet
1. Donner le nombre d’électrons de valence des éléments bore, azote et hydrogène. 2. Dessiner la structure de Lewis de la borazine. 3. Quelle est la géométrie autour des atomes de bore et d’azote ? 4. Quel est du bore ou de l’azote l’élément le plus électronégatif? Justifier votre réponse. 5. Dessiner la maille du nitrure de bore (les atomes de bore seront représentés par un disque et ceux d’azote par une croix). Quelle est la nature des liaisons entre les atomes?} 6. Déterminer le nombre d’atomes par maille pour chaque élément ainsi que leur coordinence, dont on précisera la définition. 7. Calculer le paramètre de maille \(a\) associé à cette maille, sachant que les atomes de bore et d’azote sont en contact mais pas les atomes de bore entre eux. 8. Déterminer la masse volumique \(\rho\) du nitrure de bore. 9. Indiquer le nombre d’oxydation du zirconium dans chacune des quatre espèces \(\mathrm{Zr}_{(\mathrm{s})}\), \(\mathrm{ZrO}_{2(\mathrm{s})}\), \(\mathrm{Zr}_{(\mathrm{aq})}^{4+}\) et \(\mathrm{HZrO}_{3(\mathrm{aq})}\) (l’oxygène et l’hydrogène sont dans leur état d’oxydation classique dans ces espèces). 10. Attribuer, en le justifiant, les différents domaines de prédominance ou d’existence (numérotés de A à C, Figure 1) parmi les différentes espèces considérées.} 11. Quelle concentration \(c_{0}\) de tracé a été utilisée pour établir ce diagramme ? 12. Par le calcul (et non par lecture sur la Figure 1), déterminer la valeur du coefficient b. 13. Quel serait le \(p \mathrm{H}\) associé à la frontière verticale entre les espèces \(\mathrm{HZrO}_{3(\mathrm{aq})}\) et \(\mathrm{ZrO}_{2(\mathrm{s})}\). Conclure sur l’absence d’une des espèces de ce diagramme \(E-p \mathrm{H}\). 14. Donner les relations \(E=\mathrm{f}(p \mathrm{H})\) des couples de l’eau, après avoir indiqué les demi-équations redox correspondantes (les pressions des gaz seront supposés égales à la pression standard \(P^{0}\)). 15. Le zirconium \(\mathrm{Zr}_{(\mathrm{s})}\) est-il stable en présence d’eau? Justifier, et écrire le cas échéant toutes les équations de réaction possibles.} 16. Indiquer, en le justifiant, le caractère endothermique ou exothermique de la réaction. 17. Calculer l’entropie standard de réaction et justifier qualitativement son signe. 18. Calculer l’enthalpie libre standard \(\Delta_{\mathrm{r}} G^{0}\) de réaction à 300 K dans le cadre de l’approximation d’Ellingham. 19. Déterminer la valeur de la constante d’équilibre \(K^{0}\) de la réaction à 300 K. La réaction peut-elle être considérée comme totale? 20. Préciser, en justifiant la réponse, le sens de variation de la constante d’équilibre \(K^{0}\) avec la température.} 21. Quelle est l’influence de la pression sur l’équilibre d’oxydation du carbure de zirconium? Justifier votre réponse. 22. Conclure quant aux conditions opératoires optimales pour cette réaction.}FAQ
La structure de Lewis te permet de visualiser la répartition des électrons de valence autour des atomes dans une molécule. Pour chaque atome, tu vois comment les doublets liants et non liants s’organisent, ce qui devient essentiel pour comprendre la géométrie moléculaire, la réactivité et les propriétés chimiques des espèces. C’est la base pour aborder la VSEPR ou prévoir les interactions entre molécules.
Pour trouver la géométrie d’une molécule, commence par dessiner sa structure de Lewis, puis applique le modèle VSEPR (théorie de la répulsion des paires d’électrons de valence). Selon le nombre de doublets liants et non liants autour de l’atome central, tu peux déterminer si la molécule est linéaire, plane, tétraédrique, etc. Les exemples du bore et de l’azote dans le sujet sont classiques pour maîtriser ce point.
L’électronégativité caractérise la tendance d’un atome à attirer les électrons d’une liaison vers lui. Plus un atome est électronégatif, plus il tire le nuage électronique. C’est fondamental pour anticiper la polarité d’une liaison ou la distribution de charges partielles dans une molécule, et donc sa réactivité. Dans le sujet, comparer l’électronégativité du bore et de l’azote te montre l’importance de cette notion.
La masse volumique d’un solide cristallin (comme le nitrure de bore qui tombe souvent en concours) s’obtient grâce à la connaissance de la maille cristalline : nombre d’atomes par maille, masse molaire, volume de la maille. Cela permet entre autres de relier la structure microscopique aux propriétés macroscopiques de la matière, ce qui est essentiel pour l’étude des matériaux en chimie et physique.
Le nombre d’oxydation d’un élément indique la charge qu’il porterait s’il existait sous forme ionique dans une molécule. On l’obtient à partir de règles simples en tenant compte des états d’oxydation classiques (par exemple, H = +I, O = -II). C’est crucial pour équilibrer les réactions redox, établir les bilans électroniques ou construire des diagrammes potentiels-pH.
Le diagramme potentiel-pH (ou Pourbaix) synthétise la stabilité des différentes espèces chimiques en fonction du potentiel redox E et du pH. Ça te permet de prédire quelles espèces sont présentes dans un milieu donné et de déterminer les réactions redox possibles selon les conditions. C’est devenu un incontournable pour aborder la corrosion, l’électrochimie ou la chimie des solutions.
L’entropie (ΔS) et l’enthalpie (ΔH) de réaction sont deux grandeurs fondamentales pour analyser le sens et le caractère spontané d’une transformation chimique. En étudiant leur variation, tu peux calculer l’énergie libre de Gibbs (ΔG), établir la constante d’équilibre, prévoir l’influence de la température, et comprendre le comportement réel du système, au-delà de la simple stœchiométrie.
L’approximation d’Ellingham permet, à partir de valeurs tabulées, d’estimer l’évolution de l’enthalpie libre standard de réaction ΔrG° en fonction de la température pour des réactions d’oxydo-réduction, notamment en pyrométallurgie. Cette approche est primordiale pour juger de la faisabilité d’une réduction métallique ou la stabilité des oxydes selon la température.
La constante d’équilibre K° d’une réaction chimique mesure le rapport des activités à l’équilibre des produits et des réactifs, pour une température donnée. Elle dépend de la température selon la loi de Van’t Hoff : souvent, une réaction endothermique voit K° augmenter avec la température, et une réaction exothermique voit K° diminuer. C’est déterminant pour optimiser les rendements en chimie industrielle ou en laboratoire.
C’est l’une des grandes forces de l’épreuve : on attend de toi que tu saches relier le modèle atomique ou moléculaire (microscopique, comme la géométrie de la borazine ou la maille du nitrure de bore) aux propriétés mesurables (macroscopique, comme la masse volumique ou la stabilité en solution). Savoir faire ce lien est une compétence phare en CPGE, parfaitement préparée avec les corrigés accessibles sur PrépaBooster !