S entraîner : Piles et oxydoréduction

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1 S entraîner : Piles et oxydoréduction Exercice : L accumulateur au plomb et le démarrage automobile La batterie d une voiture est un accumulateur au plomb, siège d une transformation chimique, constitué de deux électrodes en plomb Pb (s) dont l une est recouverte de dioxyde de plomb solide PbO 2 (s). L ensemble est immergé dans de l acide sulfurique concentré : 2H + (aq) + SO 4 2- (aq). Lorsque la voiture démarre, l accumulateur fonctionne comme une pile. On considère que les couples oxydant/réducteur mis en jeu sont les suivants : couple 1 : Pb 2+ (aq) / Pb (s) couple 2 : PbO 2 (s) / Pb 2+ (aq) 1. Donner le nom des porteurs de charges responsables du passage du courant : a) à l extérieur de la pile b) à l intérieur de la pile 2. A partir de la polarité de la pile donnée sur le schéma, complétez-le en indiquant : - la borne négative de la pile - le sens du courant à l extérieur de la pile - le sens du déplacement des porteurs de charges à l extérieur de la pile - le sens du déplacement des porteurs de charges dans la solution. voiture + Pb (s) PbO 2 3. Ecrire les demi-équations d oxydoréduction associées à chaque couple mis en jeu. 4. Ecrire l équation bilan d oxydoréduction qui se produit dans l accumulateur au plomb. Correction Exercice : L accumulateur au plomb et le démarrage automobile 1. A l extérieur de la pile, ce sont les électrons qui sont responsables du passage du courant alors qu à l intérieur ce sont les ions. 2. Schéma : Demi-équations d oxydoréduction : Anode : Pb(s) = Pb 2+ (aq) + 2 e - Cathode : 4 H + (aq) + PbO 2 (s) + 2 e - = Pb 2+ (aq) + 2 H 2 O(l) 4. Equation bilan d oxydoréduction dans l accumulateur au plomb : Pb(s) + 4 H + (aq) + PbO 2 (s) 2 Pb 2+ (aq) + 2 H 2 O(l)

2 S entraîner : Tableaux d avancement Exercice : L Arbre de Diane Dans un tube à essais, on verse un volume V = 5,0 ml de solution de nitrate d argent, Ag + (aq) + NO 3 - (aq), de concentration molaire en ions argent c = 0,20 mol.l -1. On immerge partiellement un fil de cuivre. La masse de la partie immergée est égale à m = 0,52 g. Le fil de cuivre se recouvre progressivement d un dépôt gris d argent métallique, appelé «arbre de Diane», et la solution bleuit. 1. Pourquoi peut-on affirmer qu une transformation chimique a eu lieu? 2. Compléter l équation chimique de cette réaction :..Ag + (aq) +..Cu(s)..Ag(s) +..Cu 2+ (aq) 3. Les ions nitrate NO 3 - n apparaissent pas dans cette équation car ce sont des ions spectateurs. Expliquer cet adjectif. 4. Calculer les quantités de matière initiales des deux réactifs introduits : n i (Ag + ) et n i (Cu). Détailler les calculs. 5. Compléter les deux premières lignes du tableau d'avancement ci-dessous. Equation chimique..ag + (aq) +..Cu(s)..Ag(s) +..Cu 2+ (aq) Etat initial x = 0 En cours x Etat final x max =.. 6. Quel est le réactif limitant et quelle est la valeur de l avancement maximal? Détailler les calculs. 7. Donner le bilan de matière à l état final (compléter le tableau). 8. En déduire la masse d argent déposé sur la partie immergée du fil de cuivre à l état final. Détailler les calculs. Correction Exercice : Arbre de Diane 1. Une transformation chimique a eu lieu car on observe une coloration de la solution qui bleuit et un dépôt gris d argent sur le fil de cuivre. Ceci implique que la composition chimique du système a changé. 2. Equation de reaction : 2 Ag + (aq) + Cu(s) 2 Ag(s) + Cu 2+ (aq) M(Ag) = 107,9 g.mol -1 M(Cu) = 63,5 g.mol Les ions nitrate sont présents à l état initial et ne participent pas à la transformation chimique. On les retrouve intégralement à l état final. C est pourquoi on parle d ions spectateurs Quantité de matière des ions argent : n i (Ag + ) = cxv = 0,20x5,0x10-3 = 1,0x10-3 mol Quantité de matière de cuivre : n i (Cu) = m(cu) / M(Cu) = 0,52 / 63,5 = 8,2x10-3 mol Equation chimique 2 Ag + (aq) + Cu(s) 2 Ag(s) + Cu 2+ (aq) Etat initial x = 0 1,0x10-3 mol 8,2x10-3 mol 0 0 En cours x 1,0x x 8,2x x 2x x Etat final x max =5,0x10-4 mol 0 7,7x10-3 mol 1,0x10-3 mol 5,0x10-4 mol 6. Si les ions argent sont le réactif limitant alors : 1,0x x max = 0 soit x max = 5,0x10-4 mol. Si le cuivre est le réactif limitant alors : 8,2x x max = 0 soit x max = 8,2x10-3 mol. L avancement maximal étant la plus petite valeur qui annule la quantité d un réactif donc x max = 5,0x10-4 mol. Le réactif limitant est donc les ions argent. 7. A l état final, tous les ions argent sont consommés et il reste 7,7x10-3 mol de cuivre. Par ailleurs, il s est formé 1,0x10-3 mol d argent et 5,0x10-4 mol d ions cuivre. 8. La masse d argent formée est : m(ag) = n (Ag) x M(Ag) Soit m(ag) = 1,0x10-3 x107,9 = 0,11 g.

3 Exercice : Composés soufrés et mauvaises odeurs S entraîner : Molécules et géométrie Les espèces chimiques contenant l élément chimique soufre S ont généralement une odeur forte et désagréable. Ainsi, le sulfure d hydrogène H 2 S a une odeur d œuf pourri alors que le but-2-ène-1-thiol a une odeur si nauséabonde que certains animaux en projettent vers leurs prédateurs pour s'en protéger. Formule semi-développée du but-2-ène-1-thiol : CH 3 -CH=CH-CH 2 -SH 1. Rechercher la place de l'élément chimique soufre dans la classification périodique (internet) et en déduire le nombre de liaisons covalentes que peut établir un atome de soufre. Justifier. 2. Donner alors les nombres et les types de liaisons possibles pour cet atome. 3. Combien de doublets non liants possède cet atome. Justifier. 4. Ecrire la représentation de Lewis de la molécule de sulfure d hydrogène H 2 S. 5. En déduire la géométrie de cette molécule. 6.a. Ecrire les formules développées du Z-but-2-ène-1-thiol et du E-but-2-ène-1-thiol. 6.b. Pourquoi n'ont-ils pas la même odeur? Correction exercice : Composés soufrés et mauvaises odeurs 1. L'élément Soufre se trouve dans la 3ème période, 16ème colonne. Sa structure électronique est donc K 2 L 8 M 6. Le soufre possède 6 électrons externes. Pour gagner en stabilité et satisfaire à la règle de l octet, l atome a besoin de 2 électrons. Il va donc réaliser 2 liaisons covalentes. 2. Cet atome peut réaliser soit 2 liaisons simples soit 1 liaison double. 3. L atome de soufre va réaliser 2 liaisons covalentes. Il lui reste donc 4 électrons externes qui vont donner 2 doublets non liants. 4. La représentation de Lewis de la molécule de sulfure d hydrogène H 2 S est : 5. Cette molécule sera coudée. 6.a. Les formules développées du Z-but-2-ène-1-thiol et du E-but-2-ène-1-thiol sont respectivement : 6.b. L'isomère Z et l'isomère E n'ont pas la même odeur car ce sont deux espèces chimiques qui ont les mêmes formules brutes mais des formules développées différentes et donc des propriétés physiques et chimiques différentes.

4 Exercice : Lampe à vapeur de lithium S entraîner : Interaction lumière / matière Lors d un TP, Léo utilise une lampe à décharge de lithium afin d obtenir son spectre. Il isole la radiation la plus lumineuse de longueur d onde λ = 571 nm. 1a. Quelle est la relation entre la longueur d onde de la radiation émise et sa fréquence (préciser les unités de chaque grandeur) 1b. Calculer la fréquence de cette radiation. 2a. Exprimer l énergie du photon associé à cette radiation. 2b. Calculer cette énergie en joules puis en électron volts. Le diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de lithium est donné ci-contre. 3a. L atome dans son état fondamental reçoit une radiation associée à un photon d énergie 3,38 ev. Cette radiation peut-elle interagir avec l atome? Pourquoi? 3b. Représenter sur le schéma ci-contre la transition associée. 3c. Que se passe-t-il pour l atome si, dans son état fondamental il reçoit une radiation associée à un photon d énergie 2,00 ev? Pourquoi? Données : h = 6,63x10-34 J.s 1 ev = 1,60x10-19 J Correction exercice : Lampe à vapeur de lithium 1a. La relation entre la longueur d onde de la radiation émise et sa fréquence est : λ = c / ν avec : - λ : longueur d onde de la radiation lumineuse en mètre (m) - c : célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00x10 8 m.s -1 - ν : fréquence de la radiation lumineuse en hertz (Hz). 1b. Calculons cette fréquence : ν = c / λ d où ν = 3,00x10 8 / 571x10-9 = 5,25x10 14 Hz. La fréquence de cette radiation est de 5,25x10 14 Hz. 2a. On sait que : E = h x ν avec : - E : énergie du photon en Joules J ; - h : constante de Planck h = 6,63 x J.s ; - ν : fréquence l onde associée au photon en hertz Hz. 2b. Calculons cette énergie : E = 6,63x10-34 x 5,25x10 14 = 3,48x10-19 J. L énergie du photon associé est de 3,48x10-19 J. On sait que 1 ev = 1,60x10-19 J. D où E = 3,48x10-19 / 1,60x10-19 = 2,18 ev. Cette énergie vaut 2,18 ev. 3a. Si cet atome reçoit une radiation de 3,38 ev, alors on se retrouve sur le niveau d énergie 2 soit -2,01 ev. Ce niveau existe bien donc le photon peut bien être absorbé. 3b. 3c. Si cet atome reçoit une radiation de 2,00 ev, alors on se retrouve sur le niveau équivalent à -3,39eV. Ce niveau n existe pas. Par conséquent, cet atome ne peut pas absorber la radiation correspondante.

5 S entraîner : Chimie organique Exercice 1 : Nomenclature 1. Nommer les molécules suivantes : 2. Ecrire la formule semi-développée de chacune des espèces chimiques suivantes en indiquant à quelle famille organique elles appartiennent. Méthanol / Pentan-2-ol / Acide 2-méthylhexanoïque / Butanal / 4-éthyloctan-2-one. Exercice 2 : L'oxydation du butan-1-ol a. Légender le schéma du montage. b. Représenter la formule semi-développée du butan-1-ol et préciser sa classe. c. Quelles espèces chimiques organiques peuvent se former lors de cette réaction? d. Quelle observation permet de dire que le test à la DNPH est positif et quelle information apporte ce test? e. En quoi ce test permet-il de préciser la réponse à la question c.? f. Quel autre test pourrait caractériser le groupe caractéristique obtenu? g. Sachant que l'ion permanganate appartient au couple d'oxydoréduction MnO 4 - / Mn 2+, écrire les deux demi-équations des couples d'oxydoréduction concernés par cette réaction puis l'équation de cette réaction.

6 Correction exercice 1 : Nomenclature 1. Nommer les molécules suivantes : 2-méthylpentane 2-méthylpropane 3-méthylbutan-2-ol 2-méthylbutanal 2-méthylpentan-3-one 2,2-diméthylpropan-1-ol 3-éthyl-2,2-diméthylhexane 2. Ecrire la formule semi-développée de chacune des espèces chimiques suivantes en indiquant à quelle famille organique elles appartiennent. Correction exercice 2 : L'oxydation du butan-1-ol