BACCALAURÉAT GÉNÉRAL BLANC. L usage des calculatrices EST autorisé

Transcription

1 BACCALAURÉAT GÉNÉRAL BLANC S e s s i o n A v r i l PHYSIQUE - CHIMIE Série S DURÉE DE L ÉPREUVE : 2 h 00 L usage des calculatrices EST autorisé Les données sont en italique Ce sujet comporte deux exercices de CHIMIE et un exercice de PHYSIQUE présentés sur 7 pages numérotées de 1 à 7, annexes comprises. Les pages d annexes (page 6 et 7) SONT À RENDRE AVEC LA COPIE. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres : Exercice 1 : Évolution énergétique d un circuit RLC (4 pts) Exercice 2 : Transformations spontanées ou forcées? (4 pts) Exercice 3 : Étude de la pile Cuivre - Argent (3 pts) - 1/7 -

2 Exercice 1 : Évolution énergétique d un circuit RLC Au cours d une séance de travaux pratiques, un élève réalise le circuit schématisé ci-dessous (figure 1). Ce circuit est constitué des éléments suivants : -un générateur délivrant une tension continue constante de valeur E = 4,0 V ; -une résistance R réglable ; -un condensateur de capacité C = 2,0 µf ; -une bobine d inductance L et de résistance r. Un commutateur (K) permet de relier le dipôle (RC) soit au générateur, soit à la bobine. L entrée Y 1 d une interface, reliée à un ordinateur, est connectée à la borne A ; l autre entrée Y 2 est connectée à la borne D. La masse de l interface est connectée à la borne B. Les entrées Y 1, Y 2 et la masse de l interface sont équivalentes respectivement aux entrées Y 1, Y 2 et à la masse d un oscilloscope. Figure 1 1. Étude énergétique du condensateur Au cours de cette question, on étudie la charge du condensateur. À l instant de date t = 0 s, le condensateur est déchargé et on bascule le commutateur en position Tensions Représenter, sur la figure 1 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, par des flèches : -la tension u DB (t) aux bornes de la résistance ; -la tension u AB (t) aux bornes du condensateur Charge du condensateur Donner, en le justifiant, le signe de la charge q portée par l armature A du condensateur au cours de sa charge et la relation existant entre la charge q et la tension U AB En tenant compte de l orientation du circuit, donner la relation vérifiée à chaque instant par l intensité i(t) du courant et la charge q(t) À partir des expressions des tensions aux bornes des trois dipôles, établir l équation différentielle vérifiée par u AB (t) Vérifier que l expression suivante de u AB (t) est solution de cette équation différentielle : u AB (t) = E. 1 e t R.C 1.3. Énergie électrique E e emmagasinée par le condensateur Donner en fonction de u AB (t) l expression littérale de l énergie électrique E e emmagasinée par le condensateur En déduire l expression littérale E e,max de sa valeur maximale et calculer sa valeur. - 2/7 -

3 2. Étude énergétique du circuit RLC 2.1. Une fois le condensateur chargé, l élève bascule rapidement le commutateur (K) de la position 1 à la position 2 : il prend l instant du basculement comme nouvelle origine des dates. Le condensateur se décharge alors dans la bobine. L acquisition informatisée des tensions permet de visualiser l évolution des tensions u AB (t) et u DB (t) en fonction du temps. Après transfert des données vers un tableur - grapheur, l élève souhaite étudier l évolution des différentes énergies au cours du temps Exprimer littéralement, en fonction de i(t), l énergie magnétique E m emmagasinée dans la bobine À partir de l une des tensions enregistrées u AB (t) et u DB (t), donner l expression de l intensité instantanée i(t) En déduire l expression de l énergie magnétique emmagasinée dans la bobine en fonction de l une des tensions enregistrées En déduire l expression de l énergie totale E T du circuit en fonction des tensions u AB (t) et u DB (t). 2.2 À partir du tableur - grapheur, l élève obtient le graphe ci-dessous (figure 2) qui montre l évolution, en fonction du temps, des trois énergies : E e énergie électrique, E m, énergie magnétique et E T énergie totale. Figure Identifier chaque courbe en justifiant Quel phénomène explique la décroissance de la courbe 1? 3. Entretien des oscillations Pour entretenir les oscillations, on ajoute en série dans le circuit précédent un dispositif assurant cette fonction. On refait alors une acquisition informatisée Tracer sur la figure 3 EN ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE À LA COPIE, les deux courbes manquantes. Préciser ce que chacune des trois courbes représente Pourquoi un tel régime est-il qualifié d entretenu? - 3/7 -

4 Exercice 2 : Transformations spontanées ou forcées? Données : masse molaire atomique du cuivre : M(Cu) = 63,5 g.mol -1 ; faraday : 1 faraday = C.mol -1 ; charge électrique élémentaire : e = 1, C ; constante d Avogadro : N A = 6, mol 1. On considérera que 8, Réaction entre le cuivre métal et le dibrome en solution aqueuse. Dans un bécher, on verse 100 ml de solution aqueuse jaune de dibrome (Br 2 (aq)) telle que [Br 2 ] = 1, mol.l -1 et on y ajoute, sans variation de volume, de la poudre de cuivre en excès. On place sous agitation. Après filtration, on observe la disparition de la coloration jaune et on obtient un filtrat de couleur bleue. L équation de l équation associée à la transformation est : Cu (s) + Br 2(aq) = Cu 2+ (aq) + 2 Br (aq). La constante d équilibre associée à cette réaction est K 1 = 1, Donner l expression du quotient de réaction initial. Calculer sa valeur. 1.2.Dans quel sens le système va-t-il évoluer? Justifier la réponse. 1.3.La transformation est-elle forcée ou spontanée? 2. La solution aqueuse de bromure de cuivre (II). Dans un bécher, on verse 100 ml d une solution aqueuse de bromure de cuivre (II). Les concentrations des ions en solution sont : [Cu 2+ (aq)] = 0,50 mol.l -1 et [Br (aq)] =1,0 mol.l -1. Au sein de cette solution, on pourrait envisager une réaction entre les ions Cu 2+ (aq) et Br - (aq). L équation de cette réaction serait : Cu 2+ (aq) + 2 Br (aq) = Cu (s) + Br 2 (aq). La constante d équilibre associée à cette réaction est K 2 = 8, Calculer la valeur du quotient de réaction initial. 2.2.Quelle sera la valeur de ce quotient à l équilibre? 2.3.Justifier l affirmation "la solution aqueuse de bromure de cuivre (II) est stable". 3. Électrolyse de la solution aqueuse de bromure de cuivre (II). Pour conduire cette électrolyse, on réalise le montage représenté sur L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Étude qualitative Sur le schéma du montage représenté sur L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, est indiqué le sens conventionnel du courant électrique imposé par le générateur Identifier l anode et la cathode sur L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Écrire la demi équation de la réaction qui a lieu à l anode Écrire la demi équation de la réaction qui a lieu à la cathode Écrire l équation de la réaction d électrolyse La transformation associée à la réaction d électrolyse est-elle spontanée ou forcée? Aucune justification n est demandée Étude quantitative L électrolyse est effectuée pendant 1 heure avec un intensité constante I = 1,00 A. Calculer : La quantité d électricité Q qui a traversé la solution de bromure de cuivre (II) La quantité de matière (en mol) d électrons qui a été mise en jeu La quantité de matière (en mol) de cuivre qui s est formée. On pourra s aider d un tableau d évolution du système La masse de cuivre obtenue. - 4/7 -

5 Exercice 3 : Étude de la pile Cuivre - Argent À partir des couples oxydant/réducteur Cu 2+ (aq)/cu (s) et Ag + (aq)/ag (s) on peut envisager deux transformations dont les réactions peuvent être schématisées par les équations suivantes : Cu (s) + 2 Ag + (aq) = 2 Ag (s) + Cu 2+ (aq) (1) Cu 2+ (aq) + 2 Ag (s) = 2Ag + (aq) + Cu (s) (2) Les constantes d équilibres de ces réactions sont K 1 = 2, et K 2 = 4, A Transformation chimique spontanée par transfert direct d électrons Un élève réalise l expérience dont le protocole est donné ci-dessous : - Verser dans un bécher un volume V 1 = 50 ml de solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire C 1 = 1,0 mol.l -1 et un volume V 2 = 50 ml d une solution aqueuse de nitrate d argent de concentration molaire C 2 = 0,50 mol.l -1. La solution de sulfate de cuivre est bleue, celle de nitrate d argent incolore. - Plonger un fil d argent et ajouter 3 g de poudre de cuivre de couleur rouge. - Agiter - Filtrer la solution obtenue et observer sa couleur. L élève note dans son compte rendu de TP: "On observe un léger dépôt gris et une intensification de la coloration bleue" 1. Parmi les deux réactions possibles quelle est celle associée à la transformation chimique du système? 2. Rappeler le critère d évolution spontanée. 3.Calculer le quotient de réaction initial puis, en appliquant le critère d évolution spontanée, montrer que le sens d évolution prévu est compatible avec les observations expérimentales de l élève. B Constitution et fonctionnement de la pile cuivre-argent en circuit fermé On dispose : - d un fil de cuivre, - d un fil d argent, - d une solution de sulfate de cuivre (II) de volume V 1 = 50 ml et de concentration molaire C 1 = 1,0 mol.l -1, - d une solution de nitrate d argent de volume V 2 = 50 ml et de concentration molaire C 2 = 1,0 mol.l -1, - d un papier imbibé de nitrate de potassium pouvant constituer un pont salin. 1. Faire un schéma de la pile réalisable avec le matériel donné ci-dessus 2. On observe dans le circuit extérieur le passage d un courant électrique de l électrode d argent vers l électrode de cuivre. a) Préciser sur votre schéma le sens de circulation des électrons dans le circuit et la polarité des électrodes. b) Écrire les équations des réactions modélisant les transformations ayant lieu à chaque électrode. c) Écrire l équation de la réaction associée à la transformation ayant lieu dans la pile. d) La pile cuivre argent en fonctionnement est-elle un système dans l état d équilibre ou hors équilibre? Justifier en utilisant le critère d évolution spontanée. - 5/7 -

6 ANNEXES 1. Étude énergétique du condensateur ANNEXE DE L EXERCICE 1 Figure 1 3. Entretien des oscillations Figure 3-6/7 -

7 ANNEXE DE L EXERCICE 2 E A + I nom de l'électrode :.. électrodes de graphite nom de l'électrode :.. Solution de bromure de cuivre (II) - 7/7 -