DST DE 1 ere S PHYSIQUE-CHIMIE. Série S

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1 DST DE 1 ere S PHYSIQUE-CHIMIE Série S DURÉE DE L ÉPREUVE : 3 h DATE : 17 Novembre 2017 L usage des calculatrices est autorisé Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 5 pages numérotées de 1 à 5, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres: I : Le dosage spectrophotométrique ( 7 points) II : L'arbre de Diane ( 4 points) III : Autour de la nébuleuse d'orion ( 9 points) 1/5

2 Exercice 1 : Dosage spectrophotométrique ( 7 points) Un spectrophotomètre a permis de tracer le spectre d'absorption d'une solution de dichromate de potassium de concentration C 0 = 6, mol/l. (figure 1 ci-dessous).la longueur de la cuve spectrophotométrie est de 1 cm. 1. Pourquoi peut on réaliser une spectrophotométrie? 2. Quelle est la couleur de la solution de dichromate de potassium? 3. A quelle longueur d'onde doit on régler le spectrophotomètre pour faire des mesures d'absorbance. 4. On réalise ensuite un tableau d'étalonnage en mesurant l'absorbance A pour différentes concentrations en ions dichromate Cr 2 O 7 2- à la longueur d'onde trouvée précédemment. C (mol/l) 2, , , , , A 0,22 0,46 0,89 1,33 1,82 5. Tracer la courbe de l'absorbance en fonction de la concentration sur le papier millimétré de l'annexe Donner la loi de Beer-Lambert. Est elle vérifiée d après la courbe? Justifier. 7. Déterminer la valeur et l'unité du coefficient d'extinction molaire de l'ion dichromate ε λ 8. On possède une solution de dichromate de potassium de concentration C 1 inconnue. On la dilue 10 fois. a. Proposer un protocole afin d'obtenir cette solution diluée. b. On mesure l'absorbance de la solution diluée. On trouve A 2 =1,60. Calculer la concentration C 2 de la solution diluée. Vérifier le résultat de ce calcul à partir de la courbe d'absorbance. En déduire la concentration C 1 de la solution initiale. Exercice II : L'arbre de Diane (4 points) Dans un tube à essais, on verse un volume V = 5,0 ml de solution de nitrate d'argent, Ag + (aq) + NO 3 - (aq), concentration molaire en ions argent C =0,20 mol.l -1. On immerge partiellement un fil. 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. L'équation de la réaction qui a lieu entre les ions argent et le métal cuivre s'écrit : 2 Ag + (aq) + Cu (s) 2 Ag (s) + Cu 2+ (aq) 1. Calculer, en mol, les quantités initiales des réactifs. 2. Compléter le tableau d'avancement donné en annexe Identifier le réactif limitant et calculer l'avancement maximal. 4. Déterminer les quantités de matière des espèces chimiques présentes dans la solution à l'état final. 5. Déterminer la quantité, puis la masse, d'argent déposé sur la partie immergée du fil de cuivre en fin de réaction. Données : M(Cu)=63.5 g/mol M(Ag)=107.9 g/mol 2/5

3 Exercice III : Autour de la nébuleuse d'orion désignée par Messier 42 (9 points) La nébuleuse d Orion, visible à l œil nu, ne révèle véritablement sa couleur qu'au télescope et après traitement d'images : elle est rougeâtre Document 1 : La grande nébuleuse d'orion Messier 42 C'est un nuage de gaz interstellaire constitué en majorité d'atomes d'hydrogène au sein duquel, en particulier, quatre étoiles très chaudes émettent un rayonnement riche en ultraviolets. Ces étoiles jeunes (environ ans) sont formées à partir de ce gaz. Elles ont des masses de l ordre de 2 à 15 fois la masse du Soleil. Ce nuage nous apparaît lumineux, de couleur rougeâtre. Les zones plus sombres de la nébuleuse sont constituées de fins grains de poussière qui absorbent le rayonnement produit par ces étoiles ainsi que par l hydrogène de la nébuleuse. Sous l'effet du rayonnement UV reçu, le gaz de la nébuleuse est partiellement ionisé. Les électrons se recombinent avec des noyaux d'hydrogène pour former des atomes excités qui se désexcitent progressivement avec émission de photons. Document 2: Messier 42 en quelques chiffres Distance à la Terre : 1344 années-lumière Document 3 : Spectre de la lumière issue de la nébuleuse d'orion Taille angulaire : 1 degré (2 fois le diamètre apparent de la Lune) Taille réelle : 24 années-lumière Composants principaux : hydrogène, hélium, azote, oxygène, carbone Densité : 1 atome par cm 3 Température du gaz : 50 K à 150 K Document 4: Types spectraux des étoiles Classe Température couleur Masse ( M/M soleil) O > K bleue >16 B K bleue-blanche Entre 2 et 16 A K blanche Entre 1.4 et 2.1 F K jaune-blanche Entre 1.04 et 1.4 G K jaune Entre 0.8 et 1.04 K K orange Entre 0.45 et 0.8 M < 3500 K rouge Entre Document 5 : Diagramme de niveaux d'énergie de l'hydrogène Document 7 : Données h=6, J.s -1 1eV=1, J Loi de Wien : λ max. T = 2, m.k λ max : longueur d'onde en m T : température en K 3/5

4 partie A : Spectres stellaires 1. Pour quelle raison le rayonnement des quatre étoiles de la nébuleuse est-il riche en UV? 2. A quel type spectral appartiennent les étoiles brillantes du trapèze d'orion? 3. Déterminer la longueur d'onde correspondante au maximum d'émission de ces étoiles aux deux températures limites. 4. Dessiner l'allure du spectre d'émission thermique de ce étoiles (loi de Planck). Est ce compatible avec le spectre du document 6? partie B : Spectre de la nébuleuse 5. a. Définir ce qu'est un état ionisé. b. Quelle est l'énergie minimale d'un photon en ev puis en Joules susceptible d'ioniser un atome d'hydrogène initialement dans son état fondamental? c. Quelle est la longueur d'onde dans le vide λ en nm de la radiation correspondante? d. Dans quel domaine des ondes lumineuses se situe-t-elle? e. En considérant que les étoiles illuminant la nébuleuse d'orion émettent principalement à une longueur d'onde à 25 nm, ces étoiles sont elles capables d'ioniser la nébuleuse? 6. Le spectre de la nébuleuse est il un spectre d'origine thermique? Comment pourrait on qualifier ce type de spectre? 7. Quelle est la couleur de la raie d'émission la plus intense du spectre de la nébuleuse d'orion? Expliquer la couleur rougeâtre de la nébuleuse d'orion. 8. Trouver à quelle transition cette raie correspond elle? 4/5

5 NOM : PRENOM : CLASSE : ANNEXE 1 ANNEXE 2 Équation de la réaction 2 Ag + (aq) + Cu (s) 2 Ag (s) + Cu 2+ (aq) avancement Quantités de matières initiales (mol) x=0 Quantités de matières présentes à la date t (mol) x Quantités de matières finales (mol) x = x max 5/5