² République Tunisienne Devoir de Synthèse n 3 Prof : HEMLI.F

Transcription

1 ² République Tunisienne Devoir de Synthèse n 3 Prof : HEMLI.F Ministère de l éducation De Sciences physiques et de la formation Classe : 4 Sc Durée: 3 heures Date : Le 11/5/29 N.B : Il sera tenu compte de la présentation de la copie. L épreuve comporte deux exercices de chimie et trois exercices de physique répartis sur5 pages. Chimie : Pile Physique : Spectres & interactions onde matière & Radioactivités (7 Points) Exercice n 1(4points) Les potentiels normaux des couples redox Pb 2+ /Pb et Zn 2+ /Zn sont respectivement à 25 C : E,13 V et E,76 V ( Pb / Pb) ( Zn / Zn) 1. On réalise une pile avec les couples redox précédents tels que Zn 1 mol. L conformément au schéma de la figure suivante Pb 1 mol. L et K R ma Zn Pb Zn 2 + (1 M) Pont salin Pb 2 + (1M) a. Donner le symbole de la pile ainsi réalisée. b. Ecrire l équation chimique associée à cette pile. c. Calculer sa force électromotrice E 1 avant de fermer l interrupteur (k). 2. On réalise de nouveau la même pile que précédemment dans la quelle Pb mais on choisit 1 mol. L 2 Zn C mol. L telle que la mesure de sa f.e.m, avant de fermer l interrupteur (k), donne E 2 =,65V a. Calculer la valeur C de la concentration des ions Zn 2+. b. Ecrire l équation de la réaction spontanée qui se produit quand cette pile débite du courant électrique dans le circuit extérieur. c. Déterminer la valeur de la constante d équilibre relative à cette réaction chimique associée à la pile. 3. Lorsque l'équilibre dynamique est atteint, on ajoute de la soude dans la demi-pile de droite. On constate qu'il se forme un précipité blanc (hydroxyde de plomb Pb(OH) 2. Expliquer l'effet de cette opération sur la valeur de la f.e.m. de la pile et écrire l'équation de la réaction spontanée qui se produit lorsque la pile débite Page 1 sur 5 H.F 7/8

2 Exercice n 2 (3Points) texte documentaire : La pile à combustible à hydrogène Dans son principe, le fonctionnement d'une pile à hydrogène est simple. En présence de platine, une molécule d'hydrogène (H 2 ) cède deux électrons au métal (anode) et se dissocie en couple de proton : H 2 2H e - Ensuite, quand ces protons percutent un atome d'oxygène en présence d'un métal capable de céder deux électrons (cathode), il se forme une molécule d'eau. 2 H + + 1/2 O e - H 2 O Une seule pile ne produit qu'une tension de 1,23 V au plus entre ces électrodes. Les qualités générales de la pile à hydrogène en font un bon candidat pour fournir de l'énergie nécessaire à nos véhicules. Non polluantes et d'un rendement énergétique élevé, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie, elle contribue aux efforts écologiques. Deux problèmes subsistent cependant : d'abord celui du prix, ensuite celui du stockage de l'hydrogène à bord du véhicule. Prenons par exemple les 3 kg de dihydrogène qu'on estime nécessaires pour parcourir 5 km à une vitesse raisonnable. A la pression atmosphérique, cette quantité de gaz occupe un volume de 36 m 3. Extrait du magazine Sciences et Vie, numéro hors série, p14, mars 21. Questions : 1 ) a- Rechercher dans le document quels sont les réactifs et le(s) produit(s) de ce type de pile? b- Ecrire l'équation de la réaction qui se produit dans cette pile et préciser ces polarités 2 ) Pour quelles raisons ces piles semblent-elles prévues à un grand avenir? 3 ) Qu'est ce qui freine encore leurs développement? 4 ) Le platine intervient-il dans la réaction? Quel est son rôle? (13 Points) Exercice n 1(5 Points) Données : Célérité de la lumière dans le vide C=3.1 8 m.s -1 Constante de Planck : h= 6, J.s Electron volt : 1eV = 1, J Nano mètre : 1nm = 1-9 m L analyse de la lumière émise par une lampe à vapeur d hydrogène révèle un spectre formé de raies colorées correspondent à des longueurs d onde bien déterminées Rouge Bleu Indigo Violet I-) Indiquer si le spectre obtenu est un spectre d émission ou bien un spectre d absorption et s il est continu ou bien discontinu. II-) Le tableau suivant présente quelques-unes des caractéristiques des raies observés Page 2 sur 5

3 Nom de raies H H H H Couleur Rouge Bleu indigo violet Longueur d onde nm) Fréquence Hz) 4, , Reproduire et compléter le tableau ci-dessus 2. Dans quel domaine de longueur d onde se situent les radiations des raies observées. Sachant que le spectre visible de la lumière blanche 4nm < < 8nm III-) Pour interpréter les raies spectrales de l atome d hydrogène, le modèle de Bohr impose à cet atome une énergie quantifiée E n n avece, ev où E n est l énergie en (ev) et n un entier naturel non nul 1. Sur le diagramme de la figure n 1, sont portés quelques uns des niveaux d énergie de l atome d hydrogène (diagramme simplifiée) a. Calculer les énergies E 1 et E 3 en (ev) puis en joules joule b. Compléter le diagramme de la figure n 1 en indiquant les valeurs de E 1 et E 3 et les termes (état fondamentale, état excité et état ionisé) 2. Le physicien / mathématicien suisse Balmer, Johann Jakob ( ), découvre en 1885, une formule mathématique simple qui donne les valeurs des longueurs d onde d une série de quatre raies de spectre de l hydrogène vérifiant la relation suivante h.c n, (n= 3, 4, 5, 6) h constante de Planck et C la célérité de la lumière E n dans le vide a. Montrer la relation précédente de Balmer b. Déterminer à quelles transitions électroniques correspondent les quatre raies c. Représenter sur le diagramme de la figure n 1 les transitions entre les différents niveaux d énergie de l atome d hydrogène pour ces quatre raies IV-) On fournit successivement à un atome d hydrogène, pris dans son état fondamentale les quanta d énergies suivants : a) E =6 ev ; b) E = 12,75 ev ; c) E =18 ev Dans quels cas l atome pourra-t-il absorber l énergie fournie et dans quel état se trouvera-t-il? Exercice n 2(4Points) 1. A l'aide du vibreur, on crée des ondes progressives sinusoïdales de fréquence N à la surface de l'eau. Le phénomène observé possède une longueur d onde. a) Définir la longueur d onde. b) Quelle relation existe-t-il entre la longueur d onde, la fréquence N et la célérité v des ondes observées? 2. A l'aide de la figure n 2, déterminer la longueur d'onde 1 et calculer la célérité v 1 des ondes sachant que pour cette expérience 1 la fréquence des vibrations est N 1 = 8 Hz. 3. Une expérience 2 est réalisée à une fréquence différente N 2 = 17 Hz. a) A l'aide de la figure n 3, montrer que la célérité des ondes varie avec leur fréquence. b) Comment appelle-t-on ce phénomène? Page 3 sur 5

4 c) Décrire une expérience permettant d'observer ce phénomène avec des ondes lumineuses. 4. Pour étudier l'influence de la profondeur h de l'eau sur la célérité des ondes, on place sur le fond de la cuve une plaque (P) de plexiglas transparent. On délimite ainsi des zones de profondeur h et h' (h'<h). On génère des ondes incidentes planes sinusoïdales de fréquence N = 11 Hz. Montrer, en utilisant la figure n 4, que la célérité des ondes dépend de la profondeur de l'eau. vibreur h' h P 5. On remplace la plaque P par une plaque P', on obtient la figure n 5. Quel phénomène observe-t-on? Qu appel-t-on l onde ainsi obtenu. Exercice n 3(5 points) Le laboratoire d'un lycée possède une source radioactive naturelle de césium 137. Cette source émet des particules + et de rayonnement. 1) a- Quelle est la composition du noyau Cs. b- Ecrire l'équation bilan de la réaction nucléaire, en identifiant le noyau fils formé, tout en précisant les lois de conservations utilisées On donne les numéros atomiques Z de quelques éléments chimiques : I Xe Cs Ba La c- En se référant aux nombre de neutrons et des protons des noyaux de césium et fils formé, montrer que cette particule + résulte de la transformation dans le noyau d un proton en un neutron. Ecrire l équation correspondante. d- Quelle est la nature du rayonnement émis? Quelle est son origine? 2) On donne la loi de décroissance radioactive : N (t) = N o e -t. a) Donner la signification de chacune des termes suivantes : N(t), N o et. b) Définir lla période radioactive T d une substance radioactive. c) Etablir la relation entre et T. Préciser leurs unités. 3) La courbe de la figure n 6 donnant la variation de l activité A du césium en fonction du temps, est donnée ci-dessous: l origine du temps t=, correspond à l année 198. a) Définir l activité radioactive A(t) d un noyau radiactif. b) Exprimer A(t) en fonction de, N et t. c) Déduire en s aidant du graphe, les valeurs de : - A activité initiale, la période radioactive T, et N d) Calculer l'activité de la source en l an 2. Vérifier ce résultat graphiquement. Page 4 sur 5

5 ANNEXE (à rendre avec la copie) Nom :.. N : E = énergie (ev) E 6 =,377 n= 6 E 5 = -,544 n = 5 E 4 = -,85 n = 4 E 3 =. E 2 = -3,4 E 1 = Figure n 1 n... n = 2 n = 3. n = 1 4 A 9( 2 1 Bq ) t (année) Figure n 6 Figure n 2 Figure n 3 Figure n 4 Figure n 5 Page 5 sur 5