Contrôle continu n 1 : Physique-Chimie. ==========Chimie==========

Transcription

1 IA Thiès/LMND de MEKHE Année scolaire : Cellule des sciences physiques Terminale S2 (2 ème semestre) Mr DIOUF Contrôle continu n 1 : PhysiqueChimie ==========Chimie========== PROBLEME1 : Un acide carboxylique saturé A réagit sur un monoalcool saturé B pour donner un ester E. Un certain volume de solution aqueuse contenant m = 0,40 gramme de l acide A est dosé par une solution d hydroxyde de sodium de concentration molaire volumique C b = 0,5 mol/l. Le volume de la solution d hydroxyde de sodium qu il faut verser pour atteindre l équivalence est de Vb = 17,4 ml. L alcool B peut être obtenu par hydratation d un alcène. L hydratation de 5,6 grammes d alcène produit 7,4 grammes d alcool B. L oxydation de l alcool B donne un composé organique qui réagit avec la D.N.P.H, mais ne réagit pas avec la liqueur de Fehling. 1. Déterminer les formules semi développées des composés A, B et E. Préciser la classe du composé B. 2. Ecrire l équation bilan de la réaction entre les composés A et B. 3. À une température T, on prépare plusieurs tubes, au contenu identique. Dans chaque tube, on mélange mole de l acide et mole de l alcool B, l ensemble occupant un volume total de 5,9 ml. A une date t, on détermine par une méthode appropriée le nombre de mole(s) d acide restant dans un tube et on obtient le tableau de valeur cidessous. t(min) n a mmol ,2 24, ,3 16,8 15, [ester](m) 3.1. Tracer la courbe représentative de l évolution de la concentration de l ester E formé au cours du temps. Echelle : 1 cm pour 0,5 mol/l et 1 cm pour 4 min 3.2 Définir la vitesse instantanée d apparition de l ester E 3.3 Déterminer la valeur de cette vitesse aux dates t 0 = 0 min et t 1 = 20 min. 3.4 Interpréter l évolution de la vitesse d apparition de cet ester au cours du temps. 3.5 Montrer, justification à l appui, que la réaction entre les composés A et B n est pas totale. 3.6 Déterminer, alors, la composition du système final obtenu. PROBLEME 2 : Etude cinétique de la dismutation de l'eau oxygénée L'eau oxygénée commerciale est une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène utilisée comme désinfectant pour des plaies, pour l'entretien des lentilles de contact ou comme agent de blanchiment. Le peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ) intervient dans deux couples oxydantréducteur : H 2 O 2 (aq) / H 2 O(l) et O 2 (g) / H 2 O 2 (aq). Le peroxyde d'hydrogène est capable dans certaines conditions de réagir sur luimême c'est à dire de se dismuter selon l'équation de réaction suivante : 2 H 2 O 2 (aq) = 2 H 2 O (L) + O 2 (g) (réaction 1) Cette réaction est lente à température ordinaire mais sa vitesse peut être augmentée en présence d'un catalyseur. Données : Volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience : Vm 25 L.mol 1. La partie 3 est indépendante des parties 1 et 2. Partie 1 : 1.1 Ecrire les deux demiéquations d'oxydoréduction des deux couples auxquels le peroxyde d'hydrogène appartient. 1.2 Dresser le tableau d'évolution du système comme l indique l annexe. 1

2 Partie 2 : L'eau oxygénée du commerce se présente en flacons opaques afin d'éviter que la lumière favorise la transformation chimique précédente. Le flacon utilisé dans cette étude porte la mention suivante : eau oxygénée à 10 volumes. Cette indication est appelée le titre de l'eau oxygénée. Par définition, le titre est le volume de dioxygène (exprimé en litres) libéré par un litre de solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène suivant la réaction de dismutation dans les conditions normales de température et de pression (réaction 1). On considérera, en première approximation, que les conditions de l'expérience sont assimilables aux conditions normales. Avant de réaliser le suivi cinétique de la réaction de dismutation, on désire vérifier l'indication donnée sur le flacon concernant le titre de l'eau oxygénée de la solution commerciale utilisée. 2.1 Calcul de la valeur attendue de la concentration en peroxyde d'hydrogène Par définition du titre de l'eau oxygénée, quel volume de dioxygène V(O 2 ) serait libéré par un volume V = 1,00 L de la solution commerciale au cours de la réaction de dismutation du peroxyde d'hydrogène? Calculer la quantité de dioxygène formé au cours de cette transformation La transformation précédente étant considérée comme totale, vérifier que la concentration en peroxyde d'hydrogène notée [H 2 O 2 ] th de cette solution commerciale (valeur théoriquement attendue) a pour valeur : [H 2 O 2 ] th = 8,0 x 10 1 mol.l Détermination de la valeur réelle de la concentration en peroxyde d'hydrogène. Pour vérifier la valeur de la concentration précédente, on réalise le titrage d'un volume V 0 = 10,0 ml de cette solution par une solution de permanganate de potassium acidifiée de concentration en soluté C 1 = 2,0 x 10 1 mol L 1. Les couples oxydantréducteur intervenant au cours du titrage sont MnO 4 (aq) / Mn + + (aq) et O 2 (g) / H 2 O 2 (aq). Le volume de permanganate de potassium versé pour obtenir l'équivalence est V eq =14,6 ml. L'équation de la réaction de titrage est la suivante : 5 H 2 O 2 (aq) + 2 MnO 4 (aq) + 6 H 3 O + (aq) = 5 O 2 (g) + 2 Mn + + (aq) + 14 H 2 O (L) (réaction 2) L'ion permanganate MnO 4 (aq) donne une coloration violette aux solutions aqueuses qui le contiennent. Comment l'équivalence estelle repérée au cours du titrage? Quelle relation peuton écrire entre la quantité initiale de peroxyde d'hydrogène se trouvant dans le bécher n 0 (H 2 O 2 ) et la quantité d'ions permanganate introduits dans le bécher à l'équivalence n eq ( MnO 4 )? Donner l'expression de la concentration en peroxyde d'hydrogène de la solution commerciale [H 2 O 2 ] exp en fonction de C 1, V 0 et V eq Montrer que l'on a : [H 2 O 2 ] exp = 7,3 x 10 1 mol.l Comparer à la valeur obtenue à la question 1.3. Les erreurs de manipulation mises à part, comment peuton expliquer l'écart de concentration obtenu? Partie 3 : La dismutation du peroxyde d'hydrogène est une réaction lente mais qui peut être accélérée en utilisant par exemple des ions fer III Fe (aq) présents dans une solution de chlorure de fer III, un fil de platine ou de la catalase, enzyme se trouvant dans le sang. L'équation de la réaction associée à cette transformation est donnée dans l'introduction (réaction 1). 3.1 Donner la définition d'un catalyseur. 3.2 À quel type de catalyse correspond la catalyse réalisée par un fil de platine? La transformation étudiée est catalysée par les ions fer III. On mélange 10,0 ml de la solution commerciale d'eau oxygénée avec 85 ml d'eau. A l'instant t = 0 s, on introduit dans le système 5 ml d'une solution de chlorure de fer III. Au bout d'un temps déterminé, on prélève 10,0 ml du mélange réactionnel que l'on verse dans un bécher d'eau glacée. On titre alors le contenu du bécher par une solution de permanganate de potassium afin de déterminer la concentration en peroxyde d'hydrogène se trouvant dans le milieu réactionnel. On obtient les résultats suivants : 2

3 3.3 Tracer sur la feuille de papier millimétré à remettre avec la copie l'évolution de la concentration en peroxyde d'hydrogène en fonction du temps. Echelles : en abscisses 2 cm pour 5 min en ordonnées 2 cm pour 1 x 10 2 mol.l En utilisant le tableau d'évolution du système proposé en annexe, exprimer l'avancement de la transformation (t) en fonction de n t (H 2 O 2 ) quantité de peroxyde d'hydrogène présent à l'instant t et de n 0 (H 2 O 2 ) quantité initiale de peroxyde d'hydrogène. 3.5 La vitesse volumique v de la transformation chimique est définie comme étant le rapport de la dérivée de l'avancement X (t) en fonction du temps par le volume V du système : En utilisant la relation obtenue à la question 4, montrer que cette vitesse v peut être exprimée par la relation suivante : 3.6 En s'aidant de la relation précédente et de la courbe d'évolution de la concentration en eau oxygénée en fonction du temps, indiquer comment évolue la vitesse de la transformation chimique au cours du temps. Expliquer le raisonnement. 3.7 Comment peuton expliquer que la vitesse évolue de cette manière au cours de la transformation? 3.8 Donner la définition du temps de demiréaction t 1/ Montrer que lorsque t = t 1/2 alors [H 2 O 2 ] = [H 2 O 2 ] 0 et en déduire graphiquement la valeur de t 1/ Si la transformation chimique étudiée avait été réalisée à une température plus élevée, comment aurait évolué le temps de demiréaction? Justifier. ANNEXE DE L'EXERCICE Question 1.2 (tableau d'évolution du système) 3

4 ========== Physique========== PROBLEME 1: Rappels : A l intérieur d un solénoïde. Le sens de est donné par la règle de la main droite. Un solénoïde comporte 2000 spires par mètre et renferme dans sa région centrale une aiguille aimantée, placée sur pivot. Son axe horizontal est placé perpendiculairement au plan du méridien magnétique terrestre. On donne la valeur de la composante horizontale du champ magnétique terrestre B H = T. 1 Indiquer sur un schéma la direction et le sens de. Représenter la position initiale de l'aiguille lorsque aucun courant ne traverse le solénoïde. 2 On lance un courant d'intensité I = 5 ma. L'aiguille dévie d'un angle α. Calculer la valeur du champ magnétique créé par la bobine. Représenter les vecteur, et le vecteur somme = +. Calculer la valeur de l'angle α. 3 On désire maintenant annuler le champ horizontal total à l'intérieur du solénoïde. Faire un schéma indiquant la position à donner au solénoïde et le sens du courant qui le parcourt. Déterminer l intensité I 0 de ce courant. La position de l aiguille est alors indifférente. Préciser pourquoi. 4 On double la valeur du courant I = 2 I 0. Préciser la position d équilibre de l aiguille. 5 La composante verticale du champ magnétique terrestre qui n intervenait pas cidessus vaut 4, T. En déduire l inclinaison β du champ terrestre par rapport à l horizontale. PROBLEME 2 : On admet que la Terre a une répartition de masse à symétrie sphérique. Elle est considérée comme une sphère de centre O, de rayon R = 6370 km et de masse M = 5, kg. Le constante de gravitation universelle est G = 6, N. kg2. m2 Un satellite, assimilé à un point matériel, décrit une orbite circulaire de rayon r dans le plan équatorial, autour de la Terre. 1) Montrer que le mouvement du satellite est uniforme. 2) Etablir l'expression de sa vitesse v en fonction de r, M et G. En déduire l'expression de la période T du mouvement du satellite en fonction de r, M et G. 3) Les données suivantes constituent un extrait de la fiche technique de la mission de la navette spatiale américaine DISCOVERY pour l'étude environnementale sur l atmosphère moyenne de la Terre : Masse de la navette en orbite : m = 69, kg. Altitude moyenne h = 296 km. Nombre d'orbites n = 189. (nombre de tours effectués par DISCOVERY de sa date de lancement jusqu'à la date d'atterrissage). 3.1 Déterminer à partir des données techniques, les valeurs numériques de la vitesse et de la période (après l avoir définie)du mouvement de la navette spatiale DISCOVERY. 3.2 La navette a atterri le 18 Août 1997 à Kennedy Space Center. Déterminer la date de lancement de la navette, on négligera les durées de la mise sur orbite et de l'atterrissage. 4) DISCOVERY a atterri le 18 août 1997, à la date t = 7 h 07 min. Dans la phase d'approche à l'atterrissage, moteurs à l'arrêt, la navette est soumise à son poids et aux forces de frottement de l'air. On trouvera cidessous la valeur de sa vitesse à différentes dates. Date Altitude (km) Vitesse (m.s1) T1 = 6 h 59 min 54, T2 = 7 h 04 min 11,58 223,5 On prendra g = 9,7 m. s2 pendant toute la phase d'approche Calculer le travail du poids du DISCOVERY entre les dates t1 et t2. 4

5 4.4.2 En utilisant le théorème de l'énergie cinétique, calculer le travail des forces de frottement de l'air sur DISCOVERY entre les instants t1 et t2 de la phase d'approche à l'atterrissage. PROBLEME 3: Les parties A B sont indépendantes. Partie A Le solide S de masse m=0,5 kg peut glisser sans frottements le long de la tige Ox (O fixe). On fait tourner l'ensemble autour de l'axe Oz à vitesse angulaire ω =5 rad s 1 constante. Raideur k=100n m 1. g=10 ms 2. Longueur à vide du ressort l 0 =1 m. 1. Quel est l'allongement du ressort? 2. Même question le ressort est incliné (en O) d'un angle α =30 sur l horizontale. 3. Dans ce dernier cas déterminer la tension T du ressort et l'action de la tige R. Partie B Une voiture de course démarre du stand de ravitaillement et accélère uniformément de 0 à 35 m/s en 11 secondes, en roulant sur une piste circulaire de rayon 500 m. 1. Calculer l'accélération tangentielle et l'accélération radiale si v =30m/s. Les représenter sur un petit arc. 2. Déterminer la direction et l'intensité de la force qui s'exerce sur le pilote. La représenter. 5