Devoir sciences physiques (mars 2010)

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1 Devoir sciences physiques (mars 2010) Données : m(proton) = m(neutron) =1, kg ; charge du proton : e = +1, C ; charge de l'électron : -e = -1, C I) Le fer (7,5pt) : Fe (Z=26, A=56) 1 Donner les définitions suivantes : nombre de masse, numéro atomique, nucléon, isotopes.(2pt) 2 Donner la composition (nombre de protons, neutrons, électrons) d un atome de fer.(0,5pt) 3 Donner la composition d un ion Fe 3+. (0,5pt) 4 Déterminer la masse d un atome de fer. (1pt) 5 Combien d atomes de fer trouve-t-on dans 10g de fer? (1pt) 6 Calculer la charge du noyau de l atome de fer. (0,5pt) 7 Quelle est la charge globale d'un atome de fer? (0,5pt) 8 Calculer la charge globale d un ion fer III (Fe 3+ ). (0,5pt) 9 La masse volumique du fer est ρ = 7,87 g.cm -3. ( ρ = masse/volume) Calculer le volume occupé par 10g de fer. (1pt) II) (3,5pt) On considère 4 entités (atomes ou des ions) dont les constitutions sont données dans le tableau suivant : Nucléons Électrons (e - ) Quelle est la donnée manquante qui permettrait d'identifier rapidement le nom de ces entités. (0,5 pt) 2 On vous propose les indices suivants : - L'une des espèces chimiques est chargée 3+, les autres sons des atomes. - Il y a deux atomes isotopes - B possède 14 neutrons - L'entité d est chimiquement stable (gaz «rare» ou «noble») Identifier chaque entité par son nom et son symbole (préciser son nombre de proton et de neutron). Aucune justification n'est demandée. (3pt) III) Molécule d'acide aminé (5pt) : Les acides aminés sont à la base des protéines essentielles à notre corps. L'aniline en est un. Cette molécule est composée de deux de carbone, de cinq atomes d'hydrogène, de deux atomes d'oxygène et d'un atome d'azote (N). 1 Donner la formule brute de cette molécule. (0,5pt) 2 Donner la structure électronique de chacun de ses atomes. En déduire leur valence. (1,5pt) 3 Donner la formule développée de l'aniline en sachant que : (1pt) - les atomes de carbone sont liés entre eux - les atomes d'oxygène et l'atome d'azote ne sont pas reliés au même atome de carbone. - un des atomes d'oxygène possède une double liaison. 4 Donner la représentation de Lewis de l'aniline (1pt) 5 Rechercher une molécule isomère de l'aniline et donner sa représentation de Lewis (On ne prend pas en compte les indices du 3 ) (1pt) IV) Principe d'inertie-chute libre (4pt). On cherche a étudier le mouvement de chute libre d une bille dans l air dans une salle de cours. Cette bille est lâché sans vitesse initial depuis une hauteur de 3m par rapport au sol à l instant t=0s. On néglige les frottements de l air. On relève la distance d de chute de la bille à différents instants t. 1 Enoncer le principe d inertie (1pt) 2 Expliquer pourquoi le principe d'inertie est vérifié dans cette expérimentation (1pt) 3 Tracer d en fonction de t 2. (1pt) 4 Proposer une relation mathématique littérale reliant d à t 2 et faisant intervenir une constante notée k. Justifier le choix de votre relation. Donner la valeur de k ainsi que son unité. (1pt) Proverbe bouddhiste : «Si toi y en a travailler, toi y en a réussir sans te fatiguer!!»

2 Correction Ex I : Le fer : Fe (Z=26, A=56) m(proton) = m(neutron) =1, kg ; e(charge élémentaire) = 1, C 1 Donner les définitions suivantes : nombre de masse, numéro atomique, nucléon, isotopes(2pt) 2 Donner la composition (nombre de protons, neutrons, électrons) d un atome de fer.(0,5pt) 3 Donner la composition d un ion Fe 3+. (0,5pt) 4 Déterminer la masse d un atome de fer. (1pt) 5 Combien d atomes de fer trouve-t-on dans 10g de fer? (1pt) 6 Calculer la charge du noyau de l atome de fer. (0,5pt) 7 Quelle est la charge globale d'un atome de fer? (0,5pt) 8 Calculer la charge globale d un ion fer III (Fe 3+ ). (0,5pt) 9 La masse volumique du fer est ρ = 7,87 g.cm -3. ( ρ = masse/volume) Calculer le volume occupé par 10g de fer. (1pt) 1 nombre de masse : nombre de particules dans le noyau c'est à dire nombre de nucléons (protons + neutrons) numéro atomique : nombre de protons nucléons : ce sont les particules du noyau (protons et neutrons) isotopes : atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Exemple : Fe et Fe 2 Fe : (56 nucléons (dont 26 protons et et 30 neutrons) et 26 électrons) 3 Fe 3+ : (26 protons, 30 neutrons, 23 électrons) 4 On néglige la masse des électrons m = 56.1, = 9, kg 5 10g = 0,01 kg on a 0,01/(9, ) = 1, atomes de fer dans 1 kg de fer. 6 charge du noyau = 26.1, = 4, C 7 L'atome est électriquement neutre (autant de protons que d'électrons). Sa charge est nulle. 8 Fe 3+ contient 26 protons et 23 électrons. Sa charge globale sera donc positive et égale à la charge de 3 protons soit 3.1, = 4, C 6 ρ = masse/volume donc volume = masse/ ρ volume = 10/7,87 volume = 1,27cm 3 = 1,27 ml Ex II : On considère 4 entités (atomes ou des ions) dont les constitutions sont données dans le tableau suivant : Nucléons

3 Électrons (e - ) Quelle est la donnée manquante qui permettrait d'identifier rapidement le nom de ces entités. Le numéro atomique Z (ou nombre de protons) 2 On vous propose les indices suivants : - L'une des espèces chimiques est chargée 3+, les autres sons des atomes. - Il y a deux atomes isotopes - B possède 14 neutrons - L'entité d est chimiquement stable (gaz «rare» ou «noble») Identifier chaque entité par son nom et son symbole (préciser son nombre de proton et de neutron). Aucune justification n'est demandée. B possède = 13 protons, son numéro atomique est Z = 13. Cette élément est l'aluminium Al. L'entité B possède 10 électrons contre 13 protons. Cette entité est un ions : Al 3+. Les autres entités sont donc des atomes. A et C possèdent 8 électrons donc 8 protons (car se sont des atomes). Ce sont des atomes d'oxygène (isotope 8 et 10) D possède 10 protons, il s'agit du néon Ne. nom Oxygène Ion aluminium oxygène néon symbole O Al 3+ O Ne Nb de protons Nb de neutrons Ex III : Molécule d'acide aminé : Les acides aminés sont à la base des protéines essentielles à notre corps. L'aniline en est un. Cette molécule est composée de deux de carbone, de cinq atomes d'hydrogène, de deux atomes d'oxygène et d'un atome d'azote (N). 1 Donner la formule brute de cette molécule. C 2 5 O 2 N 2 Donner la structure électronique de chacun de ses atomes. En déduire leur valence. C : (K) 2 (L) 4 valence : 4 : (K) 1 valence : 1 O : (K) 2 (L) 6 valence : 2 N : (K) 1 (L) 5 valence : 3 3 Donner la formule développée de l'aniline en sachant que : - les atomes de carbone sont liés entre eux - les atomes d'oxygène et l'atome d'azote ne sont pas reliés au même atome de carbone.

4 - un des atomes d'oxygène possède une double liaison. O C C N O 4 Donner la représentation de Lewis de l'aniline On ajoute deux doublets non liants sur chacun des oxygènes et un doublet non liant sur l'azote. 5 Rechercher une molécule isomère de l'aniline et donner sa représentation de Lewis (On ne prend pas en compte les indices du 3 ) Il existe plusieurs solutions pourvu que l'on respecte les règles sur le nombre de liaisons pour chacun des atomes. Ex IV : Principe d'inertie et chute libre On cherche a étudier le mouvement de chute libre d une bille dans l air dans une salle de cours. Cette bille est lâché sans vitesse initial depuis une hauteur de 3m par rapport au sol à l instant t=0s. On néglige les frottements de l air. On relève la distance d de chute de la bille à différents instants t. 1 Enoncer le principe d inertie Le centre d inertie d un mobile soumit à des forces extérieures qui se compensent est soit immobile soit en mouvement rectiligne uniforme. Le centre d inertie d un mobile soumit à des forces extérieures qui ne se compensent pas n'est ni immobile ni en mouvement rectiligne uniforme. 2 Appliquer ce principe à la chute de la bille. Que peut-on en déduire. Ici la bille est soumise à l attraction terrestre. Aucune force ne vient compenser cette force. La bille n a pas un mouvement rectiligne uniforme. Son mouvement est ici rectiligne accéléré. 3 Tracer d en fonction de t 2. On trouve une droite passant par l origine.

5 4 Proposer une relation littérale reliant d à t et faisant intervenir une constante notée k (justifier) D après le 3 d est proportionnelle à t 2. On peut donc écrire comme relation littérale : d = k.t 2 t 2 en s 2 0 0,01 0,09 0,25 0,49 d/t 2 Non défini 4,9 4,9 4,9 4,9 Calcul de la constante k : K = d/t2 k = 4,9 relation : d = 4,9.t 2

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