Devoir de physique-chimie commun aux classes de première S

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1 Lycée Gérard-de-Nerval de Luzarches (Val-d'Oise) Année scolaire Devoir de physique-chimie commun aux classes de première S Consignes générales : L'usage de la calculatrice est autorisé. Chaque exercice doit être traité sur une copie séparée (-2 points dans la cas contraire). Tout calcul doit commencer par un calcul littéral suivi d'une application numérique. Tout résultat doit être exprimé en respectant le nombre de chiffres significatifs. Lorsqu'une justification est demandée, l'absence de justification ne donne aucun point à la question. Exercice 1 : Découverte française (8 pts) C'est vers 1932 que le couple de physiciens français Frédéric Joliot et Irène Curie commence à utiliser, pour ses recherches, une source de particules alpha émises spontanément par le polonium, un élément naturellement radioactif. Grâce à elle, ils peuvent provoquer des réactions nucléaires dans les atomes des éléments. Les Joliot-Curie, avec cette source de particules alpha, bombardent des éléments et analysent les réactions nucléaires produites. Ils remarquent que des éléments légers, en particulier l'aluminium et le bore, éjectent parfois un neutron. Mais ils observent également un autre phénomène, parfaitement inattendu : «la matière irradiée, notent-ils, conserve une radioactivité relativement durable après l'enlèvement de la source de particules alpha, radioactivité se manifestant par l'émission de positons». Ainsi, une feuille d'aluminium irradiée émet un rayonnement dont l'intensité décroît exponentiellement en fonction du temps avec une demi-vie de 3 minutes 15 secondes. Un résultat analogue est obtenu avec du bore irradié, mais la demi-vie est différente : 14 minutes. La seule explication possible, c'est que l'aluminium et le bore, éléments naturellement stables, sont devenus radioactifs. Les Joliot-Curie sont persuadés qu'ils ont trouvé le moyen de provoquer une radioactivité artificielle, par la création d'un élément instable et sa désintégration spontanée. Ils proposent une réaction probable : le noyau d'aluminium, contenant 13 protons et 14 neutrons, aurait capturé une particule alpha et aurait immédiatement réémis un neutron. L'aluminium se serait alors transmuté en un isotope instable du phosphore, composé de 15 protons et de 15 neutrons. Puis le phosphore radioactif se serait à son tour désintégré en silicium stable (14 protons, 16 neutrons), en émettant un positon. Extrait tiré de : «Les grandes expériences scientifiques» de Michel Rival (Éditions du Seuil) Les deux parties sont indépendantes Partie A : La réaction probable proposée par les Joliot-Curie 1. Donner la notation A ZX du noyau de phosphore (de symbole P) évoqué dans le texte. 2. À l'aide du texte et des lois de conservation recopier et compléter l'équation de la réaction nucléaire rendant compte de la transmutation de l'aluminium en un isotope instable du phosphore :... Al n P Radioactivité du phosphore. a) Traduire par l'écriture d'une équation de réaction nucléaire la dernière phrase du texte, soit : «Puis le phosphore radioactif se serait à son tour désintégré en silicium stable (14 protons, 16 neutrons), en émettant un positon». b) De quel type de radioactivité s'agit-il? Donnée : symbole du silicium : Si. 1/5

2 Partie B : L'aspect énergétique du bore irradié La réaction nucléaire envisagée est celle qui donne naissance à l'azote 13 après irradiation du bore 10 par une source 10 de particules alpha. Son équation est : B He 2 1 n N 7 4. Énoncer la relation d'équivalence masse-énergie. 5. Calculer la variation de masse m au cours de la réaction nucléaire ci-dessus. 6. De l'énergie est-elle libérée au cours de la réaction? Justifier la réponse. Calculer sa valeur successivement en J puis en MeV. Données : Masse de certains noyaux ou particule (kg) 10 5 B 4 2 He 13 7 N 1 0 n 1, , , , célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s -1 1 ev = 1, J 2/5

3 Exercice 2 : Une réaction chimique (8 pts) On réalise l expérience suivante : Dans un bécher contenant V 1 = 30,0 ml d une solution d ions Fe 2+ (aq) de concentration C 1 = 1, mol.l -1 on ajoute progressivement un volume V 2 = 20,0 ml d une solution de permanganate de potassium de concentration C 2 = 1, mol.l -1. Seuls les ions permanganate MnO 4 - sont colorés. Doc1 : spectre d une solution de permanganate de potassium Doc 2 : Ajout de solution d ions MnO 4 - (aq) Etat initial : solution d ions Fe 2+ (aq) incolore Etat intermédiaire : solution incolore Fe2+(aq) incolore Etat final : solution colorée 1. Quelle est la couleur de la solution de permanganate de potassium? Justifier. 2. En utilisant les observations du doc 2, rechercher le réactif limitant de cette réaction. Rédiger votre réponse. 3. Pour préparer la solution de permanganate de potassium de concentration C 2 = 1, mol.l -1, on a réalisé une dissolution. a) Écrire l équation de dissolution du permanganate de potassium dans l eau. b) Proposer un protocole pour préparer un volume V=20,0mL de la solution de permanganate de potassium de concentration C 2 = 1, mol.l -1 c) A quoi est égale la concentration en ion permanganate [MnO 4 - ]? 4. Calculer les quantités de matière des réactifs à l état initial. 5. Compléter le tableau d avancement du système en utilisant les formules littérales. État du système Avancem t (mol) 5 Fe 2+ (aq) + 2 MnO 4- (aq) + 8 H + (aq) 5 Fe 3+ (aq) + 2 Mn 2+ (aq) + 8 H 2O(l) État initial 0 excès excès État intermédiaire x excès excès État final x max excès excès 6. Déterminer le réactif limitant. 7. Faire le bilan à l état final en utilisant les quantités de matière. Est-il en accord avec votre réponse question 2? 3/5

4 Exercice 3 : Molécules colorées... (4 pts) Partie A : L'azobenzène est un colorant rouge-orangé dont la formule topologique est : Fig. 3.1 : Formule topologique de l'azobenzène 1. Qu'est-ce que des liaisons conjuguées? 2. Combien de liaisons conjuguées la molécule d'azobenzène possède-t-elle? Partie B : Taille de la chaîne carbonée et couleur... «Les résultats de l'étude spectrophotométrique de trois composés colorés de la famille des cyanines sont rassemblés ci-dessous. λ max est la longueur d'onde de la radiation lumineuse pour laquelle l'absorption de chaque composé est maximale.» D'après B. Valeur, Lumière et luminescence, Belin, n Formule semi-developpée Fig. 3.2 : Formules semi-developpées de trois molécules λ max (nm) 519 Fig. 3.3 : Maximum d'absorption de trois molécules /5

5 1. En justifiant, donner la valeur du maximum d'absorption de la molécule 1 ; de la molécule 2 ; de la molécule Tracer la courbe représentant la longueur d'onde λ max de chacun des composés en fonction du nombre n de liaisons conjuguées. 3. À l'aide de la courbe, déterminer le nombre de liaisons doubles conjuguées successives d'une cyanine présentant un maximum d'absorption pour λ max = 625 nm. 4. Représenter la formule semi-développée de ce composé. 5/5