Seconde EVALUATION N 5 (1h30) /20

Transcription

1 Nom, Prénom, Classe :... Seconde EVALUATION N 5 (1h30) /20 Toutes les réponses doivent être rédigées et justifiées!! Exercice 1 : (9,5pts) L aluminium et la santé Données : Masse du nucléon : m n = 1, kg Masse de l'électron : m e = 9, kg Charge élémentaire : e = 1, C L'aluminium métallique Al est formé d'atomes d'aluminium. Le symbole d'un noyau d'atome d'aluminium est : Document 1 : Extrait de la classification périodique Classification périodique simplifiée représentant le symbole de l atome et son numéro atomique Document 2 : Extrait d'un article de sciences et avenir publié le 07/10/2010 Un million de mètres cubes de boues rouges caustiques se sont déversées en Hongrie, après la rupture d'un réservoir d'une usine d'aluminium. La toxicité à long terme de cette pollution est pour l'instant difficile à évaluer. [ ] La toxicité des métaux lourds se mesure à long terme. Les boues rouges contiennent en effet du titane, de l oxyde de fer, de l oxyde d aluminium, de l oxyde de silicium (silice), et peut-être du chrome et du cadmium à de très faibles concentrations. «Ces métaux sont persistants, on sait qu ils s accumulent dans les organismes et qu à long terme ils peuvent produire des altérations du comportement, du développement ou même de la reproduction» explique Eric Thybaud, responsable du pôle Dangers et impact sur le vivant au sein de la Direction des risques chroniques. Il est aujourd hui difficile d évaluer l impact à long terme de cette pollution sur l écosystème du Danube. En revanche, près de l usine, dans les 40 km 2 touchés par le déversement de la boue toxique, des terres seront très certainement abandonnées pour longtemps, notamment au village de Kolontar, le plus touché par les boues rouges. Partie 1 : L atome d aluminium 1.1. Déterminer la composition d'un atome d'aluminium En déduire la structure électronique de l'atome d'aluminium Quelle est la couche externe de cet atome? Combien d électrons comporte-t-elle? 1.4. En déduire l'emplacement de l'aluminium dans la classification périodique. Justifier votre réponse Quelle est la structure électronique de l élément appartenant à la famille suivante et situé dans la période précédente? Partie 2 : Quelle masse? Quelle quantité? 2.1. Calculer la masse du noyau de cet atome, puis celle du nuage d électrons Comparer ces deux valeurs et conclure Une feuille d'aluminium alimentaire pèse 3,0 g. En déduire le nombre d'atomes d'aluminium qu elle contient.

2 Partie 3 : Atomes et ions Il est déconseillé d'utiliser le papier aluminium pour faire des papillotes contenant du jus de citron car l acidité du citron attaque la feuille d aluminium et il se forme des ions aluminium qui peuvent être dangereux pour la santé. Les liens entre les ions aluminium et la maladie d Alzheimer sont encore à l étude Expliquer comment l'ion aluminium se forme à partir de l'atome d'aluminium et donner sa formule Quel est l'atome ayant la même structure électronique que cet ion, préciser sa position dans la classification électronique ainsi que le nom de la famille à laquelle il appartient. Partie 4 : La bauxite L'aluminium utilisé dans la fabrication du papier alu est extrait de la bauxite, minéral contenant deux atomes d'aluminium et trois atomes d'un élément inconnu noté 3.1. Que représentent les lettres A et Z? 3.2. La charge électrique du noyau de cet élément chimique est q noyau = + 1, C. En déduire le nombre de protons de cet élément chimique Quel est le nom de cet élément chimique L association de deux atomes d aluminium et trois atomes de cet élément vous semble-t-elle cohérente pour former un solide? Bien expliquer votre raisonnement. Exercice 2 : (3pts) Carbone et histoire des arts Le carbone possède un isotope, appelé carbone 14 (ce qui signifie que A = 14), qui s'incorpore naturellement aux organismes biologiques (plantes, animaux) tant qu'ils sont en vie. Après la mort de l'organisme, cet isotope disparaît lentement avec une vitesse précisément connue. La mesure de la quantité restante de cet isotope permet de dater la mort du système biologique. Quand il s'agit du bois avec lequel les hommes des cavernes ont fait du charbon de bois utilisé pour les peintures rupestres, alors la datation de celles-ci devient possible Rappelez la définition de deux atomes isotopes Le numéro atomique du carbone est Z = 6. Quel est le symbole du noyau de carbone 14? (sans justification) La courbe du pourcentage de carbone 14 restant dans un organisme, en fonction du temps écoulé depuis sa mort, est donnée sur la figure suivante : En utilisant ce graphique et en faisant figurer les constructions effectuées, répondre aux questions suivantes : 2.1. Quel âge aurait une peinture pour laquelle la moitié des atomes de carbone 14 ont disparu? 2.2. Quel âge aurait une peinture pour laquelle 90% ont disparu? 2.3. Pourquoi la datation par cette méthode de la grotte Chauvet, vieille de ans est-elle approximative?

3 Exercice 3 : (4,5pts) Les travaux d Élisabeth FULHAM Document 1 : Travaux d une des premières femmes chimistes Elisabeth FULHAM (vers ) peut être considérée comme la première femme chercheuse professionnelle en chimie de l ère moderne. On lui doit trois découvertes majeures : les réductions métalliques* en milieu aqueux, la catalyse et la photoréduction, premier pas vers la photographie. On peut donc s étonner que son nom soit à ce point ignoré! D après Histoires des femmes scientifiques de l antiquité au XXème siècle -Eric SATORI-Plon 2006 * On parle de réduction métallique lorsqu un ion métallique est «transformé» en un atome du métal. Document 2 : Un exemple de constitution de pile On peut constituer une pile en plongeant une lame de cuivre et une lame de zinc dans un bécher contenant une solution bleue de sulfate de cuivre (la coloration bleue est due à la présence des ions cuivre Cu 2+ ). On constate au bout d'un certain temps que la solution bleue se décolore et qu'un dépôt rouge est apparu sur la lame de zinc. Document 3 : Tests d ions Ion testé Réactif utilisé Couleur du précipité Cu 2+ soude bleu Zn 2+ soude blanc SO 2-4 (ion sulfate) Solution de chlorure de baryum blanc 1.1. Dans l expérience décrite dans le document 2, comment expliquer la décoloration de la solution bleue? Quelle est la nature du dépôt rouge qui est apparu sur la lame de zinc? Dans l expérience décrite dans le document 2, on peut faire l hypothèse que les atomes de zinc se transforment en ions zinc, de formule Zn 2+, en même temps que la solution bleue se décolore Proposez une expérience ayant pour but de valider ou d'invalider cette hypothèse (expérience proposée sous forme de phrases et de schémas légendés). Indiquer les résultats obtenus dans le cas ou notre hypothèse est validée et dans celui où elle est invalidée Expliquez pourquoi ces expériences illustrent la conservation des éléments au cours des transformations chimiques (Bonus) Quelle est la formule de la solution restant dans le bécher en fin de réaction? Exercice 4 : (3pts) L Atomium de Bruxelles L Atomium est un monument de Bruxelles, en Belgique, construit à l'occasion de l'exposition universelle de 1958 et représentant la structure du cristal de fer agrandie 165 milliards de fois. Les neuf sphères qui constituent le monument représentent les neuf atomes constitutifs du cristal de fer. À cette échelle, un atome de fer est représenté par une boule de rayon égal à 18 m. Sur ces neuf sphères, six sont accessibles au public abritant entre autres, des salles d expositions, un bar, un restaurant 1.1. Le rayon du noyau de l atome de fer est de 5, m. À l échelle de l Atomium, calculez le rayon de la boule qu il aurait fallu utiliser pour représenter le noyau d un atome de fer. Donnez le résultat dans une unité adaptée Que vous inspirent ces dimensions à propos de la structure atomique? Bon travail!

4 CORRECTION Exercice 1 : (9,5pts) L aluminium et la santé 1.1. L atome d'aluminium contient 13 protons puisque Z = 13, N = A-Z = = 14neutrons et 13 électrons puisque l atome est électriquement neutre. (1pt) 1.2. Structure électronique de l'atome d'aluminium : SE(Al) : (K) 2 (L) 8 (M) 3 (0,5pt) 1.3. La couche externe de cet atome est la couche M ; elle comporte 3 électrons. (1pt) 1.4. Il est situé dans la 3 ème période car trois couches électroniques sont occupées et dans la 3 ème famille puisqu il y a 3 électrons sur la couche externe. (0,5pt) 1.5. SE (X) = (K) 2 (L) 4 (0,5pt) 2.1. m noyau = A m n AN : m noyau = 27 1, = 4, kg (0.5) m nuage = Z m e AN : m nuage = 13 9, = 1, kg (0.5) 2.2. m noyau / m nuage = 3, ce qui signifie que la masse du noyau est 3800 fois plus grande que celle des électrons, on peut donc dire qu elle est concentrée dans le noyau. (0.5) 2.3. Nb = m totale / m atome = m totale / m noyau = 3,0 /4, = 6, atomes d'aluminium (1) 3.1. L atome doit donc perdre 3 électrons pour satisfaire à la règle de l octet. L atome perd donc 3 électrons pour donner l ion Al 3+. (0.5pt) 3.2. L élément ayant la même configuration électronique que cet ion est le néon qui est un gaz rare (ou noble) situé dans la 2 ème période et dernière famille. (0.5pts) 3.1. A est le nombre de masse et Z le numéro atomique (1pt) 3.2. Z = q / e puisque chaque proton porte une charge e et que les neutrons n ont pas de charge. AN : Z = 1, /1, = 8 (0.5) 3.3. Par simple lecture dans la classification périodique je montre qu il s agit de l oxygène. (0.5) 3.4. L atome d oxygène pour satisfaire à la règle de l octet, forme l ion O 2-. L association de deux atomes d aluminium et trois atomes de cet élément semble cohérente pour former un solide qui doit être électriquement neutre. (0.5pt) Exercice 2 : (3pts) Carbone et histoire des arts 1.1. Deux atomes sont isotopes s ils ont le même nombre de protons et un nombre de neutrons différents. (1pt) 1.2. (0.5pt) 2.1. Une peinture pour laquelle la moitié des atomes de carbone 14 auraient disparu aurait environ 5000ans. (0.5pt avec courbe) 2.2. Une peinture pour laquelle 90% auraient disparu aurait environ 17000ans. (0.5pt avec courbe) 2.3. La datation par cette méthode de la grotte Chauvet, vieille de ans est approximative car la quantité de carbone 14 est extrêmement faible et ne varie plus que très peu. (0.5pt)

5 Exercice 3 : (4,5pts) Les travaux d Élisabeth FULHAM 1.1. Le document 2 indique : «la coloration bleue est due à la présence des ions cuivre Cu 2+» et «On constate au bout d'un certain temps que la solution bleue se décolore et qu'un dépôt rouge est apparu sur la lame de zinc». La décoloration de la solution est due à la disparition des ions cuivre. On peut faire l hypothèse qu au contact de la plaque de zinc, les ions cuivre se sont transformés. La conservation des éléments chimiques nous conduit à penser que le dépôt rouge est du cuivre métallique. Les ions cuivre se sont donc transformés en atomes de cuivre. (1pt) 1.2. Nous voulons vérifier s il y a bien eu apparition d ions zinc de formule Zn 2+ au cours de cette transformation chimique. D après le document 3, le test d identification des ions Zn 2+ utilise la soude. Nous allons donc placer dans un tube à essais quelques millilitres de la solution constituant la pile ayant fonctionnée un certain temps et nous allons ajouter quelques gouttes de soude. Si nous constatons l apparition d un précipité blanc cela signifie que le test est positif et valide l hypothèse de la formation d ion zinc. Si nous ne distinguons pas de précipité blanc alors le test est négatif et l hypothèse est invalidée. (3pt) Schéma dans le cas où le test est positif : 1.3. Au cours des réactions chimiques, les différents éléments se conservent : aucun élément chimique ne peut apparaître ou disparaître, ils apparaissent juste sous une forme différente (atome, ion, molécule). Nous constatons effectivement dans les expériences décrites dans cet exercice que les ions cuivre de la solution bleue, de formule Cu 2+, se transforment en atomes de cuivre pour former un dépôt métallique et que les atomes de zinc de la lame de zinc se transforment en ions zinc, de formule Zn 2+.(0,5pt) 1.4. (Zn 2+ ; SO 4 2- ) La solution est électriquement neutre, il y reste les ions sulfate spectateurs et les ions Zn 2+ formés. (+0.5pt) Exercice 4 : (3pts) L Atomium de Bruxelles 1.1. L énoncé indique que l Atomium représente la structure du cristal de fer agrandie 165 milliards de fois (soit ). Le rayon du noyau de l atome de fer est de 5, m. A l échelle de l Atomium, le rayon de la boule qu il aurait fallu utiliser pour représenter le noyau d un atome de fer est donc de : (5, ) ( ) = 8, m = 0, m =0,871 mm (2pt) 1.2. Ces résultats permettent de se représenter la différence de taille considérable qui existe entre l atome et son noyau. Le noyau est environ 10 5 (100000) fois plus petit que l atome. Puisque l espace considérable entre les électrons et le noyau est vide, on dit que l atome a une structure lacunaire. (1pt)