Toutes les réponses doivent être justifiées.

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1 2 nde DST de Sciences Physiques 14 février 2013 La calculatrice est autorisée Toutes les réponses doivent être justifiées. durée 50 min Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points L'acétanilide est l'un des premiers fébrifuges synthétisé par l'industrie chimique, à partir d'aniline et d'anhydride éthanoïque x x x A B C figure 1 figure 2 1. Comment nomme-t-on le montage représenté sur la figure 1 utilisé pour réaliser la synthèse? Quels sont les intérêts d'un tel montage? 2. Donner le nom de chaque élément du montage numéroté de 1 à Doit-on fermer l'extrémité supérieure de l'élément 1? 4. Quels sont les réactifs? On réalise une C.C.M.avec les substances suivantes Acétanilide commercial : A ; Aniline : B ; Acétanilide synthétisé : C Après élution et révélation, on obtient le chromatogramme (figure 2) 5. La synthèse est-elle satisfaisante? Exercice 2 : La galaxie M66 4 points En 1926, l'astronome américain Hubble a réussi à photographier la galaxie M66, distante de la Terre de 3, km, grâce au télescope du mont Wilson en Californie. Cet objet céleste avait déjà été repéré en 1780 par deux astronomes français, Charles Messier et Pierre Méchain. 1. Après avoir donné la définition de l'année de lumière, calculer sa valeur en mètre. On donne la valeur de la vitesse de la lumière c = km.s -1.

2 2. Calculer en a.l, la distance entre la galaxie M66 et la Terre. 3. Quel temps, exprimé en année, met la lumière pour nous parvenir de cette galaxie? 4. Calculer, en u.a, la distance entre la galaxie M66 et la Terre sachant que 1 u.a vaut 150 millions de km. Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points Un architecte souhaite réaliser un monument similaire à l'atomium de Bruxelles, qui symbolise la structure atomique du cristal de fer agrandie 165 milliards de fois. À cette échelle, un atome de fer est représenté par une boule de rayon égal à 18 m. 1. Déduire du texte le rayon d'un atome de fer, en l'exprimant en notation scientifique avec le mètre comme unité. 2. Quel est son ordre de grandeur? 3. L'architecte étudie la possibilité de représenter le noyau de fer par une boule. Quel en serait le rayon sachant que la valeur réelle de celui-ci est de -15 m? Exercice 4 À la découverte du magnésium 6 points Les carences en magnésium sont à l'origine de divers symptômes, tels que l'irritabilité, une fatigue passagère, des troubles mineurs du sommeil ou des crampes musculaires. Pour pallier ces carences, le médecin peut prescrire un médicament à base de magnésium. Le noyau de l'atome de magnésium a pour symbole Mg. 1. Donner la composition de l'atome de magnésium. 2. Calculer sa masse. Quelle approximation pouvait-on faire dans ce calcul? 3. Donner la configuration électronique de l'atome de magnésium. 4. Le néon est un gaz noble de numéro atomique Z = 10. a. Quelle est la structure électronique de l'atome de néon? b. Prévoir quel est l'ion que l'on retrouve dans les comprimés contenant du magnésium et donner son symbole. Comment nomme-t-on un tel ion? 5. Le noyau de cet ion diffère-t-il de celui de l'atome de magnésium? Justifier la réponse. 6. Calculer la charge électrique de cet ion. Données : Masse du nucléon : m n = 1, kg Masse de l'électron : m e = 9, kg Charge élémentaire : e = 1, C

3 DST de Sciences Physiques du 14 février Corrigé Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points 1. Le montage de la figure 1 se nomme chauffage à reflux. Un tel montage permet de chauffer le mélange réactionnel, pour accélérer le processus, sans aucune perte de matière (réactifs restants et produits formés, après avoir été refroidis dans le réfrigérant, retombent dans le ballon). 2. Nom des éléments du montage : 1. : réfrigérant 2. : chauffe-ballon 3. : support élévateur 4. : ballon 5. : entrée d'eau (eau froide) 6. : sortie d'eau (eau tiède). 3. L'extrémité supérieure du réfrigérant doit rester ouverte pour éviter toute surpression qui résulterait des vapeurs créées lors du chauffage. 4. Les réactifs sont l'aniline et l'anhydride éthanoïque. 5. La synthèse est satisfaisante car le dépôt réalisé en C : produit synthétisé, donne naissance à deux taches, dont l'une est au même niveau que la tache correspondant à l'acétanilide commercial. Exercice 2 : La galaxie M66 4 points 1. L'année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an. Sa valeur en mètre est : 1 a.l = c t(1 an) = , = 9, m , La distance entre la galaxie M66 et la Terre est D M66-T = = 3, , a.l. 3. D'après la définition de l'année de lumière, le temps que met lumière pour nous parvenir de cette galaxie est t = 3, ans c'est-à-dire 35 millions d'années. 20 3, La même distance exprimée en u.a vaut : D M66-T = = 2, u.a Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points 1. L'atome de fer est une boule de 18 m de rayon lorsqu'il est agrandi 165 milliards de 18 fois, donc sa grandeur réelle est R atome = = = 1, m. 2. Son ordre de grandeur est de m. 3. Les grandeurs de la maquette étant proportionnelles aux grandeurs réelles, on peut écrire r 18 = R noyau = le noyau de l'atome de fer serait une boule de rayon R 1, atome r = 18 1, = 8, m = 872 µm. (on peut tout simplement faire r = = 8, m)

4 Exercice 4 À la découverte du magnésium 6 points 1. La représentation symbolique de l'atome de magnésium : 24 12Mg, indique A = 24 nucléons se répartissant en Z = 12 protons et A Z = = 12 neutrons l'atome est électriquement neutre, la charge électrique d'un proton étant égale en valeur absolue à celle d'un électron, 12 électrons tournent autour du noyau. 2. La masse d'un atome se calcule en additionnant les masses des différentes particules qui entrent dans sa composition : m atome = Z m p + (A Z) m n + Z m e. Compte-tenu des données, la masse de l'atome de magnésium se calcule ici en faisant l'approximation m proton m neutron = m nucléon soit m atome = A m n + Z m e = 24 1, , = 4, kg. La masse d'un électron étant environ 1800 fois plus petite que celle d'un nucléon, on pouvait faire l'approximation m atome A m n. 3. Les 12 électrons de l'atome de magnésium se répartissent en : (K) 2, (L) 8 et (M) a. La structure électronique de l'atome de néon est : (K) 2, (L) 8. b. L'atome de magnésium peut devenir plus stable en adoptant la structure électronique du néon (règle de l'octet), il va donc perdre deux électrons pour former l'ion magnésium Mg 2+. (représentation symbolique : Mg2+ ) Cet ion est un cation. 5. Le noyau de cet ion est le même que celui de l'atome de magnésium puisque seul, le nuage électronique a été modifié. 6. La charge électrique de l'ion Mg2+ est q = Z e (Z - 2) e = 12 1, (12-2) 1, = + 2 1, = + 3, C.

5 DST de Sciences Physiques du 14 février Corrigé Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points 1. Comment nomme-t-on le montage représenté sur la figure 1 utilisé pour réaliser la synthèse? Le montage de la figure 1 se nomme chauffage à reflux. Quels sont les intérêts d'un tel montage? Un tel montage permet de chauffer le mélange réactionnel, pour accélérer le processus, sans aucune perte de matière (réactifs restants et produits formés, après avoir été refroidis dans le réfrigérant, retombent dans le ballon). 2. Donner le nom de chaque élément du montage numéroté de 1 à 6. (1,5 point) 1. : réfrigérant 2. : chauffe-ballon 3. : support élévateur 4. : ballon 5. : entrée d'eau (eau froide) 6. : sortie d'eau (eau tiède). 3. Doit-on fermer l'extrémité supérieure de l'élément 1? L'extrémité supérieure du réfrigérant doit rester ouverte pour éviter toute surpression qui résulterait des vapeurs créées lors du chauffage. 4. Quels sont les réactifs? Les réactifs sont l'aniline et l'anhydride éthanoïque. 5. La synthèse est-elle satisfaisante? La synthèse est satisfaisante car le dépôt réalisé en C : produit synthétisé, donne naissance à deux taches, dont l'une est au même niveau que la tache correspondant à l'acétanilide commercial. Exercice 2 : La galaxie M66 4 points 1. Après avoir donné la définition de l'année de lumière, calculer sa valeur en mètre. On donne la valeur de la vitesse de la lumière c = km.s -1. L'année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an. Sa valeur en mètre est : 1 a.l = c t(1 an) = , = 9, m 2. Calculer en a.l, la distance entre la galaxie M66 et la Terre. (1,25 point) , La distance entre la galaxie M66 et la Terre est D M66-T = = 3, a.l. 15 9, Quel temps, exprimé en année, met la lumière pour nous parvenir de cette galaxie? D'après la définition de l'année de lumière, le temps que met lumière pour nous parvenir de cette galaxie est t = 3, ans c'est-à-dire 35 millions d'années. 4. Calculer, en u.a, la distance entre la galaxie M66 et la Terre sachant que 1 u.a vaut 150 millions de km. (1,25 point) 20 3, La même distance exprimée en u.a vaut : D M66-T = = 2, u.a Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points 1. Déduire du texte le rayon d'un atome de fer, en l'exprimant en notation scientifique avec le mètre comme unité.

6 L'atome de fer est une boule de 18 m de rayon lorsqu'il est agrandi 165 milliards de fois, 18 donc sa grandeur réelle est R atome = = = 1, m. (1,75 point) 2. Quel est son ordre de grandeur? Son ordre de grandeur est de m. 3. L'architecte étudie la possibilité de représenter le noyau de fer par une boule. Quel en serait le rayon sachant que la valeur réelle de celui-ci est de -15 m? Les grandeurs de la maquette étant proportionnelles aux grandeurs réelles, on peut écrire : r 18 = R noyau = le noyau de l'atome de fer serait une boule de rayon R 1, atome r = 18 1, = 8, m = 872 µm. (1,75 point) Exercice 4 À la découverte du magnésium 6 points 1. Donner la composition de l'atome de magnésium. La représentation symbolique de l'atome de magnésium : 24 12Mg, indique A = 24 nucléons se répartissant en Z = 12 protons et A Z = = 12 neutrons l'atome est électriquement neutre, la charge électrique d'un proton étant égale en valeur absolue à celle d'un électron, 12 électrons tournent autour du noyau. 2. Calculer sa masse. Quelle approximation pouvait-on faire dans ce calcul? La masse d'un atome se calcule en additionnant les masses des différentes particules qui entrent dans sa composition : m atome = Z m p + (A Z) m n + Z m e. Compte-tenu des données, la masse de l'atome de magnésium se calcule ici en faisant l'approximation m proton m neutron = m nucléon soit m atome = A m n + Z m e = 24 1, , = 4, kg. La masse d'un électron étant environ 1800 fois plus petite que celle d'un nucléon, on pouvait faire l'approximation m atome A m n. (1,5 point) 3. Donner la configuration électronique de l'atome de magnésium. Les 12 électrons de l'atome de magnésium se répartissent en : (K) 2, (L) 8 et (M) Le néon est un gaz noble de numéro atomique Z = 10. a. Quelle est la structure électronique de l'atome de néon? La structure électronique de l'atome de néon est : (K) 2, (L) 8. b. Prévoir quel est l'ion que l'on retrouve dans les comprimés contenant du magnésium et donner son symbole. Comment nomme-t-on un tel ion? L'atome de magnésium peut devenir plus stable en adoptant la structure électronique du néon (règle de l'octet), il va donc perdre deux électrons pour former l'ion magnésium Mg 2+. (représentation symbolique : Mg2+ ) Cet ion est un cation. 5. Le noyau de cet ion diffère-t-il de celui de l'atome de magnésium? Justifier la réponse. Le noyau de cet ion est le même que celui de l'atome de magnésium puisque seul, le nuage électronique a été modifié. 6. Calculer la charge électrique de cet ion. La charge électrique de l'ion Mg2+ est q = Z e (Z - 2) e = 12 1, (12-2) 1, = + 2 1, = + 3, C.