Composition de Physique et de Chimie Niveau seconde
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- Jean-Noël Piché
- il y a 6 ans
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1 AVRIL 2016 Durée : 2 h Composition de hysique et de Chimie Niveau seconde Donner les expressions littérales puis les applications numériques. Justifier vos réponses. Barème indicatif. Données pour l'ensemble des exercices: Masse molaires en g.mol -1 : H:1 C:12 O:16 N:14 EXERCICE N 1 : Isomérie ( 3 points) On considère la formule brute C 3 H 9 N. 1) Déterminer la structure électronique des atomes présents ( C : Z=6 ; H : Z =1 ; N : Z =7) Combien de liaisons covalentes ces atomes doivent-ils établir? 2) Ecrire les formules semi-développées des trois isomères correspondant à cette formule. 1) Structure électronique des atomes : carbone 6 C: (K) 2 (L) 4 fait 4 liaisons covalentes pour satisfaire la règle de l octet hydrogène 1 H: (K) 1 fait 1 liaison covalente pour satisfaire la règle du duet azote 7 N: (K) 2 (L) 5 fait 3 liaisons covalentes pour satisfaire la règle de l octet 2) 3 isomères possibles sont CH 3 CH 2 CH 2 NH 2 CH 3 CH CH 3 NH pt pt CH 3 CH 2 NH CH 3 EXERCICE N 2 : ollution (4 points) La pollution et les problèmes qui lui sont liés font partie de nos préoccupations quotidiennes. C'est ainsi que, depuis maintenant plus de vingt ans, les chimistes s'intéressent à l'acidité des pluies. Les deux principaux polluants acides des pluies sont l'acide nitrique HNO 3 et l'acide sulfurique H 2 SO 4, or les rejets directs de ces deux substances dans l'atmosphère sont très faibles et ne peuvent en aucun cas justifier les ordres de grandeur des acidités relevés. Les précurseurs de l'acide nitrique sont le monoxyde d azote et le dioxyde d'azote qui se forment, à haute température, à partir du dioxygène et du diazote atmosphériques, en particulier dans les moteurs de nos véhicules et dans certains réacteurs industriels. 1. L analyse d une eau de pluie a révélé une concentration massique en dioxyde d azote C m = 6,9 x 10-3 g.l -1. Déterminer la masse m(no 2 ) de dioxyde d azote présente dans un échantillon de volume V = 20 ml. 2. Calculer la concentration molaire C de cette eau de pluie. 3. A partir de cette eau de pluie on désirerait préparer une solution de concentration C 2 plus faible. Décrire le protocole à suivre pour réaliser cette opération. 4. Quel volume d eau de pluie doit-on prélever pour préparer 100 ml de solution de concentration C 2 = 1,5 x 10-6 mol. L -1? 1. L analyse d une eau de pluie a révélé une concentration massique en dioxyde d azote C m = 6, g.l -1. Masse m(no 2 ) de dioxyde d azote présente dans un échantillon de volume V = 20 ml : C m = m(no 2) d où m(no V 2 ) = C m x V A.N. m(no 2 ) = 6, = 1, g sol 2. Calcul de la masse molaire moléculaire de NO 2 : M(NO 2 ) = M(N) + 2 x M(O) = 14, ,0 = 46,0 g.mol -1 C m 6, On écrit : C = = = 1, mol.l -1 M(NO 2 ) 46, Introduire la solution mère dans un bécher - rélever un volume de solution mère à l aide d une pipette jaugée - Introduire le prélèvement dans une fiole jaugée - Compléter la fiole au trait de jauge avec de l eau déminéralisée - Boucher, agiter pour homogénéiser. 4. Lors d une dilution, la quantité de matière de soluté ne varie pas. On peut alors écrire : C V = C 2 V 2 (com) age 1 sur 5
2 Le volume V est alors: V = C 2 V 2 C = 1, ,100 1, = 1, L = 1,0 ml EXERCICE N 3 : Indice de réfraction (4 points) Lors d une activité expérimentale, des élèves de seconde recherchent une relation entre la concentration d une solution et son indice optique de réfraction. Ils préparent donc des solutions aqueuses de saccharose C 12 H 22 O 11 de concentrations molaires différentes, puis ils mesurent leurs indices de réfraction n. Chaque solution préparée a un volume de 100 ml. Les solutions sont répertoriées dans le tableau ci-contre : 1. Compléter le tableau en calculant la concentration molaire de la solution B, et la masse de soluté de la solution C. Les solutions étant prêtes, chaque groupe prend en charge la mesure de l indice de réfraction d une des quatre solutions. A la suite d une discussion, deux méthodes se dégagent : - Méthode 1 : choisir un seul angle d incidence i, mesurer l angle de réfraction r et calculer l indice de réfraction n de la solution avec la Loi de Descartes. - Méthode 2 : choisir plusieurs angles d incidence i, mesurer l angle de réfraction r pour chaque incidence, calculer n et faire la moyenne des valeurs de n obtenues. 2. Quelle méthode est la plus précise? pourquoi? Indice de Les calculs des indices de réfraction sont effectués : réfraction 3. Tracer le graphe de l évolution de l indice de réfraction en fonction de la concentration molaire de saccharose ( voir annexe) Solution Masse de Concentration soluté (g) molaire (mol.l -1 ) A 10 0,29 B 20 C 0,87 D 40 1,16 Solution A B C D 1,38 1,41 1,46 1,51 Les élèves disposent d un sirop de sucre de canne Canadou, solution aqueuse marron S 0 de saccharose de concentration molaire inconnue. our évaluer cette concentration, on mesure l indice de réfraction d une solution S 1 de sirop de sucre diluée 10 fois : l indice de réfraction du sirop dilué est 1, Calculer la concentration molaire de la solution S Quelle autre méthode, vue en T, aurait-on pu employer? 1) ar définition c = n 1,52 1,5 1,48 1,46 1,44 1,42 1,4 1,38 1,36 n V sol = pour solution B : c = m MV sol m MV sol = 20 ( ) 0,100 Evolution de l'indice de rédraction en fonction de la concentration = 0,58 mol.l-1 pour solution C : m = c M V sol = 0,87 ( ) 0,100 =29.75 g 30g 2) La méthode 2 est plus précise car une moyenne statistique permet de diminuer les incertitudes de mesure 3) Indice de réfraction en fonction de la concentration: c (mol.l -1 ) 0 0,2 0,4 0,6 0,76 0,8 1 1,2 1,4 our un indice de réfraction de 1,44, on obtient une concentration en saccharose de 0,76 mol.l -1 (voir construction graphique) pour S pt (val) 0.5 pt 4) La solution a été diluée 10 fois la concentration de S 0 est donc c = 7,6 mol.l -1 age 2 sur 5
3 5) La solution de Canadou étant colorée, ( la couleur provenant de la présence d'impuretés) on aurait pu travailler avec une échelle de teinte en effectuant plusieurs dilution d'une solution de saccharose impur de concentration connue. (val) 0.5 pt EXERCICE N 4 : (5 points) Un parachutiste s apprête à prendre l avion pour effectuer un saut en. Situation 1 : Le parachutiste est debout, immobile sur la piste d envol et attend son avion. a) Faire un diagramme des interactions en prenant comme système d étude l ensemble {parachutiste +} b) On représente le système {parachutiste + } par un point. - Faire la liste des forces s exerçant sur le système. - roposer un schéma des forces s exerçant sur le système. - A votre avis ces forces se compensent-elles? Expliquez votre point de vue. Situation 2 : Le parachutiste est dans l avion en plein vol. a) Dans quel référentiel le parachutiste est-il immobile? b) Citer un référentiel dans lequel le parachutiste est en mouvement. c) Faire un diagramme des interactions en prenant comme système d étude l ensemble { parachutiste + }. Situation 3 : Le parachutiste saute de l avion sans ouvrir son. a) Faire un diagramme des interactions en prenant comme système d étude l ensemble {parachutiste + } b) En déduire la liste des forces s exerçant sur le système. c) roposer un schéma des forces s exerçant sur le système. d) A votre avis ces forces se compensent-elles? Expliquez votre point de vue. Situation 4 : Le parachutiste ouvre son lors de sa chute. a) Faire un diagramme des interactions en prenant comme système d étude le parachutiste. b) En déduire la liste des forces s exerçant sur le système. Situation1 : système {parachutiste+} a) Diagramme d'intéraction 1.5 pt arachutiste + Sol b) Les forces sont : Le système étant immobile, les forces qui s'exercent sur lui se compensent d'après le principe d'inertie F Sol/système = R F /système = Situation2 : a) Le parachutiste est immobile dans le référentiel de l'avion b) Le parachutiste est en mouvement dans le référentiel terrestre par exemple. c) Diagramme d'intéraction arachutiste + Sol de l'avion age 3 sur 5
4 Situation3 : a) Diagramme d'interaction 1. 5pt arachutiste + Air f b) Les forces sont : F Air/système = f F /système = d) Si le système chute avec une vitesse qui augmente, les forces qui s'exercent sur lui ne se compensent pas d'après le principe d'inertie, le poids entraîne le parachutiste vers le bas. Situation 4 a) Diagramme d'intéraction 1. pt arachutiste arachute Air b) Les forces sont : F l/système = F F /système = F Air/système = f ( négligeable devant les 2 autres ) EXERCICE N 5 : Course cycliste (4 points) Un coureur cycliste s est échappé du peloton et file vers l arrivée, le dernier kilomètre étant une longue ligne droite. Il est suivi par une moto placée derrière lui et qui reste à une distance constante de lui. Un cameraman placé sur la moto le filme. 1. Quel est le mouvement du cycliste par rapport au cameraman? 2. La moto se place ensuite à côté du cycliste échappé en roulant à la même vitesse que lui (V = 55 km.h -1 ). Le cameraman fait un gros plan sur la roue arrière pendant quelques secondes. a) Quel est le mouvement du cycliste dans le référentiel terrestre? b) Quel est le mouvement d un point O à la périphérie de la roue (la valve par exemple) par rapport à la moto? 3. Lorsque le cycliste échappé se retourne, il voit le gros du peloton fondre sur lui. A ce moment, il est à une distance D = 200 m de l arrivée, le peloton se trouvant à la distance d = 50 m de lui. Le peloton roule à la vitesse V = 65 km.h -1 alors que lui ne peut accélérer avec tous les efforts fournis pendant la course mais il arrive à stabiliser sa vitesse à V= 55 km.h -1. Va-t-il remporter la victoire? 1. La distance entre le cycliste et le caméraman est constante, donc le cycliste est immobile par rapport au caméraman. 2a. Le cycliste se déplace en ligne droite à vitesse constante, donc son mouvement est rectiligne uniforme dans le référentiel terrestre. 2b. Un point situé à l extrémité de la roue est animé d un mouvement circulaire (car il s agit d une roue) uniforme (car la roue tourne à vitesse constante). age 4 sur 5
5 3. ar définition, la vitesse est : v = d t Les données sont : distance du cycliste échappé par rapport à l arrivée d1 = 200 m vitesse du cycliste échappé : v1 = 55 km.h -1 distance du peloton par rapport à l arrivée d2 = = 250 m vitesse du peloton : v2 = 65 km.h -1 On commence par convertir les vitesses dans une unité plus appropriée : pour passer des km.h -1 aux m.s -1 D où : V1= = 15 m.s -1 v2= =18 m.s -1 uis on calcule les durées t1 et t2 mis respectivement par le cycliste et le peloton pour arriver sur la ligne finale : t1= d1 v1 = 200 d2 =13 s t2= 15 v2 = =14 s Le cycliste échappé mettra environ 1 seconde de moins que le peloton pour arriver : il gagnera la course. 0. 5pt age 5 sur 5
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