Contrôle n 5 Physique et chimie Première S2 17 / 01 / min

Transcription

1 Contrôle n 5 Physique et chimie Première S2 17 / 01 / min Exercice n 1 : dosage d une solution d ammoniaque (26 points). On dose par conductimétrie une solution d acide chlorhydrique avec une solution d ammoniaque de concentration c B égale à 0,75 mol.l -1. Pour cela, on prélève un volume V A égal à 20,0 ml de la solution d acide chlorhydrique, que l on verse dans un becher de 500 ml que l on pose sur un agitateur magnétique. On ajoute ensuite 200 ml d eau distillée, puis l on verse { l aide d une burette graduée la solution d ammoniaque. On mesure alors la conductivité du mélange obtenu lors des ajouts de la solution d ammoniaque. On obtient les résultats suivants : Volume versé V B (en ml) Conductivité σ (en S.m -1 ) 0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 20,0 22,0 24,0 1,94 1,73 1,53 1,34 1,14 0,95 0,86 0,76 0,67 0,64 0,64 0,63 0,63 0,63 0,62 0,62 0,61 1. Pour préparer une solution d ammoniaque, on dissout de l ammoniac gazeux dans de H N H l eau. On a donne ci-contre le schéma de Lewis de la molécule d ammoniac. L ammoniaque est-elle une espèce acide ou basique? Justifier votre réponse. Donner la formule et le nom de sa forme conjuguée. En déduire le couple ainsi formé et H l équation formelle associée. 2. Étude du protocole expérimental. Représentation de Lewis 2.1. Compléter et annoter le schéma donné en annexe nécessaire pour effectuer ce dosage Préciser les noms et formules du réactif titré et du réactif titrant Pourquoi a-t-on ajouté de l eau distillée à la solution d acide chlorhydrique? 2.4. Qu est-ce qu un dosage? Pourquoi parle-t-on ici de dosage par titrage et non pas de dosage par étalonnage? 3. Étude du mélange initial Quelles sont les espèces présentes initialement dans le becher (c est-à-dire lorsque : V 0 ml)? Donner leur nom et leur formule En déduire l expression littérale de la conductivité initiale σ 0 de la solution. 4. Écrire l équation de la réaction du dosage en précisant les deux couples acide base en présence et leur équation formelle associée. 5. Étude de l équivalence Définir l équivalence de ce titrage Utiliser la courbe donnée en annexe pour déterminer le volume de solution d ammoniaque V E versé à l équivalence. Noter le point d équivalence E sur la courbe donnée en annexe Compléter le tableau d évolution du titrage { l équivalence donné en annexe. On appelle x E la valeur de l avancement de x max { l équivalence Déduire de la question précédente la relation permettant de calculer la concentration molaire c A de la solution d acide chlorhydrique Calculer la concentration c A de la solution d acide chlorhydrique Quelles sont les espèces chimiques présentent { l équivalence? En déduire l expression littérale de la conductivité de la solution en ce point et déterminer graphiquement sa valeur. Données : Ion chlorure : Cl ammonium : N oxonium : O Conductivité molaire ionique (en S.m 2.mol -1 ), 0, 5 0 5,0 0 Exercice n 2 : étude d un skieur. (14 points) Un skieur est tracté à vitesse constante par un remonte-pente sur une portion de piste AB supposée rectiligne. Sur cette portion on suppose que la piste est verglacée, donc parfaitement lisse. On se propose d étudier les travaux des forces qui s exercent sur le skieur. 1. Quels sont les trois forces qui s exercent sur le skieur et son équipement dans le référentiel de la piste si on néglige les actions dues { l air (la résistance de l air et la poussée d Archimède)? On pourra s aider d un diagramme objetsinteractions pour répondre à la question. 2. Quelle relation lie les trois forces qui s exercent sur le skieur et son équipement? Justifier votre réponse. Représentez alors au centre de gravité G ces trois forces sur le schéma donné en annexe. 3. Exprimez le travail du poids en fonction de la masse m du skieur et de son équipement, de l intensité de la pesanteur g, de la distance parcourue L et de l angle entre l horizontale et la piste. Ce travail est-il résistant ou moteur? 4. Exprimez le travail de la force exercée par la perche sur le skieur et son équipement en fonction de la valeur T de cette force, de la distance parcourue L et de l angle entre la piste et la perche. Ce travail est-il résistant ou moteur? 5. Quelle est la valeur du travail de la troisième force? Pourquoi? Page n 1 Contrôle n 5 Première S 2

2 Nom : Annexes Tableau d évolution { l équivalence Quantité de matière initiale en mol (x 0) Quantité de matière au cours de la transformation en mol ( x ).. Equation chimique : O ( ) N ( ) z Coucou, ça baigne? Perche Câble G Piste B zb A za = 0 Page n 2 Contrôle n 5 Première S 2

3 Correction Exercice n 1 : [26] 1. La molécule d ammoniaque est une espèce basique car elle est susceptible de capter un proton H +. La forme acide conjuguée est l ion ammonium de formule :. Le couple ainsi formé est : et l équation formelle associée :. [2] 2. Étude du protocole expérimental 2.1. Schéma du titrage par conductimétrie d une solution d acide chlorhydrique par une solution aqueuse d ammoniaque. [3] Burette graduée de 25,0 ml contenant la solution d ammoniaque de concentration c B égale à 0,75 mol.l -1 (le réactif titrant est la molécule d ammoniaque de formule : ) Conductimètre Cellule conductimétrique Becher contenant un volume V A égale à 20,0 ml de solution d acide chlorhydrique de concentration c A (le réactif titré est l ion oxonium de formule : ) et 200 ml d eau distillée Barreau aimanté S cm -1 0,950 Agitateur magnétique 2.2. Le réactif titré est l ion oxonium de formule : ( ) et le réactif titrant la molécule d ammoniaque de formule : ( ). [2] 2.3. On ajouté de l eau distillée { la solution d acide chlorhydrique pour négliger les variations de volume dans le becher et immerger complètement la cellule conductimétrique. [2] 2.4. Un dosage est la détermination d une quantité de matière inconnue { l aide de mesures physiques (par exemple la conductance d une solution) ou chimiques (par exemple un changement de coloration). On parle de dosage par titrage car il y a destruction de matière par une transformation chimique, contrairement au dosage par étalonnage, dans lequel on compare la solution inconnue à des solutions étalons. [2] 3. Étude du mélange initial Les espèces présentes initialement dans le becher sont les ions oxonium de formule :, les ions chlorure de formule : et l eau de formule :. Ne pas oublier qu une solution est électriquement neutre! [1,5] 3.2. L expression littérale de la conductivité initiale de la solution est :. [1] Remarque : calcul de la concentration en acide chlorhydrique à partir de la conductivité initiale. En tenant compte de la dilution, on a :, V étant le volume d eau distillée, d où : Application numérique : c, (, ) (,, ), ( ml 0 m et mol. m 0 mol. L ). La concentration en acide chlorhydrique est de 0,495 mol.l -1., donc : ( ) 5 mol. m 0, 5 mol. L. 4. Les deux couples acide base en présence et leur équation formelle associée sont :. L équation du titrage est donc : ( ) ( ) ( ) ( ) [2] 5. Étude de l équivalence L équivalence correspond au changement de réactif limitant : avant l équivalence le réactif limitant est la molécule d ammoniaque et après l équivalence c est l ion oxonium. [2] 5.2. Le volume de solution d ammoniaque versé { l équivalence est d environ, ml. Ce volume correspond à l abscisse du point d intersection des deux droites formées par le nuage de points expérimentaux (voir la courbe page suivante). [2] Page n 3 Contrôle n 5 Première S 2

4 Zone 1 Zone 3 Zone 2 E 5.3. Tableau d évolution du titrage { l équivalence. [2] Equation chimique : O ( ) N ( ) O ( ) N ( ) Quantité de matière initiale en mol (x 0) n( O ) c V n(n ) c V Quantité de matière au cours de la transformation en mol (x) n( O ) x n(n ) x À l équivalence ( ) n( O ) x n(n ) x 5.4. D après le tableau d évolution précédent, on { l équivalence a : ( ) ( ), soit : c V c V, donc :. [1,5] 5.5. Application numérique : c,,, 0,50 mol. L. La concentration c A de la solution d acide chlorhydrique est de 0,50 mol.l -1. [1] 5.6. Les espèces chimiques présentent { l équivalence sont les ions ammonium de formule :, les ions chlorure de formule : et l eau de formule :. On a donc { l équivalence une solution aqueuse de chlorure d ammonium, qui est électriquement neutre. L expression littérale de la conductivité de la solution { l équivalence est :. Graphiquement la valeur de la conductivité de la solution { l équivalence σ E est de 0,64 S.m -1. [2] Remarque : calcul de la concentration en acide chlorhydrique à partir de la conductivité initiale. La courbe se partage en trois zones. Dans la zone 1 (, ) l ion oxonium contenu dans le becher est remplacé par l ion ammonium en proportions égales d après l équation de la réaction. Or l ion ammonium { une conductivité molaire ionique très inférieure { celle de l ion oxonium, donc la conductance de la solution diminue. À l équivalence ( ) (zone 2) la conductance est minimale car il n y a plus d ion oxonium. Dans la zone 3 ( ) la conductance de la solution reste constante car on ajoute de l ammoniaque qui n intervient pas dans l expression de la conductance de la solution. Page n 4 Contrôle n 5 Première S 2

5 Exercice n 2 : [14] 1. Les trois forces qui s exercent sur le skieur et son équipement sont : le poids du skieur et de son équipement : ; la réaction de la piste : ; et la tension de la perche :. [3] 2. La somme vectorielle des forces s exerçant sur le skieur et son équipement est égale au vecteur nul, car ce système est en mouvement rectiligne et uniforme (première loi de Newton). Cela se traduit par la relation :. Voir le schéma ci-dessous pour la représentation des trois forces. [4] 3. Le travail du poids est donné par la relation : W P P. A m g (z z ) m g z, or : z L sin, d où :. Le travail du poids est résistant. [2,5] 4. Le travail de la tension de la perche est donné par la relation :.. Le travail de la tension de la perche est moteur. [2,5] 5. Le travail de la réaction de la piste est nul. En effet la piste étant verglacée, il n y pas de frottement entre les skis et la piste, donc la direction de la réaction de la piste est perpendiculaire à la piste. Ainsi la direction de cette force est perpendiculaire au déplacement à chaque instant :.. [2] z Coucou, ça baigne? Perche Câble G Piste B z B A z A = 0 La direction de la réaction de la piste est perpendiculaire à la piste car elle est verglacée, donc on néglige les frottements. Bilan du contrôle n 5 Moyenne (sur 40) : 19,3 Note minimale : 10 Note maximale : 31,5 Nombre de notes strictement inférieures à 20 (sur 32) : 16 Page n 5 Contrôle n 5 Première S 2