Exercices de révision (corrections en annexe)

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1 Exercices de révision (corrections en annexe) Structure de la matière Atome Décrire ce qu est un atome, de quoi est il constitué, quel est sa charge électrique. Molécule Décrire ce qu est une molécule et donner des exemples. Ions Décrire ce qu est un ion. Eléments chimiques Donner les noms des éléments associés aux symboles suivants. Préciser s il s agit d un corps pur simple, d un corps pur composé ou d un mélange. H He O2 O3 Fe Na Cl H2O NaCl CO2 CH4 Etats de la matière Glace eau et vapeur d eau On fait chauffer de la glace (obtenue à partir d une eau supposée pure) d une température de départ -20 C, à pression atmosphérique, jusqu à obtenir une température de 150 C. On souhaite relever la courbe de l évolution de la température de l eau (quel que soit son état) en fonction du temps de chauffage Quelle courbe va-t-on obtenir? Justifier la forme de la courbe. Préciser les noms de chaque transformation. Quelles sont les différences, au sens chimique, entre les trois états? Denis Rabasté exercices de révision 1/14

2 En supposant que nous avions 1 kg de glace au départ, quelle masse d eau allons nous avoir à 20 C, et quelle masse de vapeur d eau à 120 C? Justifier votre réponse. Comment évolue le volume «d eau» lors de la fusion ; comparer avec d autres matériaux. On suppose que la puissance de chauffage ne varie pas lors de notre expérience et on souhaite remplacer sur notre courbe le temps par l énergie fournie pour l expérience. Comment sera modifiée notre courbe? Proposer une méthode pour relever l énergie fournie par le système de chauffage dans le cas d un combustible à méthane, puis d une plaque de cuisson électrique. On réalise la même expérience dans un autocuiseur. Comment évolue la courbe? On revient à température ambiante, mais cette fois la glace a été obtenue par solidification d eau salée. Comment évolue la courbe? Quels éléments chimique trouvera t-on dans la glace, dans l eau et dans la vapeur? Que restera t-il dans le récipient une fois le liquide disparu? Mélange eau salée La solubilité du sel dans l eau est de 360 g à température de 20 C à pression atmosphérique. On mélange 300 g de sel à 1 litre d eau à température ambiante et pression atmosphérique. Quel type de mélange obtient-on? Qu est devenu le sel? Comment nomme t-on le phénomène mis en jeu? Définir qui est le soluté, la solution, le solvant. Quel est la masse de la solution? Justifier votre réponse. Que se passe t-il si on refroidit la solution? On mélange maintenant 500 g de sel dans 1 litre d eau à température ambiante. Quel type de mélange obtient-on? Quel est la masse de la solution? Comment obtenir à nouveau un mélange homogène? Evolution de la solubilité en fonction de la température, de la pression. Pourquoi chauffe t-on le mélange fruit sucre pour faire de la confiture? Denis Rabasté exercices de révision 2/14

3 Pourquoi une bouteille d eau gazeuse libère des bulles lorsqu on l ouvre pour la première fois? Lune Quelle différence existe-t-il entre rotation et révolution? Que veut mettre en évidence l auteur de ce dessin : Quelle est la période des phases de la lune? la période de rotation de la lune autour de la terre? Extraction de liquides Proposer un schéma de principe normalisé de la transmission de mouvement du montage suivant : Denis Rabasté exercices de révision 3/14

4 Donner le rapport de transmission sachant que les petites roues ont 14 dents et les grandes 24. Si la vitesse en entrée est de 1 tour par seconde, quelle sera la vitesse en sortie? On applique à l entrée une force de 1 N pour faire tourner la roue. Quelle sera la force obtenue en sortie (à la même distance de l axe). Quel principe physique vous permet de répondre à cette question? Energie de l eau Donner le principe de fonctionnement d une centrale hydraulique, en précisant sous quelle forme l énergie est mise en jeu à chaque endroit. Quelles autres solutions sont possibles pour obtenir de l énergie à partir de l eau? Parmi les propositions suivantes, indiquer celles qui sont vraies : - Sur ma facture d électricité, j ai une consommation de 5 kw. - Les joules et les calories sont deux unités pour exprimer la quantité d énergie. - Je pourrais faire bouillir un litre d eau environ deux fois plus vite si j utilise une bouilloire de 2000 W plutôt qu une bouilloire de 1000 W. - Si je branche pendant la même durée un radiateur de 1 kw ou un radiateur de 2 kw, je règlerai la même facture à mon fournisseur d énergie électrique, mais le radiateur de 2 kw sera plus cher à l achat. Denis Rabasté exercices de révision 4/14

5 Annexe : exemple de solutions Atome Un atome est constitué essentiellement de vide, mais aussi d un noyau autour duquel gravitent un ou plusieurs électrons, les électrons étant des particules chargées négativement. Le noyau est constitué de neutrons, particules neutre électriquement, et de protons, particules chargés positivement. Le nombre d électrons et de protons sont identiques au sein d un atome, leur charge électrique étant les mêmes au signe près, l atome est donc neutre électriquement. Molécule Une molécule est un assemblage d atomes, elle est électriquement neutre. Ions Un ion est un atome (on parle alors de ion monoatomique) ou un groupe d atome (ion polyatomique) ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Denis Rabasté exercices de révision 5/14

6 Lorsque la charge électrique de l ion est positive (perte d un électron) on parle de cation, et d anion lorsqu elle est négative (gain d un électron). Eléments chimiques H Hydrogène Corps pur simple (une seule espèce d atome) He Hélium Corps pur simple O2 Dioxygène Corps pur simple O3 Ozone Corps pur simple Fe Fer Corps pur simple Na Sodium Corps pur simple Cl Chlore Corps pur simple H2O Eau Corps pur composé (une seule espèce de molécule, mais plusieurs espèces d atomes) NaCl Chlorure de sodium (sel) Corps pur composé CO2 Dioxyde de carbone (gaz Corps pur composé carbonique) CH4 Méthane Corps pur composé Tous les éléments cités sont des corps purs (une seule espèce chimique atomique ou moléculaire), il n y a aucun mélange. Glace eau et vapeur d eau Quelle courbe va-t-on obtenir? Justifier la forme de la courbe. Denis Rabasté exercices de révision 6/14

7 Chaque changement d état se caractérise par un palier, ce qui est une caractéristique des corps purs, simples ou composés. Chaque changement d état nécessite un apport d énergie important. Lors du changement d état (glace vers eau par exemple) la température reste constante pendant un certain temps malgré l apport d énergie constant. Remarque : - la vapeur d eau est un gaz invisible ; la «buée» que l on voit apparaitre au moment de l ébullition est due à la présence de gouttelettes d eau (liquide) au dessus de notre récipient (vapeur d eau redevenant liquide sous l effet de l air ambiant plus froid) ; c est le même phénomène que l on peut observer dans un nuage ou avec le brouillard. - Lorsque l eau commence à chauffer, on voit apparaître des petites bulles d air : la solubilité d un gaz dans l eau diminuant avec la température. Ce n est qu au moment de l ébullition qu on voit apparaître de grosses bulles correspondant à la transformation de l eau (plus chaude au fond du récipient) en vapeur. Préciser les noms de chaque transformation. Denis Rabasté exercices de révision 7/14

8 Dans le langage courant, le terme «condensation» est utilisé pour décrire le passage de l état gazeux à l état solide (condensation sur une vitre un miroir), aussi est il préférable de parler de condensation solide lorsqu on décrit le passage de l état gazeux à l état solide et de condensation liquide lorsque l on va vers l état liquide. Le terme ébullition est utilisé pour vaporisation dans le langage courant pour le passage de l état liquide à gazeux. L évaporation caractérise le passage de l état liquide à gazeux mais correspond à des températures plus faible que la vaporisation (l évaporation de l eau d un lac sous l action du soleil ne signifie pas que l eau du lac bout) Quelles sont les différences, au sens chimique, entre les trois états? Dans les trois états nous sommes en présence de molécules d eau H2O, mais leur type de liaison est différent : - molécules ordonnées, très rapprochées et liées pour la glace - molécules désordonnées, rapprochées et peu liées pour l eau - molécules désordonnées, espacées et très agitées pour la vapeur En supposant que nous avions 1 kg de glace au départ, quelle masse d eau allons nous avoir à 20 C, et quelle masse de vapeur d eau à 120 C? Justifier votre réponse. La masse, c'est-à-dire la quantité de matière, est conservée (rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme) dans les changements d état comme dans les réactions chimiques (seules les réactions nucléaires n obéissent pas à cette règle, créant de l énergie par E=mc²). Nous avons donc 1kg de glace, puis 1 kg d eau, puis 1 kg de vapeur d eau. Comment évolue le volume «d eau» lors de la fusion ; comparer avec d autres matériaux. Denis Rabasté exercices de révision 8/14

9 Le volume d eau diminue lors de la transformation de la glace en liquide, et va continuer à diminuer jusqu à la température de 4 C. C est quasiment le seul élément présentant cette propriété. Après 4 C, le comportement devient «normal», c'est-àdire que l augmentation de la température provoque une dilatation. Sans cette caractéristique particulière de l eau (dilatation lorsque la température descend en dessous de 4 C), les océans finiraient par geler et la vie ne serait pas possible sur terre. On suppose que la puissance de chauffage ne varie pas lors de notre expérience et on souhaite remplacer sur notre courbe le temps par l énergie fournie pour l expérience. Comment sera modifiée notre courbe? L allure de la courbe reste la même puisque la puissance est constante (même apport d énergie par unité de temps). Proposer une méthode pour relever l énergie fournie par le système de chauffage dans le cas d un combustible à méthane, puis d une plaque de cuisson électrique. Dans le cas du méthane l énergie fournie est proportionnelle à la masse de méthane, il suffit donc de mesurer cette masse. Dans le cas d un système électrique, il est nécessaire d utiliser un compteur d énergie (style compteur EDF), ou encore de mesurer le temps de chauffe et de multiplier par la puissance (E=P.T) On réalise la même expérience dans un autocuiseur. Comment évolue la courbe? L autocuiseur ne permettra pas à l air chauffé de s évacuer, ce qui provoquera une augmentation de la pression tout au long de l expérience. L augmentation de la pression conduit à une diminution du point de fusion (comme lorsque la glace se transforme en eau sous le poids du patineur) et une augmentation du point d ébullition (comme pour la cuisson des aliments dans un autocuiseur). La figure suivante résume ce phénomène : Denis Rabasté exercices de révision 9/14

10 La courbe de la température en fonction du temps ou de l énergie dans notre expérience sera donc dilatée (décalage vers la gauche du point de fusion, et vers la droite du point d ébullition). On revient à température ambiante, mais cette fois la glace a été obtenue par solidification d eau salée. Comment évolue la courbe? L eau salée n étant pas un corps pur (mélange d eau et de sel), il n y a pas de pallier franc au moment des changements d état comme le montre la figure suivante pour la fusion. Quels éléments chimique trouvera t-on dans la glace, dans l eau et dans la vapeur? Que restera t-il dans le récipient une fois le liquide disparu? On trouvera dans la glace des molécules d eau (H2O) et de sel (NaCl), de même que dans l eau. Denis Rabasté exercices de révision 10/14

11 Par contre on ne trouvera que des molécules d eau dans la vapeur d eau, les molécules de sel restant au fond du récipient une fois l eau évaporée. Mélange eau salée Quel type de mélange obtient-on? Le seuil de solubilité n étant pas atteint, le mélange est homogène, rien ne permet de distinguer le sel dans l eau. Qu est devenu le sel? Le sel s est dissout dans l eau, ses molécules se sont mélangées avec celles de l eau. Le sel n a pas disparut comme le laisse entendre l expression courante du sel qui fond dans l eau. Comment nomme t-on le phénomène mis en jeu? La dissolution (à ne pas confondre avec la fusion voir question précédente avec la glace) Définir qui est le soluté, la solution, le solvant. Le sel est le soluté, l eau le solvant et l eau salé la solution. Quel est la masse de la solution? Justifier votre réponse. La masse, c'est-à-dire la quantité de matière, est conservée (rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme) dans les changements d état comme dans les réactions chimiques et les mélanges (seules les réactions nucléaires n obéissent pas à cette règle, créant de l énergie par E=mc²). La masse de l eau étant de 1 kg pour 1 litre, la masse de la solution est donc 1,3 kg. Que se passe t-il si on refroidit la solution? La solubilité du sel dans l eau diminuant avec la température, on peut voir réapparaître du sel au fond du récipient, le mélange devenant hétérogène. On mélange maintenant 500 g de sel dans 1 litre d eau à température ambiante. Quel type de mélange obtient-on? Quel est la masse de la solution? Comment obtenir à nouveau un mélange homogène? Le mélange est hétérogène, on distingue du sel au fond du récipient, la masse de la solution est de 1,5 kg. On peut rendre le mélange à nouveau homogène en le chauffant, la solubilité du sel dans l eau augmentant avec la température. Denis Rabasté exercices de révision 11/14

12 Evolution de la solubilité en fonction de la température, de la pression Pourquoi chauffe t-on le mélange fruit sucre pour faire de la confiture? La solubilité d un solide dans l eau augmente avec la température. En chauffant le mélange, on permet au sucre de se dissoudre dans l eau contenue dans les fruits et d y rester prisonnier lors du refroidissement (solubilité du sucre dans l eau : 667g/L à 20 C et 808g/L à 90 C). Pourquoi une bouteille d eau gazeuse libère des bulles lorsqu on l ouvre pour la première fois? La solubilité d un gaz dans l eau augmente avec la pression. Lors de la fermeture de la bouteille, du gaz carbonique est emprisonné, créant à l intérieur de la bouteille une pression supérieure à la pression atmosphérique. Lors de l ouverture de la bouteille, le liquide est mis à pression atmosphérique, l eau à cette pression se retrouve alors saturée en gaz carbonique ; celui-ci s échappe jusqu'à retrouver un nouvel équilibre à la limite de la saturation. Lune Quelle différence existe-t-il entre rotation et révolution? La rotation est un mouvement circulaire autour d un axe interne (par exemple la rotation de la Terre autour de l axe nord sud à l origine des alternances jour nuit). La révolution est un mouvement circulaire autour d un axe externe (par exemple la révolution de la Lune autour de la Terre) Que veut mettre en évidence l auteur de ce dessin : Ce dessin met en évidence la révolution de la Lune autour de la Terre, la rotation de la Lune sur elle-même au cours d une révolution, ainsi que le fait que la Lune présente toujours la même face à la Terre. Quelle est la période des phases de la lune? la période de rotation de la lune autour de la terre? La Lune effectue un tour complet autour de la Terre en un peu plus de 27 jours (27 jours 7h 43 mn). On parle alors de mois sidéral. Cependant, pendant ces 27 jours, la Terre à tourné autour du soleil et pour retrouver le même alignement (donc la même phase de la Lune), il faut un peu plus de 29 jours (29 jours 12h 44 mn). On parle alors de mois lunaire ou de lunaison. C est le phénomène visible depuis la Terre. Denis Rabasté exercices de révision 12/14

13 Extraction de liquides Proposer un schéma de principe normalisé de la transmission de mouvement du montage suivant : roue d'entrée liaison pivot engrenages axe d'entrée chassis axe de sortie roues de sortie Donner le rapport de transmission sachant que les petites roues ont 14 dents et les grandes 24. Le rapport de transmission de la vitesse de sortie sur la vitesse d entrée vaut donc Vs/Ve=(14/24)x(14/24)x(14/24)=0,2 La vitesse de sortie sera plus faible que la vitesse d entrée, il faut en effet faire plusieurs tour sur la petite roue pour obtenir un tour de la grande. Si la vitesse en entrée est de 1 tour par seconde, quelle sera la vitesse en sortie? D après la relation précédente Vs=1x0,2=0,2 tours/s. On applique à l entrée une force de 1 N pour faire tourner la roue. Quelle sera la force obtenue en sortie (à la même distance de l axe) si on néglige les frottements. Quel principe physique vous permet de répondre à cette question? Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Cette règle s applique aussi à l énergie et à la puissance. Comme il n y a pas de pertes, toute l énergie ou la puissance présente en entrée se retrouve en sortie. Denis Rabasté exercices de révision 13/14

14 L énergie à l entrée est le produit de la force appliqué par le déplacement ; elle a même valeur et expression à la sortie. Si, dans un intervalle de temps donnée le déplacement est plus faible à l entrée, la force sera donc d autant plus grande en sortie. En sortie on retrouvera donc une force de 1/0,2=5 Newton. Energie de l eau Donner le principe de fonctionnement d une centrale hydraulique, en précisant sous quelle forme l énergie est mise en jeu à chaque endroit. Dans le barrage l eau stockée présente une énergie mécanique potentielle, proportionnelle à la masse stockée et la hauteur du barrage (Ep= m.g.h avec g=9,8 m/s²). Chaque masse d eau s engouffrant dans la conduite forcée transforme cette énergie potentielle en énergie cinétique, dépendant de la masse et de la vitesse de déplacement (Ec=1/2.m.v²). Arrivant au niveau la turbine, cette eau crée une force sur les pales, entrainant en rotation la turbine. L énergie cinétique est alors convertie en travail d une force (Et=F.d, F étant la force et d le déplacement produit un arc de cercle). Au niveau de l alternateur, cette énergie devient électrique proportionnelle à la tension, au courant produit et au temps de production (Ee=k. U.I.T). Afin de transporter cette énergie en limitant les pertes dues au courant (R.I², R étant la résistance de la ligne) vers le lieu de production, la tension est élevée par un transformateur (donc le courant abaissé d autant). Au niveau du lieu d utilisation, la tension est de nouveau abaissée par un transformateur pour des raisons de sécurité. Remarque : on nomme généralement «énergie mécanique», l énergie potentielle et l énergie cinétique, mais le travail d une force peut être vu comme une énergie mécanique. Quelles autres solutions sont possibles pour obtenir de l énergie à partir de l eau? Utiliser l énergie cinétique des marées, des courants marins, de la houle ; utiliser la forte température des eaux souterraines. Parmi les propositions suivantes, indiquer celles qui sont vraies : - Sur ma facture d électricité, j ai une consommation de 5 kw. Non, la consommation électrique s exprime en kwh. - Les joules et les calories sont deux unités pour exprimer la quantité d énergie. Oui - Je pourrais faire bouillir un litre d eau environ deux fois plus vite si j utilise une bouilloire de 2000 W plutôt qu une bouilloire de 1000 W. - Oui. - Si je branche pendant la même durée un radiateur de 1 kw ou un radiateur de 2 kw, je règlerai la même facture à mon fournisseur d énergie électrique, mais le radiateur de 2 kw sera plus cher à l achat. - Le radiateur plus puissant risque effectivement d être plus cher à l achat, et son utilisation pendant la même durée consommera plus d énergie ; cependant, pour la même température souhaitée, je l utiliserais moins longtemps. Denis Rabasté exercices de révision 14/14