La calculatrice est autorisée. Le sujet sera rendu avec la copie. La rédaction sera soignée. 1 ev = 1,60 x J e = 1, C Vm = 24,0 L/mol

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1 Nom :.. / 18 janvier 2016 Prénom :.. DS n 3 1 ère S1 et S2 Mme Grange-Reynas M Gudfin La calculatrice est autorisée. Le sujet sera rendu avec la copie. La rédaction sera soignée. Données : k = 8,899 x 10 9 N.m 2.C -2 G = 6, N.m 2.kg -2 N A = 6, ev = 1,60 x J e = 1, C Vm = 24,0 L/mol Vitesse de la lumière : c = 2, m.s -1 Masse molaire en g/mol : H : 1,0 ; Al : 27,0 ; Sn : 118,7 ; Na : 23,0 ; Cl : 35,5 ; Cu : 63,5 Exercice 1 annoncé sur 4 / 7 Dans un bécher contenant un volume V = 30 ml de solution aqueuse de sulfate de cuivre II (Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)) de concentration molaire C = 0,50 mol/l, on ajoute une masse m = 0,54 g de poudre d aluminium (Al(s)). Lors de cette réaction, il se forme des ions Al 3+ (aq) et du métal cuivre Cu(s). Les ions sulfates sont spectateurs. 1. Ecrire l équation de la réaction. (Vérifier la conservation des éléments et des charges électriques) (0,5pt) 3 Cu Al 2 Al Cu 2. Dresser le tableau d avancement de cette réaction. (2pts) Calculs des quantités initiales : C = n / V d où n = C x V A.N. C = 0,50 mol/l V = 30 ml = L (2 CS) n(cu 2+ ) = 0,50 x soit n(cu 2+ ) = 1, mol n = m / M A.N. m = 0,54 g M(Al) = 27,0 g/mol (2CS) n (Al) = 0,54 / 27,0 soit n(al) = 2, mol 3. A l aide de ce tableau, déterminer le réactif limitant et l avancement maximal. (1,5pts) Si les ions Cu 2+ sont le réactif limitant alors 1, Xmax = 0 soit Xmax = 1, / 3 = 5, mol Si l aluminium est le réactif limitant alors 2, Xmax = 0 soit Xmax = 2, / 2 = 1, mol Xmax = 5, mol est le plus petit donc les ions Cu 2+ sont le réactif limitant. 4. En déduire : a. La composition en quantité de matière du système dans l état final. (2pts) A l état final : n(cu 2+ ) = 0,0 mol (réactif limitant) n(al 3+ ) = 2 Xmax = 2 x 5, soit n(al 3+ ) = 1, mol n(cu) = 3 Xmax = 3 x 5, soit n(cu) = 1, mol n(al) = 2, Xmax = 2, x 5, soit n(al) = 1, mol b. Les concentrations molaires des espèces chimiques en solution dans l état final. (1pt) [Cu 2+]= 0 mol.l -1 [Al 3+ ] = n(al 3+ ) / V = 1, / = 3, mol.l -1 [SO42-] = 0,50 mo

2 Exercice 2 / 5 Lors de la réaction entre l étain et une solution d acide chlorhydrique, il se produit un dégagement de dihydrogène et des ions étain Sn 2+ (aq) apparaissent. Dans les mêmes conditions, le cuivre ne réagit pas. 1. Ecrire l équation de la réaction entre l étain Sn(s) et les ions H + (aq). (0,5pt) Sn + 2 H + Sn 2+ + H 2 2. Les cloches sont constituées de bronze, alliage de cuivre et d étain. Un échantillon de ce bronze de masse m 0 = 5,4 g est plongé dans une solution d acide chlorhydrique. On recueille un volume V de dihydrogène égal à 250 ml. a. Déterminer la quantité de matière de dihydrogène formée. (1pt) On sait que Vm = 24,0 L/mol soit n = V / Vm A.N. : V = 250 ml = L n(h 2 ) = / 24,0 soit n(h 2 ) = 1, mol b. A l aide d un tableau d avancement et en supposant que les ions H + (aq) sont en excès, en déduire l avancement maximal. (1pt) Si les ions H + sont en excès alors le réactif limitant est Sn. D après le tableau d avancement Xmax = n(h 2 ) = 1, mol c. En déduire la quantité de matière et la masse d étain présent dans l échantillon. (2pts) D après le tableau d avancement et sachant que l étain est le réactif limitant n(sn) = Xmax = 1, mol m(sn) = n(sn) x M(Sn) = 1, x 118,7 soit m(sn) = 1,23 g d. Calculer le pourcentage en masse d étain dans le bronze. (0,5pt) Il y a 1,23 g de Sn dans 5,4 g de bronze donc 1,23 / 5,4 x 100 = 22,8 % Exercice 3 Le dichlorométhane est un composé organique souvent utilisé comme solvant. Sa formule chimique est CH 2 Cl Donne les structures électroniques des atomes de carbone 6 C, d hydrogène 1 1H 35 et de chlore 17Cl. C : K 2 L 4 H : K 1 Cl : K 2 L 8 M 7 [1 pt] /4 2. Déduis-en, pour chaque atome, le nombre de liaisons covalentes qu il va engendrer et le nombre de doublets non liants qu il va porter. [1pt] Eléments Nombre d électrons sur la couche externe Nombre de liaisons de covalence Nombre de doublets non liants Carbone Hydrogène Chlore Donne la représentation de Lewis de la molécule de dichlorométhane. [1pt] 4. Comment peut-on qualifier la géométrie de cette molécule? [1pt] Le dichlorométhane est une molécule tétraédrique.

3 Exercice 4 Le potassium / 5,5 Le potassium (Z = 19) est naturellement présent sous la forme de deux isotopes stables : le potassium 39 (93 %) et le potassium 41 (7 %). Il en existe cependant un troisième, le potassium qui est radioactif et représente 0,01167 % de la quantité de potassium qui se trouve dans la nature. Un échantillon de 10 g de potassium naturel est placé devant un détecteur. On mesure pendant 10 minutes désintégrations. 1. Quelle est l'activité de cet échantillon? [1pt] L activité est le nombre de désintégration par seconde donc A = / (10 x 60) = 307 Bq On suppose que le potassium peut subir une des trois désintégrations spontanées suivantes : Ca 19K 20 + e K Cl 4 19K + He 2 18 Ar e 2. Recopier et compléter les trois équations ci-dessus. [1,5pts] 3. Donner la particule émise dans chacune de ces trois désintégrations. [1,5pts] Electrons ou β- Noyau d hélium = Positon 4. En déduire le type de chacune de ces trois désintégrations. [1,5pts] SYNTHESE 1 Production d énergie nucléaire /10 A. La fusion /3 La fusion contrôlée se manifeste par une réaction entre les noyaux de deutérium (Z = 1 et A = 2) et de tritium (Z = 1 et A = 3). Dans cette réaction nucléaire, seul le tritium est radioactif et 90% des déchets ont une durée de vie radioactive très courte. 1. Justifier le fait que deutérium et tritium appartiennent à l élément hydrogène. [0,5pt] Le deutérium et le tritium ont le même numéro atomique Z donc ils appartiennent au même élément chimique. 2. Justifier le fait que cette réaction soit une fusion. 3. Ecrire l équation de fusion entre ces deux noyaux sachant qu il se forme un neutron et un noyau A noté ZX. Identifier le noyau inconnu et justifier le raisonnement. [1pt] H + 1 H 2He + 0 n On utilise les lois de Soddy afin de déterminer le noyau inconnu. 4. Exprimer et calculer en J puis en MeV l énergie libérée par cette réaction. [1,5pts] E = m. c 2 E = 6, , ( 3, , ) x (2, ) 2 E = 8, , x (2, ) 2 E = 3, x (2, ) 2 E = 2, J E = 2, / 1, = , 5 ev soit E = 17,6 MeV

4 B. La fission /6 Actuellement, les centrales nucléaires utilisent la réaction de fission de l uranium 235 qui constitue le «combustible nucléaire». Certains produits de fission sont des noyaux radioactifs à forte activité et restant radioactifs très longtemps. Voici un exemple de réaction possible (à compléter) : U + 0 n Sr + Xe + k 0 n 5. Compléter le nombre de neutrons formés lors de cette transformation. Justifier par des calculs. [0,5pt] ( ) ( ) = 3 donc k = 3 6. Donner la composition du noyau de l uranium 235. Que représente l uranium 238 par rapport à lui? Le noyau d Uranium 235 contient 92 protons et (235 92) = 143 neutrons [0,5pt] L uranium 238 est un isotope de l uranium 235 [0,5pt] 7. Cette réaction est-elle une désintégration spontanée? Justifier. [0,5pt] Dans cette réaction, un neutron intervient donc ce n est pas une désintégration spontanée. 8. Exprimer et calculer en J puis en MeV l énergie libérée par cette réaction. [1,5pts] E = m. c 2 E = 1, , , ( 3, , ) E = 3, , x (2, ) 2 E = 3, x (2, ) 2 E = 2, J 54 x (2, ) 2 E = 2, / 1, = ev soit E = 180 MeV 9. Dans 1,00 kg d uranium 235, quelle est le nombre de noyaux présents? En déduire l énergie libérée par la réaction nucléaire de 1,00 kg d uranium. [1,5pts] n(atome) = m / M n(noyau) = n(atome) x NA donc n(noyau) = ( m / M ) x NA A.N. : m = 1,00 kg = 1, g M(Uranium) = 235 g/mol n(noyau) = (1, / 235) x 6, = 4,26 x 6, soit n(noyau) = 2, noyaux ou n(atome) = m / m(noyau) A.N. : m = 1,00 kg m(uranium 235) = 3, kg n(noyau) = 1,00 / 3, soit n(noyau) = 2, noyaux E(1kg) = E x n(noyau) = 2, x 2, soit E(1kg) = 7, J E(1kg) = E x n(noyau) = 180 x 2, soit E(1kg) = 4, MeV 10. Sachant que le pouvoir énergétique de l essence est de 3, J par litre, combien de litres d essence contiennent autant d énergie que 1,00 kg d uranium? [1pt] V = E(1kg) / E(1L) A.N. : E(1kg) = 7, J V = 7, / 3, = soit V = 2, L C. Synthèse /1 Conclure en indiquant les avantages que présenterait l utilisation de la fusion par rapport à la fission nucléaire pour la production d électricité dans les centrales nucléaires. [1pt] Moins de déchets radioactifs

5 SYNTHESE 2 Partie A : L eau, un solvant bien particulier! A.1 -Qu est-ce que l eau? A.1.1) Rappeler la structure électronique des atomes H et O. A.1.2) En déduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome. A.1.3) Prévoir la structure et la géométrie de la molécule d eau. A.1.4) Les liaisons O H sont-elles polarisées? Si oui, tracer le moment dipolaire de chaque liaison puis le moment dipolaire résultant. Conclure quant à la polarité de la molécule d eau. A.2 -Première expérience avec le sel de cuisine On dissout un peu de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans l eau. A.2.1) Calculer la force d interaction électrique entre un ion Na + et un ion Cl - dans le cristal NaCl. A.2.2) Calculer la force d interaction gravitationnelle entre un ion Na + et un ion Cl -. A.2.3) Comment expliquer la cohésion du cristal? On observe que, des que les cristaux de chlorure de sodium sont introduits dans l eau, les ions Na+ et Cl- se retrouvent hydrates. A.2.4) Expliquer en quelques phrases et avec des schémas ce qui s est produit. Partie B : Soleil et atmosphère terrestre L objectif de cette partie est d étudier deux phénomènes résultants de l interaction entre le rayonnement solaire et l atmosphère terrestre : la luminescence en haute atmosphère et l effet de serre. Auparavant, une brève étude du fonctionnement de notre étoile sera menee, et sa duree de vie sera estimee. B.1 -Fonctionnement du Soleil

6 B.1.1) Ecrire l équation de la réaction décrite sur le Document B.2. Montrer que cette équation respecte les lois de conservation en physique nucléaire. B.1.2) Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la réaction nucléaire au sein du soleil fait appel a des isotopes. B.1.3) Calculer la variation de masse m associée a la réaction nucléaire étudiée. Comment voit-on que cette réaction dégage de l énergie? B.1.4) Calculer l énergie libérée par la réaction. Vos calculs sont-ils cohérents avec les valeurs données sur le Document B.2? B.1.5) Le deutérium (2H) et le tritium (3H) sont produits a partir de noyaux d hydrogène (1H). Combien de noyaux d hydrogène faut-il pour former un noyau de deutérium? Et pour le tritium? Ecrire les reactions correspondantes, sachant que des particules présentes dans certaines désintégrations radioactives sont également créées. B.1.6) On estime que seul 10 % de l hydrogène contenu dans le Soleil sera transforme en hélium. A partir des données du Document B.3, estimer combien de temps encore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil n etait constitue que d hydrogène lors de sa création. Commenter votre résultat. B.2 Phénomènes de luminescence

7 B.2.1) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est l ion cree par l ionisation de l atome d oxygene sous l action des rayons EUV? B.2.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possedent une energie plus grande ou plus petite qu un photon du visible. Expliquer en quoi la presence d une atmosphere, independamment de sa composition, a participe a l apparition de la vie sur Terre. B.2.3) Un photon de longueur d onde 10 nm peut-il ioniser un atome d oxygene? Et un photon de longueur d onde 100 nm? B.2.4) A partir du Document B.5, identifier les transitions responsables de la raie verte et de la raie rouge qui sont utilisees pour l etude des interactions entre rayonnement EUV et atmosphere.

8 Nom :.. / 18 janvier 2016 Prénom :.. ANNEXE - DS n 3 1 ère S1 et S2 Mme Grange-Reynas M. Gudfin A rendre avec la copie Exercice 1. Equation chimique 3 Cu Al 2 Al Cu Etat du système Avancement (en mol) Etat initial x = 0 1, , Etat intermédiaire x 1, x 2, x 2 x 3 x Etat final Xmax = 1, Xmax 2, Xmax 2 Xmax 3 Xmax Exercice 2. Equation chimique Sn + 2 H + Sn 2+ + H 2 Etat du système Avancement (en mol) Etat initial x = 0 n 0 Excès 0 0 Etat intermédiaire x n 0 - x Excès x x Etat final Xmax = 0 Excès Xmax Xmax