Devoir commun de Physique-Chimie 1S (1H30) Calculatrice interdite

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1 Nom Prénom :.. Classe : 1S- Devoir commun de Physique-Chimie 1S (1H30) Calculatrice interdite Exercice 1 (5 points) : Ne pas se fier à la couleur On dispose d un poivron et d un poivron. On réalise les expériences suivantes : Expérience 1 : on éclaire les poivrons avec une source de lumière blanche. Expérience 2 : on intercale un filtre entre la source blanche et les poivrons. Expérience 3 : on remplace le filtre par un filtre. Expérience 4 : on éclaire maintenant les poivrons avec une lampe à vapeur de Sodium dont la seule raie visible suffisamment intense se situe à 589 nm. Ces lampes sont utilisées en Belgique pour éclairer les autoroutes. On considérera que la lumière blanche n est composée que de 3 couleurs primaires. Compléter le tableau ci-dessous et justifier vos réponses pour le poivron dans l expérience 2 : Couleur(s) absorbées par le filtre Couleur(s) absorbées par le poivron Couleur perçue du poivron Expérience 1 Expérience 2 Expérience 3 Expérience 4

2 Exercice 2 (5 points) : Éclairage d un aquarium En aquariophilie, on utilise comme éclairage des tubes fluorescents. Ce type de tube contient de la vapeur de mercure à basse pression dans laquelle on déclenche une décharge électrique. Le rayonnement ultraviolet émis par le mercure est transformé en lumière visible par une poudre fluorescente qui tapisse la paroi intérieure du tube. Le spectre d émission du tube dépend de la nature de la poudre fluorescente utilisée. Il existe une grande variété de tubes fluorescents parmi lesquels on trouve des tubes avec la mention «plein spectre» (lumière du jour). La figure 1 présente le spectre d émission d un de ces tubes. Figure 1. Spectre d émission d un tube fluorescent «plein spectre» Données : Longueurs d onde des principales raies d émission du mercure dans le visible : 405 nm, 436 nm, 546 nm, 577 nm, 579 nm, 615 nm. Constante de Planck : h = 6, J.s Célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s 1. 1 ev = 1,60 x J. Couleurs Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge λ(nm) Situer le domaine des longueurs d onde des ultra-violets par rapport au domaine des longueurs d onde des radiations visibles. 2. À propos du spectre du tube fluorescent 2.1. Justifier l appellation «plein spectre» de ce type de tube À partir du texte, indiquer le rôle du mercure dans le tube fluorescent. 3. À propos du mercure utilisé dans le tube fluorescent La figure 2 ci-dessous représente le diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de mercure Quel nom donne-t-on au niveau d énergie E 0? Comment appelle-t-on les niveaux d énergie E 1 à E 4?

3 3.2. L une des radiations visibles émises par la vapeur de mercure correspond à une transition faisant intervenir les niveaux d énergie E 1 et E 3 du diagramme représenté sur la figure 2 ci-dessous. Préciser le sens de cette transition. Justifier Calculer la valeur de la longueur d onde du photon émis lors de la transition. La valeur trouvée est-elle cohérente avec les données de l énoncé? Figure 2. Diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de mercure Exercice 3 (5 points) : mesure de l avancement Dans cet exercice, vous justifierez entièrement vos réponses en développant une argumentation logique cohérente (les points ne seront accordés que si le raisonnement est posé dans son intégralité) : a) donner les éléments de raisonnement et les grandeurs pertinentes ; b) rappeler les définitions utiles et les théorèmes à mobiliser, poser éventuellement les calculs sans faire l application numérique ; c) faire si besoin les calculs en respectant les règles de l écriture scientifique, et surtout conclure pour répondre à la question posée. Soignez l écriture, tracez les tableaux à la règle. Les ions iodure I - (aq) réagissent lentement et totalement avec les ions peroxodisulfate S 2 (aq) pour former du diiode I 2 (aq) et des ions SO 4 (aq) selon l équation : 2 I - (aq) + S 2 (aq) I 2 (aq) + 2 SO 4 (aq) Le spectre d absorption d une solution de diiode est le suivant :

4 Dans un bécher, on dispose de 50,0 ml de solution de peroxodisulfate de potassium de concentration 0,10 mol.l -1. On prélève par ailleurs 50 ml d une solution de iodure de potassium de concentration 0,50 mol.l -1, qui est ajoutée à l instant initial dans le bécher. 1. La seule espèce colorée est le diiode. Indiquer la couleur d une solution issue du mélange des deux réactifs mentionnés. 2. À quelle longueur d onde faut-il régler le spectrophotomètre pour mesurer l absorbance d une solution de diiode avec la meilleure précision? 3. Calculer les quantités initiales des réactifs. 4. Établir le tableau d avancement de la réaction. 5. Calculer les quantités de matière à l état final. Exercice 4 (5 points) : géométrie des molécules Soit la molécule semi-développée de méthoxyéthène : 1. Ecrire la formule brute du méthoxyéthène. 2. Donner la formule électronique ou représenter la structure électronique des atomes H, C et O. On donne les numéros atomiques : Z(H) = 1, Z(C) = 6 et Z(O) = Donner la représentation de Lewis de la molécule. 4. Préciser la géométrie de la molécule de méthoxyéthène en expliquant pour les atomes de carbone et d oxygène. 5. Cette molécule présente-t-elle une isomérie de type Z/E? Pourquoi?

5 CORRECTION-BARÈME Exercice 1 (5 points) 0,2 pt / réponse Couleur(s) absorbées par le filtre Couleur(s) absorbées par le poivron Couleur perçue du poivron Expérience 1 rouge + bleu bleu Expérience 2 rouge + bleu rouge + bleu aucune Expérience 3 aucune bleu Expérience 4 noir aucune 0,5 pt par justification Exercice 2 (5 points) 1. Les longueurs d onde du domaine ultra-violet sont inférieures à celles du domaine visible. (λ < 400 nm ) (0,5 pt) 2.1. La figure 1 montre un spectre contenant toutes les radiations du domaine visible ce qui justifie l appellation «plein spectre». (0,5 pt) 2.2. Le rayonnement UV émis par le gaz de mercure est absorbé par une matière fluorescente qui réémet à des longueurs d onde différentes, principalement dans le domaine visible comme le montre la figure 1. (0,25 pt + 0,25 pt : 0,25 pour l'émission UV et 0,25 pour l'émission dans le visible) 3.1. Le niveau d énergie E 0 est appelé niveau fondamental. (0,25 pt)

6 Les niveaux d énergie E 1 à E 4 sont appelés états excités. (0,25 pt) 3.2. L atome perd de l énergie en émettant un photon : il passe donc du niveau d énergie E 3 à E 1. (0,25 + 0,5 pt) 3.3. E 3 E 1 = h.c/λ, donc : λ = A.N. : λ = h c E E 3 1 6,63e 34 3,00e8 ( 2,72 ( 5,00)) 1,60e 19 Js ms 1 ev J ev 1 - Formules correctement posées : 0,5 - Application numérique : 0,25 - Conversion en J : 0,25 - Résultat : 0,25 - Unité résultat :0,25 - Chiffres significatifs : 0,25 = 5, m = m = 545 nm Cette valeur correspond à un nanomètre près à la raie annoncée à 546 nm dans l énoncé. Cette valeur est donc cohérente avec les données de l énoncé. (0,5 pt) Exercice 3 (5 points) 1. La seule espèce colorée étant le diiode, les autres espèces n absorbent aucune composante spectrale de la lumière incidente. Dans le visible, le diiode absorbe les bleus ( nm). La lumière transmise contiendra donc des composantes es et rouges ( nm), dont la superposition donne une teinte perçue. - Explication construite et complète : 0,5 - Réponse correcte : 0,5 2. Pour augmenter la précision, étant donnée la résolution de la mesure, il s agit de se placer là où l absorbance est la plus grande, c est-à-dire sur le pic d absorbance. On appelle λ max la longueur d onde correspondant à ce pic. On relève sur le document λ max =420nm. - Rappels de cours : 0,5 - Réponse correcte à +/- 10nm : 0,5 3. Calculer les quantités initiales des réactifs. n 0 (I - )=c(i - )V(I - ) et n 0 (S 2 )=c(s 2 )V(S 2 ) A.N. : n 0 (I - ) = 0,50 mol.l -1 x 50 ml = 5,0e-1 x 5,0e-2 mol.l -1 L = 2,5e-2 mol n 0 (S 2 ) = 0,10 mol.l -1 x 50,0 ml = 1,0e-1 x 5,00e-2 mol.l -1 L = 5,0e-3 mol - Formules correctement posées : 0,5 ; 0,25 si directement l A.N. - Valeurs numériques justes : 0,25 - Unités et chiffres significatifs : 0,25 4. Tableau d avancement de la réaction : 1 (-0,25 par erreur) Equation chimique 2 I - (aq) + S 2 (aq) I 2 (aq) + 2 SO 4 (aq) Etat du système Avancement n(i - ) n(s 2 ) n(i 2 ) n(so 4 ) Etat initial 0 n 0 (I - ) n 0 (S 2 ) n 0 (I 2 )=0 n 0 (SO 4 )=0 Etat intermédiaire x n 0 (I - )-2x n 0 (S 2 )-x x 2x Etat final x max n 0 (I - )-2x max n 0 (S 2 )-x max x max 2x max 5. A l état final, l une des espèces est le réactif limitant : il faut prendre le plus petit x max tel que n 0 (I - )-2x max =0 ou n 0 (S 2 )-x max =0.

7 Cas 1 : x max = n 0 (I - )/2 = 1,2e-2 mol Cas 2 : x max = n 0 (S 2 ) = 5,0e-3 mol Le réactif limitant est donc le peroxodisulfate : cas 2. Donc : Etat final x max (mol) 1,5e-2 0 5,0e-3 1,0e-2 -Explication : 0,25 -Calcul du réactif limitant : 0,25 -Calcul de l état final : 0,5 (-0,25 par erreur) Exercice 4 (5 points) 1. (1 pt) C 3 H 6 O 2. Au choix le schéma ou la notation : - Formule électronique: - 0,5 pour la mention des couches K et L - 0,5 pour le respect des règles de remplissage 3. Formule de Lewis de la molécule. - Formule développée : 0,5 - Doublets non-liants positionnés correctement : 0,5 4. Sol 1: (0,25 par géométrie correcte sur les C et le O) - carbone 1 : géométrie triangulaire plan; - carbone 2 : géométrie triangulaire plan; - oxygène : géométrie coudée; - carbone 3 : géométrie tétraédrique. Sol 2 :(1 pt)

8 Les valeurs des angles sont approximatives : 5. La molécule contient bien une liaison double. Or, comme il y a deux atomes d hydrogène liés au carbone n 1 en plus de la liaison double, il y a donc symétrie d un côté de la liaison double, d où il ne peut pas y avoir d isomérie Z/E. - Justification : 0,5 - Réponse correcte : 0,5