SOLUTIONNAIRE PRÉTEST CHI-5042-2 ÉNERGIE ET CINÉTIQUE CHIMIQUE F0RME B Seuil de réussite 75% Commission scolaire des Hautes-Rivières juillet 2000 Conception et rédaction : Lyne Desranleau, c.s. des Hautes-Rivières
1 - Corriger les énoncés qui ne décrivent pas correctement l ébullition de l eau. /4 A. Les molécules de vapeur font des mouvements de vibration, de rotation et de translation. B. Pendant l ébullition, les molécules d eau libèrent de l énergie afin de former des liens gazeux intermoléculaires. C. Avant l ébullition, la température et l énergie cinétique moyenne des molécules augmentent. D. La distance entre les molécules augmente lors de la vaporisation de l eau. E. Pendant l ébullition, la température augmente afin que les molécules absorbent l énergie nécessaire à la vaporisation. Réponse : B Pendant l ébullition, les molécules d eau absorbent de l énergie afin de briser des liens gazeux intermoléculaires (2 points) E Pendant l ébullition, la température reste stable afin que les molécules absorbent l énergie nécessaire à la vaporisation. (2 points) 2 - Choisir, parmi les énoncés suivants, ceux qui décrivent une dissolution exothermique. Justifier votre choix. /4 A. Le mélange d un sel dans l eau provoque une élévation de température. B. Un mélange glace-sel de table servait à refroidir la crème. C. L évaporation de l eau d érable. D. La sublimation d un désinfectant parfumé. E. L hydroxyde de sodium solide se transforme en ions aqueux en libérant de l énergie. Réponse : A La réaction est exothermique, donc elle libère de la chaleur. (2 points) E La réaction est exothermique, donc elle libère de la chaleur. (2 points) 2
3 - Dire si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Justifiez votre choix. /4 A. La dissolution du NaNO 3 dans l eau est endothermique. On en déduit que l énergie dégagée par la formation des liens entre le soluté et le solvant est plus grande que l énergie absorbée pour briser les liens entre les ions du cristal. Faux. Une réaction endothermique absorbe globalement de la chaleur. Ainsi l énergie de formation est plus petite que l énergie pour briser des liens. (1 point) B. Si on mélange en quantité égale deux liquides X et Y, de même capacité thermique massique, ayant au départ les températures respectives de 60 et 10 degrés Celsius, alors la température finale du mélange est de 40 degrés. Faux. La température finale serait 35 C. Les quantités de liquides sont différentes ou les capacités thermiques massiques sont différentes. (1 point) C. La capacité thermique massique de l eau de mer étant de 3,89 et celle de l eau pure étant de 4,18, il faut donc d avantage d énergie pour chauffer l eau de mer. Faux. Il faut davantage d énergie pour chauffer l eau pure. (1 point) D. On mélange la même quantité de deux liquides X et Y dont les températures sont respectivement de 90 et 30 degrés Celsius. On obtient un mélange à 40 degrés. Donc la capacité thermique massique du liquide X est plus élevée que celle du liquide Y. Faux La capacité thermique massique du liquide X est plus petite que celle du liquide Y. m x = m y m x c x T = - m x c y T m x c x (40 90) - m x c y (40 30) = m x m x c x - 50 = - c y 10 c y = 5 c x c y > c x (1 point) 4 - Le fer est un matériau résistant dont l usage est très répandu. Toutefois, ce métal a la fâcheuse tendance à s oxyder rapidement s il n est pas protégé de l air. La chaleur de formation de son oxyde, Fe 2 O 3 (s), est toutefois difficile à mesurer par une méthode expérimentale simple. /4 Voici deux équations thermochimiques illustrant la réaction du fer avec le dioxygène : Fe(s) + ½ O 2 (g) FeO(s) + 266,5 kj 2 Fe(s) + 3/2 O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) + 822,2 kj À partir de ces équations, vous devez trouver la quantité de chaleur mise en jeu lors de la formation d une mole de Fe 2 O 3 (s) produite par la réaction suivante : 2 FeO(s) + ½ O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) Quelle quantité de chaleur est mise en jeu lors de la formation d une mole de Fe 2 O 3 (s)? 2 FeO + 533 kj 2 Fe + O 2 2 Fe + 3/2 O 2 Fe 2 O 3 + 822,2 kj H = - 289,2 kj/ mole de Fe 2 O 3 3
5 - Soit le graphique suivant sur la combustion du propane. /4 C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O (g) (1) (2) temps Choisir les énoncés qui sont vrais. Justifier votre choix. A. Ce graphique représente la concentration en fonction du temps. vrai. La courbe (1) monte (formation des produits), la courbe (2) baisse (élimination des réactifs. (1 point) B. Ce graphique représente la vitesse de réaction en fonction du temps. C. La courbe (1) peut identifier la formation du dioxyde de carbone. vrai. En effet la concentration augmente et se stabilise à la fin de la réaction.(1 point) D. La courbe (2) identifie la disparition du propane. vrai. En effet la courbe montre une diminution de concentration. (1 point) E. Le point de rencontre des courbes (1) et (2) signifie que les vitesse de formation et de disparition du dioxyde de carbone et du propane sont égales. 4
6 - /1 Soit le système A + B C + D Le graphique de distribution de l'énergie illustrant une réaction donnée est présenté ci-contre. Quel graphique de distribution de l'énergie illustre l'effet d'une augmentation de la température sur la vitesse de cette réaction? Réponse : C 5
7 - Quel diagramme représente la réaction suivante? /1 2 2(g) Al(s) + 3/ 2 O Al2 O3(s) +1421kJ Enthalpie Enthalpie 0-1 421 2 Al (s) + 3/2 O 2(g) Al 2 O 3(s) 1 421 0 2 Al (s) + 3/2 O 2(g) Al 2 O 3(s) Progression de la réaction Progression de la réaction Enthalpie Enthalpie 0-1 421 Al 2 O 3(s) 2 Al (s) + 3/2 O 2(g) 1 421 0 Al 2 O 3(s) 2 Al (s) + 3/2 O 2(g) Progression de la réaction Progression de la réaction Réponse : A 8 - Une réaction est représentée par l équation symbolique suivante : /1 A + B C + kj Laquelle des propositions ci-dessous peut-on associer à cette réaction? A. L enthalpie du produit est supérieure à celle des réactifs. B. L enthalpie du produit peut être égale ou supérieure à celle des réactifs. C. L enthalpie du produit est inférieure à celle des réactifs. D. L enthalpie du produit peut être égale ou inférieure à celle des réactifs. Réponse : C 6
9 -. Les graphiques 1, 2 et 3 illustrent la distribution des molécules en fonction de l'énergie. Les graphiques 4 et 5 illustrent l'énergie potentielle des substances en fonction de la progression de la réaction. /1 Chaque courbe représente une situation sans catalyseur (ligne continue) et avec catalyseur (ligne pointillée). Lesquels de ces graphiques illustrent l'effet d'un catalyseur positif? Réponse : 1 et 5 10 - À l aide du tableau des énergies de liaison en annexe, calculer le bilan énergétique de la chaleur de formation d une mole de NH 3. /4 N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Réponse: ½ N 2 + 3/2 H 2 1 NH 3 ½ N / N + 3/2 H H 1 H N H (1 point) H ½ 418 kj + 3/2 435 kj 1 3-390 kj (1 point) H = + 861,5 kj - 1170 kj = - 308,5 kj H = - 308,5 kj/mole de NH 3 7
11 - /6 A. Quels diagrammes ci-dessous illustrent une réaction endothermique? Réponse : A et B (3 points) B. Quel diagramme ci-dessous illustre la réaction qui libère la plus grande énergie? Réponse : D (3 points) 8
12 -. Voici un graphique qui illustre l enthalpie de certains systèmes en fonction de la progression de la réaction. /3 Enthalpie (kj) Réactifs Produits Progression de la réaction Deux des équations ci-dessous peuvent être représentées par ce graphique. 1.H 2 O(g) H 2 (g) + 2 1 O2 (g) )H = +242 kj 2. C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) + 394 kj 3. H 2 O(l) + 47 kj H 2 O(g) 4.CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) )H =!803 kj Quels sont ces équations? A) 1 et 2 B) 1 et 3 C) 2 et 4 D) 3 et 4 Réponse: C 13 - Le graphique ci-dessous illustre la variation d enthalpie des substances en jeu dans une réaction chimique. /3 Enthalpie (kj/mol) Réactifs Produits Progression de la réaction D après ce graphique, quelle est la proposition VRAIE? A) Cette réaction est endothermique. B) L enthalpie des produits de cette réaction est plus grande que celle des réactifs. C) Le )H de cette réaction est négatif. D) Cette réaction est spontanée. Réponse : C 9
14 - Un forgeron chauffe, à une très grande température, un fer à cheval ayant une masse de 550 g. Par la suite, il plonge dans un récipient isolé contenant 8,5 L d eau à 22,0 C. Il note que la température maximale atteinte par l eau est de 26,9 C. Sachant que la capacité thermique massique du fer est de 0,45 J/g C, déterminez la température à laquelle le forgeron a dû chauffer son fer à cheval. /3 Laissez les traces de votre démarche. TRACES DE VOTRE DÉMARCHE m 1 c 1 T 1 = - m 2 c 2 T 2 (1 point) 550 0,45 (26,9 i ) = - 8500 4,19 (26,9 22) 247,5 ( 26,9 i) = - 35615 4,9 26,9 i = - 174 513,5 247,5 26,9 - i = - 705,11 (1 point) - i = - 705,11-26,9 i = 732 C La température de chauffage du fer à cheval était : 732 C (1 point) 10
15 Dans un calorimètre, dont la température est de 22 C, on verse 420 g d eau à 13 C. À l équilibre, la température de l ensemble est de 16 C. /2 S il n y a pas eu de pertes de chaleur, quelle est la valeur en eau du calorimètre? A. 280 g B. 210 g C. 140 g D. 84 g Réponse : B 16 - : En laboratoire, vous avez fait dissoudre de l hydroxyde de sodium, NaOH(s), dans l eau d un calorimètre. Vous avez noté les renseignements suivants /3 Masse de NaOH(s) Volume d eau dans le calorimètre Température initiale de l eau Température finale de l eau 8,00 g 200 ml 20,2 C 25,2 C D après ces renseignements, quelle est la chaleur molaire de dissolution, H, de NaOH(s)? A. 168 J B. 838 J C. 4190 J D. 20 950 J Réponse : D 11
17 - Le tableau suivant illustre le bilan énergétique de quelques réactions. /5 ÉQUATIONS H (kj/mol) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) - 242 C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) - 394 C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) - 2046 H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) - 286 Déterminez, en appliquant la loi de Hess, la chaleur molaire de formation du propane, C 3 H 8 (g). 3 C(s) + 4 H 2 (g) C 3 H 8 (g) H? A. 104 kj/mol B. 1410 kj/mol C. 2046 kj/mol D. 4196 kj/mol Réponse: A 18 - Lorsqu on veut allumer un feu plus rapidement, on utilise du papier et des copeaux au lieu d allumer directement les bûches avec une allumette /2 Expliquez pourquoi. En utilisant le papier et les copeaux, la surface de contact est plus grande. 12
19 - Suite à une expérience sur du lait suri, vous obtenez les résultats suivants. /3 LAIT SURI température ( C) 1 3 8 12 15 22 temps ( jours) 20 12 4 2 1 0,5 Exemple : du lait placé à une température de 1 C prend 20 jours avant de surir. Quelle serait la conclusion de cette expérience? La vitesse à laquelle le lait surit augmente avec la température. ou toute autre réponse équivalente 13
Pour répondre aux questions 20 et 21, lire les informations suivantes. L étude de la chimie est très utiles en industrie pour rentabiliser la production d une substance recherchée. Par exemple, on fabrique en industrie de la chaux (Ca(OH) 2 ). La chaux est vendue et est utilisée dans le tannage des peaux pour enlever les poils. Elle sert aussi à neutraliser l acidité des sols. C est à partir du calcaire qu on obtient la chaux. Le calcaire existe sous forme de craie poreuse ou de pierre compacte. Il provient de l accumulation de squelettes de micro-organismes marins au fond de l océan. On obtient la chaux à l aide de 2 réactions successives. D abord, on décompose du calcaire sous l action d une chaleur intense : CaCO 3 + chaleur CaO + CO 2 calcaire oxyde de calcium dioxyde de carbone Cette préparation se fait dans un four à chaux, où le calcaire doit être concassé et ensuite passé dans une chambre à combustion à une température de 1100 C. À la fin de cette première étape, on recueille l oxyde de calcium à la base du four. La deuxième réaction se fait presque spontanément. Il s agit d une réaction entre l oxyde de calcium recueilli dans la première étape et de l eau. Cette réaction exothermique produit finalement la chaux. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + chaleur 20 - Des recherches ont permis de découvrir, d expliquer et d augmenter la vitesse des réactions chimiques. Énumérez cinq découvertes fondamentales ou sujets d études qui ont permis la production de la chaux. /5 - modèle corpusculaire de la matière - connaissance de la structure de l atome - nature des liaisons chimiques - énergie de liaison (enthalpie d une réaction) - facteurs influençant la vitesse des réactions loi de Hess - théorie des collisions (mécanisme de réaction) - distribution de Maxwell - Boltzmann 14
21 - /5 A. Donner et expliquer, à l aide de la théorie cinétique chimique, deux procédés utilisés qui ont permis d accélérer la décomposition du calcaire. 1 En utilisant du calcaire concassé, on augmente la surface de contact et la réaction se fait plus rapidement. ( 2 points) 2 En utilisant une chaleur intense, les particules ont plus d énergie et peuvent faire plus de collisions efficaces ( 1 point ) B. Expliquer pourquoi la deuxième réaction se fait presque spontanément. Cette réaction exothermique doit avoir une énergie d activation très petite ou presque nulle. Donc les produits en contact réagissent presque spontanément. (2 points) 22 - Les découvertes qui ont jalonné l histoire de l humanité ont eu, et ont encore, des conséquences déterminantes sur le mode de vie de l être humain. L homme préhistorique inventa les premiers outils et domestiqua le feu. De l antiquité à la révolution industrielle on vit apparaître l agriculture, la domestication des animaux, la roue, les machines simples, la voile, la boussole et les moulins. Au XVIII siècle, le charbon et la machine à vapeur déclenchèrent la révolution industrielle. Au début du XX siècle, le pétrole et l électricité prennent la relève énergétique. La combustion du pétrole apporte de nombreux avantages mais aussi un inconvénient majeur, la pollution. /5 A. Donner trois conséquences positives de l utilisation du pétrole sur le mode de vie de l être humain. - facilite les déplacements - les sociétés s urbanisent (développement des villes), industrialisation des pays développés - meilleurs services commerciaux, hospitaliers, scolaires - répond aux besoins en énergie - davantage de confort dans les bâtiments, maisons B. Donner deux exemples de pollution créée par la combustion du pétrole. - la combustion du pétrole libère du CO 2 dans l atmosphère qui provoque l effet de serre. - la combustion incomplète du pétrole libère du CO qui est toxique. - la combustion du pétrole libère des oxydes d azote et du SO 2, polluants à l origine des pluies acides. 15
FORMULAIRE FORMULES Q = mc T Q : quantité de chaleur m : masse m 1 c 1 T 1 = m 2 c 2 T 2 c : capacité thermique massique T : variation de température CONSTANTES Capacité thermique massique de l eau (c) = 4190 J/kg C ou 4,19 J/g C Masse volumique de l eau (D) = 1,00 g/ml 16
Tableau des énergies de liaison Liaison Énergie de liaison (kj/mol) I-I 149 Br-Br 190 N-Cl 193 P-P (P 4 solide ) 201 P-O (P 4 O 6 ) 335 P-H 323 P-Cl 327 S-H 340 S-S 226 S-F 285 C(s) 719 C-C (alcane) 348 C-O (alcool) 328 C=O 805 C-H 411 C-F 427 C-Br 272 C-Cl 327 C-I 239 C-S 272 H-H 432 H-Cl 432 H-O 458 H-N 386 H-I 296 O=N 470 O-O (peroxide) 142 O=O 499 N N 947 N-N (hydrazine) 155 N-Cl 193 17
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS I A 1 1 H 1,01 II A 2 Symbole de l élément Légende 1 H 1,01 Numéro atomique Masse atomique III B 13 IV B 14 V B 15 VI B 16 VII B 17 VIII 18 2 He 4,00 3 Li 6,94 4 Be 9,01 ÉLÉMENTS DE TRANSITION 5 B 10,81 6 C 12,01 7 N 14,01 8 O 16,00 9 F 19,00 10 Ne 20,18 11 Na 22,99 12 Mg 24,31 III A 3 IV A 4 V A 5 VI A 6 VII A 7 VIII A 8-9 10 I B 11 II B 12 13 Al 26,98 14 Si 28,09 15 P 30,97 16 S 32,07 17 Cl 35,45 18 Ar 39,95 19 K 39,10 20 Ca 40,08 21 Sc 44,96 22 Ti 47,90 23 V 50,94 24 Cr 52,00 25 Mn 54,94 26 Fe 55,85 27 Co 58,93 28 Ni 58,71 29 Cu 63,55 30 Zn 65,39 31 Ga 69,72 32 Ge 72,59 33 As 74,92 34 Se 78,96 35 Br 79,90 36 Kr 83,80 37 Rb 85,47 38 Sr 87,62 39 Y 88,91 40 Zr 91,22 41 Nb 92,91 42 Mo 95,94 43 Tc (98,91) 44 Ru 101,07 45 Rh 102,91 46 Pd 106,40 47 Ag 107,87 48 Cd 112,41 49 In 114,82 50 Sn 118,71 51 Sb 121,75 52 Te 127,60 53 I 126,90 54 Xe 131,30 55 Cs 132,91 56 Ba 137,33 57 La 138,91 72 Hf 178,49 73 Ta 180,95 74 W 183,85 75 Re 186,20 76 Os 190,21 77 Ir 192,22 78 Pt 195,09 79 Au 196,97 80 Hg 200,59 81 Tl 204,37 82 Pb 207,20 83 Bi 208,98 84 Po (209,00) 85 At (210,00) 86 Rn (222,00) 87 Fr (223,00) 88 Ra (226,03) 89 Ac (227,03) 104 Rf (261,00) 105 Ha (262,00) 106 Sg (263,00) 107 Uns (262,00) 108 Uno (265,00) 109 Une (266,00) 110 Uun (272,00) Série des Lanthanides 58 Ce 140,12 59 Pr 140,91 60 Nd 144,24 61 Pm (145,00) 62 Sm 150,35 63 Eu 151,96 64 Gd 157,25 65 Tb 158,93 66 Dy 162,50 67 Ho 164,93 68 Er 167,26 69 Tm 168,93 70 Yb 173,04 71 Lu 174,97 Série des Actinides 90 Th 232,04 91 Pa 231,04 92 U 238,03 93 Np 237,05 94 Pu (244,00) 95 Am (243,00) 96 Cm (247,00) 97 Bk (247,00) 98 Cf (251,00) 99 Es (254,00) 100 Fm (257,00) 101 Md (258,00) 102 No (259,00) 103 Lr (260,00) Note : les nombres entre parenthèses ( ) représentent le «nombre masse» de l'isotope le plus stable ou le plus abondant. Les masses atomiques de la plupart des éléments sont données au centième près. 18
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