DEVOIR SURVEILLE N 5 PHYSIQUE-CHIMIE Première Scientifique DURÉE DE L ÉPREUVE : 1h30 L usage d'une calculatrice EST autorisé Exercice 1 Cohésion de la matière CH09 (6 points) Les interactions entre deux protons Dans le noyau d hélium, deux protons sont séparés par une distance de 1,2.10-15 m. Charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C masse du proton : mp = 1,67.10-27 kg G = 6,67.10-11 SI k = 9,00.10 9 SI 1) a. Exprimez et calculez les forces d interaction électromagnétique existant entre les deux protons et leur nature (attractive ou répulsive). Donnez son ordre de grandeur. 1) b. Est-elle prédominante, faible ou négligeable au niveau nucléaire? 1) c. Représentez ces forces sur deux protons distants de 5 cm 2) Exprimez et calculez les forces d interaction gravitationnelle existant entre les protons. Quelle est leur nature (attractive ou répulsive ou les deux)? Est-elle prédominante, faible ou négligeable au niveau nucléaire? 3) Expliquez précisément comment va être assurée la cohésion du noyau. 4) À quel niveau existe l interaction faible? Comment se manifeste-t-elle? Est-elle active au niveau nucléaire? Justifiez. Exercice 2 Cohésion des solides CH11 (3 points) Géométrie et polarité d une molécule Les sources hydrothermales ou «fumeurs noirs», nombreuses sur la dorsale de l est du Pacifique, rejettent des solutions riches en sulfure d hydrogène de formule H2S 1) Sachant que S a le même nombre d électrons sur sa couche externe que l oxygène, déduisez la représentation de Lewis de la molécule en justifiant. Donnée : H : Z = 1 et O : Z = 8 2) Les liaisons de la molécule sont-elles polarisées? Cette molécule est-elle polaire? Établissez un parallèle avec la molécule d eau. Donnée : S a une l électronégativité proche de celle de l oxygène. 1
Exercice 3 Dissolution et concentration CH11 (7 points) L absorbeur d humidité est une alternative simple à la mise en place de ventilation dans une pièce humide. Il comprend : - placée sur une grille, une masse de 1,20 kg du chlorure de calcium anhydre CaCl2 et solide contenant des ions chlorure Cl- et des ions calcium Ca 2+ - en dessous de la grille une cuve recueillant la solution aqueuse formée par dissolution du cristal ionique par l humidité ambiante. Le volume de solution Vs obtenu une fois la dissolution totale vaut 1,50 L. 1) Écrivez l équation de dissolution du chlorure de calcium dans l eau. 2) Rappelez les trois étapes de la dissolution et expliquez-les en quelques mots. 3) Exprimez la quantité de matière initiale de chlorure de calcium. Données : masses molaires En g.mol -1 Ca : 40,1 et Cl : 35,5 4) Remplissez le tableau d avancement de la dissolution ci-dessous : 5) Déterminez l avancement maximal xmax. 6) Exprimez et calculez les quantités de matières finales en ions. Respectent-elles l électroneutralité de la solution? Justifiez. 7) Exprimez et calculez les concentrations finales en ions et comparez-les à celle du soluté. 2
Exercice 4 CH11 : Polymères superabsorbants (polyacrylates de sodium) (1point) Les polymères absorbants (polyacrylates de sodium) sont des polymères réticulés qui se transforment en gel dès qu'ils absorbent un liquide. Le superabsorbant retient plusieurs centaine de fois son poids en eau. Ils sont utilisés entre autres dans les couches pour bébés. La structure moléculaire du polyacrylate de sodium a des groupes carboxylate accroché à la chaîne principale. Quand il entre en contact avec de l'eau, le sodium se détache, laissant seuls les ions carboxylates. Question : Complétez ce morceau de chaîne de polyacrylate pour indiquer comment les molécules d eau peuvent se fixer sur ce polymère. 3
Exercice 5 CH11 : Les pattes du gecko (3 points) Une étude récente entreprise aux USA, entreprise par Autumn et ses collègues de l'université de Berkeley [K. Autumn et al., «Adhesive force of a single gecko foot-hair» Nature, 405 (2000) 681-685.], fait apparaître que le gecko, un lézard qui vit dans les régions tropicales, est capable de se mouvoir sur n'importe quelle surface lisse verticale ou sous un plan horizontal tout aussi lisse, par la seule action des forces de Van der Waals. [ ] Les pattes du gecko (qui ne porte pas de griffes comme ses cousins de nos pays tempérés) sont terminées par cinq doigts dont l'observation au microscope électronique à balayage fait apparaître qu'ils présentent chacun environ 5000 poils de kératine par millimètre carré, qui se divisent à leur terminaison en plusieurs centaines de soies. Au total, ce lézard possède environ deux milliards de soies qui lui assurent à la fois suspension et progression. Dessous de la patte avant gauche du gecko tropical (a) et poils recouvrant le dessous des pattes vus au microscope électronique à balayage (b). (Photographies : Kellar Autumn). 1) La kératine est une protéine principalement constituée de cystéine. A l aide du modèle général de liaison peptidique ci-dessous, dessinez la molécule issue de l assemblage de 3 molécules de cystéine par liaison peptidique. O cystéine : NH 2 liaison peptidique : HO SH 2) A partir de la molécule construite au 1) et de celle du verre donnée ci-contre, expliquez l adhérence du gecko sur le verre. 3) On suppose que chaque soie crée une force d'attraction de l'ordre de 20 nanonewtons. Calculez la force d attraction exercée par les 4 pattes du lézard. Comparez à son propre poids (il ne pèse lui-même pas plus de 200 à 300 grammes). Source :http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossierschimie-societe-autresdocs-collage_barquins.html#d0e69 4
CORRECTION DEVOIR SURVEILLE N 5 PHYSIQUE-CHIMIE Première Scientifique DURÉE DE L ÉPREUVE : 1h30 L usage d'une calculatrice EST autorisé Exercice 1 Cohésion de la matière CH09 (6points) 1) Donnée : d = 1,2.10-15 m a. FE(p/p) = k x e x e / d2 = 9,0.109 x 1,6.10-19 x 1,6.10-19 / (1,2.10-15)2 = 1,6.102 N C est une force répulsive. Ordre de grandeur : 102 N b. C est une force dont l action est faible au niveau nucléaire, mais non négligeable. c. vecteurs de 1,0 cm, A et B représentent un proton. Rq : échelle non respectée sur le schéma 2) FG(p/p) = G x mp x mp / d2 = 6,67.10-11 x 1,67.10-27 x 1,67.10-27 / (1,2.10-15)2 = 1,3.10-34 N C est une force attractive dont la valeur est négligeable au niveau nucléaire. 3) Il existe une attraction entre les constituants du noyau (les nucléons) appelée interaction forte qui permet la cohésion du noyau, car elle compense largement la répulsion existant entre les protons. Sa portée reste faible, de l ordre de 10-15 m et elle disparaît au delà du niveau nucléaire. 4) L interaction faible existe au niveau particulaire. Elle est responsable de certaines désintégrations comme la radioactivité β. Comme sa portée est de l ordre de 10-17 m, elle est négligeable au niveau nucléaire (10-15 m). repoussent. Exercice 2 Cohésion des solides CH11 (3points) 2015 5
Exercice 3 Dissolution et concentration (7 points) Exercice 4 : Polymères superabsorbants (polyacrylates de sodium) (1 point) Question : Complétez ce morceau de chaîne de polyacrylate pour indiquer comment les molécules d eau peuvent se fixer sur ce polymère. 6