Collège Sadiki Devoir de synthèse n : 3 Lundi 12-5-2008 Sciences physiques On donnera l expression littérale avant de passer à l application numérique. L utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée. Le sujet comporte deux exercices de chimie et trois exercices de physique. Chimie Conseils généraux pour le bac Chimie ( 7 points ) Exercice 1 : pile Exercice 2 : pile Physique 4ème maths Profs : Obey- Fkih et Cherchari Exercice 1 : Interaction ondematière Exercice 2 : Spectre atomique Exercice 3 : Radioactivité Lire l épreuve en totalité (plus d une fois) en vue de repérer les domaines qui semblent facilement accessibles. Le barème permet d évaluer l importance relative des différents exercices. Etablir ainsi un ordre de priorité dans la résolution en commençant par exemple par les exercices les plus faciles et en leur consacrant le temps nécessaire sans plus (7 à 10 minutes par point de barème environ). Démarrer le travail de résolution en surveillant son horaire, en raisonnant de préférence au brouillon pour ne reporter sur sa copie que ce dont on est sûr. Exercice 1 (4 pts) : 1 /On réalise la pile P 1 formée par l électrode normale à hydrogène, placée à gauche, le couple Zn 2+ (1mol.L-1)/Zn placée à droite. Les deux demi-piles sont reliées par un pont salin( ou jonction électrochimique) renfermant une solution de chlorure de potassium KCl. La mesure de la f.é.m de cette pile donne E 1 = - 0,76 V a-faire un schéma, avec toutes les précisions nécessaires, de la pile P 1. b- Préciser le sens du courant dans le circuit extérieur et écrire les équations des deux demi-réactions ainsi que l équation bilan de la réaction spontanée qui se déroule dans la pile P1 quand celle-ci débite un courant. c-quel est le rôle de cette pile. Donner le potentiel standard (ou normal) d électrode du couple Zn 2+ /Zn. d- Quel est le rôle du pont salin? Préciser le sens de circulation des ions K + et Cl - dans le pont. 2 /On réalise la pile P 2 en associant les deux couples Zn 2+ / Zn (placé à gauche) et Fe 2+ / Fe (placé à droite) a- Ecrire l'équation chimique associée à cette pile. b- Calculer E 0 (Fe2+ / Fe) sachant que la f.é.m initiale de la pile P 2 est E 2 = 0,26 V quand [Fe 2+ ]= 10-2 mol. L - 1 et [Zn 2+ ] =1 mol L -1. c- Calculer la valeur du rapport [Zn ] [Fe lorsque la pile ne débite plus de courant électrique? ] 3- Classer, en le justifiant, les trois couples Fe 2+ /Fe ; Zn 2+ /Zn et H + /H 2 par pouvoir réducteur croissant. Exercice 2 (3 pts) : On donne : E 0-0.13V, E 0-0.14V Pb 2 / Pb Sn 2 / Sn On réalise la pile (P) symbolisée par :Pb/ Pb 2+ (1mol.L -1 ) // Sn 2+ (1mol.L -1 )/ Sn. On branche entre les bornes de cette pile un résistor en série avec un interrupteur 1 /a- Ecrire l équation associée à la pile. b- Calculer la f.e.m E i de la pile (P) à la fermeture de l interrupteur. 2 /a- Ecrire l équation de la réaction spontanée qui se produit dans la pile (P). b- Calculer la constante d équilibre de cette réaction. 3 /Déterminer les concentrations de Pb 2+ et Sn 2+ à l équilibre de la pile (P), sachant que le volume V de la solution du sel de plomb est le même que celui du sel d étain. 4 /La pile (P) étant en équilibre, on dissout dans le compartiment de droite du chlorure d étain SnCl 2 pour ramener la concentration de Sn 2+ à 1,92mol.L -1.( sans variation appréciable du volume). a- Calculer la f.e.m de la pile (P) dans ces conditions. Décrire ce qui se passe au niveau des deux électrodes. b- Déduire le sens de déplacement de l équilibre de la pile (P). Retrouver le résultat à l aide de la loi d action de masse. 1 Obey-Fekih et Cherchari
Physique ( 13 points ) Exercice 1 : (6 pts) (Les parties A et B sont indépendantes) Partie A : Une onde plane, obtenue à la surface de l eau dans une cuve à ondes, arrive à la surface de séparation plane (P) de deux milieux 1 et 2 de différentes profondeurs et de célérités respectives V 1 et V 2 tel que V 1 =0,7.V 2. Les lignes de crêtes correspondant à des vibrations en phase dans chaque milieu font un angle =30 avec la surface de séparation des deux milieux (Voir figure 1 page 4 à compléter et à remettre avec la copie). 1- Donner le nom de ce phénomène. Qu appelle t-on ce phénomène si =0. 2- Donner en le justifiant l angle d incidence i 1. 3- a - Calculer la valeur de l angle de réfraction i 2. b- Compléter la figure afin d observer un schéma clair du phénomène. 4- A partir de quelle valeur de i 1 on observe une réflexion totale? Partie B : Les lecteurs de code à barres comportent de petits lasers émettant des radiations monochromatiques de longueur d onde 0 dans le vide tel que 660 0 680 nm (valeurs lues sur la notice). Afin de retrouver expérimentalement cette longueur d onde, on réalise le montage suivant : F fente fine horizontale de largeur a ; D distance séparant le plan de la fente à l écran. 1- Quel est le phénomène observé? Décrire la figure observée sur l écran ( on peut s aider d un schéma). 2- L est la largeur de la tache centrale, on propose trois relations donnant L en fonction de a, et D dont l une est correcte. Ecran Lecteur code à bars Laser F a) L= ad On réalise les expériences suivantes : b) L= D a c) L= a D Longueur d onde de la source D a L Expérience 1 =543 nm D a 1 L 1 =3,2 cm 1 1 =543 nm D a 2 <a 1 L 2 >L 1 2 Laser 0 D a 3 =a 1 L 3 =4 cm 3 A partir de ces résultats, déduire la relation correcte parmi a, b et c. 3- A- En fixant la largeur a de la fente F et la distance D, montrer que le rapport L est constant. 2 Obey-Fekih et Cherchari
b- Déduire l expression de 0 en fonction de 1, L 1 et L 3. c- Calculer 0. Ce résultat est il cohérent avec la notice. Exercice 2: (3 pts) On donne le diagramme des énergies de l atome d hydrogène. 1- Des rayonnements électromagnétiques de différentes énergies W traversent le gaz dihydrogène. En supposant que l atome d hydrogène est dans son état fondamental, les photons de l un des rayonnements suivants sont absorbés par l atome d hydrogène. Lequel? Justifier la réponse. -1,5-3,4 E(ev) Atome H ionisé Rayonnement Energie W(ev) 1 3,4 2 1,9 3 11,0-13,6 2- Définir l énergie d ionisation de l atome d hydrogène pris dans son état fondamental et donner sa valeur en ev. 3- Expliquer ce qui se passe lorsqu un atome d hydrogène, pris dans son état fondamental, reçoit un photon ayant une énergie W=14,0 ev. Calculer, en joule, l énergie cinétique de l électron lorsqu il quitte l atome d hydrogène. Exercice 3 ( 5pts) Particule ou Noyau Symbole Neutron Hydrogène 1 ou proton Tableaux de données: Hydrogène Hydrogène Hélium 2 ou 3 ou 3 Deutérium Tritium Hélium 4 Uranium 235 Xénon Strontium 1 0 n 1 1 H 2 1 H 3 1 H 3 2 He 4 2 He 235 92 U A 54 Xe 94 Z Sr Masse en u 1,00866 1,00728 2,01355 3,01550 3,01493 4,00150 234,9942 138,8892 93,8945 Unité de masse atomique u = 1,66 10 27 kg Énergie de masse de l'unité de masse atomique E = 931,5 MeV Électronvolt 1 ev = 1,60 10 19 J Vitesse de la lumière dans le vide c = 3,00 10 8 m.s -1 Nombre d Avogadro N = 6,02.10 23 I- La combustion du butane C 4 H 8 (gaz de ville) : L énergie dégagée au cours de la combustion complète d une mole de butane est Q = 2878.10 3 J ça veut dire que la combustion complète de 56 g de butane dégage une énergie de 2878.10 3 J. II- FISSION NUCLÉAIRE Une centrale nucléaire est une usine de production d'électricité. Actuellement ces centrales utilisent la chaleur libérée par des réactions de fission de l'uranium 235 qui constitue le "combustible nucléaire". Cette chaleur transforme de l'eau en vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne un alternateur produisant l'électricité. Certains produits de fission sont des noyaux radioactifs à forte activité et dont la demi-vie peut être très longue. 1. Définir le terme demi-vie. 2. Le bombardement d'un noyau d'uranium 235 par un neutron peut produire un noyau de strontium et un noyau de xénon selon l'équation suivante : 235 U + 1 n 94 92 0 Z Sr + A Xe + 3 1 n 54 0 3 Obey-Fekih et Cherchari
a- Déterminer les valeurs des nombres A et Z. b- Calculer en MeV puis en joule l'énergie libérée par la fission d un noyau d uranium 235. Déduire L énergie libérée en joule par la fission d une mole d uranium 235. c- Quelle est la masse de butane qu on doit utiliser au cours d une combustion complète pour produire la même quantité d énergie libérée lors de la fission de 235 g d uranium 235 U. II - FUSION NUCLÉAIRE La fusion est la source d'énergie du soleil et des autres étoiles. Pour obtenir une réaction de fusion, il faut rapprocher suffisamment deux noyaux qui se repoussent, puisqu'ils sont tous deux chargés positivement. Une certaine énergie est donc indispensable pour franchir cette barrière et arriver dans la zone, très proche du noyau, où se manifestent les forces nucléaires capables de l'emporter sur la répulsion électrostatique. La réaction de fusion la plus accessible est la réaction impliquant le deutérium et le tritium. C'est sur cette réaction que se concentrent les recherches concernant la fusion contrôlée. La demi-vie du tritium consommé au cours de cette réaction n'est que de quelques années. De plus il y a très peu de déchets radioactifs générés par la fusion et l'essentiel est retenu dans les structures de l'installation. 1. Le deutérium de symbole 2H et le tritium de symbole 3 H sont deux isotopes de 1 1 l'hydrogène. 1.1. Définir le terme de noyaux isotopes. 1.2. Donner la composition de ces deux noyaux. 2. Qu'appelle-t-on réaction de fusion? 3. Écrire l'équation de la réaction nucléaire entre un noyau de Deutérium et un noyau de Tritium sachant que cette réaction libère un neutron et un noyau noté A X. Préciser la Z nature du noyau A X. Z 4. Montrer que l'énergie libérée au cours de cette réaction de fusion est de 17,6 MeV. Quelle est l'énergie libérée par la fusion d une mole de tritium. 5. Quelle est la masse de butane qu on doit utiliser au cours d une combustion complète pour produire la même quantité d énergie libérée lors de la fusion d une mole de tritium. 6. A-t on intérêt d implanter en Tunisie un réacteur nucléaire. Citer les avantages et les inconvénients. 4 Obey-Fekih et Cherchari
A compléter et à remettre avec la copie Nom : Prénom : Classe : Milieu 1 Milieu 2 Cuve à ondes Fig 1 Surface de séparation 5 Obey-Fekih et Cherchari