DS -PHYSIQUE-CHIMIE- (durée 2h00) Nom : Prénom : Exercice 1 : Etude d'un cristal, le chlorure de calcium (8 points) Document 1 Le chlorure de calcium, de formule chimique est CaCl 2 est appliqué pour le dégivrage des routes depuis plus de 60 ans. Il est déliquescent et très soluble dans l'eau. C'est un sel solide ionique température ambiante. Son application fait fondre la neige et empêche l eau de former du verglas. Au contraire du chlorure de sodium, il n'est pas nocif pour le sol et les plantes et agit à des températures plus basses. L'étude de ce solide ionique montre que celui-ci est constitué d'ions positifs (cations) et d'ions négatifs (anions) bien ordonnés dans l'espace. Chaque ion est entouré d'ions voisins de signes opposés. La distance entre deux ions voisins est de l'ordre de quelques centaines de picomètres (1 pm = 10-12 m). La cohésion de cette structure ordonnée (ou cristal) est assurée par des forces entre les ions. Document 2 ion chlorure ion calcium Masse m Cl = 5,8. 10-26 kg m Ca = 6,7. 10-26 kg Charge q Cl = - 1,6. 10-19 C q Ca = 3,2. 10-19 C d 2 La distance entre deux ions de même signe est d 1 = 428 pm La distance entre deux ions de signes opposés est d 2 = 256 pm. d 1 Document 3 Deux corps immobiles A et B porteurs respectivement des charges q A et q B dont les centres sont séparés d une distance d, exercent l un sur l autre des actions mécaniques modélisées par des forces électriques telles que : F A/B = F B/A = k q A q B d² q A et q B s expriment en Coulomb, d en mètre, constante de coulomb k = 9,0 x10 9 S.I. Deux corps immobiles A et B porteurs respectivement des masses m A et m B dont les centres sont séparés d une distance d, exercent l un sur l autre des actions mécaniques modélisées par des forces gravitationnelles telles que : F A/B = F B/A = G m A m B d² m A et m B s expriment en kilogramme, d en mètre, constante de gravitation G = 6,67 x10-11 S.I. Document 4 Dans les établissements hospitaliers, les solutions aqueuses de chlorure de calcium sont utilisées en perfusion. Pour cela, on dissout une masse m = 3,28 g de chlorure de calcium hexahydraté CaCl 2, 6 H2O (s) dans de l'eau distillée. Le volume V de la solution S obtenue est égal à 250 ml. Données : Masse molaire atomique en g.mol -1 M(Ca)=40,1 ; M(Cl)=35,5 ; M(H)=1,0 ; M(O)=16,0
A partir de ces documents et de vos connaissances, répondre aux questions suivantes. 1. Préciser le nom et la formule chimique des ions constituant ce cristal. Ion chlorure Cl - Ion calcium Ca 2+ 2. Calculer F g la force d interaction gravitationnelle et F e la force d interaction électrique entre un anion et un cation formant ce cristal. 3. F g = 6,67 10 11 1,6 10 19 3,2 10 19 (256 10 12 ) 2 = 4,0 10 42 N F e = 9 10 9 5,8 10 26 6,7 10 26 (256 10 12 ) 2 = 7,0 10 9 N 4. En déduire quelle interaction va assurer la cohésion de ce cristal. Justifier C est F e qui assure la cohésion du cristal car F e F g 5. Ecrire l équation correspondant à la dissolution du chlorure de calcium CaCl 2 (s). CaCl 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 Cl - (aq) 6. Pourquoi ce soluté est-il très soluble dans l eau? Détailler votre réponse. Les molécules d eau sont polaires, elles vont pouvoir détacher les ions constituant le cristal par interaction électromagnétique. 7. Calculer la concentration molaire en soluté apporté de la solution de chlorure de calcium utilisée en perfusions. Masse molaire M = 219,1 g.mol -1 Quantité de matière n = m M = 3,28 219,1 = 1,50 10 2 mol Concentration en soluté apporté C = n = 1,50 10 2 V 250 10 3 =0,0600 mol.l-1 8. Calculer les concentrations molaires effectives des deux ions présents dans cette solution.
[Ca 2+ ]=0,0600 mol.l -1 [Cl ]=2 x 0,0600 = 0,120 mol.l -1 Exercice 2 : Alcanes, Alcools (7 points) 1. Compléter les tableaux suivants en donnant la formule topologique, la formule semi-développée et le nom de chaque molécule. molécule A B C semidéveloppée H 3 C C H 3 CH HC C H 3 CH H 2 C CH CH 2 H 3 C CH 2 C CH 2 topologique Nom 2,3-diméthylbutane 3-éthyl-2-méthylpentane 3,3-diméthylpentane molécule D E F semidéveloppée CH CH 2 CH OH CH 2 CH CH 2 CH 2 OH CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 OH topologique OH Nom 4-méthylpentan-2-ol 3-méthylpentan-1-ol Hexan-1-ol
2. Quelles molécules sont des isomères? Molécules D, E, F Question bonus (2 points) A partir des indices, trouver le nom de la molécule mystère. Pourcentage atomique = nombre d atomes O nombre d atomes total Alcool = 1 seul oxygène donc 1 atome O pour 15 atomes au total : 1/15 = 6,67% brute : C 4 H 10 O 2-méthylpropan-2-ol Exercice 3 : La plus grande balançoire du monde (6 points) Le Nevis Swing, en Nouvelle-Zélande est une balançoire qui dessine un arc de 300 mètres, sa corde est plus longue qu'un terrain de rugby avec ses 120 mètres de long et surtout elle est perchée à 160 mètre de haut. Vous pouvez atteindre la vitesse de 75 miles/h. Voilà de quoi s'offrir sa dose de sensations fortes pour la journée. Hauteur (m) Données 1 mile = 1,6 km Intensité de la pesanteur g = 9,8 m.s -2 +120 A O C On choisit de fixer la référence de l énergie potentielle au point B, par conséquent E p(b) = 0. Une personne de masse m = 60 kg se trouve au point A et se laisse tomber sans vitesse initiale. 0-40 B
1. Que vaut l énergie potentielle de cette personne au point A? E p = mgh = 60 x 9,8 x 120 = 7,1 x10 4 J 2. En déduire son énergie mécanique en A. Justifiez. E m (A) = E p (A) + E c (A) or l énergie cinétique est nulle car il n y a pas de vitesse initiale. Donc E m (A) = 7,1 x10 4 J 3. Décrire le transfert d énergie qui a lieu entre le point A et le point B L énergie potentielle est transformée en énergie cinétique 4. Si on suppose que le saut se fait sans frottement, quelle sera la valeur de son énergie mécanique au point B? Sans frottement, l énergie mécanique se conserve donc E m (B) = 7,1 x10 4 J 5. En déduire la vitesse atteinte au point B Au point B, on a E p (B)=0. Toute l énergie potentielle s est transformée en énergie cinétique 1 2 mv2 = 7,1 x10 4 J soit une vitesse v = 48 m.s -1 6. Comparer avec la valeur de la vitesse indiquée dans le texte. Que peut-on en conclure? 75 miles/h = 120 km/h = 33 m.s -1 la vitesse réelle est beaucoup plus faible que la vitesse théorique. Cela signifie que les frottements ralentissent la balançoire, on ne peut pas les négliger. Exercice 4 : La fusion nucléaire (9 points) Répondre à la demande croissante d énergie en maitrisant l énergie du soleil. C est le pari lancé à travers le projet ITER. Une cinquantaine d années après avoir développé la technique de la fission nucléaire, les scientifiques souhaitent pouvoir domestiquer la fusion. Il s agit de réunir du deutérium et du tritium pour former un noyau d hélium et un neutron, le tout s accompagnant d un extraordinaire dégagement d énergie. Contrairement au combustible fissile comme l uranium, il n y a pas de risque de pénurie pour les éléments nécessaires à la fusion : le deutérium abonde dans l eau de mer, on en compte 33 mg par litre. Quant au tritium, c est un déchet produit par nos centrales nucléaires actuelles.
Nom deutérium tritium hélium neutron 4 1 0 n symbole 2 1 H 3 1 H 2He masse 2,01355 u 3,01550 u 4,00150 u 1,00866 u 1 u = 1,66 x10-27 kg c = 3,00 x 10 8 m.s -1 1. Préciser la composition des noyaux de deutérium et de tritium. Deutérium = 1 proton, 1 neutron Tritium = 1 proton, 2 neutrons 2. Ecrire l équation de la réaction de fusion donnée dans le texte. 2 3 4 1 1H + 1 H 2He + 0 n 3. Quelle est la variation de masse correspondant, en kilogramme, lorsque deux noyaux fusionnent? m = (4,00150 + 1,00866) (2,01355 + 3,01550) = -0,01889 u la perte de masse vaut 0,01889 x 1,66x10-27 = 3,14 x 10-29 kg 4. En déduire l énergie libérée par cette réaction. E = mc 2 = 3,14 x 10-29 x (3,00x10 8 ) 2 = 2,83 x 10-12 J 5. Sachant que 1,0 g de deutérium contient 3,0 x10 23 noyaux, combien de noyaux de deutérium trouve-t-on dans un litre d eau de mer? 33x10-3 x 3,0x10 23 = 9,9 x 10 21 noyaux de deutérium dans un litre 6. En déduire l énergie pouvant être produite à partir d un litre d eau de mer. 1 noyau peut produire une énergie de 2,83 x 10-12 J 9,9 x 10 21 x 2,83 x 10-12 = 2,8 x 10 10 J 7. La tonne équivalent pétrole (tep) est une unité utilisée dans l industrie et l économie. Elle permet de comparer les énergies obtenues à partir de différentes sources. 1 tep = 4,0 x10 10 J. C est l énergie libérée par la combustion d une tonne de pétrole. Exprimer l énergie produite par un litre d eau de mer en tep.
2,8 10 10 4,0 10 10 = 0,7 tep 8. Lorsqu on bombarde un noyau de lithium Li avec des neutrons, il se forme de l hélium 4 2He et du tritium. Ecrire l équation de cette réaction nucléaire. il y a conservation du nombre de charge et conservation du nombre de masse donc 6 1 4 3 3Li + 0 n 2He + 1 H 9. Le tritium obtenu est radioactif β. Ecrire l équation de désintégration radioactive. 3 1H 1 0 3 e + 2He