Nom :.. / 40 Prénom :.. DS n 3 18 janvier 2016 1 ère S1 et S2 Mme Grange-Reynas M Gudfin La calculatrice est autorisée. Le sujet sera rendu avec la copie. La rédaction sera soignée. Données : k = 8,899 x 10 9 N.m 2.C -2 G = 6,674.10-11 N.m 2.kg -2 N A = 6,02.10 23 1 ev = 1,60 x 10-19 J e = 1,6.10-19 C Vm = 24,0 L/mol Vitesse de la lumière : c = 2,99792.10 8 m.s -1 Masse molaire en g/mol : H : 1,0 ; Al : 27,0 ; Sn : 118,7 ; Na : 23,0 ; Cl : 35,5 ; Cu : 63,5 Exercice 1 / 4 Dans un bécher contenant un volume V = 30 ml de solution aqueuse de sulfate de cuivre II (Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq)) de concentration molaire C = 0,50 mol/l, on ajoute une masse m = 0,54 g de poudre d aluminium (Al(s)). Lors de cette réaction, il se forme des ions Al 3+ (aq) et du métal cuivre Cu(s). Les ions sulfates sont spectateurs. 1. Ecrire l équation de la réaction. (Vérifier la conservation des éléments et des charges électriques) (0,5pt) 2. Dresser le tableau d avancement de cette réaction. (0,5pt) 3. A l aide de ce tableau, déterminer le réactif limitant et l avancement maximal. (1pt) 4. En déduire : a. La composition en quantité de matière du système dans l état final. (2,5pts) b. Les concentrations molaires des espèces chimiques en solution dans l état final. (2,5pts) Exercice 2 / 5 Lors de la réaction entre l étain et une solution d acide chlorhydrique, il se produit un dégagement de dihydrogène et des ions étain Sn 2+ (aq) apparaissent. Dans les mêmes conditions, le cuivre ne réagit pas. 1. Ecrire l équation de la réaction entre l étain Sn(s) et les ions H + (aq). (0,5pt) 2. Les cloches sont constituées de bronze, alliage de cuivre et d étain. Un échantillon de ce bronze de masse m 0 = 5,4 g est plongé dans une solution d acide chlorhydrique. On recueille un volume V de dihydrogène égal à 250 ml. Exercice 3 a. Déterminer la quantité de matière de dihydrogène formée. (0,5pt) b. A l aide d un tableau d avancement et en supposant que les ions H + (aq) sont en excès, en déduire l avancement maximal. (2pts) c. En déduire la quantité de matière et la masse d étain présent dans l échantillon. (1,5pts) d. Calculer le pourcentage en masse d étain dans le bronze. (0,5pt) Le dichlorométhane est un composé organique souvent utilisé comme solvant. Sa formule chimique est CH 2 Cl 2. Donne les structures électroniques des atomes de carbone 12 1 35 6 C, d hydrogène 1 H et de chlore 17Cl. 1. Déduis-en, pour chaque atome, le nombre de liaisons covalentes qu il va engendrer et le nombre de doublets non liants qu il va porter. 2. Donne la représentation de Lewis de la molécule de dichlorométhane. 3. Comment peut-on qualifier la géométrie de cette molécule? /4 Page 1 sur 5
Exercice 4 Le potassium 40 /4 Le potassium (Z = 19) est naturellement présent sous la forme de deux isotopes stables : le potassium 39 (93 %) et le potassium 41 (7 %). Il en existe cependant un troisième, le potassium 40 qui est radioactif et représente 0,01167 % de la quantité de potassium qui se trouve dans la nature. Un échantillon de 10 g de potassium naturel est placé devant un détecteur. On mesure pendant 10 minutes 184 149 désintégrations. 1. Quelle est l'activité de cet échantillon? /1 On suppose que le potassium 40 peut subir une des trois désintégrations spontanées suivantes : 40 Ca + e 19K 1 0 19K 40 Cl + He 4 2 19K 40 Ar + e 2. Recopier et compléter les trois équations ci-dessus. /1,5 3. Donner la particule émise dans chacune de ces trois désintégrations. / 0,75 4. En déduire le type de chacune de ces trois désintégrations. / 0,75 1 0 SYNTHESE 1 Production d énergie nucléaire /12 A. La fusion /4,75 La fusion contrôlée se manifeste par une réaction entre les noyaux de deutérium (Z = 1 et A = 2) et de tritium (Z = 1 et A = 3). Dans cette réaction nucléaire, seul le tritium est radioactif et 90% des déchets ont une durée de vie radioactive très courte. 1. Justifier le fait que deutérium et tritium appartiennent à l élément hydrogène. / 0,5 2. Justifier le fait que cette réaction soit une fusion. / 0,5 3. Ecrire l équation de fusion entre ces deux noyaux sachant qu il se forme un neutron et un noyau noté A ZX. Identifier le noyau inconnu et justifier le raisonnement. / 1,5 4. Exprimer et calculer en J puis en MeV l énergie libérée par cette réaction. / 2,25 B. La fission /6,25 Actuellement, les centrales nucléaires utilisent la réaction de fission de l uranium 235 qui constitue le «combustible nucléaire». Certains produits de fission sont des noyaux radioactifs à forte activité et restant radioactifs très longtemps. Voici un exemple de réaction possible (à compléter) : 235 92U + n 1 0 38 94 139 1 Sr + Xe + k 0 n 5. Compléter le nombre de neutrons formés lors de cette transformation. Justifier par des calculs. /1 6. Donner la composition du noyau de l uranium 235. Que représente l uranium 238 par rapport à lui? /1 7. Cette réaction est-elle une désintégration spontanée? Justifier. /0,5 8. Exprimer et calculer en J puis en MeV l énergie libérée par cette réaction. / 2,25 9. Dans 1,00 kg d uranium 235, quelle est le nombre de noyaux présents? En déduire l énergie libérée par la réaction nucléaire de 1,00 kg d uranium. /1 10. Sachant que le pouvoir énergétique de l essence est de 3,5.10 7 J par litre, combien de litres d essence contiennent autant d énergie que 1,00 kg d uranium? /0,5 C. Synthèse /1 Conclure en indiquant les avantages que présenterait l utilisation de la fusion par rapport à la fission nucléaire pour la production d électricité dans les centrales nucléaires. /1 54 Page 2 sur 5
SYNTHESE 2 Partie A : L eau, un solvant bien particulier! A.1 -Qu est-ce que l eau? A.1.1) Rappeler la structure électronique des atomes H et O. A.1.2) En déduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome. A.1.3) Prévoir la structure et la géométrie de la molécule d eau. A.1.4) Les liaisons O H sont-elles polarisées? Si oui, tracer le moment dipolaire de chaque liaison puis le moment dipolaire résultant. Conclure quant à la polarité de la molécule d eau. A.2 -Première expérience avec le sel de cuisine On dissout un peu de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans l eau. A.2.1) Calculer la force d interaction électrique entre un ion Na + et un ion Cl - dans le cristal NaCl. A.2.2) Calculer la force d interaction gravitationnelle entre un ion Na + et un ion Cl -. A.2.3) Comment expliquer la cohésion du cristal? On observe que, dès que les cristaux de chlorure de sodium sont introduits dans l eau, les ions Na + et Cl - se retrouvent hydratés. A.2.4) Comment peut-on qualifier ce type de solide? Partie B : Soleil et atmosphère terrestre L objectif de cette partie est d étudier deux phénomènes résultants de l interaction entre le rayonnement solaire et l atmosphère terrestre : la luminescence en haute atmosphère et l effet de serre. Auparavant, une brève étude du fonctionnement de notre étoile sera menée, et sa durée de vie sera estimée. B.1 -Fonctionnement du Soleil Page 3 sur 5
B.1.1) Ecrire l équation de la réaction décrite sur le Document B.2. Montrer que cette équation respecte les lois de conservation en physique nucléaire. B.1.2) Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la réaction nucléaire au sein du soleil fait appel à des isotopes. B.1.3) Calculer la variation de masse m associée a la réaction nucléaire étudiée. Comment voit-on que cette réaction dégage de l énergie? B.1.4) Calculer l énergie libérée par la réaction. Vos calculs sont-ils cohérents avec les valeurs données sur le Document B.2? B.1.5) Le deutérium ( 2 H) et le tritium ( 3 H) sont produits a partir de noyaux d hydrogène ( 1 H). Combien de noyaux d hydrogène faut-il pour former un noyau de deutérium? Et pour le tritium? Ecrire les réactions correspondantes, sachant que des particules présentes dans certaines désintégrations radioactives sont également créées. B.1.6) On estime que seul 10 % de l hydrogène contenu dans le Soleil sera transforme en hélium. A partir des données du Document indiquant les masses des noyaux sur la page 1, estimer combien de temps encore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil n était constitue que d hydrogène lors de sa création. Commenter votre résultat. B.2 Phénomènes de luminescence B.2.1) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est l ion crée par l ionisation de l atome d oxygène sous l action des rayons EUV? B.2.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possèdent une énergie plus grande ou plus petite qu un photon du visible. Expliquer en quoi la présence d une atmosphère, indépendamment de sa composition, a participé à l apparition de la vie sur Terre. B.2.3) Un photon de longueur d onde 10 nm peut-il ioniser un atome d oxygène? Et un photon de longueur d onde 100 nm? B.2.4) A partir du Document B.5, identifier les transitions responsables de la raie verte et de la raie rouge qui sont utilisées pour l étude des interactions entre rayonnement EUV et atmosphère. Page 4 sur 5
Nom :.. /40 18 janvier 2016 Prénom :.. ANNEXE - DS n 3 1 ère S1 et S2 Mme Grange-Reynas M. Gudfin A rendre avec la copie Exercice. Equation chimique Etat du système Avancement Etat initial x = 0 Etat intermédiaire x Etat final Xmax = Exercice. Equation chimique Etat du système Avancement Etat initial x = 0 Etat intermédiaire x Etat final Xmax = Page 5 sur 5