Voici des exercices que vous allez rencontrer lors de l’épreuve de physique chimie au baccalauréat scientifique.

Exercice 1 : Les solvants

Donner les définitions des pictogrammes de sécurité suivants

  • H225 ;
  • H319 ;
  • H336 ;
  • H304 ;
  • H315 ;
  • H410 ;
  • H361d ;
  • H373 ;
  • H351.

Correction 1

  • H225 : Liquide et vapeurs très inflammables ;
  • H319 : Provoque une sévère irritation des yeux ;
  • H336 : Peut provoquer somnolence ou vertiges ;
  • H304 : Peut être mortel en cas d’ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires ;
  • H315 : Provoque une irritation cutanée ;
  • H410 : Très toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme ;
  • H361d : Susceptible de nuire au fœtus ;
  • H373 : Risque présumé d’effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s’ils sont connus) à la suite d’expositions répétées ou d’une exposition prolongée (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger) ;
  • H351 : Susceptible de provoquer le cancer (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger).

De nombreux pictogrammes comme ceux-ci existent. Ils se trouvent sur les produits chimiques pour nous informer de leur danger ainsi que des précautions à prendre quand on les manipule.

Exercice 2 : L’oxydation hydrothermale de l’eau supercritique

Donner la définition des notions suivantes :

Diffusion moléculaire / Solvant apolaire / Floculation / Décantation / Filtration

Correction 2

Diffusion moléculaire : migration des molécules sous l’effet de l’agitation thermique.

Solvant polaire : solvant composé de molécules possédant un moment dipolaire non nul.

Solvant apolaire : solvant composé de molécules possédant un moment dipolaire nul.

Floculation: phénomène au cours duquel les matières en suspension forment des flocons par ajout d’un floculant.

Décantation: séparation, sous l’action de la gravitation, de plusieurs phases non miscibles, dont l’une au moins est liquide.

Filtration: séparation des constituants d’un mélange liquide/solide au travers d’un milieu poreux.

Exercice 3 : Chimie et piscine

Énoncé

L’électrolyse de sel est une des techniques utilisées dans le traitement des eaux d’une piscine. Cette technique permet d’éviter l’utilisation souvent excessive de produits chlorés pour le traitement de l’eau.

Un électrolyseur de sel pour piscine est constitué d’un boîtier électronique et d’une cellule d’électrolyse insérée dans le circuit de filtration. La cellule contient des électrodes de titane recouvertes de métaux précieux : ruthénium et iridium. Quand l’eau circule entre les électrodes aux bornes desquelles est appliquée une tension continue, un courant électrique continu s’établit et l’électrolyse du chlorure de sodium dissous (Na+(aq) + Cl(aq)) se produit. De l’acide hypochloreux HClO(aq) (appelée chlore actif) est généré indirectement in situ. Cette espèce est particulièrement efficace pour désinfecter l’eau de la piscine.

Les quantités de dichlore et des formes acide ou basique de l’acide hypochloreux, en solution, sont fonction du pH de la solution. Ainsi, à 25°C, les proportions de ces espèces en fonction du pH sont données par les courbes de la figure 1.

Le pH d’une eau de piscine doit être compris entre 7,2 et 7,6 pour le confort de la baignade. Pour les deux bornes de cet intervalle de pH, estimer les proportions de chacune des espèces chimiques. Ces proportions correspondent-elles à une désinfection optimale ?

Pour que l’électrolyse soit efficace, l’eau de piscine doit contenir entre 3 et 5 grammes de sel par litre. Pour s’assurer du bon fonctionnement du système de désinfection de sa piscine, un chimiste prélève un échantillon d’eau de piscine qu’il va analyser dans son laboratoire. Il procède à un dosage conductimétrique des ions chlorure présents dans l’eau de piscine par les ions argent.

L’équation de la réaction support du titrage est la suivante :

Ag+(aq) + Cl(aq) → AgCl(s)

Protocole du dosage :

Remplir la burette graduée avec la solution aqueuse titrante de nitrate d’argent
(Ag+(aq) + NO3(aq)) de concentration en soluté apporté c = 0,050 mol.L-1.

Dans un bécher de 200 mL, introduire précisément 10,0 mL d’eau de piscine prélevée et ajouter 90 mL d’eau distillée.

Placer, dans le bécher, la cellule conductimétrique reliée au conductimètre.

Verser des volumes successifs de 2,0 mL de solution de nitrate d’argent dans le bécher en maintenant en permanence une agitation. Relever après chaque addition la conductivité σ de la solution obtenue et rassembler les résultats dans un tableau.

Données

Loi de Kohlrausch :

La conductimétrie est une méthode d’analyse qui permet de mesurer la conductivité d’une solution, c’est-à-dire son aptitude à conduire le courant électrique.

La conductivité σ d’une solution ionique dépend de la nature des ions Xi présents dans la solution et de leur concentration molaire [Xi].

Ainsi, pour une solution ne contenant que des ions monochargés, notés X1, X2, X3 …, l’expression de la conductivité s’écrit :

σ = λ1.[X1] + λ2.[X2] + λ3.[X3] + …  avec σ en S.m-1 ; λi (conductivité molaire de l’ion Xi) en S.m².mol-1 et [Xi] en mol.m-3.

Masses molaires atomiques en g.mol–1: M(Cl) = 35,5 ; M(Na) = 23,0.

Questions

2.1. Schématiser et légender le montage expérimental réalisé pour effectuer le dosage conductimétrique.

2.2. Quelles verreries doit-on utiliser pour introduire dans le bécher les 10,0 mL d’eau de piscine à doser, puis les 90 mL d’eau distillée ? Justifier.

2.3. Donner l’expression de la conductivité σ du mélange avant l’équivalence, puis celle après l’équivalence.

2.4. Interpréter qualitativement les variations de la conductivité avant et après l’équivalence.

2.5. Donner l’allure de la courbe de titrage σ = f(VAg+) représentant la conductivité σ du mélange en fonction du volume de solution de nitrate d’argent versé et justifier la position du point d’équivalence sur cette courbe.

Le volume versé à l’équivalence est VE = 15,0 mL.

2.6. En explicitant votre démarche, déterminer la concentration molaire en ions chlorure de l’eau de piscine.

2.7. Est-il nécessaire de rajouter du sel dans la piscine ? Justifier.

Correction 3

En utilisant la courbe représentative du pourcentage de HClO en fonction du pH, on détermine graphiquement l’ordonnée du point d’abscisse 7,2.

Afin d’être le plus précis possible, on détermine les échelles horizontales et verticales du diagramme.

14 unités de pH à 13,8 cm

7,2 unités de pH à x cm

x  = 7,1 cm

Déterminons le pourcentage de HClO correspondant :

8,4 cm à 100%

5,3 cm à y %

y = 63% de HClO

La lecture graphique montre que le pourcentage de dichlore Cl2 vaut 0 %

La somme des pourcentages de ces trois espèces chlorées doit être égal à 100%.

On en déduit que le pourcentage de ClO– est égal à 100 – 63 = 37%.

On effectue le même travail pour un pH = 7,6.

14 unités de pH à 13,8 cm

7,6 unités de pH à x cm

x = 7,5 cm

Déterminons le pourcentage de HClO correspondant :

8,4 cm à 100%

4,1 cm à y %

y = 49% de HClO

La lecture graphique montre que le pourcentage de dichlore Cl2 vaut 0 %

On en déduit que le pourcentage de ClO– est égal à 100 – 49 = 51%.

Le texte introductif précise que l’acide hypochloreux HClO est efficace pour désinfecter l’eau de la piscine.

D’après nos mesures, il ne représente qu’entre 49 et 63% des espèces chlorées présentes dans la piscine. Ces proportions ne correspondent pas à une désinfection optimale, il serait souhaitable qu’elles soient plus élevées. Cependant pour obtenir 100% de HClO, il serait nécessaire que le pH de la piscine soit d’environ 5,5 ; ce qui ne serait pas compatible avec le critère de confort de la baignade.

Exercice 4 : La lunette astronomique

Énoncé

Martin est passionné par l’observation du ciel. Il demande à son professeur de Sciences Physiques de lui donner quelques explications à propos des lunettes astronomiques. Celui-ci propose de modéliser une lunette en utilisant deux lentilles convergentes. Il lui rappelle également que toute lentille possède un centre optique O, un foyer image F ’, un foyer objet F.

Données

Soit la lentille L, de distance focale f ’ = 2,0 cm.

objectif : lentille L1 de distance focale f 1 = 1,00 m et de diamètre 6 cm.

oculaire : lentille L2 de distance focale f 2 = 20,0 cm et de diamètre 6 cm.

OA = 4,0 cm ; AB = 1,5 cm.

Questions

Étude d’une lentille convergente

Par quelle relation définit-on la distance focale d’une lentille ?

Calculer la vergence C de cette lentille.

Vérification de la position et de la taille de l’image A’B’ par le calcul.

Utiliser la formule de conjugaison pour déterminer la position de l’image A’B’.

Utiliser la formule du grandissement pour déterminer la taille de l’image A’B’.

Modélisation de la lunette

On appelle objectif la lentille située du coté de l’objet à observer, et oculaire celle située du coté de l’œil de l’observateur.

Données :       objectif : lentille L1 de distance focale f ’1 = 1,00 m et de diamètre 6 cm.

oculaire : lentille L2 de distance focale f ’2 = 20,0 cm et de diamètre 6 cm.

Où se situe l’image par l’objectif d’un objet à l’infini ? Cette image est appelée image intermédiaire.

Où doit se situer l’image intermédiaire pour être vue à travers l’oculaire sans accommoder ?

Préciser la position du foyer objet F2 de l’oculaire par rapport au foyer image F ’1 de l’objectif.

Justifier votre réponse. On dit qu’une telle lunette est afocale.

Définir le diamètre apparent d’un objet.

Correction 4

Les hommes ont toujours cherché à regarder plus loin que leur Terre en se tournant vers l’espace. On y a alors découvert d’autres planètes et d’autres systèmes stellaires avec des étoiles et des galaxies. Irons-nous jusqu’à découvrir de la vie ailleurs dans le cosmos ?

C = 1/f ’ où C est la vergence exprimée en dioptries d, la focale étant exprimée en m.

C =  = 50 d

Vérification de la position et de la taille de l’image A’B’ par le calcul.

L’image par l’objectif d’un objet à l’infini se situe dans le plan focal image de l’objectif.

L’image intermédiaire, pour être vue à travers l’oculaire sans accommoder, doit se situer dans le plan focal objet de l’oculaire. Ainsi l’image définitive est rejetée à l’infini.

L’image intermédiaire doit se situer à la fois dans le plan focal image de l’objectif et dans le plan focal objet de l’oculaire, donc F2 est confondu avec F’1.

Le diamètre apparent de l’objet AB situé à l’infini est noté q et celui de l’image définitive A2B2 est noté q ’.

Le diamètre apparent d’un objet est l’angle (en radians) sous lequel on l’observe à l’œil nu.

Exercice 5 : La pile au cuivre

Énoncé

On considère une pile constituée de deux électrodes de cuivre plongeant chacune dans des solutions de sulfate de cuivre de concentrations différentes.

Chaque solution a pour volume V = 100 mL et la concentration initiale des ions positifs est :

[Cu2+]1 = 1,0 mol.L-1 et [Cu2+]2 = 1,0.10 –2 mol.L-1

Données

Masse molaire atomique du cuivre : M(Cu) = 63,5 g.mol-1

Charge élémentaire de l’électron : e = 1,6.10–19 C

Nombre d’Avogadro : N = 6,02.1023 mol-1

Charge électrique d’une mole d’électrons : F = 96500 C

Questions

1.1. Équations des réactions

1.1.1.   Écrire les demi-équations des réactions se produisant aux électrodes en accord avec la polarité donnée sur la figure 1.

1.1.2.   Donner le nom de chaque demi-réaction.

1.1.3.   Écrire l’équation de la réaction s’effectuant dans la pile. Pour la réaction considérée la constante d’équilibre vaut : K = 1.

1.2. Évolution de la pile

1.2.1. Calculer la valeur du quotient réactionnel initial Qr, i.

1.2.2 Cette valeur est-elle cohérente avec la polarité proposée ?

1.3. Étude de la pile

On fait débiter la pile dans un conducteur ohmique et un ampèremètre.

1.3.1.  Sur le schéma, indiquer par des flèches le sens du courant et le sens de déplacement des électrons dans le circuit extérieur.

1.3.2. Que peut-on dire des concentrations finales quand l’état d’équilibre est atteint ?

2. Dépôt de cuivre par électrolyse

2.1. On remplace une électrode de cuivre par une bague en métal conducteur que l’on veut recouvrir de cuivre.

2.1.1.   Quel appareil est-il nécessaire de rajouter dans le montage précédent pour réaliser ce dépôt ?

2.1.2.   Écrire les demi-équations aux électrodes en justifiant votre raisonnement.

2.2. L’électrolyse fonctionne pendant une heure à une intensité constante I = 400 mA.

2.2.1.   Déterminer la quantité d’électricité correspondante notée Q.

2.2.2.   En déduire la quantité de matière d’électrons, notée n(e–), qui a circulé pendant cette durée.

2.2.3.   Quelle relation existe-t-il entre la quantité de cuivre qui a disparu ndisp (Cu2+) et la quantité de matière n(e–) d’électrons qui a circulé ?

2.2.4.   En déduire la quantité de matière ndép(Cu) déposée.

2.2.5.   Quelle est la masse m(Cu) correspondante ?

3. Détermination d’une concentration en ions cuivre ii

3.2.1.   Comment repère-t-on l’équivalence ?

3.2.2. Quelle relation existe-t-il entre n(S2O) introduit à l’équivalence et n1 quantité de diiode dosée ?

3.2.3.   Le volume versé à l’équivalence est Véq = 10,0 mL. Sachant que la concentration des ions thiosulfate est 1,0.10 –1 mol.L-1, en déduire n1.

3.2.4.   Calculer n0.

3.2.5.   En déduire la concentration C0 des ions cuivre dans les 100 mL de solution.

Correction 5

1.1.1. Borne positive :(aq) + 2e= Cu(1)(s)    ;    Borne négative : Cu(2) (s) = (aq) + 2 e

1.1.2. Borne positive : réduction   ;   Borne négative : oxydation

1.1.3. :(aq) + Cu(2) (s) = Cu(1)(s)  +(aq)

1.2.1. Qr, i =     soit   Qr, i = = 1,0 ´ 10–2

Qr, i < K : le système évolue dans le sens direct, ce qui est cohérent avec la polarité proposée.

À l’équilibre, les concentrations en ions cuivre (II) dans les deux compartiments sont égales.

2.1.1. Il est nécessaire d’ajouter un générateur dans le circuit extérieur.

2.1.2. On veut déposer du cuivre solide sur la bague. Il  s’agit d’une réduction ayant lieu à la cathode (reliée au pôle – du générateur).

Le générateur force l’évolution du système dans le sens inverse.

3.2.1. Le diiode donne une coloration jaune-orange à la solution.

À l’équivalence, tout le diiode est consommé, la solution se décolore.

Remarque : La décoloration n’étant pas forcément bien visible, on peut ajouter quelques gouttes d’empois d’amidon dans la solution : l’empois d’amidon est bleu en présence de diiode. À l’équivalence, l’empois d’amidon devient incolore.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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