TP 1 : CHIMIE

NOM :
19 jan 2010
CORRECTION de la COMPOSITION n°2
SECONDE G
Durée : 2h00
calculatrice autorisée
PHYSIQUE
Exercice 1
Lorsqu’une étoile s’éloigne de la Terre à une vitesse V, les raies du spectre de la lumière qui
parvient jusqu’à nous sont décalées vers le rouge. Ce phénomène est la manifestation de
l’effet « Doppler », du nom du physicien autrichien qui le mit en évidence en 1842 pour le
son.
Sur le document 1 ci-dessous, le spectre n°1 est le spectre de référence de l’élément fer Fe,
obtenu en laboratoire ; il s’agit de raies colorées sur fond noir.
Le spectre n°2 est le spectre d’une étoile que l’on notera E ; il s’agit de raies noires sur fond
coloré.
1 . Comment nomme-t-on les spectres n°1 et 2 ? Comment les obtient-on ?
Le spectre n°1 est un spectre de raies d’émission. Il est émis par un gaz excité sous faible
pression.
Le spectre n°2 est un spectre de raies d’absorption. Un gaz chauffé sous faible pression peut
présenter ce type de spectre lorsqu’il est éclairé par un rayonnement continu comme le
lumière blanche.
Pour obtenir de tels spectres, il faut faire passer la lumière dans un système dispersif (prisme
ou réseau) et projeter sur un écran.
2 . Comment expliquer la présence des raies sombres sur le spectre de l’étoile E ?
Toutes les étoiles possèdent une photosphère. C’est une couche gazeuse très dense et
opaque, responsable du spectre d’émission continu d’origine thermique. Parmi les radiations
composant la lumière émise par la photosphère, certaines sont absorbées par les entités
chimiques contenues dans l’atmosphère de l’étoile. D’où l’observation de raies sombres sur
fond de spectre continu d’émission de la lumière blanche.
3 . A partir du spectre n°1, mesurer les longueurs d’onde 1, 2 et 3 des 3 radiations
principales du fer (notées Fe(1), Fe(2) et Fe(3)). Quelles sont leurs couleurs ?
1 = 441,6 nm
2 = 440,6 nm
3 = 438,4 nm
bleue
bleue
bleue
4 . En observant attentivement le spectre n°2, on peut observer la présence « en
négatif » des raies du spectre n°1 mais décalées vers la gauche… Que peut-on en
conclure ?
Le spectre du fer, visible en « négatif » à l’intérieur du spectre de l’étoile est décalé vers les
grandes longueurs d’onde (vers le « rouge »).
Ce « red schift » est la preuve (voir énoncé) que l’étoile s’éloigne de la terre
 On note 0 la longueur d’onde d’une raie quelconque du spectre n°1.
On note  la longueur d’onde de la même raie, dans le spectre n°2.
La différence (  - 0 ) a pour expression :
(  - 0 ) = 0 . (V / c)
avec :
V : vitesse d’éloignement de l’étoile par rapport à la Terre
c : vitesse de la lumière (300 000 km.s-1)
Pendant des siècles, les astronomes ont tenté d’estimer les dimensions de l’univers. En
1925, l’américain E .Hubble (1889-1953) utilisa la relation de Doppler pour calculer les
vitesses par rapport à la Terre des étoiles et des galaxies lointaines, à partir du décalage
(« red schift ») des raies de l’élément hydrogène.
Il constata que les vitesses V de ces corps célestes étaient liées aux distances D qui nous
séparent par la relation V = H.D, où H est une constante, appelée depuis constante de
Hubble.
Actuellement, la valeur de la constante de Hubble est estimée à 217.10-6 km.s-1/a.l.
5 . Mesurer la longueur du décalage symbolisé par une flèche sur le document cidessus. Pourquoi nomme-t-on ce décalage « red schift ».
le décalage est de 0,5 nm. Il a lieu vers les grandes longueurs d’onde.
6 . En déduire en km.s-1 la vitesse d’éloignement VE de l’étoile E dans le référentiel
géocentrique.
On choisit une raie quelconque du spectre, par exemple la raie Fe(3) de longueur d’onde 3
= 438,4 nm. On a :
 = 0 . (V / c)
avec :  = 0,5 nm
d’où : V = .c / 0
A.N : V = 0,5.300 000 / 438,4 = 3.102 km.s-1
7 . Que représente le symbole « a.l. » dans l’unité de la constante de Hubble ?
C’est l’unité de longueur « année de lumière ». C’est la distance parcourue par la lumière
dans le vide pendant un an.
8 . A quelle distance de la Terre se trouve l’étoile E ? Fait-elle partie de notre galaxie,
dont le diamètre est de 105 a.l. environ ?
On connaît la vitesse par rapport à la terre. On applique la relation de Hubble : V = H.D
D=V/H
A.N : D = 3.102 / 217.10-6 = 1.106 a.l.
Cette étoile ne fait pas partie de notre galaxie (la voie lactée)
 Andromède, galaxie la plus proche de la nôtre, est quatre fois plus étendue que la voie
lactée. Les centres des deux galaxies sont distants de 1,7.106 a.l.
9 . L’étoile E est-elle située dans la galaxie d’Andromède ?
Ordre de grandeur de la distance Terre / étoile E : 106 a.l.
Ordre de grandeur de la distance Voie lactée / Andromède : 106 a.l.
L’étoile E doit appartenir à la galaxie d’Andromède.
10 . Supposons qu’une étoile E’ soit distante de la Terre d’une a.l.
A quelle vitesse VE’, exprimée en km.s-1, s’éloigne-t-elle de nous ?
VE’ = H.D = 217.10-6 .1 = 2.10-4 km.s-1
Exercice 2
On considère la « trotteuse » d’une horloge murale (aiguille qui indique les secondes). Sur
cette aiguille, deux coccinelles se font face aux deux extrémités.
A l’instant t = 0, les deux coccinelles avancent l’une vers l’autre à vitesse constante le long
de l’aiguille (voir document 2) jusqu’à ce qu’elles se rencontrent.
La vitesse de la coccinelle à « deux points » est de 0,5 mm.s-1.
La vitesse de la coccinelle à « six points » est de 1 mm.s-1.
1 . Décrire les mouvements de chaque coccinelle dans le référentiel de l’aiguille.
Dans le référentiel de l’aiguille, chaque insecte est animé d’un mouvement rectiligne
uniforme
2 . Reconstituer sur le document 2 la trajectoire de chaque coccinelle dans le
référentiel du cadran de l’horloge. On pointera les positions des deux insectes toutes
les 5 secondes, jusqu’à ce qu’ils atteignent l’extrémité de l’aiguille.
Toutes les 5 secondes, la coccinelle à deux points parcourt 2,5 mm sur l’aiguille
Toutes les 5 secondes, la coccinelle à six points parcourt 5 mm.
Quant à l’aiguille, elle tourne de 30°
XI
X II
Coccinelle :
à 6 points
à 2 points
I
II
X
III
IX
IV
VIII
VII
VI
V
3 . Comment évolue la vitesse de chaque insecte au cours du temps ?
La vitesse de la coccinelle à 6 points augmente tandis que celle de la coccinelle à 2 points
diminue
Exercice 3
L’élément oxygène est abondamment présent sur Terre. Au total, la masse d’oxygène
représente presque la moitié de celle de la Terre. On trouve principalement deux isotopes de
l’oxygène : l’isotope 168 O , le plus abondant puisqu’il représente 99,8 % de l’oxygène terrestre,
O . On utilise la proportion des isotopes 188 O et 168 O pour étudier le climat
terrestre. En effet, l’isotope 188 O est plus lourd et on le rencontre davantage dans la pluie
et l’isotope
18
8
lorsque la température de l’atmosphère est plus basse.
L’oxygène n’étant pas naturellement stable sous forme d’atome isolé, on le rencontre sous
forme d’ion, dans de nombreux solides ioniques, comme l’oxyde d’aluminium. On le
rencontre également dans beaucoup de molécules : le dioxygène par exemple ou l’éthanol et
évidemment l’eau…
D’après un article de la revue La recherche
Données :
H (Z = 1)
C (Z = 6)
O (Z = 8)
mnucléon = 1,67.10-27 kg.
Cl (Z = 17)
e = 1,6.10-19 C
1. Utilisation de l’oxygène 18.
On utilise la proportion des isotopes
18
8
O et
16
8
O pour étudier le climat terrestre. En effet,
18
8
l’isotope O est plus lourd et on le rencontre davantage lorsque la température de
l’atmosphère est plus basse.
1.1.
Qu’est-ce qu’un isotope ?
Une famille d’isotopes est constituée du même élément chimique (même numéro atomique
Z) mais avec un nombre de neutrons différent.
1.2.
Donner la composition de l’isotope
16
8
O.
8 protons / 8 neutrons / 8 électrons
1.3.
Pourquoi ne peut-on pas distinguer les isotopes par la charge électrique de
leur noyau ?
Le noyau est constitué de particules chargées, les protons et de particules non chargées, les
neutrons. Deux isotopes ont le même nombre de protons, donc la même charge…
1.4.
Expliquer la raison pour laquelle
18
8
O est plus lourd que 168 O .
L’oxygène 18 a deux neutrons de plus que l’oxygène 16.
1.5.
On mesure la masse d’un des isotopes de l’oxygène et on trouve 3,0.10-26 kg.
De quel isotope s’agit-il ?
M = A.mnucléon d’où : A = M / mnucléon = 3,0.10-26 / 1,67.10-27 = 18
Il s’agit de l’oxygène 18.
1.6.
Sachant que la masse de la Terre est de 6.1024 kg, quel est l’ordre de grandeur
du nombre d’atomes d’oxygène sur Terre ?
D’après le texte, « Au total, la masse d’oxygène représente presque la moitié de celle de la
Terre ».
Soit N le nombre d’atomes d’oxygène : N = 6.1024 / 2.3,0.10-26 = 1050
2. L’oxyde d’aluminium.
2.1. Enoncer les règles de stabilité des éléments.
Règles du duet et de l’octet (voir cours)
2.2. Donner la structure électronique de l’atome d’oxygène.
(K)2 (L)6
2.3. Pourquoi l’atome d’oxygène n’est-il pas naturellement stable ?
Il manque 2 électrons sur la couche L pour acquérir la structure stable du gaz rare le plus
proche (Néon)
2.4. Justifier que l’ion oxyde a pour formule O 2 . Donner sa structure électronique.
Pour acquérir la structure stable du néon, l’atome d’oxygène gagne 2 électrons et se
transforme en ion O2- de structure électronique (K)2 (L)8
2.5. Calculer la charge électrique de l’ion oxyde.
Q(O2-) = - 2.e = -2.1,6.10-19 = - 3,2.10-19 C
2.6. Sachant que l’ion aluminium a pour formule Al 3 , trouver la formule de l’oxyde
d’aluminium. Vous détaillerez le raisonnement.
L’oxyde d’aluminium est un solide cristallin électriquement neutre. Dans la maille élémentaire
du cristal, on trouve 2 ions aluminium pour 3 ions oxyde.
La formule statistique du cristal est donc : Al2O3
3. L’oxygène dans les molécules.
3.1. La formule brute du dioxygène est O2 . Donner sa représentation de Lewis en
expliquant votre démarche.
Il manque deux électrons à chaque atome d’oxygène pour saturer sa couche externe L.
Deux atomes se rencontrent et mettent en commun 4 électrons (2 chacun) qui appartiennent
A la couche L. Avec ces 4 électrons, ils forment deux doublets liants entre eux (liaison
double). Les 4 électrons qui restent sur la couche L de chaque atome constituent deux
doublets non-liants. La représentation de Lewis de la molécule de dioxygène est :
O =O
3.2. L’éthanol a pour formule brute C2 H 6O . L’éther de méthyle a la même formule
brute, mais des propriétés chimiques très différentes. Comment peut-on l’expliquer ?
Les deux molécules ont la même formule brute mais des enchaînements d’atomes différents
(ceux sont des isomères). Les molécules étant différentes bien qu’elles aient la même
masse, elles ont des propriétés physico-chimiques différentes.
3.3. Parmi les molécules visibles sur le document 3, lesquelles sont isomères ?
Pourquoi ?
1, 2, 4 et 5 sont des isomères (même formule brute mais enchaînements d’atomes différents)
3.4. Ecrire la représentation de Lewis et la formule développée du phosgène de
formule brute COCl2 .
reprЋsentation de Lewis
formule dЋveloppЋe
Cl
Cl
C=O
C=O
Cl
Cl
3.5. Trouver trois isomères de formule brute C 3 H 8O .
H H H
H-C-C-C-O-H
H H H
H
H H
H-C-C-C-H
H O H
H
H
H
H
H-C-O-C-C-H
H
H
H