Physique

CLASSE DE PREMIÈRE
S
Le : 21 septembre 2009
Durée : 2 h 00
Physique-Chimie
DEVOIR SUR TABLE N° 1
TOUT DOCUMENT INTERDIT.
L’usage de calculatrices scientifiques à mémoire est autorisé.
Les résultats numériques doivent être précédés d’un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation.
L’épreuve est notée sur 16 points auxquels s’ajouteront les points d’épreuve pratique sur 4 points.
I]
CHIMIE : sur 8 points.
A N A L Y S E
D ’ U N
P E S T I C I D E
L’analyse d’un pesticide révèle qu’il contient l’élément arsenic, 33 As , sous la forme d’oxyde(III) d’arsenic solide, As4O6 (s).
On prélève un échantillon de ce pesticide, de masse : m = 10,5 g. On traite l’échantillon, transformé en poudre fine,
par du dichlore gazeux, Cl2 (g), de telle sorte que la totalité de l’oxyde(III) d’arsenic se transforme en oxyde(V) d’arsenic : la
3–
solution aqueuse de ce dernier contient ainsi les ions arséniate, AsO4 aq. On ajoute alors à la solution d’ions arséniate une
+
-1
–
solution de nitrate d’argent, Ag aq + NO3 aq, de concentration molaire volumique en soluté apporté : C = 0,456 mol.L . Il se
forme instantanément un précipité d’arséniate d’argent. La réaction de la totalité des ions arséniate présents dans la
solution testée nécessite l’apport de : V = 38,6 mL de la solution de nitrate d’argent.
1. 1.1. Rappeler la définition d’une mole d’ions.
1.2. Qu’appelle-t-on volume molaire d’un gaz ? De quel(s) paramètre(s) dépend sa valeur numérique ?
1.3. L’élément arsenic,
33
As , appartient à la même colonne de la Classification Périodique des éléments de
Mendeleïev que l’élément azote, 7 N . Dessiner la représentation de Lewis de l’élément arsenic.
2. Écrire l’équation chimique modélisant la réaction entre les ions arséniate et les ions argent.
3. Quelle quantité de matière d’ions argent a-t-on versé dans la solution d’ions arséniate ?
4. Calculer la quantité de matière d’ions arséniate présents dans l’échantillon testé.
5. En déduire la masse d’oxyde(III) d’arsenic solide, As4O6 (s), correspondante.
6. Déterminer le pourcentage massique de As4O6 (s) contenu dans le pesticide.
7. La réaction chimique qui permet la transformation de l’oxyde(III) d’arsenic en oxyde(V) d’arsenic s’écrit :
–
+
3–
As4O6 (s) + 4 Cl2 (g) + 10 H2O → 4 AsO4 aq + 8 Cl aq + 20 H aq.
On utilise pour la réaliser un volume : VCl2 = 200 mL de dichlore gazeux.
7.1. Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs As4O6 (s) et Cl2 (g) présentes dans le système chimique.
7.2. Construire le tableau d’évolution du système chimique de cette réaction chimique jusqu’à l’état final.
7.3. Calculer la valeur de l’avancement maximal de la réaction.
7.4. Faire le bilan, en quantités de matière, des espèces présentes en fin de réaction, à l’exception de l’eau.
Données :
-1
Masses molaires atomiques : As = 74,9 ; Cl = 35,5 ; O = 16,0 g.mol .
-1
Volume molaire des gaz : Vm = 24,0 L.mol .
... / ...
II ] PHYSIQUE :
sur 8 points.
L
A
F
O
U
D
R
E
Vous lirez attentivement le texte suivant avant de répondre aux questions posées.
« Le nuage orageux.
Les nuages orageux (cumulo-nimbus) sont des masses de plusieurs milliers de tonnes d'eau.
Ils se forment dans des conditions particulières d'humidité et de température (journée chaude et humide par exemple). Si la base
du nuage se trouve entre 1,00 et 3,00 km, son sommet peut dépasser 10,0 km d'altitude. Il existe ainsi entre la base et le sommet du
nuage de fortes différences de température qui provoquent des courants de convection, entraînant l'humidité, les fragments de glace,
les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage.
Les particules les plus légères, qui s'élèvent, se chargent positivement, tandis que les particules plus lourdes descendent et se
retrouvent en bas chargées négativement. Le bas du nuage, chargé négativement, charge ainsi positivement le sol par influence. La
tension électrique entre la base d’un nuage et le sol ou entre deux nuages peut atteindre plusieurs dizaines de millions de volts.
L’éclair.
En temps normal, la terre est chargée négativement et la haute atmosphère positivement. Le champ électrique en résultant est
-1
-1
de l'ordre de 100 V.m . Lors d'un orage ce champ électrique s'inverse et prend des valeurs voisines de 15,0 à 20,0 kV.m . Le seuil de
conduction de l'air est atteint. L'éclair va jaillir.
La décharge entre nuage et sol comprend deux phases. Au cours de la première phase, les charges négatives descendent vers
le sol par bonds successifs, ce sont les « traceurs ». Sur leur passage se forme un canal d'air ionisé. Des amorces de décharges
ascendantes prennent naissance à partir des points du sol les plus exposés (pointes, clochers, sommet des arbres...) à la rencontre
des traceurs. Lorsque la liaison est établie, le canal d'air ionisé est traversé par le courant de décharge principal. L'air ionisé produit une
lumière intense, l'éclair.
Le tonnerre.
Le courant de décharge est très élevé (l'intensité peut varier de 1,00 kA à 100 kA). Sur son passage, l'air s'échauffe et se dilate
brutalement, ce qui provoque une onde de choc : le tonnerre.
Une protection contre l’orage.
Pour la protection des bâtiments, Benjamin Franklin a inventé, en 1779, le paratonnerre (il devrait s'appeler plutôt
« parafoudre »). Une pointe métallique est placée au sommet du bâtiment. Elle est reliée à la terre. »
D’après : http://www.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/Physico/Electro/e01foudr.htm
1. 1.1. Rappeler la composition de l’air sec.
1.2. Donner les structures électronique et nucléaire d’une molécule d’eau contenant les atomes 11 H et 168 O .
1.3. Dans quels états physiques peut se trouver l’eau contenue dans un nuage ? Quels noms donnent-on à l’eau
dans chacun de ces états ?
2. « Les particules les plus légères, qui s'élèvent, se chargent positivement, tandis que les particules plus lourdes
descendent et se retrouvent en bas chargées négativement. ».
Quelles sont ces particules et comment peuvent-elles s’électriser ?
3. Une tension électrique UAB entre deux points A et B est une différence d’état électrique entre A et B.
3.1. En quoi consiste cette différence d’état électrique ?
3.2. Une pile bâton du commerce, de hauteur 5,00 cm, possède une étiquette informative sur laquelle on peut lire :
« R6 – 1,5 V – SIZE AA ».
-1
Donner une valeur numérique en V.m , du champ électrique, supposé uniforme, entre les bornes de cette pile bâton.
3.3. Tout isolant peut devenir conducteur s’il est soumis à une tension électrique forte provoquant la création d’un
champ électrique suffisant, ou champ électrique disruptif.
3.3.1. Quelle valeur numérique peut-on donner au champ électrique disruptif de l’air humide ?
3.3.2. En déduire une valeur numérique de la tension électrique entre la base d’un nuage d’orage et le sol.
Comparer à la valeur donnée dans le texte.
4. Expliquer, en utilisant un schéma légendé, la phrase : « Le bas du nuage, chargé négativement, charge ainsi
positivement le sol par influence. ».
5. Pour simuler un éclair d’orage, on charge les deux éclateurs d’une machine de Whimshurt, distants de 4,00 cm, sous
3
une tension de 1,00.10 V.
5.1. L’éclair jaillira-t-il ? Justifier la réponse.
5.2. Représenter, sur un schéma, les forces de l’interaction électrique existant entre les deux éclateurs chargés.
5.3. On admet que chaque éclateur porte une charge de valeur absolue : Q = 62,5 nC. Calculer la valeur numérique
des forces d’interaction entre les éclateurs dans ces conditions.
6. Expliquer, en s’appuyant sur un schéma légendé, le fonctionnement d’un « parafoudre » fixé sur le toit d’une
habitation.
Données :
Atomes : azote ; 147 N ; oxygène : 168 O ; hydrogène : 11 H .
9
Constante de l’interaction électrique : k = 9,00.10 uSI.