PHYSIQUE * Contrôle con tinu * 1 è r e G EN Exercice I : Lampe à vapeur de sodium (D’après Bac S – Pondichéry - 2004) On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium à très faible pression. Cette vapeur est excitée par un faisceau d’électrons qui traverse le tube. Les atomes de sodium absorbent l’énergie des électrons. L’énergie est restituée lors du retour à l’état fondamental sous forme de radiations lumineuses. Les lampes à vapeur de sodium émettent surtout de la lumière jaune. h = 6,62.10 -34 J.s c = 3,00.108 m.s-1 e = 1,60.10-19 C Données : A. L’analyse du spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium révèle la présence de raies de longueur d’onde l bien définie. Raies n° 1 2 Spectre d’émission d’une lampe à vapeurs de sodium 3 4 5 6 330,3 nm 568,8 nm 615,4 nm 819,5 nm 1138,2 nm doublet : 589,0 nm ; 589,6 nm 1. Expliquer brièvement comment on interprète l’existence de raies dans un spectre d’émission atomique. 2. Quelles sont les longueurs d’onde des raies appartenant au domaine du visible ? au domaine des ultraviolets ? au domaine de l’infrarouge ? 3. S’agit-il d’une lumière polychromatique ou monochromatique ? 4. Quelle est la valeur de la fréquence n de la raie de longueur d’onde l = 589,0 nm ? B. On donne (au verso du sujet) le diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de sodium. 5. Indiquer sur ce diagramme l’état fondamental et les états excités. 6. On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d’onde l = 589,0 nm. a. Calculer l’énergie DE (en eV) qui correspond à l’émission de cette radiation b. Sans justifier, indiquer par une flèche notée 1 sur le diagramme des niveaux d’énergie la transition correspondante. C. L’atome de sodium, considéré maintenant à l’état E1, reçoit une radiation lumineuse dont le quantum d’énergie DE’ a pour valeur 1,09 eV. 7. Cette radiation lumineuse peut-elle interagir avec l’atome de sodium à l’état E1 ? Justifier. 8. Représenter sur le diagramme, sans justifier, la transition correspondante par une flèche notée 2. 9. La raie associée à cette transition est-elle une raie d’émission ou une raie d’absorption ? Diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de sodium (à compléter) : E (eV) 0 E5 = - 0,85 E4 = - 1,38 E3 = - 1,52 E2 = - 1,94 E1 = - 3,03 E0 = - 5,14 EXERCICE II : ETUDE D’UN MEDICAMENT On souhaite vérifier la teneur en élément fer dans un médicament qui contient cet élément sous forme d’ions fer (II) : Fe2+. La notice du médicament mentionne la composition d’un comprimé : « sulfate ferreux sesquihydraté : 256,30 mg soit 80,0 mg en ions Fe2+ ». Pour vérifier cette affirmation, on se propose d’utiliser la réaction, en milieu acide, entre les ions fer (II) et les ions permanganate MnO4-, violets en solution aqueuse. 1. Écrire les demi-équations d’oxydoréduction associées aux couples Fe3+(aq) / Fe2+(aq) et MnO4-(aq) / Mn2+(aq). 2. En déduire l’équation de la réaction d’oxydoréduction dont les ions fer (II) sont l’un des réactifs. 3. En considérant exclusivement la coloration due aux ions permanganate, comment évolue celle du milieu réactionnel lorsqu’on ajoute la solution aqueuse de permanganate de potassium à une solution aqueuse acidifiée d’ions fer (II) ? On écrase un comprimé dans un mortier. La totalité du comprimé écrasé est introduite dans une fiole jaugée de 100 mL. On complète au trait de jauge avec de l’eau distillée et on agite. On introduit la solution contenant les ions fer (II) préparée dans un bécher, on acidifie le milieu et, à l’aide d’une burette graduée, on ajoute lentement une solution aqueuse S0 de permanganate de potassium de concentration molaire en ions permanganate C0 = 2,00.10-2 mol.L-1. Le milieu se colore en violet lorsqu’on a ajouté un volume V0 = 13,4 mL de solution. A cet instant, les ions ferreux et permanganate se trouvent dans les proportions stœchiométriques. 4. Quelle relation peut-on écrire entre les quantités de matière des réactifs à l’état initial ? 5. Exprimer puis calculer la quantité de matière d’ions permanganate introduite. 6. En déduire la quantité de matière d’ions fer (II) présente à l’état initial du système. 7. Déterminer la masse d’ions fer (II) présente dans la solution réalisée et la comparer à l’indication portée sur l’étiquette. EXERCICE III : Dosage du dioxyde de soufre dans le vin Le dioxyde de soufre SO2 est un gaz très soluble dans l'eau. Pour éviter que le vin ne s'oxyde, les œnologues (spécialistes du vin) ajoutent du dioxyde de soufre au moût de raisin. Dans un vin blanc, la concentration massique en dioxyde de soufre est limitée : elle ne doit pas excéder 210 mg.L-I. Pour vérifier la conformité de la concentration C2 de dioxyde de soufre dissous dans le vin blanc, il existe un mode opératoire officiel : - Dans un erlenmeyer, on verse un volume V2 = 25,0 mL de vin blanc. - On ajoute 2,0 mL d'acide sulfurique pour acidifier le milieu et 1,0 mL d’empois d’amidon (indicateur coloré). - On verse progressivement de la solution S1 de diiode de concentration molaire C1 = 7,80.10-3 mol.L-1 jusqu’au changement de couleur du milieu réactionnel. Il a lieu après avoir versé un volume VE = 6,10 mL de solution de diiode dans le vin. A cet instant, cela signifie que le diode et le dioxyde de souffre dissous ont été introduits à l’état initial dans les proportions stœchiométriques. 1- La solution de diiode S1 est préparée à partir d'une solution mère S0 de diiode de concentration C0 = 1,95.10-2 mol.L-1. Calculer le volume V0 de solution mère à prélever pour préparer V1 = 50 mL de solution S1. En déduire la verrerie à utiliser. 2- La réaction qui se produit dans l’erlenmeyer a pour équation : SO2 (aq) + I2 (aq) + 2 H2O (l) ® SO42-(aq) + 2 I-(aq) + 4 H+(aq) Écrire les 2 demi-équations électroniques correspondantes, après avoir précisé les couples oxydant/réducteur qui sont mis en jeu. 3- Compléter le tableau d'avancement donnant l'évolution du système. Dans ce tableau, les quantités de matière des espèces chimiques sont à indiquer littéralement. 4- Déterminer la concentration molaire C2 puis la concentration massique t2 en SO2 dissous dans le vin. Cette concentration conforme à la législation ? Données : Masses molaires atomiques : M(O) = 16,0 g.mol-1 M(S) = 32,1 g.mol-1 Les espèces SO2(aq), SO42-(aq) et I -(aq) sont incolores en solution. L'empois d'amidon prend, en présence de diiode, une coloration gris-bleu. Tableau d’avancement Etat SO2 (aq) + I2 (aq) + 2 H2O (l) "⎯⎯⎯$ SO42-(aq) + 2 I-(aq) + 4 H+(aq) Initial solvant Excès Final solvant Excès
