DS TS 25 février 2015

Nom : mercredi 25 février 2015
TS1 TS2 et TS3 DS de PHYSIQUE CHIMIE (2h) (cinétique+satellite+Félectrostatique)
Calculatrice autorisée
/ 20
Exercice 1 : Etude cinétique par suivi spectrophotométrique ( / 8 points)
On se propose d’étudier la cinétique de la transformation lente de décomposition de l’eau oxygénée par les ions
iodure en présence d’acide sulfurique, transformation considérée comme totale.
L’équation de la réaction qui modélise la transformation d’oxydoréduction s’écrit :
H2O2(aq) + 2 I–(aq) + 2 H+(aq) I2(aq) + 2 H2O(l)
La solution de diiode formée étant colorée, la transformation est suivie par spectrophotométrie, méthode qui
consiste à mesurer l'absorbance A de la solution, grandeur proportionnelle à la concentration en diiode.
1. Étude théorique de la réaction
1.1. Donner la définition d'un oxydant : …………………………………………..………………………………………….............................
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
et celle d'un réducteur : ………………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………..
Compléter la demi-équation: Ox = Red
1.2. Identifier, dans l'équation de la réaction étudiée, les deux couples d'oxydoréduction mis en jeu en respectant
l’ordre Ox / Red. Ecrire leurs demi-équations correspondantes.
Ox1 / Red1 : ………………………… demi-équation : ……………………………………………………………………………………………….
Ox2 / Red2 : ………………………… demi-équation : …………………………………………………………………………………………………
2. Suivi de la réaction
À la date t = 0 s, on mélange V1 = 20,0 mL d'une solution S1 d'iodure de potassium de concentration
C1 = 0,10 mol.L-1 acidifiée avec de l'acide sulfurique en excès, 8,0 mL d'eau et V2 = 2,0 mL d'eau oxygénée à
C2 = 0,10 mol.L-1. On remplit une cuve spectrophotométrique, et on relève les valeurs de l'absorbance au cours du
temps.
2.1. Pourquoi utilise-t-on une méthode spectrophotométrique ?
………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………
Quel est le nom de la loi qui permet de déterminer la concentration [I2] du diiode formé à partir de la
mesure de l’absorbance : loi de ………………………………………………………………………….
t (s)
0
126
434
682
930
1178
1420
[I2] (mmol.L–1)
0,00
1,74
4,06
5,16
5,84
6,26
6,53
2.2. Calculer les quantités des réactifs à l’état initial :
n1 = n(I–)i = ……………..………………
n2 = n(H2O2)i = ………………………………………………
Le mélange initial est-il stœchiométrique ? ……………………..
car ………………………………………………………………………………………………………………
Les exercices 1 et 2 se feront directement sur le sujet.

2.3. Remplir (pour l’instant seulement les trois premières lignes) le tableau descriptif de l'évolution du
système. La dernière ligne sera à remplir à la question 3.1.
Équation
H2O2(aq) + 2 I–(aq) + 2 H+(aq) I2(aq) + 2 H2O(l)
État initial (x = 0)
Excès
beaucoup
État intermédiaire (x)
Excès
beaucoup
État final (xmax = mol
)
Excès
beaucoup
Pour t = 500 s
(x500 = mol )
Excès
beaucoup
2.4. Établir la relation entre [I2] et l'avancement x de la transformation. [I2] = …………………………
2.5. Donner directement la valeur de l'avancement maximal : xmax = ……………………………. En
déduire le réactif limitant :
…………………………
En déduire la valeur théorique de la concentration en diiode
formé lorsque la transformation est terminée.
………………………………………………………………………………………
3. Exploitation des résultats
La courbe ci-contre représente les variations de
l'avancement x en fonction du temps.
3.1. Donner la composition du mélange
réactionnel pour t = 500 s. Expliquer votre démarche :
Reporter les résultats dans la 4ème ligne du tableau d’avancement.
3.2. Donner la définition du temps de demi-réaction t½ , puis le déterminer (Justifier).
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3.4. Tracer sur le graphe, l’allure de la courbe que l’on obtiendrait pour la même expérience réalisée à
une température plus élevée. Justifier votre tracé. Indiquer sur le graphe le nouveau temps de demi-
réaction noté t½ ’. En déduire la comparaison entre ces deux durées t½ et t½ ’.
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………

Exercice 2 : A propos des étoiles filantes ( / 7 points) (répondre que sur ce sujet)
Des comètes circulent dans le système solaire et laissent dans leur sillage des grains de matière de tailles plus ou
moins importantes. Il arrive que la Terre croise ces grains de matière abandonnés par une comète derrière elle et
qui pénètrent alors dans l’atmosphère terrestre. Lors de leur chute, ils échauffent les gaz de l’atmosphère qui
émettent de la lumière pour éliminer l’énergie reçue lors de cet échauffement. On peut alors observer des
phénomènes bien connus : les étoiles filantes.
Données : Masse de la Terre : MT = 5,98.1024 kg Masse du Soleil : MS = 1,98.1030 kg
Constante de gravitation universelle : G = 6,67.10–11 SI Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00.108 m.s-1
Constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s 1 eV (électronvolt) = 1,60.10-19 J
1. Mouvement de la Terre
On considère le mouvement de la Terre autour du Soleil dans un référentiel considéré comme galiléen. On suppose
que ce mouvement est circulaire, de rayon R = 1,50.1011 m. On néglige l’action de tout autre astre. On notera
a
le
vecteur accélération du centre d’inertie de la Terre.
1.1. Choix du référentiel : ……………………
Système étudié : ………………………….. de masse : ……………..…
Bilan des forces : …………………………………………………………………………………………
Donner l’expression vectorielle de la force subie par la Terre en utilisant le
vecteur
u
du schéma et la représenter sur ce schéma.
1.2. Appliquer la deuxième loi de Newton à la Terre. (Attention ! utilisez les indices de l’énoncé)
1.3. En déduire l’expression vectorielle du vecteur accélération
a
et le représenter sans considération
d’échelle sur le schéma ci-dessus.
- sa direction : ………………………………………………………………………………..
- son sens : ……………………….......
- et l’expression de sa valeur (norme) :
1.4. On rappelle que le mouvement est circulaire. Montrer que le mouvement est circulaire uniforme.
Quelle relation peut-on alors écrire entre l’accélération a et la vitesse v du centre d’inertie
de la Terre autour du Soleil ?
1.5. A partir des deux expressions précédentes (cadres des questions 1.3 et 1.4) établir l’expression de la
vitesse v du centre d’inertie de la Terre en fonction de la constante de gravitation universelle G, la masse
du Soleil MS et le rayon R de la trajectoire.
1.6. Calculer la valeur de cette vitesse
(exprimer en m.s-1 puis en km.h-1).
u
Soleil
Terre
a =
a
=
v =
Donner ses
caractéristiques :
a =

1.7. Donner l’expression de la période de révolution T de la Terre autour du Soleil en
fonction de la vitesse v et du rayon R de sa trajectoire.
1.8. En déduire l’expression de T :
3
2
S
2 π R
TGM
Calculer sa valeur (en s, puis convertir en jours) :
T = …………………………………………………..
A quoi correspond cette valeur ? …………………….
Ce résultat est-il cohérent ? (justifier)
………………………………………………………………………..………………………………………………
1.9. Donner la relation de la 3ème loi de Kepler (indiquer la signification des grandeurs) :
A partir de l’expression de T donnée à la question 1.8, retrouver la 3ème loi de Kepler
2. Étude d’une étoile filante
Il est très rare de pouvoir enregistrer un tel phénomène, celui-ci étant imprévisible. Pourtant, dans la nuit du 12 au
13 mai 2002, alors qu’ils observaient une supernova dans une galaxie éloignée à l’aide du VLT (Very Large
Telescope) à l’observatoire de Paranal au Chili, des astronomes ont eu la chance de voir une étoile filante traverser
le champ du télescope, et ont pu ainsi enregistrer le spectre de la lumière émise.
2.1. On donne une partie du spectre obtenu. Indiquer sur ce spectre les
domaines de la lumière visible, des rayonnements infrarouges et ultraviolets.
2.2. On donne ci-contre le diagramme des niveaux d’énergie d’un des éléments mis en
évidence par le spectre obtenu. Une transition correspondant
à l’une des raies de ce spectre y est représentée par une flèche.
La raie correspondante est-elle une raie d’émission ou d’absorption ? ………………
Justifier : ……………………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………..
2.3. Lors de cette transition, l’atome échange de l’énergie avec le milieu extérieur.
T =
Donner l’expression entre
cette énergie échangée |E|
et la fréquence de la
radiation
lumineuse que
l’on notera ν :
|E| =
Puis, donner l’expression
entre cette énergie échangée
|E| et la longueur d’onde
de cette
radiation :
|E| =
En déduire la relation entre la
longueur d’onde de cette
radiation et sa
fréquence 
dans le vide
=

2.4. Déterminer grâce au diagramme la valeur de |E| : |E| =……………………………………………………………………
Convertir en joule la valeur trouvée : |E| = ………………..………………………………………………………
2.5. Calculer alors la valeur de la longueur d’onde correspondant à cette transition (exprimer en m, puis en
nm).
2.6. On donne les tableaux de quelques
longueurs d’onde de raies de différents
éléments. Identifier l’élément mis en
évidence par cette raie. Cette raie appartient à l’élément ……………
car……….………………………………………………………………
EXERCICE 3 – DÉTERMINATION DE LA MASSE DE L’ELECTRON (5 points)
Document 1 : La deuxième expérience de Thomson
Le physicien anglais Joseph John Thomson utilisa un tube à vide, dans lequel une
cathode émet des électrons. Ceux-ci sont accélérés dans un champ électrostatique
créé par des anodes de collimation. À la sortie de ces anodes, les électrons forment
un faisceau très étroit. Ce faisceau passe ensuite entre deux plaques métalliques de
charges opposées. Les électrons, soumis à un nouveau champ électrostatique, sont
alors déviés de leur trajectoire et viennent frapper un écran constitué d'une couche
de peinture phosphorescente.
Tube utilisé par Thomson pour montrer la déviation de particules chargées par un champ électrostatique :
Document 2 : Création d'un champ électrostatique
Deux plaques métalliques horizontales portant des charges opposées
possèdent entre elles un champ électrostatique uniforme
E
caractérisé par :
 sa direction : perpendiculaire aux plaques
 son sens : de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement.
Document 4 : Expérience de laboratoire ; détermination du rapport e/m pour l'électron
Le montage ci-dessous reprend le principe de la deuxième expérience de Thomson. Il comporte un tube à vide dans lequel un faisceau d'électrons est dévié
entre deux plaques de charges opposées. On mesure la déviation verticale du faisceau d'électrons lors de la traversée des plaques sur une longueur L, afin
de déterminer la valeur du rapport e/m.
Données de l'expérience :
Les électrons sortent du canon à électrons avec une vitesse v0 = 2,27  107 m.s1.
Le faisceau d'électrons passe entre les deux plaques chargées et est dévié d'une hauteur h quand il sort des plaques.
L'intensité du champ électrostatique entre les deux plaques est : E = 15,0 kV.m1.
La longueur des plaques est : L = 8,50 cm.
La valeur de la charge élémentaire est e = 1,60.10-19 C
Peinture phosphorescente
Plaques de déviation
Faisceau d’électrons
Anodes de collimation
Cathode émettrice d’électrons
E
Canon à
électrons
0
v
x
O
L
y
+ + + + + + + + + + + + +
– – – – – – – – – – – – –
Plaque négative
Plaque positive
Document 3 : Interactions entre
particules chargées
Deux particules de charges de même
signe se repoussent ; deux particules de
charges opposées s’attirent.