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