D.S.T. N° 1

CLASSE DE PREMIÈRE
S
Le : 14 septembre 2005
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.
L ’ A R G E N T
L E U R
B R Û L E
L E S
D O I G T S
!
Sur un site Belge (http://users.swing.be/ism.reves/pedagogique/sciences/fichesciences/fichesciences_fiches.html), on trouve
l’article suivant décrivant une expérience de combustion étonnante, une fois.
« Verser 150 mL d'eau et 150 mL d'éthanol pur dans un bécher de 600 mL. Y tremper entièrement un billet de 50,0 €.
Il ne faut AUCUNE partie sèche !!! Prendre avec une pince le billet imbibé et l'enflammer sans trembler. Après quelques
temps, éteindre le brûlot et montrer le résultat aux spectateurs. Le billet, qui a brûlé avec de grandes flammes, se retrouve
intact une fois éteint !
Explications : en réalité, ce n'est pas le billet qui brûle, mais l'éthanol. Ici, sa combustion se fait en phase gazeuse.
L’éthanol brûle dans une zone gazeuse sans que les flammes ne touchent la surface du billet. De plus, la chaleur
dégagée par cette combustion sert essentiellement à vaporiser l'eau. Ce qui permet de maintenir la température
du billet relativement basse et l’empêche ainsi de carboniser.
Sécurité : cette manipulation doit se faire à l'extérieur ou dans une pièce à plafond haut. En effet, l'alarme incendie
pourrait se déclencher suite à la hauteur des flammes. Il faut être prudent car on utilise des produits
inflammables ; il faut donc prévoir un extincteur à proximité. ».
1. Écrire l’équation chimique de la réaction de combustion de l’éthanol pur, C2H6O, dans le dioxygène de l’air, en
supposant qu’elle produit essentiellement du dioxyde de carbone gazeux et de l’eau liquide.
2. Établir le tableau d’avancement de la transformation chimique précédente. On notera n 0éth et n 0O2 les quantités de
matières initiales des réactifs ; n CO2 et n H2O les quantités de matière des produits formés.
2
3. Les dimensions d’un billet de 50,0 € sont : 7,70 X 14,0 cm . On suppose que l’épaisseur de la couche du mélange
alcoolique imbibant la surface du billet est de 100 µm.
3.1. Quel volume de solution alcoolique est présent à la surface du billet dans ces conditions ?
3.2. Quel volume d’éthanol pur cela représente-t-il ? En déduire la quantité de matière d’éthanol pur imbibant la
surface du billet.
3
4. Autour du billet on estime à : VO2 = 446 cm le volume de dioxygène pur présent, la pression atmosphérique étant :
5
P0 = 1,00.10 Pa et la température initiale : θ0 = 20,0°C.
4.1. Quelle quantité de matière de dioxygène pur est présente autour du billet ?
4.2. Déterminer, dans ces conditions, la valeur xmax de l’avancement maximal de cette transformation.
4.3. Quel est le réactif limitant ? Justifier la réponse.
5. Quelle masse d’eau liquide obtient-on en fin de réaction ?
6. Quel sera, en fin de réaction, et à la température : θ1 = 40,0°C, le volume de dioxyde de carbone produit ?
7. Quelles masses de réactifs restera-t-il ?
8. On réitère l’expérience de telle sorte que les réactifs soient dans les proportions stœchiométriques de l’équation
3
chimique de la réaction de combustion. Le volume de dioxygène pur présent autour du billet reste égal à : VO2 = 446 cm .
Quelle épaisseur de la solution alcoolique doit être présente à la surface du billet ?
Données :
-1
Masses molaires atomiques : C = 12,0 ; H = 1,00 ; O = 16,0 g.mol .
Masse volumique de l’éthanol pur : ρéth = 780 g.L .
-1
Constante des gaz parfaits : R = 8,31 uSI. 0°C = 273 K.
... / ...
II ] PHYSIQUE :
sur 8 points.
U
N
J
O
U
R
D
’
O
R
A
G
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. Représenter les structures électronique et nucléaire de la molécule d’eau.
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. Quelle est la valeur de la tension électrique entre les bornes d’une pile bâton du commerce ?
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3.3. Donner une valeur numérique en V.m , du champ électrique, supposé uniforme, entre les bornes de la pile
bâton précédente.
3.4. Tout isolant peut devenir conducteur s’il est soumis à une tension électrique forte provoquant la création d’un
champ électrique suffisant, ou champ disruptif.
3.4.1. Quelle valeur numérique peut-on donner au champ disruptif de l’air humide ?
3.4.2. En déduire une valeur numérique de la tension électrique entre la base d’un nuage d’orage et le sol.
4. Expliquer, en utilisant un schéma légendé, la phrase : « Le bas du nuage, chargé négativement, charge ainsi
positivement le sol par influence. ».
5. Au cours d'un orage, une personne aperçoit un éclair au loin. Le tonnerre est perçu 3,10 secondes plus tard.
À quelle distance de cette personne la foudre est-elle tombée ? Préciser les hypothèses simplificatrices.
6. Expliquer, en s’appuyant sur un schéma légendé, le fonctionnement d’un « parafoudre » fixé sur une habitation.
Données :
Atomes : azote ; 147 N ; oxygène : 168 O ; hydrogène : 11 H .
-1
Célérité du son dans l’air : 340 m.s .
5
-1
Célérité de la lumière dans l’air : 3,00.10 m.s .