sujet - profdephysique

DM 5 – MOUVEMENT D’UN ÉLECTRON ET RENDEMENT D’UNE SYNTHÈSE ORGANIQUE
PS
Parte physique : à rendre pour le mardi 18 avril dans le casier
Parte chimie : à rendre pour le mardi 02 mai dans le casier
EXERCICE 1 : MOUVEMENT D’UN ÉLECTRON ACCÉLÉRÉ PAR UN CHAMP ÉLECTRIQUE
Un champ électrique est créé en appliquant une tension électrique U AB = 400 V
constante entre deux plaques vertcales en vis-à-vis, distantes de d = 1,0 cm,
chacune percée d’un orifce en A et en B. Les lignes de champ sont tracées sur le
schéma. Tout le dispositf est sous un vide d’air poussé.
On étudiera comme système {l’électron} considéré comme ponctuel, dans un
référentel terrestre supposé galiléen.
Parte 2 : Interprétaton qualitatve des forces exercées sur l’électron
On introduit par le trou situé en A un électron, avec une vitesse négligeable. On
admet que cet électron, plongé dans le champ électrique ⃗E , subit une force
U
électrique ⃗
.
Félec =q ⃗E , où q est la charge de l’électron et E=
d
1. Donner les caractéristques de la force ⃗
Félec appliquée à l’électron situé en A.
⃗
2. Comparer l’intensité de Félec avec celle du poids P⃗ de l’électron. Quelle
force est négligeable ?
3. Prévoir qualitatvement l’efet des forces sur le mouvement de l’électron.
Parte 3 : Étude énergétque du mouvement de l’électron entre A et B
1. Compléter le schéma avec un axe des alttudes (Oz) orienté, en précisant la
référence des énergies potentelles de pesanteur choisie.
Quand l’électron ateint l’orifce en B, son énergie mécanique a augmenté de
ΔEm = 6,4×10-17 J.
2. L’énergie mécanique du système se conserve-t-elle ?
3. Quelle est la variaton d’énergie potentelle de pesanteur de l’électron lors de
son mouvement de A vers B ?
4. Calculer l’énergie cinétque de l’électron en B.
5. En déduire la vitesse de l’électron en B.
DONNÉES : charge élémentaire : e = 1,6×10-19 C ;
masse de l’électron : me = 9,1×10-31 kg ;
intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1.
Parte 1 : Étude du champ électrique
1. Ce champ électrique est-il un champ scalaire ou vectoriel ?
2. Déduire du tracé des lignes de champ la directon et le sens du vecteur champ
électrique ⃗E .
3. On admetra que la valeur du champ électrique entre les deux plaques est
U
donnée en tout point par la relaton E=
(on néglige les efets de bord).
d
Ce champ est-il uniforme ?
4. Tracer qualitatvement le vecteur champ électrique ⃗E au point A, puis au
point B.
Parte 4 : Étude énergétque de la chute de l’électron entre B et C
L’électron sort de l’orifce B avec une vitesse v B = 1,18×107 m.s-1. Au bout de
Δt = 1,00×10- 6 s, il parcourt une distance en abscisse Δx = 1,18×10 1 m pour
ateindre le point C. La variaton d’énergie cinétque qu’il subit entre B et C est
alors égale à ΔEc = 4,38×10-35 J.
1. Quelle(s) force(s) s’applique(nt) au système ?
2. L’énergie mécanique du système se conserve-t-elle ?
3. Calculer la perte d’alttude Δz = zC – zB entre B et C.
4. Comparer Δz à Δx. Conclure.
EXERCICE 2 : SYNTHÈSE DE LA BUTANONE
La butanone est une molécule organique, souvent utlisée dans l’industrie
plastque comme solvant. Liquide incolore à la température ambiante, elle
présente une odeur proche de celle de l’acétone.
Parte 1 : Réacton d’oxydoréducton
La butanone, de formule brute C 4H8O, peut être synthétsée par oxydaton
ménagée du butan-2-ol (C4H10O).
Parmi les réactfs utlisés dans l’industrie, on trouve le ferrate de potassium
(2 K+(aq) + FeO42-(aq)).
1. Quel groupe fonctonnel apparaît dans le butan-2-ol ?
2. Écrire la demi-équaton électronique associée au couple butanone/butan-2-ol.
3. Sachant que l’ion ferrate produit des ions fer III Fe 3+(aq), écrire la demi-équaton
électronique associée à ce couple.
4. En déduire l’équaton de la réacton entre le butan-2-ol et les ions ferrate.
5. Quelle autre espèce chimique doit nécessairement être présente dans le
milieu réactonnel pour que la transformaton ait lieu ?
Parte 2 : Étude de l’avancement de la réacton
Dans un ballon, on verse V b = 2,0 mL de butan-2-ol puis V fp = 25 mL de soluton
acidifée de ferrate de potassium à la concentraton c fp = 2,0 mol.L-1.
Après 25 min de chaufage à refux, on distlle le mélange et on obtent une masse
m = 1,1 g de liquide après purifcaton.
1. Écrire l’équaton de dissoluton du ferrate de potassium solide dans l’eau.
2. Quelle est la concentraton molaire en ions ferrate FeO 42-(aq) ?
3. Déterminer les quanttés de matère de réactfs introduites dans le ballon.
4. Établir un tableau d’avancement de la réacton.
5. Déterminer la valeur de l’avancement maximal. Quel est le réactf limitant ?
6. Proposer un test caractéristque permetant de confrmer la famille de
l’espèce formée. Détailler le résultat que donnerait ce test sur le produit
réellement formé ici.
7. Quelle quantté de matère de butanone a-t-on fabriqué ?
8. Le rendement d’une réacton est défni comme le rapport de la quantté de
matère de produit réellement formé sur celle qu’on pourrait obtenir si on
n
m
épuisait le réactf limitant : r= exp = exp . Expliciter pour la réacton étudiée.
nmax m max
Calculer sa valeur.
Parte 3 : Identfcaton du produit
Afn de vérifer la nature du produit formé, on réalise une
chromatographie sur couche mince, avec des dépôts de
butan-2-ol (A), de butanone (B), du produit formé avant
purifcaton (C) et après purifcaton (D).
1. Quelle espèce chimique a été formée lors de cete
synthèse ?
2. Ce produit est-il pur ? Sinon, quelle est l’impureté
principale ? D’où vient cete impureté ?
3. L’étape de purifcaton a-t-elle été utle ?
DONNÉES :
Masses molaires : Mbutan-1-ol = 74 g.mol-1, Mbutanone = 72 g.mol-1, Mfp = 198 g.mol-1
Masses volumiques : ρbutan-1-ol = 0,8 g.mL-1, ρbutanone = 0,8 g.mL-1.