EXERCICE III Autour d`un texte de Brahic (4points)

Lycée HEINRICH NOM : ........................................... PHYSIQUE-CHIMIE
1ère S Prénom : ....................................... 26 mars 2013
DEVOIR COMMUN
On rédigera chaque exercice sur une copie séparée.
On soignera l’expression et l’argumentation.
Exercice 1 : Solutions de diiode et spectrophotométrie ............................................ 3 points
En pharmacie, on trouve des teintures d’iode utilisées pour leur propriété désinfectante.
On se propose de déterminer la concentration en diiode dans une teinture d’iode officinale. On commence
par diluer 200 fois la teinture d’iode (trop concentrée pour une étude spectrophotométrique directe). La
solution aqueuse obtenue à l’issue de cette dilution est appelée solution S.
Par ailleurs, on prépare un ensemble de solutions aqueuses de diiode et on les note Di (D1, D2…) de
concentrations connues toutes différentes. Ces solutions ont des colorations proches de celle de la
solution S.
1. À l’aide d’un spectrophotomètre, on mesure l’absorbance Ai de chaque solution Di de diiode, puis
celle de la solution S.
1.1. Donner la valeur d’une longueur d’onde qui vous paraît bien appropriée pour ces mesures.
Justifier brièvement.
1.2. On obtient les résultats suivants :
Concentration C de la solution en µmol.L1
50
100
250
500
750
1000
Absorbance A de la solution
0,041
0,10
0,22
0,46
0,70
0,87
Absorbance de la solution S : A = 0,78.
La courbe d’étalonnage de l’absorbance en fonction de la concentration molaire C en diiode
est fournie en annexe (page 4). La relation entre l’absorbance A et la concentration C est
appelée loi de Beer-Lambert. Elle s’écrit : A = k C avec k une constante et C la concentration
molaire de l’espèce colorée dans la solution.
La courbe d’étalonnage obtenue est-elle en accord avec cette loi ? Justifier.
1.3. Déterminer graphiquement la concentration molaire CSexp en diiode de la solution S. En déduire
la concentration molaire Cexp en diiode de la teinture d’iode officinale.
1.4. En déduire la concentration massique Cm exp
2. Pour comparer ce résultat avec la valeur attendue, calculer l’écart relatif entre cette valeur
expérimentale et la valeur attendue Ca= 45 g.L1.
Données :
Spectre d’absorption d’une solution aqueuse de diiode
de concentration molaire c = 3,0 x 103 mol.L1
Masse molaire atomique
de l’iode : 127 g.mol1
Écart relatif entre
une valeur expérimentale Gexp
et une valeur attendue Ga
d’une grandeur physique G :

Exercice 3 : L’hydrogène des étoiles ....................................................................... 10 points
L’élément hydrogène synthétisé au moment du big-bang est présent à 90% en moyenne dans une étoile.
On se propose dans cet exercice d’étudier les interactions au sein de l’atome d’hydrogène, dont un modèle
a été proposé par Niels Bohr en 1913.
Le modèle de Bohr vient à la suite du modèle planétaire d’Ernest Rutherford, avec une différence
essentielle : la quantification des niveaux d’énergie dans l’atome.
Données : Masse du proton : mp = 1,67 x 10-27 kg
Masse de l’électron : me = 9,11 x 10-31 kg
Charge élémentaire : e = 1,60 x 10-19 C
Constante de gravitation universelle : G = 6,67 x 10-11 N.m².kg-2
Constante de Coulomb : k = 9,0 x 109 N.m².C-2
Distance proton-électron : d = 5,3 x 10-11 m
1. Cohésion de l’atome d’hydrogène :
On a représenté l’atome d’hydrogène selon le modèle de Bohr.
1.1 Exprimer , puis calculer la force gravitationnelle Fg exercée par le proton sur l’électron.
1.2 Exprimer , puis calculer la force électrostatique Fe exercée par le proton sur l’électron.
1.3 Comparer la valeur de ces deux forces, et préciser quelle est l’interaction responsable de la
cohésion de l’atome d’hydrogène.
1.4 Représenter sur un schéma cette force exercée sur l’électron, en précisant l’échelle choisie.
1.5 On s’intéresse dans cette question au noyau d’hélium : He (Z = 2 ; A = 4).
Que contient ce noyau ?
L’interaction citée à la question 1.3 assure-t-elle la cohésion de ce noyau ?
Justifier et argumenter à l’aide de vos connaissances.
2. La quantification de Bohr :
Données : Constante de Planck : h = 6,62 x 10-34 J.s-1
Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 x 108 m.s-1
1 eV = 1,60 x 10-19 J
Dans le modèle de Bohr, l’énergie de l’atome est quantifiée.
2.1. Expliquer ce que signifie l’adjectif « quantifié ».
2.2. L’énergie de l’atome d’hydrogène se met sous la forme 
n est un nombre entier strictement positif représentant le niveau n
En est l’énergie du niveau n en eV
2.2.1. Comment appelle-t-on le niveau n = 1 ?
2.2.2. Comment appelle-t-on les autres niveaux ?
2.2.3. Placer approximativement les états d’énergie E4 et E5 sur le graphe en annexe (bas de la
page 2) à rendre.
2.2.4. Vers quelle valeur évolue En lorsque n devient très grand ?
2.3. On apporte à l’atome dans son état d’énergie la plus basse E1, une énergie de 10,2 eV.
Dans quel état énergétique se retrouve alors l’atome d’hydrogène après avoir reçu cette énergie ?
2.4. Dans ce nouvel état, l’atome est instable et va chercher à retrouver son état de plus basse énergie.
2.4.1. Ce phénomène s’accompagne-t-il de l’absorption ou de l’émission d’un photon ? Justifier.
2.4.2. Déterminer la fréquence du photon, puis sa longueur d’onde dans le vide.
2.4.3. A quel domaine spectral appartient cette radiation ?

Exercice 2 : Diesel propre ? ....................................................................................... 7 points
1. Un peu d’alcool… avec modération !
1.1. Donner le modèle de Lewis du cyclobutanol.
1.2. Nommer les alcools isomères de formule brute C3H8O.
1.3. Nommer la géométrie des atomes de carbone et celle de l’atome d’oxygène dans les molécules
de la question précédente.
2. Combustion du gazole
Le gazole est un mélange d’hydrocarbures qui comptent de 12 à 22 atomes de carbone. On considèrera
que le constituant principal du gazole est le cétane (« hexadécane » en nomenclature officielle) de
formule brute C16H34.
2.1. Le cétane est-il un hydrocarbure ? Justifier.
2.2. A quelle famille appartient-il ? Justifier.
2.3. S’agit-il d’une molécule polaire ? Justifier.
3. Combustion du cétane
Sur une publicité pour une voiture, on peut lire l’information suivante :
Toutes les berlines Diesel de cette gamme rejettent moins de 130g de CO2 au
kilomètre et qualifient donc leur acheteur pour un bonus écologique !
On considère pour la suite que le gazole, carburant des véhicules Diesel, est constitué de cétane.
3.1. Ecrire l’équation de la combustion complète du cétane dans le dioxygène de l’air.
3.2. La consommation du véhicule, donnée par le constructeur, est de 4,8 L pour 100 km.
3.2.1. Sachant que la masse volumique du cétane est de 850 g.L-1, calculer la masse de cétane
consommée pour 100 km parcourus, puis pour 1,0 km.
3.2.2. Calculer la quantité de matière de cétane consommé pour 1,0 km parcouru.
3.3. Construire le tableau d’évolution du système chimique pour 1,0 km parcouru.
3.4. En déduire la masse de CO2 produit pour 1,0 km parcouru. La publicité dit-elle vraie ?
Données
numéros atomiques
H : 1 C : 6 N : 7 O : 8
masses molaires atomiques en g.mol-1
H : 1,0 C : 12,0 O : 16,0 N : 14,0
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Annexe à rendre avec la copie
Exercice 2
Niveaux d’énergie de
l’atome d’Hydrogène

Annexe à rendre avec la copie : Exercice 1 : Courbe d’étalonnage