Dst 14 février 2013

2
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DST de Sciences Physiques 14 février 2013
durée 50 min
La calculatrice est autorisée
Toutes les réponses doivent être justifiées.
Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points
L'acétanilide est l'un des premiers fébrifuges synthétisé par l'industrie chimique, à partir
d'aniline et d'anhydride éthanoïque.
1. Comment nomme-t-on le montage représenté sur la figure 1 utilisé pour réaliser la
synthèse ?
Quels sont les intérêts d'un tel montage ?
2. Donner le nom de chaque élément du montage numéroté de 1 à 6.
3. Doit-on fermer l'extrémité supérieure de l'élément 1 ?
4. Quels sont les réactifs ?
On réalise une C.C.M.avec les substances suivantes
Acétanilide commercial : A ; Aniline : B ; Acétanilide synthétisé : C
Après élution et révélation, on obtient le chromatogramme (figure 2)
5. La synthèse est-elle satisfaisante ?
Exercice 2 : La galaxie M66 4 points
En 1926, l'astronome américain Hubble a réussi à photographier la galaxie M66, distante de
la Terre de 3,31
×
10
20
km, grâce au télescope du mont Wilson en Californie.
Cet objet céleste avait déjà été repéré en 1780 par deux astronomes français, Charles
Messier et Pierre Méchain.
1. Après avoir donné la définition de l'année de lumière, calculer sa valeur en mètre.
On donne la valeur de la vitesse de la lumière c = 3.10
5
km.s
-1
.
6
5
4
3
2
1
figure 1
fig
ure 2
A B C
x x x

2. Calculer en a.l, la distance entre la galaxie M66 et la Terre.
3. Quel temps, exprimé en année, met la lumière pour nous parvenir de cette galaxie ?
4. Calculer, en u.a, la distance entre la galaxie M66 et la Terre sachant que 1 u.a vaut 150
millions de km.
Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points
Un architecte souhaite réaliser un monument similaire à l'Atomium de Bruxelles, qui
symbolise la structure atomique du cristal de fer agrandie 165 milliards de fois. À cette
échelle, un atome de fer est représenté par une boule de rayon égal à 18 m.
1. Déduire du texte le rayon d'un atome de fer, en l'exprimant en notation scientifique avec
le mètre comme unité.
2. Quel est son ordre de grandeur ?
3. L'architecte étudie la possibilité de représenter le noyau de fer par une boule. Quel en
serait le rayon sachant que la valeur réelle de celui-ci est de 5,28.10
-15
m ?
Exercice 4 À la découverte du magnésium 6 points
Les carences en magnésium sont à l'origine de divers symptômes, tels que l'irritabilité, une
fatigue passagère, des troubles mineurs du sommeil ou des crampes musculaires. Pour pallier
ces carences, le médecin peut prescrire un médicament à base de magnésium.
Le noyau de l'atome de magnésium a pour symbole
24
12
Mg.
1. Donner la composition de l'atome de magnésium.
2. Calculer sa masse. Quelle approximation pouvait-on faire dans ce calcul ?
3. Donner la configuration électronique de l'atome de magnésium.
4. Le néon est un gaz noble de numéro atomique Z = 10.
a. Quelle est la structure électronique de l'atome de néon ?
b. Prévoir quel est l'ion que l'on retrouve dans les comprimés contenant du magnésium et
donner son symbole. Comment nomme-t-on un tel ion ?
5. Le noyau de cet ion diffère-t-il de celui de l'atome de magnésium ? Justifier la réponse.
6. Calculer la charge électrique de cet ion.
Données :
Masse du nucléon : m
n
= 1,67
×
10
-27
kg
Masse de l'électron : m
e
= 9,11
×
10
-31
kg
Charge élémentaire : e = 1,60
×
10
-19
C

DST de Sciences Physiques du 14 février 2013 - Corrigé
Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points
1. Le montage de la figure 1 se nomme chauffage à reflux.
Un tel montage permet de chauffer le mélange réactionnel, pour accélérer le processus,
sans aucune perte de matière (réactifs restants et produits formés, après avoir été
refroidis dans le réfrigérant, retombent dans le ballon).
2. Nom des éléments du montage :
• 1. : réfrigérant
• 2. : chauffe-ballon
• 3. : support élévateur
• 4. : ballon
• 5. : entrée d'eau (eau froide)
• 6. : sortie d'eau (eau tiède).
3. L'extrémité supérieure du réfrigérant doit rester ouverte pour éviter toute surpression
qui résulterait des vapeurs créées lors du chauffage.
4. Les réactifs sont l'aniline et l'anhydride éthanoïque.
5. La synthèse est satisfaisante car le dépôt réalisé en C : produit synthétisé, donne
naissance à deux taches, dont l'une est au même niveau que la tache correspondant à
l'acétanilide commercial.
Exercice 2 : La galaxie M66 4 points
1. L'année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an.
Sa valeur en mètre est : 1 a.l = c t(1 an) = 3.10
8
×
××
×
365,25
×
××
×
24
×
××
×
60
×
××
×
60 = 9,46.10
15
m
2. La distance entre la galaxie M66 et la Terre est D
M66-T
=
20 3
15
3,31.10 1.10
9, 46.10
×
××
×
= 3,5.10
7
a.l.
3. D'après la définition de l'année de lumière, le temps que met lumière pour nous
parvenir de cette galaxie est t = 3,5.10
7
ans c'est-à-dire 35 millions d'années.
4. La même distance exprimée en u.a vaut : D
M66-T
=
20
6
3,31.10
150.10
= 2,2.10
12
u.a.
Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points
1. L'atome de fer est une boule de 18 m de rayon lorsqu'il est agrandi 165 milliards de
fois, donc sa grandeur réelle est R
atome
= =
9
18
165.10
= 1,1.10
-10
m.
2. Son ordre de grandeur est de 10
-10
m.
3. Les grandeurs de la maquette étant proportionnelles aux grandeurs réelles, on peut écrire
r
18
=
noyau
atome
R
R =
15
10
5,28.10
1,09.10
−
−−
−
−
−−
−
⇒
⇒⇒
⇒
le noyau de l'atome de fer serait une boule de rayon
r = 18
×
××
×
15
10
5,28.10
1,09.10
−
−−
−
−
−−
−
= 8,72.10
-4
m = 872 µ
µµ
µ m.
(on peut tout simplement faire r = 5,28.10
-15
×
××
×
165.10
9
= 8,71.10
-4
m)

Exercice 4 À la découverte du magnésium 6 points
1. La représentation symbolique de l'atome de magnésium :
24
12
Mg , indique
• A = 24 nucléons se répartissant en Z = 12 protons et A – Z = 24 – 12 = 12 neutrons
• l'atome est électriquement neutre, la charge électrique d'un proton étant égale en
valeur absolue à celle d'un électron, 12 électrons tournent autour du noyau.
2. La masse d'un atome se calcule en additionnant les masses des différentes particules qui
entrent dans sa composition : m
atome
= Z
×
××
×
m
p
+ (A – Z)
×
××
×
m
n
+ Z
×
××
×
m
e
.
Compte-tenu des données, la masse de l'atome de magnésium se calcule ici en faisant
l'approximation m
proton
≈
≈≈
≈
m
neutron
= m
nucléon
soit
m
atome
= A
×
××
×
m
n
+ Z
×
××
×
m
e
= 24
×
××
×
1,67
×
××
×
10
-27
+ 12
×
××
×
9,11
×
××
×
10
-31
= 4,01.10
-26
kg.
La masse d'un électron étant environ 1800 fois plus petite que celle d'un nucléon, on
pouvait faire l'approximation m
atome
≈
≈≈
≈
A
×
××
×
m
n
.
3. Les 12 électrons de l'atome de magnésium se répartissent en : (K)
2
, (L)
8
et (M)
2
.
4. a. La structure électronique de l'atome de néon est : (K)
2
, (L)
8
.
b. L' atome de magnésium peut devenir plus stable en adoptant la structure électronique
du néon (règle de l'octet), il va donc perdre deux électrons pour former l'ion magnésium
Mg
2+
. (représentation symbolique :
24
12
Mg
2+
)
Cet ion est un cation .
5. Le noyau de cet ion est le même que celui de l'atome de magnésium puisque seul, le nuage
électronique a été modifié .
6. La charge électrique de l'ion
24
12
Mg
2+
est q = Z
×
××
×
e – (Z - 2)
×
××
×
e = 12
×
××
×
1,60
×
××
×
10
-19
– (12 -
2)
×
××
×
1,60
×
××
×
10
-19
= + 2
×
××
×
1,60
×
××
×
10
-19
= + 3,20
×
××
×
10
-19
C.

DST de Sciences Physiques du 14 février 2013 - Corrigé
Exercice 1 Synthèse de l'acétanilide 6 points
1. Comment nomme-t-on le montage représenté sur la figure 1 utilisé pour réaliser la
synthèse ?
Le montage de la figure 1 se nomme chauffage à reflux . (0,5 point)
Quels sont les intérêts d'un tel montage ?
Un tel montage permet de chauffer le mélange réactionnel, pour accélérer le processus,
sans aucune perte de matière (réactifs restants et produits formés, après avoir été
refroidis dans le réfrigérant, retombent dans le ballon). (1 point)
2. Donner le nom de chaque élément du montage numéroté de 1 à 6. (1,5 point)
• 1. : réfrigérant
• 2. : chauffe-ballon
• 3. : support élévateur
• 4. : ballon
• 5. : entrée d'eau (eau froide)
• 6. : sortie d'eau (eau tiède).
3. Doit-on fermer l'extrémité supérieure de l'élément 1 ?
L'extrémité supérieure du réfrigérant doit rester ouverte pour éviter toute surpression
qui résulterait des vapeurs créées lors du chauffage. (1 point)
4. Quels sont les réactifs ?
Les réactifs sont l' aniline et l 'anhydride éthanoïque. (1 point)
5. La synthèse est-elle satisfaisante ?
La synthèse est satisfaisante car le dépôt réalisé en C : produit synthétisé, donne
naissance à deux taches, dont l' une est au même niveau que la tache correspondant à
l'acétanilide commercial. (1 point)
Exercice 2 : La galaxie M66 4 points
1. Après avoir donné la définition de l'année de lumière, calculer sa valeur en mètre.
On donne la valeur de la vitesse de la lumière c = 3.10
5
km.s
-1
. (1 point)
L'année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an.
Sa valeur en mètre est : 1 a.l = c t(1 an) = 3.10
8
×
××
×
365,25
×
××
×
24
×
××
×
60
×
××
×
60 = 9,46.10
15
m
2. Calculer en a.l, la distance entre la galaxie M66 et la Terre. (1,25 point)
La distance entre la galaxie M66 et la Terre est D
M66-T
=
20 3
15
3,31.10 1.10
9, 46.10
×
××
×
= 3,5.10
7
a.l.
3. Quel temps, exprimé en année, met la lumière pour nous parvenir de cette galaxie ?
D'après la définition de l'année de lumière, le temps que met lumière pour nous parvenir
de cette galaxie est t = 3,5.10
7
ans c'est-à-dire 35 millions d'années. (0,5 point)
4. Calculer, en u.a, la distance entre la galaxie M66 et la Terre sachant que 1 u.a vaut 150
millions de km. (1,25 point)
La même distance exprimée en u.a vaut : D
M66-T
=
20
6
3,31.10
150.10
= 2,2.10
12
u.a.
Exercice 3 : Le cristal de fer 4 points
1.
Déduire du texte le rayon d'un atome de fer, en l'exprimant en notation scientifique avec
le mètre comme unité.