0708-1S-15fév

NOM :
15 / 02 / 2008
COMPOSITION DE PHYSIQUE ET CHIMIE
PREMIERE S
Durée : 3h00
/
Total : 50 points
calculatrice autorisée
Chimie (22 points)
Exercice 1 (12 points)
Dosage du soufre dans un fioul
La teneur maximale légale en soufre dans le fioul est de 0,3%
Afin de déterminer la teneur en soufre d’un fioul, on prélève une masse m = 100 g de ce
fioul que l’on brûle complètement. Les gaz de combustion, uniquement constitués de
dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre, barbotent dans un volume V 0 = 600 mL
d’eau.
On admet que tout le dioxyde de soufre formé est dissout dans la solution.
On prélève un volume V2 = 10,0 mL de cette solution que l’on dose par une solution de
permanganate de potassium de concentration C 1 = 5,00.10-3 mol.L-1.
On admet que seul le dioxyde de soufre est dosé.
On obtient un volume à l’équivalence V1 = 12,5 mL.
1 . Ecrire l’équation de la réaction de titrage (on écrira les demi-équations
d’oxydoréduction des couples mis en jeu lors de cette réaction). (2 pts)
2 . Quel rôle joue le dioxyde de soufre lors de la réaction ? (0,5 pt)
3 . Faire un schéma annoté du montage expérimental permettant le titrage (préciser la
situation des différentes solutions). (2 pts)
4 . Définir l’équivalence de ce titrage. Quelle relation entre la quantité de matière du
réactif titré et celle du réactif titrant peut-on écrire à cet instant précis ? (1,5 pts)
5 . Quel est l’observable de ce titrage ? On détaillera la réponse… (1 pt)
6 . Exprimer puis calculer la concentration du dioxyde de soufre dans la solution. (1 pt)
7 . Quelle est la quantité de matière n 0 de dioxyde de soufre qui s’est dissoute dans le
volume V0 ? (1 pt)
8 . En déduire la masse de dioxyde de soufre correspondante, puis la masse de soufre
dans l’échantillon. (2 pts)
9 . Sachant que tout le soufre du fioul se trouve dans le dioxyde de soufre, calculer le
pourcentage massique en soufre du fioul. Est-il conforme à la législation ? (1 pt)
Données
Masses molaires atomiques (en g.mol-1) : M(S) = 32,1 M(O) = 16,0
Couples oxydant réducteur : SO42- / SO2
MnO4- / Mn2+
Exercice 2 (10 points)
On fait barboter du chlorure d’hydrogène gazeux HCl (g) dans un volume V 0 = 500 mL
d’eau pure. On obtient une solution SA.
1 . Comment nomme-t-on la solution SA ? (0,5 pt)
2 . Ecrire l’équation de dissolution du chlorure d’hydrogène dans l’eau. De quel type de
réaction s’agit-il ? Justifier. (2 pts)
On souhaite connaître le volume de gaz HCl ayant été dissout. Pour cela, on titre un
volume VA = 20,0 mL de la solution SA par une solution d’hydroxyde de sodium de
concentration CB = 0,20 mol.L-1. On suit l’évolution de la conductance au cours du
titrage.
3 . Quelle est l’équation de la réaction du titrage ? (2 pts)
4 . Quelle relation entre la quantité de matière du réactif titré et celle du réactif titrant
peut-on écrire à l’équivalence ? (1 pt)
Les mesures effectuées à l’aide du conductimètre ont été consignées dans le tableau cidessous :
VB (mL)
G (mS)
0
15
2,0
12
4,0
9,0
6,0
6,0
8,0
6,0
10,0
8,5
12,0
11
Sur l’annexe, on a représenté l’évolution de la conductance en fonction du volume de
soude versé.
6 . Justifier soigneusement l’allure de la courbe. (2 pts)
7 . Calculer la concentration CA de la solution titrée. (1 pt)
8 . En déduire le volume de chlorure d’hydrogène gazeux qui a été dissout dans la
solution. (1,5 pts)
Donnée : volume molaire d’un gaz dans les conditions de température et de pression de
l’expérience : Vm = 24,0 L.mol-1
Physique (28 points)
Exercice 1 (16 points)
Au cours d’une séance de travaux pratiques, on a réalisé le montage (voir document 1 de
l’annexe) pour déterminer la caractéristique intensité / tension d’une pile.
1 . Noter sur le schéma le sens du courant I ainsi que la tension U PN (0,5 pt)
2 . Quel est le rôle de la résistance Rp ? (0,5 pt)
Les mesures effectuées ont été consignées dans le tableau ci-dessous :
I (mA)
UPN (V)
0
4,63
10,0
4,57
61,0
4,52
103,0
4,41
191,0
4,32
243,0
4,21
330,0
4,10
Le document 2 de l’annexe représente la caractéristique de la pile.
3 . Déterminer graphiquement la force électromotrice E et la résistance interne r de cette
pile. Donner l’équation de la caractéristique de cette pile. (2,5 pts)
4 . Pour une tension U = 4,32 V, déterminer :
a . la puissance électrique Pe fournie au circuit. (1 pt)
b . La puissance chimique Pchim convertie dans la pile. (1 pt)
c . La puissance PJ dissipée par effet Joule dans le circuit. (1 pt)
5 . Calculer le rendement  de la pile. (1 pt)
Cette pile est branchée à un électrolyseur de résistance interne r’ = 10 . La tension aux
bornes de l’électrolyseur est alors de UAB = 4,32 V et le courant est I = 191 mA.
6 . Représenter sur le document 3 :
a . Le voltmètre permettant de mesurer UAB. (1 pt)
b . L’ampèremètre permettant de mesurer I. (1 pt)
On Précisera la polarité des appareils (COM / V / mA) ainsi que le sens de circulation du
courant.
7 . Déterminer la force contre-électromotrice E’ de l’électrolyseur et donner l’équation de
la caractéristique de cet électrolyseur. (1,5 pts)
8 . Calculer dans ces conditions :
a . La puissance P1 reçue par l’électrolyseur. (1 pt)
b . La puissance P2 dissipée par effet Joule dans l’électrolyseur. (1 pt)
c . La puissance utile P3 de l’électrolyseur. (1 pt)
d . Le rendement ’de l’électrolyseur. (1 pt)
e . Le rendement ’’ du circuit. (1 pt)
Exercice 2 (5 points)
Un calorimètre en cuivre contient une masse m e = 6,05 kg d’eau. Un agitateur à palettes
(a), d’axe vertical, brasse l’eau par frottement. Son mouvement lui est communiqué par
la rotation d’un cylindre R entraîné par deux masses M = 13,0 kg qui tombent d’une
hauteur h = 1,8 m. Des palettes fixes (a’), soudées aux parois du calorimètre,
empêchent l’eau d’être entraînée par les pales mobiles et augmentent donc les
frottements. Lors des chutes des masses, l’eau s’échauffe et un thermomètre T indique
l’élévation de température. Un dispositif E, permet de séparer le cylindre R de l’agitateur
afin de remonter les masses M, sans agiter l’eau.
h
h
1 . Préciser les différents transferts énergétiques qui ont eu lieu entre le moment où les
masses tombent et le moment où l’eau s’est réchauffée. (2 pts)
2 . Exprimer puis calculer le travail effectué par les poids des deux masses lors d’une
chute de hauteur h. (1 pt)
3 . On suppose que l’énergie des masses est transférée intégralement à l’eau (on néglige
toutes pertes). Combien de fois doit-on faire fonctionner le dispositif (combien de chutes)
pour élever de 1,00 °C la température de l’eau présente dans le calorimètre ? (2pts)
Données : Intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1
Capacité calorifique de l’eau : ce = 4180 J.kg-1.°C-1
Exercice 3 (7 points)
Une bille de petite dimension, de masse m = 30 g est lancée vers le haut sur un plan
incliné d’un angle  = 25° par rapport à l’horizontale.
On néglige les frottements au niveau du plan incliné.
Au point de départ O, la vitesse du mobile est V 0 = 5,0 m.s-1.
Soit M un point quelconque de la trajectoire. Son altitude est notée z et son abscisse sur
le plan incliné est notée x.
z
B
x
x2
M
x
VO
z
O
1 . Faire le bilan des forces extérieures qui agissent sur le système bille lorsqu’elle
roule sur le plan incliné. (1 pt)
2 . Exprimer l’énergie potentielle de pesanteur Epp(M) de la bille au point M en fonction
de m, g, z puis en fonction de , m, g et x. (2 pts)
3 . Pourquoi peut-on affirmer que l’énergie totale de la bille est constante au cours du
mouvement sur le plan incliné ? (1 pt)
4 . Avec quelle vitesse la bille atteint-elle le point B d’abscisse x2 = 1,2 m ? (1,5 pts)
5 . Arrivé au point B, le mobile quitte le plan incliné et tombe en chute libre. Quelle sera
sa vitesse V3 juste avant d’entrer en contact avec le sol ? (1,5 pts)
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