DS 1°S
PHYSIQUE-CHIMIE
lundi 14 décembre 2009 Durée : 3 heures ; calculatrice autorisée.Exercice 1
: (noté sur 14 points)Victor, sur sa luge, descend une piste de luge inclinée d’un angle α = 15 ° par rapport à l’horizontale. Il descend en ligne droite et à vitesse constante ; la masse du système {Victor + luge} est m = 50 kg. On négligera les frottements de l’air et on prendra g = 10 N.kg-1.
1. Faire l’inventaire des forces s’exerçant sur le système.
2. Donner les caractéristiques de chacune de ces forces.
3. Faire un schéma de la situation et, dans un repère judicieusement choisi, donner les coordonnées de chacun des vecteurs forces.
4. Que peut-on dire de ces forces ? Justifier.
5. Calculer les valeurs de chacune des forces.
Exercice 2 :
(noté sur 6 points)Un viscosimètre à chute de bille comporte un long tube, mobile autour d’un axe horizontal.
Ce tube comporte deux traits repères a et b.
On y a introduit de l'huile et une bille en acier de diamètre calibré.
Le tube vertical est retourné bout pour bout. La bille se retrouvant en haut tombe à travers le liquide.
Le tube est muni d'une double enveloppe transparente dans laquelle est fixée un thermomètre. On peut ainsi réaliser des expériences à température régulée.
Le trait repère du haut est placé de façon telle que la bille, lorsqu'elle passe à son niveau, a atteint sa vitesse limite de chute : son mouvement est alors rectiligne uniforme. .
On mesure le temps de chute de la bille entre les deux repères distants de L.
1. Exprimer la valeur P du poids de la bille en fonction de son volume V, de sa masse volumique ρB et de l'intensité g de la pesanteur.
2. Exprimer la valeur П de la poussée d'Archimède exercée par l'huile sur la bille en fonction de la masse volumique ρh de l'huile, du volume V de la bille et de l'intensité g de la pesanteur.
3. La force de frottement a pour expression : f = kηRv où η est la viscosité de l'huile
(constante si la température est constante), R le rayon de la bille et v la vitesse de chute. k est un coefficient de proportionnalité que l'on supposera constant.
Établir, lorsque la bille a atteint sa vitesse limite de chute, la relation existant entre le temps de chute mesuré, la distance L entre les deux traits repères et les grandeurs ρB, ρh, V, k, η et R.
En déduire que le temps de chute est proportionnel à η pour un tube donné, une bille donnée et un liquide de masse volumique donnée.
4. Pour une huile moteur SAE 30 de viscosité 0,31 N.s.m-2 à 20 °C, on a mesuré un temps de chute de 1 min 18 s.
À 50°C, on a mesuré un temps de chute de 21 s. Quelle est la valeur de la viscosité de cette huile à 50°C? La variation de la masse volumique de l'huile peut être négligée.
L a
b
Exercice 3
: (noté sur 5 points)Une bille frappe un obstacle plan. Avant le choc, le mouvement de son centre d’inertie C est rectiligne uniforme, le vecteur vitesse vC
faisant un angle de 60° avec l’obstacle. Après le choc le mouvement de C est rectiligne uniforme, le vecteur vitesse v'C
faisant un angle de 60° avec l’obstacle.
1. Déterminer, en justifiant, la direction et le sens du vecteur somme des forces exercées sur la balle au moment du choc.
2. Quelles sont les deux forces composant cette somme ?
3. Déduire de l’une de ces deux forces la direction et le sens de la force exercée par la balle sur l’obstacle. Justifier la réponse.
Données pour la chimie :
Elément
chimique K Cl Na C Ca H O S Al
Masse molaire atomique en g.mol-1
39,1 35,5 23,0 12,0 40,1 1,0 16,0 32,1 27,0
Exercice 4
: (noté sur 15 points)A 25°C, on mélange un volume Vl = 100 mL d'une solution aqueuse S1 de chlorure de
potassium (K+;Cl-) avec un volume V2 = 100 mL d'une solution S2 de chlorure de sodium. Les deux solutions ont une concentration molaire c = 1,25.10-3 mol. L-1.
1. Déterminer la masse de chlorure de potassium nécessaire à la préparation de la solution S1. 2. Décrire précisément le protocole expérimental et nommer le matériel utilisé ; quel est le nom de l’opération réalisée ?
3. En fait, on a préparé un litre de solution de chlorure de potassium à 1,25.10-1 mol. L-1 qu’on a diluée. Pourquoi a-t-on effectué une dilution ?
4. Déterminer les concentrations des ions K+ et Cl- dans la solution S1. 5. Déterminer les concentrations des ions Na+ et Cl- dans la solution S2. 6. Calculer les quantités de matière de chacun des ions dans le mélange.
7. Exprimer les concentrations molaires de chaque ion du mélange en mol.m-3. 8. En déduire la conductivité du mélange.
9. a. Quelle serait la valeur de la constante de cellule d'un conductimètre, d'électrodes de surface S = 1,2 cm2, distantes de L= 9,5mm ?
9. b. En déduire la valeur de la conductance du mélange.
ion conductivités molaires ioniques à 25°C en S.m2.mol-1
Cl- 76,3.10-4
K+ 73,5.10-4
Na+ 50,1.10-4
Exercice 5
: (noté sur 14 points)Dans le cadre d’un projet interdisciplinaire sur le thème de la spéléologie, des élèves doivent faire l’exploration d’une grotte ou il risque de rencontrer des nappes de dioxyde de carbone. A teneur élevée, ce gaz peut entraîner des évanouissements et même la mort. Le dioxyde est formé par action des eaux de ruissellement acide sur le carbonate de calcium présent dans les roches calcaires. Le professeur de chimie leur propose d’étudier cette réaction.
Dans un ballon, on réalise la réaction entre le carbonate de calcium et l’acide chlorhydrique. Le dioxyde de carbone est recueilli, par déplacement d’eau, dans une éprouvette. Un élève verse dans un ballon un volume V = 100 mL d’acide chlorhydrique à 0,010 mol.L-1. A la date t = 0 s, il introduit rapidement dans le ballon 0,20 g de carbonate de calcium. La réaction chimique peut être modélisée par l’équation :
CaCO3 (s) + 2 H3O+ (aq) → Ca2+ (aq) + CO2 (g) + 3 H2O (l)
1. Déterminer les quantités de matière initiales de chacun des réactifs.
2. Dresser le tableau d’avancement de la réaction. En déduire la valeur de l’avancement maximal. Quel est le réactif limitant ?
3. Faire le bilan de matière des espèces ioniques en fin de réaction.
4. La réaction peut être suivie en mesurant la conductivité de la solution en fonction du temps.
a. Faire le bilan des espèces ioniques dans le ballon au cours de la réaction. Quel est l’ion spectateur dont la concentration ne varie pas ?
b. On observe expérimentalement une diminution de la conductivité. Connaissant les valeurs des conductivités molaires ioniques des ions à 25°C, justifier cette diminution de conductivité.
c. Calculer la conductivité σ0 de la solution à l’instant t = 0s.
d. Montrer que la conductivité de la solution à un instant t quelconque est reliée à l’avancement x par la relation : σ = 0,425 - 580x.
e. Calculer la conductivité de la solution pour la valeur de xmax.
ion H3O+ Ca2+ Cl -
λ (mS.m 2.mol-1) 35,0 12,0 7,50
Exercice 6
: (noté sur 6 points)On réalise un mélange intime de 3,2 g de soufre en poudre avec 4,0 g de poudre d’aluminium.
On déclenche la transformation chimique. Il se forme du sulfure d’aluminium de formule brute Al2S3.
1. Ecrire l’équation de la transformation chimique.
2. Calculer les quantités de matière des réactifs à l’état initial.
3. Faire un tableau d’avancement correspondant à cette transformation.
4. Déterminer le réactif limitant, rédiger correctement la réponse.
5. Indiquer la composition de l’état final en quantité de matière.
6. Tracer le graphe donnant les quantités de matière du soufre, d’aluminium et de sulfure d’aluminium en fonction de l’avancement x de la réaction.
