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IA THIES Année scolaire : 2014-2015 Lycée Jules SAGNA Terminales S2 A et B
Composition du second semestre (04heures)
CHIMIE 08 points
EXERCICE 1 : ACIDE CARBOXYLIQUE INCONNU (Extrait Bac Guyane - Antilles 2008) (04 points) On dispose au laboratoire d’un flacon contenant une solution aqueuse S d’acide carboxylique, de concentration en soluté C = 1,0.10-2 mol.L-1.
L’acide carboxylique est noté R-COOH avec R représentant un atome d’hydrogène ou un groupe d’atomes. On se propose d’étudier cet acide.
1. Réaction de l’acide avec l’eau 1.1. Définir un acide selon Brönsted.
1.2. Ecrire l’équation de la réaction de l’acide carboxylique avec l’eau.
2. Taux d’avancement de la réaction Le pH de la solution S est de 3,4.
2.1. Déterminer la concentration des ions oxonium dans la solution S.
On s’intéresse maintenant à la détermination du taux d’avancement.
2.2. En considérant un volume V = 1,00 L de solution aqueuse de l’acide, de concentration molaire en soluté apporté C, donner le tableau d’avancement de la réaction de l’acide en fonction de C, V, xmax et xf.
On note xf l’avancement à l’état d’équilibre et x max l’avancement de la réaction supposée totale.
2.3. Définir le taux d’avancement final τ de la réaction de l’acide avec l’eau et l’exprimer en fonction du pH de la solution et de la concentration molaire C.
2.4. En déduire la valeur numérique du taux d’avancement final de la réaction de cet acide avec l’eau.
Conclure.
3. Effet de dilution
On dilue 10 fois la solution S d’acide carboxylique pour obtenir une solution S’.
3.1. Indiquer la verrerie à utiliser et décrire le protocole pour préparer avec précision au laboratoire 100 mL de la solution S’. La mesure du pH de la solution S’ donne 3,9.
3.2. Calculer la nouvelle valeur du taux d’avancement final τ’ pour cette solution diluée 10 fois.
3.3. Quel est l’effet de la dilution sur le taux d’avancement final et sur la dissociation de l’acide dans l’eau ? 4. Identification de l’acide carboxylique :
4.1. Donner l’expression de la constante d’acidité KA du couple R-COOH (aq) / R-COO– (aq).
4.2. Montrer qu’à partir de l’expression de la constante d'acidité KA, on peut écrire :
On trace la courbe
4.3. En utilisant la courbe donnée en annexe document 1, établir l’équation donnant le pH et déterminer le pKA de l’acide carboxylique en justifiant votre réponse. A l’aide des données de pKA ci-dessous identifier la nature de l’acide carboxylique R-COOH.
5. Vérification de la concentration de l’acide carboxylique
On souhaite vérifier la concentration de l’acide carboxylique indiquée sur le flacon : CA= 1,0.10-2mol.L-1. On dose pour cela un volume VA= 20,0 mL de solution de l’acide carboxylique avec une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq), HO-(aq)) de concentration CB qu’il va falloir choisir.
On notera VBE le volume de solution d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence.
5.1. Ecrire l’équation de la réaction de l’acide avec la solution d’hydroxyde de sodium (Na+ (aq), HO-(aq)).
5.2. Définir l’état d’équivalence.
5.3. Etablir une relation entre CA, VA, CB et VBE à l’équivalence.
5.4. Quelle concentration de solution d’hydroxyde de sodium faut-il choisir parmi la liste ci -dessous pour avoir un volume équivalent proche de 10, 0 mL ? Justifier votre choix.
On dispose au laboratoire de solution d’hydroxyde de sodium de concentration :
C1 = 2,0.10-1mol.L-1, C2 = 2,0.10-2mol.L-1 et C3 = 2,0.10-3mol.L-1
Labo PC Page 2 5.5. Déterminer les coordonnées du point équivalent E sur la courbe pH = f(VB) en annexe document 2, en indiquant la méthode utilisée dans la courbe à rendre.
5.6. Quel indicateur coloré faut-il choisir dans la liste ci -dessous si on voulait réaliser un dosage colorimétrique. Justifier votre réponse.
EXERCICE 2 : ETUDE DE LA DECOMPOSITION DE L’EAU OXYGENEE (04 points) Données : masses atomiques en g/mol : C : 12, H : 1 O : 16, Mn : 55 K : 39
Couples rédox H2O2/H2O O2/H2O2 Fe3+/Fe2+ MnO4-/Mn2+
Potentiels normaux (en volts) 𝐸10 = 1, 77 𝐸20 = 0, 69 𝐸30 = 0, 77 𝐸40 = 1, 51 A. Décomposition de l’eau oxygénée
L’eau oxygénée est une solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène
H
2O
2. Le peroxyde d’hydrogène appartient aux couples oxydant/ réducteur H
2O
2/ HO
2et O
2/ H
2O
2. Il peut se décomposer à la température ambiante, suivant une réaction lente, catalysée par les ions Fe
2+et d’équation bilan :
2H2O2 → 2H2O + O2
A.1. Comment appelle – t – on ce type de réaction ?
A.2. Ecrire les demi – équations électroniques des trois couples intervenant dans cette réaction.
A.3. En tenant compte des valeurs des potentiels normaux indiqués ci – dessus, écrire les équations intermédiaires puis retrouver l’équation de décomposition ci – dessous.
B. Etude de la cinétique de décomposition de l’eau oxygénée
Dans un bécher de 250 mL, on verse 5 mL d’une solution acidifiée de chlorure de fer (III) puis 85 mL d’eau. A la date t = 0, on ajoute 10, 0 mL d’eau oxygénée du commerce.
Toutes les cinq minutes, on prélève 10 mL du mélange précédent auquel on ajoute 40 mL d’eau glacée et 10 mL d’une solution d’acide sulfurique de concentration 1, 00 mol/L. On dose chacune des prises d’essai par une solution de permanganate de potassium de concentration 2, 00.10-2 mol/L.
Le volume de permanganate de potassium nécessaire pour obtenir une coloration persistante dans chaque prise d’essai sera noté V (MnO4-). Les prélèvements sont consignés dans le tableau qui suit.
t en min 0 5 10 15 20 25 35 40 50 60
V (MnO4-) en mL 17, 9 14, 8 12, 6 10, 8 9, 2 7, 8 6, 2 5, 4 4, 5 3, 5 [H2O2] en mol/L
B.1. Pourquoi ajoute – t – on de la glace à chaque prélèvement avant dosage par la solution de permanganate de potassium ? Justifier la réponse.
B.2. Monter que la concentration de peroxyde d’hydrogène dans le mélange réactionnel s’écrit : [H2O2] = 5x[Mn02x V (H4−]x V (MnO4− )
2O2)
B.3. Compléter le tableau et tracer le graphe
[H
2O
2]
= f (t). On prendra pour échelles : en abscisse : 1cm pour 5 min et en ordonnée 1cm pour 10 mmol/L.B.4. Déterminer graphiquement la vitesse initiale de disparition du peroxyde d’hydrogène et en déduire la vitesse d’apparition des ions Mn2+.
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PHYSIQUE 12 points
EXERCICE 3 : DIPOLE RL PUIS RLC (04 points)
EXERCICE 4 : ANALOGIE ELECTRIQUE-MECANIQUE (04 points)
On réalise le circuit de la figure ci-contre ; la bobine, de résistance négligeable, a une inductance L = 50 mH ; la capacité du condensateur vaut C = 5 F.
1) On ferme l'interrupteur K Quel phénomène se produit dans le circuit ?
En utilisant le sens positif du courant de la figure a, établir l'équation différentielle liant la charge q de l'armature de gauche du condensateur à sa dérivée seconde par rapport au temps.
2) En déduire l'expression littérale de la période propre T. du circuit, ainsi que sa valeur numérique.
3) On réalise maintenant un pendule élastique horizontal en accrochant, à l'extrémité d'un ressort de raideur k, un solide S de masse m = 100 g, qui peut se déplacer sans frottement sur un support
horizontal (fig. b).
On écarte le solide S d'une distance Xmax par r apport à sa position d'équilibre O et on le lâche sans vitesse à la date t = 0.
3.a- Soit x l'élongation, à l'instant t, du centre d'inertie G du solide S. Exprimer, à chaque instant, en fonction de k, m, x et dx
dt , l'énergie cinétique Ec, l'énergie potentielle Ep et l'énergie mécanique E du système ressort + solide S. Que peut-on dire de E ? Pourquoi ?
3.b- À partir de l'étude énergétique ou de la relation d p dt =
f , établir l'équation différentielle liant l'abscisse x de G à sa dérivée seconde par rapport au temps.
3.c- En déduire l'expression littérale de la période T0 des oscillations du pendule.
Application numérique : k = 25 N.m-1.
3.d- En comparant les équations qui régissent les deux systèmes étudiés, mettre en évidence une analogie
Labo PC Page 4 entre les grandeurs mécaniques et électriques.
Préciser les grandeurs mécaniques correspondant, respectivement : - à la charge q ;
- à la capacité C ;
- à l'intensité i du courant ; - à l'inductance L de la bobine.
Utiliser cette analogie pour trouver l'expression de l'énergie E emmagasinée dans le circuit (L, C) à chaque instant.
EXERCICE 5 : FENTES D’YOUNG (Extrait BAC T1 T2 2010 et BAC S1 2012) (04 points)
Un pinceau de lumière monochromatique éclaire deux fentes parallèles (fentes de Young) distantes de a = 0,8 mm. La source de lumière est équidistante des fentes.
Un écran est placé perpendiculairement au pinceau lumineux à une distance D = 1,2 m du plan des deux fentes.
1 Faire le schéma du dispositif expérimental. (01 point)
2 Interpréter la formation des franges brillantes et des franges obscures. (0,5 point)
3 Rappeler l’expression de la différence de marche δ en un point M de l’écran d’abscisse x, mesurée à partir du centre O de l’écran. (0,5 point)
En déduire la position des centres des franges brillantes et celle des centres des franges obscures. (01 point) 4 Définir l’interfrange i et donner son expression. (01 point)
5 Calculer la longueur d’onde et la fréquence de la lumière utilisée sachant que la longueur de 6 interfranges est de 12,7 mm. (01 point)
6 La source S émet maintenant deux radiations de longueurs d’onde λ1 et λ2.
6.1. Dans une première expérience, on utilise des radiations verte et rouge de longueur d’onde respective λ1 = 500 nm et λ2 = 750 nm.
a) Au milieu O de l’écran, on observe une coloration nuancée. Donner la couleur observée et expliquer cette observation. (0,5point)
b) Quel est l’aspect du champ d’interférences : - au point M1 tel que : OM1 = 0,75 mm?
- au point M2 tel que : OM2 = 1,5 mm ? (0,5 point)
6.2. Dans une deuxième expérience les longueurs d’onde λ1 et λ2 sont voisines : λ1 = 560 nm et λ2 = 528 nm.
A quelle distance minimale x du point O observe-t-on une extinction totale de la lumière ?(0,75 point) 7. La source S émet de la lumière blanche que l’on supposera composée de toutes les radiations de longueur d’onde λ telle que : 400 nm ≤ λ ≤800 nm
7.1. Qu’observe-t-on sur l’écran? Justifier brièvement la réponse. (0,75 point)
7.2 Quelles sont les longueurs d’onde des radiations éteintes au point M tel que OM = x = 1,5 mm ? (01pt)
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Annexe : Document 1
Annexe : Document 2
