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M. DOUËZY et M. MEUNIER Devoir Commun
Physique Chimie Le lundi 27 Avril 2009
Toute réponse doit être rédigée avec une phrase. Chaque résultat doit être souligné ou encadré. La clarté, la précision de l’explication ainsi que l’orthographe rentrent en compte dans la notation de votre copie.
Le barème (sur 40 points) est indicatif, il est susceptible d’être modifié.
La calculatrice programmable est autorisée. Tout document est bien sûr interdit.
~ CHIMIE ~
Exercice 1: fabrication des circuits imprimés 6 pts
Un circuit imprimé est réalisé sur une plaque recouverte d'une pellicule de cuivre de 0,020 mm d'épaisseur.
Les parties de la plaque, non utilisées par les composants électroniques et le circuit occupent une surface de 50 cm2. Elles sont oxydées par une solution de chlorure de fer III en excès (Fe3+(aq) + 3 Cl-(aq))
permettant l'élimination du cuivre non utilisé.
1. Sachant que la masse volumique du cuivre est égale à 8,9 g.cm-3, déterminer la masse de cuivre à oxyder.
Lors de cette réaction, il se forme des ions fer II ainsi que des ions cuivre II.
2. a. Quels sont les couples redox mis enjeu ?
2. b. Ecrire les demi équations de réduction, et d'oxydation ayant lieu.
2. c. En déduire l'équation de la réaction.
3. Etablir le tableau d'avancement de la réaction.
4. Quel est le réactif limitant ? En déduire l'avancement maximal.
5. le volume de la solution de chlorure de fer III étant de l00 mL, déterminer la concentration minimale de cette solution nécessaire pour oxyder le cuivre non utilisé.
Données: M (Cu) = 63,5 g.mol-1; M (Fe) = 55,8 g.mol-1 ; M (Cl) = 35,5 g.mol-1.
Exercice 2 : réaction acide base : Ammonium et hydroxyde 7 pts
On prépare une solution A en dissolvant une masse m = 0,270 g de chlorure d'ammonium solide NH4Cl(s) dans l'eau de manière à obtenir un volume Va = 100 mL de solution. On prépare une solution aqueuse B
d'hydroxyde de sodium, de volume V = 100 mL et de concentration en soluté apporté = 0,200 mol.L-l. 1. Ecrire les équations de dissolution du chlorure d'ammonium et de l'hydroxyde de sodium dans l'eau.
2. Indiquer la concentration des ions présents dans la solution A puis dans la solution B.
3. On ajoute Vb = 20 mL de solution B à la solution A. Quelle réaction a lieu lors de ce mélange. Ecrire l'équation chimique de la réaction.
4. Dresser le tableau d'avancement.
5. Quel est l'avancement maximal ? En déduire le réactif limitant.
6. Effectuer le bilan de matière à l'état final.
7. Calculer les concentrations molaires des ions ammonium, sodium, hydroxyde et chlorure à l'état final.
Données: M (N) = 14,0 g.mol-1, M (H) = 1,0 g.mol-1, M (Cl) = 35.5 g.mol-1 ; M (O) = 16,0 g.mol-1. On donne les couples : NH4+/NH3, H2O/HO-.
Exercice 3 : dosage acide-base : dosage d’un déboucheur de canalisation 7 pts Les déboucheurs vendus dans le commerce sont des solutions très concentrées en hydroxyde de sodium. Afin de connaître leur concentration exacte C0, on dilue tout d'abord le produit 80 fois. On prélève ensuite 10,0 mL de cette solution diluée que l'on introduit dans un bécher, On ajoute ensuite 200 mL d'eau distillée et on plonge la cellule d'un conductimètre dans le mélange. On effectue alors le dosage à l'aide d'une solution d’acide chlorhydrique de concentration C1 = 1,00.10-1 mol.L-1. Le graphique donnant l’évolution de la conductance du mélange en fonction du volume d’acide chlorhydrique versé est donné ci-dessous.
1. Faire un schéma annoté du dispositif expérimental.
2. Quels sont les deux couples acide-base mis en jeu.
3. Ecrire l'équation de la réaction du dosage.
4. Donner l’évolution des quantités de matière des espèces chimiques présentes dans le bécher, avant l'équivalence, à l'équivalence, après l'équivalence. Déterminer dans chacun des cas le réactif limitant.
5. Déterminer graphiquement le volume équivalent.
6. Etablir un tableau d'avancement de la réaction à l'équivalence.
7. En déduire la quantité de matière en ions HO- présente dans le bécher.
8. En déduire la concentration molaire C0 de la solution commerciale.
9. Pourquoi a-t-on dilué 80 fois la solution commerciale?
Evolution de la conductance en fonction du volume d'acide versé
0 5 10 15
0 5 10 15 20 25 30
Vacide (mL)
G (mS)
~ PHYSIQUE ~
Exercice 4 : La grue 6 pts
Le moteur électrique d’une grue est alimenté par une tension continue de UAB = 365 V.
Lorsque la grue soulève une charge, l’intensité du courant électrique traversant le moteur est I = 15,0 A. La puissance mécanique développée par le moteur à la sortie de l’arbre est alors de Pm = 4.20 kW.
Pour cette étude, on ne tient pas compte des phases de démarrage et d’arrêt de la charge au cours de sa montée.
La durée de la montée est de ∆t = 17,0 s.
1) Durant la montée de la charge, calculez l’énergie électrique reçue par le moteur We.
2) Calculez le rendement énergétique du moteur :
forunie utile
W
W
.3) Au cours de la montée de la charge, le transfert thermique Q libéré par le moteur dans l’environnement est réalisé par les pertes :
- Dans les circuits électriques : Q1 = 78% Q - Dans les circuits magnétiques : Q2 = 12% Q
- Des divers frottements des pièces en mouvement Q3 = 10% Q
a. Faites un diagramme énergétique décrivant le fonctionnement du moteur de la grue.
b. Calculez la valeur de Q.
c. Calculez la puissance P1, P2 et P3 de ces différentes pertes.
Exercice 5 : La dynamo 6 pts
Une dynamo délivre un courant continu d'intensité I = 12,0 A sous une tension de U = 60,0 V. Son rendement a pour valeur η = 0,80.
1) Faites un diagramme énergétique décrivant le fonctionnement de la dynamo.
2) Quelle est la valeur de la puissance transmise par la dynamo aux récepteurs qu'elle alimente ? 3) Quelle est la valeur de la puissance mécanique fournie à la dynamo ?
4) Les pertes par effet Joule représentent la moitié de l'énergie dissipée au niveau de la dynamo.
Calculez la résistance des enroulements conducteurs de la dynamo.
5) Indiquez une cause possible pour l'énergie perdue autrement que par effet Joule.
Exercice 6 : le fonctionnement d’une pile 8 pts
1) Schématisez un montage permettant de relever une évolution de la tension UPN aux bornes d'une pile (Borne positive P) en fonction de l'intensité I du courant électrique qu'elle débite (Notez I et UPN sur votre schéma).
2) Précisez le protocole expérimental permettant de relever les couples (UPN ; I).
3) On a obtenu les résultats suivants pour une pile plate :
UPN(V) 4,52 4,42 4,33 4,23 4,14 4,04 3,95 3,82
I(mA) 0 50 100 150 200 250 300 350
Tracez la caractéristique UPN = f(I) (N’oubliez pas de donner un titre au graphique et de noter les échelles utilisées).
4) Donnez l’équation de la droite obtenue et déduisez-en les valeurs de la f.e.m et de la résistance interne de cette pile.
On branche trois résistances sur cette pile de la manière suivante :
On prendra : R1 =50Ω, R2 = R3 =10 Ω
r
R
1R
2R
3E
A B
C D
P N
5) Calculer la résistance équivalente au circuit et représenter alors le circuit équivalent.
6) Donner la relation liant UPN, UAB et UCD.
