DS 1 – 1h30 DEVOIR SURVEILLE TS
Les réponses doivent être justifiées. Les résultats doivent être donnés avec leurs unités. La présentation et l’orthographe sont également appréciées [1 pt]. Calculatrice autorisée.
Exercice 1 Suivi d’une réaction lente (d’après BAC Asie 2004) [7 pt]
On étudie la réaction d'oxydation de l'acide oxalique HOOC–COOH (solution incolore) par l'ion permanganate MnO4–
(aq) en milieu acide (solution de couleur violette). Le suivi de la réaction est réalisé par un enregistrement spectrophotométrique.
1. REACTION D'OXYDOREDUCTION La réaction met en jeu les deux couples suivants : MnO4–
(aq) / Mn2+(aq) et CO2(aq) / H2C2O4(aq) .
1.1. Écrire les deux demi-équations d'oxydoréduction de ces deux couples, puis l'équation de la réaction entre les ions permanganate et l'acide oxalique.
1.2. On mélange V1 = 20,0 mL de la solution aqueuse de permanganate de potassium de concentration molaire apportée c1 = 2,00 × 10-3 mol.L-1, acidifiée par de l'acide sulfurique, à V2 = 20,0 mL d'une solution aqueuse d'acide oxalique de concentration molaire apportée c2 = 5,00 × 10 -2 mol.L-1.
Calculer, à l'instant t = 0, la quantité de matière n01 d'ions permanganate et la quantité de matière n02
d'acide oxalique.
1.3. Calculer l'avancement maximal
x
max. En déduire le réactif limitant.1.4. Comment va évoluer la couleur du mélange lorsque la transformation se déroule ? Justifier.
2. SUIVI SPECTROPHOTOMÉTRIQUE
La transformation chimique supposée totale étant lente, on peut suivre son évolution par spectrophotométrie.
On mesure l'absorbance A du mélange réactionnel placé dans la cuve du spectrophotomètre.
2.1. Quelle est l'espèce chimique principalement responsable de l'absorbance A de la solution ?
2.2. Dans les conditions de l'expérience, la concentration des ions permanganate est proportionnelle à la valeur de l'absorbance A mesurée (courbe 1).
L'absorbance A(t) et l'avancement de la réaction
x
(t) en mol. sont reliés par la relation :x
(t) = 2×10 –5–A(t)×10 –5 Par des logiciels appropriés, on obtient la courbe 2. Les courbes sont données en annexe (à rendre avec la copie). Elles diffèrent par leurs allures de celles que l'on rencontre en général lors de la disparition d'un réactif dans une réaction lente.En quoi la courbe A = f(t) permet-elle de retrouver le réactif limitant ? 2.3. Définir puis déterminer, en justifiant, le temps de demi-réaction
t
½. 2.4. Définir la vitesse volumique de réaction en fonction dex
(t) .2.5. Le volume restant constant, en comparant qualitativement les vitesses de réaction aux dates tl = 100 s, t2 = 600 s et t3 = 1100 s, dire comment évolue la vitesse au cours du temps.
2.6. On refait l'expérience en modifiant uniquement la concentration molaire apportée de la solution d'acide oxalique : c2 = 2,50 × 10 –3 mol.L-1.
2.6.1. Calculer la nouvelle quantité de matière initiale d'acide oxalique.
2.6.2. En déduire le réactif limitant.
2.6.3. Quelle est l'absorbance finale ?
Exercice 2 Physique sur un plan d’eau (d’après BAC Amérique du Nord 2004 Partie A) [8 pt]
Le gerris est un insecte que l’on peut observer sur les plans d’eau calmes de certaines rivières. Très léger cet insecte évolue sur la surface en ramant avec ses pattes.
Malgré sa discrétion, sa présence est souvent trahie par des ombres projetées sur le fond. Ces ombres (figure 1) sont la conséquence de la déformation de la surface de l’eau au contact de l’extrémité des six pattes de l’insecte (figure 2).
1. Quel dispositif utilisé en classe pour l’étude de la propagation des ondes à la surface de l’eau est également basé sur la projection d’ombres ?
Les déplacements de l’insecte génèrent des ondes à la surface de l’eau qui se propagent dans toutes les directions offertes par le milieu. Le schéma (figure 3) donne une vue en coupe de l’onde créée par une patte du gerris à la surface de l'eau à un instant t.
O est le point source : point de surface où est créée l’onde.
2. L’onde générée par le déplacement du gerris peut-elle être qualifiée de transversale ou de longitudinale ? Justifier la réponse.
3. Un brin d’herbe flotte à la surface de l’eau. Décrire son mouvement au passage de l’onde.
4. La surface de l’eau est photographiée à deux instants différents. Le document suivant est à l’échelle 1/100e (figure 4). Calculer la célérité de l’onde.
Un petit papillon tombé à l’eau est une proie facile pour le gerris. L’insecte prisonnier de la surface crée en se débattant des trains d’ondes sinusoïdales. La fréquence de battements des ailes du papillon est de 5 Hz ce qui génère des ondes de même fréquence à la surface de l’eau (figure 5).
Vue en coupe de la surface de l’eau
Figure 2 Figure 1
Vue en coupe de la surface de l’eau à un instant t.
Figure 3 O
Figure 4
à t1
à t2 = t1+10 s
Train d’onde de fréquence 5Hz
Figure 5
5. Déterminer la longueur d’onde de l’onde émise par le papillon en utilisant l’agrandissement à l’échelle 2 de la coupe de la surface de l’eau (figure 6).
6. Montrer que la célérité de cette onde est de 3,1 cm.s-1.
7. Un train d’ondes émis par le papillon arrive sur un obstacle constitué de deux galets émergeant de l’eau.
Voir figure 7 (annexe à rendre avec la copie)
a) Quel doit être l’ordre de grandeur de la distance entre les deux galets émergeant de l’eau pour que le gerris placé comme l’indique la figure 7 (annexe) ait des chances de détecter le signal de détresse généré par le papillon ?
b) Quel nom donne-t-on à ce phénomène propre aux ondes ?
c) Compléter avec le maximum de précisions la figure 7 (annexe) en représentant l’allure de la forme de l’onde après le passage de l’obstacle.
La concurrence est rude sur le plan d’eau entre trois gerris …
Les extrémités de leurs pattes antérieures, situées près de leurs antennes (zone de détection), leur permettent de déterminer la direction et le sens de la propagation de l’onde émise par une proie.
8. Le papillon se débat à une distance d1 = 4 cm du gerris n°1.
L’onde générée par le papillon a mis 0,5 s pour parvenir au gerris n°2.
Le gerris n°3 détecte cette même onde avec un retard de 1 s sur le gerris n°2.
a) Déterminer la distance d2 entre le papillon et le gerris n°2.
b) Déterminer la distance d3 entre le papillon et le gerris n°3.
c) Déterminer sur la figure 8 (annexe à rendre avec la copie) la position du papillon à l’aide d’un compas.
Exercice 3 Ondes en question (d’après BAC Polynésie 2004) [4 pt]
Les questions sont indépendantes
Répondre aux questions suivantes en justifiant toutes vos réponses.
Question 1
On excite l’extrémité d’une corde à une fréquence de 50 Hz. Les vibrations se propagent le long de la corde avec une célérité de 10 m.s-1. Quelle est la longueur d’onde ?
Question 2
La célérité du son dans l’air est v =
k×T
M
où T est la température absolue (en kelvin) et M la masse molaire du gaz ; k est une constante.2.1. La célérité du son diminue-t-elle quand la température augmente ? 2.2. La célérité du son varie-t-elle avec la fréquence ?
Question 3
Deux ébranlements se propagent en sens contraire sur une corde tendue. On a représenté sur le schéma ci-contre plusieurs situations possibles après leur point de rencontre.
Choisir celle qui est physiquement possible.
Question 4
Un pêcheur à la ligne est au bord d’un lac tranquille.
Soudain un enfant vient perturber la surface de l’eau en jetant un caillou à quelques mètres du flotteur. Le flotteur se déplace-t-il à la célérité v de l’onde ?
Figure 6
Figure 7
A 2,0
1,5
1,0
0,5
0
0 200 400 600 800 1000 1200 t (s)
Courbe 1. Absorbance en fonction du temps: A = f(t)
La zone de détection de chaque gerris est matérialisée par la croix
Gerris n°1
Gerris n°3 Gerris n°2
Figure 8
Nom : Prénom : Classe :
ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
t (s) 0 200 400 600 800 1000 1200 x (µmol)
20
15
10
5
0
Courbe 2. Avancement en fonction du temps x = f(t)
Exercice 1Exercice 2
