DST 3

Classe de terminale S
Le : 15 novembre
2000
Durée : 3 h
30 Physique-Chimie DEVOIR SUR TABLE N° 3 TOUT DOCUMENT INTERDIT.
L'usage de calculatrices scientifiques à mémoire est autorisé.
Les résultats numériques doivent être précédés d'un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans
la notation.
I°) CHIMIE : sur 4 points. étude d'une autocatalyse
On se propose de mettre en évidence expérimentalement le phénomène
d'autocatalyse.
Pour cela, on étudie la réaction entre une solution d'acide oxalique et
une solution de permanganate de potassium.
L'équation-bilan de la réaction étudiée s'écrit :
2 MnO4( + 5 H2C2O4 + 6 H3O+ ( 2 Mn2+ + 10 CO2 + 14 H2O.
1°) a) Donner la définition d'un catalyseur.
b) à quelle condition parle-t-on d'autocatalyse ? Dans la réaction
étudiée, quelle espèce est responsable de ce phénomène ?
2°) On dispose d'un flacon d'une solution d'acide oxalique, de
concentration molaire volumique : 0,100 mol.L-1, d'un flacon d'une solution
de permanganate de potassium à 0,100 mol.L-1, d'eau distillée et de la
verrerie standard de laboratoire.
Décrire, par des schémas clairs et assortis de légendes précises, la
manipulation permettant de fabriquer 50,0 mL d'une solution aqueuse de
permanganate de potassium de concentration molaire volumique : 2,00.10-2
mol.L-1.
3°) Dans un erlenmeyer, équipé d'un agitateur magnétique, on introduit
10,0 mL de la solution aqueuse d'acide oxalique, 200 mL d'eau distillée et
5,0 mL d'acide sulfurique concentré. Le mélange incolore obtenu est rendu
homogène.
On supposera la température du milieu réactionnel constante au cours de
l'expérience.
On ajoute ensuite 2,00 mL de la solution aqueuse de permanganate de
potassium, de concentration molaire volumique : 2,00.10-2 mol.L-1, au
contenu de l'erlenmeyer. à ce même instant, on déclenche un chronomètre.
La coloration due à l'ion permanganate disparaît progressivement en 210
s.
On ajoute ainsi sept fois de suite 2,00 mL de la solution de
permanganate de potassium et on note à chaque fois les durées nécessaires
pour observer la décoloration du milieu réactionnel.
Les résultats des mesures sont donnés dans le tableau suivant. |Numéro de l'ajout |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |
|Durée de la |210 |90 |60 |55 |47 |40 |34 |
|décoloration | | | | | | | |
|(en s) | | | | | | | |
a) En l'absence du phénomène d'autocatalyse, comment auraient du
évoluer les durées mesurées ?
Justifier la réponse.
b) Définir et calculer une valeur numérique de la vitesse moyenne
de disparition de l'ion permanganate au 4e ajout.
4°) Quel volume minimal de solution de permanganate de potassium faut-il
verser pour que la coloration du milieu réactionnel persiste
définitivement ? II°) CHIMIE : sur 5 points. dosage d'un détartrant pour cafetière
Un détartrant pour cafetière vendu dans le commerce se présente sous la
forme d'une poudre blanche, l'acide sulfamique, de formule : H2N ( SO3H. On
considérera cet acide comme un monoacide fort et on pourra le noter AH.
1°) a) Rappeler ce qu'est un acide fort.
b) Écrire l'équation-bilan de la réaction entre l'acide sulfamique
et l'eau.
2°) On dissout : m = 1,50 g de ce détartrant dans de l'eau distillée, à
l'intérieur d'une fiole jaugée de 200 mL. On complète au trait de jauge et
on homogénéise la solution Sa obtenue, dont la concentration molaire
volumique en acide est notée Ca.
On dose ensuite : Va = 20,0 mL de la solution Sa par une solution
aqueuse d'hydroxyde de sodium (ou soude) de concentration molaire
volumique : Cb = 0,100 mol.L-1.
Écrire l'équation-bilan de la réaction du dosage. ... / ...
3°) à l'équivalence du dosage, on a versé un volume de soude égal à : Véq
= 15,2 mL.
a) Donner la définition de l'équivalence d'un dosage.
b) Déterminer, en justifiant le calcul, une valeur numérique de la
concentration Ca.
c) En déduire la masse d'acide sulfamique contenue dans
l'échantillon dosé.
d) Quel est le degré de pureté de la poudre commerciale ?
4°) En séance de travaux pratiques, un élève obtient un pourcentage
d'acide de 105 %. Il se dit qu'il a du commettre des erreurs de
manipulation :
( soit le détartrant n'a pas été totalement dissout lors de la
préparation de la solution Sa ;
( soit le trait de jauge de la pipette jaugée a été nettement
dépassé lors du prélèvement des 20,0 mL de la solution Sa.
a) Indiquer dans quel sens chacune de ces erreurs influencerait le
résultat.
b) Si l'on admet qu'une seule de ces erreurs est cause de l'écart,
laquelle n'a pu se produire ? Données : Masses molaires atomiques : N = 14,0 ; S = 32,1 ; O =
16,0 ; H = 1,00 g.mol-1. III°) PHYSIQUE : sur 6 points. lancement d'une fusée
Dans cet exercice, les résultats numériques seront donnés avec 3,00
chiffres significatifs.
Un club d'amateur a construit une petite fusée de masse : M = 200 kg.
Lors du lancement, le moteur exerce une force de poussée [pic] verticale,
vers le haut, pendant une durée : (t = 10,0 s. Puis, le moteur s'arrête et
la fusée continue sur sa lancée avant de retomber.
On suppose que la trajectoire du centre d'inertie G de la fusée suit un
ligne droite verticale. Le mouvement est étudié dans le référentiel
terrestre, supposé galiléen, et dans un repère d'axe Oz vertical vers le
haut. On supposera que la masse de la fusée reste toujours constante et on
prendra : g = 9,81 m.s-2.
1°) Dans un premier temps, on suppose que les frottements sont
négligeables devant les forces qui interviennent.
a) La fusée, initialement immobile au sol, décolle sous l'action de
la poussée du moteur, supposée constante.
Elle atteint une vitesse de norme : V1 = 100 km.h-1 lorsque le moteur
s'arrête à l'instant : t1 = 10,0 s.
Montrer que, pendant la phase de lancement (10,0 s ( t1), le mouvement de G
est uniformément accéléré.
b) Définir, et calculer, la norme a1 de l'accélération [pic]1 de G
pendant la première phase du mouvement.
c) Calculer l'intensité de la force de poussée [pic].
d) à quelle altitude, notée Z1, se trouve G lors de l'arrêt du
moteur ?
e) Quelle est la nature du mouvement de G dans la deuxième phase du
mouvement, après l'arrêt du moteur ?
Calculer l'altitude maximale, notée Z2, atteinte par G.
2°) En réalité, les frottements de l'air ne sont pas négligeables et se
ramènent, tout au long du mouvement de G, à une force [pic] d'intensité
constante : f = 100 N, opposée au vecteur vitesse de G. La force de poussée
garde la même valeur que précédemment et s'exerce toujours pendant 10,0 s
avant que le moteur ne s'arrête.
a) Calculer l'altitude Z'1 atteinte par G lorsque le moteur
s'arrête.
b) Calculer l'altitude maximale Z'2 atteinte par G. IV°) PHYSIQUE : sur 5 points. Exercice destiné aux candidats n'ayant
pas choisi l'enseignement de spécialité. éTUDE DE CHAMPS MAGNéTIQUES A ] Champ magnétique créé par un aimant droit.
Schématiser le spectre magnétique créé par un aimant droit cylindrique
à son voisinage.
On précisera sur le schéma le nom des pôles de l'aimant, le sens des
lignes de champ magnétique et l'orientation prise par une aiguille aimantée
en un point quelconque de l'espace champ magnétique.
B ] Champ magnétique créé par des bobines plates.
1°) Une bobine circulaire plate C1, de rayon : R = 8,0 cm, comporte : N =
100 spires parcourues par un courant électrique continu d'intensité : I =
2,5 A.
On étudie le champ magnétique [pic] qu'elle crée en un point M,
d'abscisse x, de son axe x'x d'origine O1, centre de la bobine, et
perpendiculaire à sa section.
a) On oriente l'axe de sorte que la mesure algébrique du champ
magnétique créé en O1 soit positive.
Faire un schéma du dispositif en y faisant apparaître la bobine C1,
l'axe x'x et le sens du courant électrique.
Préciser la règle d'orientation utilisée. .../ p. 3
Terminale S D.S.T. N° 3 Page 3
b) L'étude des spectres magnétiques montre que l'axe x'x est une
ligne de champ.
Une étude théorique permet d'établir que la mesure algébrique B1 (x) de
[pic] sur cet axe est une fonction paire de x.
Décrire un protocole expérimental permettant de vérifier cette dernière
propriété.
2°) Bobines de Helmholtz.
On montre que la fonction B1 (x) décrite précédemment peut s'écrire
sous la forme :
B1 (x) = [pic]
où [pic] est la perméabilité magnétique du vide (ou de l'air) égale à :
12,6.10-7 u.S.I.
Une seconde bobine C2, identique à la bobine C1, parcourue par un
courant électrique continu de même intensité :
I = 2,5 A et de même sens que celui qui parcourt C1, est disposée
parallèlement à C1.
Le centre O