DS 1°S - La seconde 2

DS 1°S PHYSIQUE-CHIMIE
mercredi 25 janvier 2012
Durée : 3 heures ; calculatrice autorisée ; le sujet comporte 4 pages.
Mme Terreyre (1°3 et 1°5) et M. Douezy (1°4)

Données :
Relation de conjugaison : [pic].
Loi de Wien : ?max.T = 2,898.10-3 m.K avec ?max en m et T en K (T(K) =
T(°C) + 273).
Constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s ; vitesse de la lumière dans le
vide : c = 3,00.108 m.s-1.
1 eV = 1,60.10-19 J.
Force gravitationnelle: FA/B = [pic] ; Force électrique : Fq/q' = [pic]
Charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C ; k = 9,0.109 SI ; G = 6,67.10-11 SI.
Masses molaires (en g.mol-1) : M(K) = 39 ; M(Mn) = 55 ; M(O) = 16 ; M(S) =
32 ; M(Al) = 27.
Masse du proton : mp = 1,67.10-27 kg, masse de l'électron : me = 9,09.10-31
kg.


Exercice 1 : 4 points
Un objet AB de taille 2 cm est placé 8 cm devant une lentille convergente
de distance focale f' = 5 cm.
1. Déterminer graphiquement la position et la taille de l'image A'B'.
2. Retrouver ces deux résultats par le calcul.

Exercice 2 : 7 points
Recopier et compléter le tableau suivant :
| |Températur|Températur|Maximum |Domaine |
| |e en °C |e en K |d'émission |d'émission |
| | | |?max |(UV, visible, |
| | | | |IR) |
|Arcturus | | |650 nm | |
|Rigel | |12000 | | |
|Filament de lampe|2500 | | | |
|Lave en fusion | | |2,00 ?m | |
|Fer à repasser |300 | | | |
|Corps humain |37 | | | |
|Surface de la |De 150 °C | | | |
|Lune |à - 150 °C| | | |

Exercice 3 : 4 points
Un tube fluorescent est un tube à décharge qui contient de la vapeur de
mercure et dont la paroi interne est recouverte de poudre fluorescente.
Pour que la poudre produise de la lumière visible, elle doit être soumise à
un rayonnement (produit par le mercure contenu dans le tube) dont la
longueur d'onde est comprise entre 200 nm et 300 nm. Elle émet alors de la
lumière dont le spectre est continu.
On donne les spectres, dans le visible, des lumières émises par deux tubes
fluorescents et deux lampes (une lampe à vapeur de mercure et une lampe à
vapeur de sodium) vendus dans le commerce.
[pic] [pic]
1. En comparant les spectres donnés :
a. Expliquer l'origine physique des pics présents dans le spectre de la
lumière émise par un tube fluorescent.
b. Quelle est la contribution des poudres fluorescentes dans le spectre de
la lumière émise par un tube fluorescent ?
2. La vapeur de mercure contenue dans les tubes émet-elle des rayonnements
en dehors du visible ?
3. Les poudres fluorescentes déposées sur la paroi interne des deux tubes
sont-elles identiques ?


Exercice 4 : 7 points
Les astronomes ont remarqué dès le XVIIIe siècle la présence de fines
bandes noires dans la lumière solaire. [...]. Après quelques tâtonnements,
ils ont compris que ces raies sombres trahissaient la présence d'éléments
chimiques sur le trajet des rayons lumineux. Joseph von Fraunhofer fut le
premier, en 1814, à observer ces disparitions de lumière et à les attribuer
à un phénomène d'absorption par un gaz situé entre la source d'émission et
l'observateur.
D'après André Brahic et Isabelle Grenier, Lumières d'étoiles, les couleurs
de l'invisible, Odile Jacob, 2008.
Fraunhofer a repéré les principales raies d'absorption du spectre solaire
par des lettres :
[pic]
1. Quelle propriété des atomes permet d'expliquer les raies d'absorption ?
2. La raie sombre C correspond à l'absorption de photons de longueur d'onde
?C = 656 nm. Calculer l'énergie ?EC de ces photons. Donner le résultat dans
l'unité adéquate.
3. La chromosphère contient, entre autres, des atomes d'hydrogène dont
l'énergie du nème niveau d'énergie est donnée par la relation En = E1/n² (n
est un entier positif et E1 = - 13,6 eV est l'état fondamental).
a. Calculer les énergies des quatre premiers niveaux d'énergie de l'atome
d'hydrogène.
b. Placer ces niveaux d'énergie sur un diagramme.
c. Montrer que l'absorption d'un photon d'énergie ?EC correspond au passage
d'un atome d'hydrogène du premier vers le deuxième état excité.
d. La raie F, de longueur d'onde 487 nm, correspond au passage d'atomes
d'hydrogène du premier état excité vers un autre état excité. Déterminer
cet état.
e. Sur le diagramme de niveaux d'énergie, représenter les absorptions
correspondant aux raies C et F du Soleil.

Exercice 5 : 9 points
Les imprimantes couleur fonctionnent en quadrichromie : elles sont dotées
de trois cartouches d'encre colorée, une de chaque couleur primaire,
auxquelles on ajoute une cartouche noire.
1. Rappeler quelles sont les trois couleurs primaires.
2. Donner l'allure du spectre d'absorption de l'encre cyan.
3. L'une des trois encres a le spectre d'absorption ci-contre :

De quelle encre s'agit-il ?
4.a. Donner l'allure du spectre d'absorption du mélange cyan et du magenta.
4.b. Quelle est la couleur de l'encre obtenue ?
5.a. Quelle est la couleur obtenue en mélangeant les trois encres de
couleurs primaires ?
5.b. Pourquoi utilise-t-on tout de même une cartouche d'encre noire ?


Exercice 6 : 10 points
On réalise un mélange 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. Calculer la masse de sulfure d'aluminium produit lors de la réaction.




Exercice 7 : 7 points
L'eau de Dakin est un antiseptique utilisé pour le lavage des plaies et des
muqueuses. Elle a une couleur rose.
L'étiquette du flacon mentionne pour un volume V = 100 mL : « permanganate
de potassium : 0,0010 g ».
On se propose de vérifier cette indication.
1. A partir d'une solution mère S0 de permanganate de potassium (K+ + MnO4-
) à la concentration molaire C0 = 1,0.10-2 mol.L-1, on prépare une échelle
de teintes constituée de cinq solutions dont on mesure l'absorbance A à 530
nm.
|Solution |S1 |S2 |S3 |S4 |S5 |
|C (10-5 |10 |8,0 |6,0 |4,0 |2,0 |
|mol.L-1) | | | | | |
|A (à 530 nm ) |0,221 |0,179 |0,131 |0,088 |0,044 |


a. Tracer la courbe représentant A en fonction de C. On prendra comme
échelle pour les abscisses 1 cm pour 1,0.10-5 mol.L-1 et pour les ordonnées
1cm pour 0,02.
b. A partir du spectre d'absorption ci-contre, réalisé avec une solution
aqueuse de permanganate de potassium, expliquer le choix de la longueur
d'onde pour cette étude.
c. Ce spectre a-t-il été réalisé avec une solution de concentration molaire
plus élevée ou plus faible que celles du tableau précédent ? Justifier sans
calcul.
2. L'absorbance de l'eau de Dakin à la longueur d'onde ? = 530 nm est 0,14.
a. En déduire la valeur expérimentale Cexp de la concentration molaire en
permanganate de potassium apporté de l'eau de Dakin.
b. A partir des données de l'étiquette, calculer la concentration molaire C
en permanganate de potassium de l'eau de Dakin et la comparer au résultat
expérimental. Pour ce faire, on calculera l'écart relatif [pic]et on
l'exprimera en pourcentage.


Exercice 8 : 5 points
Répondre par vrai ou faux aux affirmations suivantes.
1. La représentation de Lewis permet de montrer la manière dont les atomes
sont liés entre eux.
2. La représentation de Lewis permet de visualiser directement la
disposition spatiale des liaisons.
3. La répartition des doublets autour d'un atome s'effectue de façon à
minimiser la répulsion électrique entre ces doublets.
4. Tous les doublets d'un atome central se positionnent le plus loin
possible les uns des autres.
5. Un atome possédant 4 doublets indépendants présente une structure plane
inscrite dans un carré.


Exercice 9 : 8 points
Les atomes de silicium (Si), de phosphore (P) et de soufre (S) ont
respectivement pour numéro atomique Z = 14, 15 et 16.
1.a. Ecrire la structure électronique de chaque atome.
1.b. En déduire le nombre de liaisons covalentes réalisables par chacun
d'eux, ainsi que le nombre de doublets non liants qu'il possède.
2. Rappeler le nombre de liaisons que peut former l'atome d'hydrogène.
3. Le silane, le phosphane et le sulfure d'hydrogène sont des composés
totalement hydrogénés du silicium, du phosphore et du soufre.
a. Donner la représentation de Lewis de chacune des molécules.
b. En déduire la formule brute de chacune d'elles.
4. Prévoir la géométrie des molécules de silane, de phosphane et de sulfure
d'hydrogène.




Exercice 10 : 4 points
Le bombykol est le principal constituant de la phéromone d'attraction
sexuelle du bombyx ou vers à soie. Sa formule semi-développée est HO-(CH2)9-
CH=CH-CH=CH-CH2-CH2-CH3.
1. La molécule peut-elle présenter une isomérie Z/E autour de la première
double liaison ? Autour de la seconde ?
2. En déduire le nombre d'isomères de structures spatiales différentes que
possède le bombykol.
3. L'isomère responsable de l'attraction sexuelle du bombyx est celui
présentant l'isomérie E pour la première double liaison et l'isomérie Z
pour la seconde. Dessiner cet isomère.


Exercice 11 : 5 points
Le groupe d'atomes azo -N=N- est un chromophore présent dans de nombreux
colorants appelés colorants diazoïques. On considère les trois moléc