Devoir commun de Physique-Chimie 1S (1H30) Calculatrice interdite

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Nom Prénom : ………………………………………..
Classe : 1S-………
Devoir commun de Physique-Chimie 1S
(1H30)
Calculatrice interdite
Exercice 1 (5 points) : Ne pas se fier à la couleur
On dispose d’un poivron vert et d’un poivron jaune.
On réalise les expériences suivantes : Expérience 1
: on éclaire les poivrons avec une source de lumière blanche.
Expérience 2
: on intercale un filtre vert entre la source blanche et les poivrons.
Expérience 3
: on remplace le filtre vert par un filtre jaune.
Expérience 4
: on éclaire maintenant les poivrons avec une lampe à vapeur de Sodium dont la seule
raie visible suffisamment intense se situe à 589 nm. Ces lampes sont utilisées en Belgique pour éclairer
les autoroutes.
On considérera que la lumière blanche n’est composée que de 3 couleurs primaires.
Compléter le tableau ci-dessous et justifier vos réponses pour le poivron jaune dans l’expérience 2 :
Couleur(s)
absorbées par le
filtre
Expérience 1
Poivron vert
Poivron jaune
Expérience 2
Poivron vert
Poivron jaune
Expérience 3
Poivron vert
Poivron jaune
Expérience 4
Poivron vert
Poivron jaune
Couleur(s)
absorbées par le
poivron
Couleur perçue du
poivron
Exercice 2 (5 points) : Éclairage d’un aquarium
En aquariophilie, on utilise comme éclairage des tubes fluorescents. Ce type de tube contient de la
vapeur de mercure à basse pression dans laquelle on déclenche une décharge électrique. Le
rayonnement ultraviolet émis par le mercure est transformé en lumière visible par une poudre
fluorescente qui tapisse la paroi intérieure du tube. Le spectre d’émission du tube dépend de la nature
de la poudre fluorescente utilisée. Il existe une grande variété de tubes fluorescents parmi lesquels on trouve des tubes avec la mention «
plein spectre » (lumière du jour). La
figure 1
présente le spectre d’émission d’un de ces tubes.
Figure 1.
Spectre d’émission d’un tube fluorescent « plein spectre »
Données
:
● Longueurs d’onde des principales raies d’émission du mercure dans le visible : 405
nm, 436 nm, 546 nm, 577 nm, 579 nm, 615 nm.
-34
● Constante de Planck : h = 6,63.10
J.s
8
–1
● Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00. 10
m.s
.
-19
● 1 eV = 1,60 x 10 J.
Couleurs
Violet
Bleu
Vert
Jaune
Orange
Rouge
λ(nm)
400 – 424
424 – 491
491 – 575
575 – 590
590 – 610
610 – 750
1.
Situer le domaine des longueurs d’onde des ultra-violets par rapport au domaine des longueurs
d’onde des radiations visibles.
2.
À propos du spectre du tube fluorescent
2.1.
Justifier l’appellation « plein spectre » de ce type de tube.
2.2.
À partir du texte, indiquer le rôle du mercure dans le tube fluorescent.
3.
À propos du mercure utilisé dans le tube fluorescent
La
figure 2 ci-dessous
représente le diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de
mercure.
3.1.

Quel nom donne-t-on au niveau d’énergie E0
? Comment appelle-t-on les niveaux d’énergie E1
à E
4
?
3.2.
L’une des radiations visibles émises par la vapeur de mercure correspond à une transition faisant
intervenir les niveaux d’énergie E
1
et E
3
du diagramme représenté sur la
figure 2 ci-dessous
. Préciser
le sens de cette transition. Justifier.
3.3.
Calculer la valeur de la longueur d’onde du photon émis lors de la transition. La valeur trouvée
est-elle cohérente avec les données de l’énoncé ?
Figure 2
. Diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de mercure
Exercice 3 (5 points) : mesure de l’avancement
Dans cet exercice, vous justifierez entièrement vos réponses en développant une argumentation
logique cohérente (les points ne seront accordés que si le raisonnement est posé dans son
intégralité) : a) donner les éléments de raisonnement et les grandeurs pertinentes ; b) rappeler
les définitions utiles et les théorèmes à mobiliser, poser éventuellement les calculs sans faire
l’application numérique ; c) faire si besoin les calculs en respectant les règles de l’écriture
scientifique, et surtout conclure pour répondre à la question posée. Soignez l’écriture, tracez les
tableaux à la règle.
-
2-
Les ions iodure I
(aq) réagissent lentement et totalement avec les ions peroxodisulfate S
2O
8(aq)
2-
pour former du diiode I
(aq) et des ions SO
2
4(aq) selon l’équation :
-
2-
2-
2 I
(aq) + S
+ 2 SO
2O
8(aq) → I
2(aq)

4(aq)
Le spectre d’absorption d’une solution de diiode est le suivant : Dans un bécher, on dispose de 50,0 mL de solution de peroxodisulfate de potassium de
-1
concentration 0,10 mol.L
. On prélève par ailleurs 50 mL d’une solution de iodure de potassium
-1
de concentration 0,50 mol.L
, qui est ajoutée à l’instant initial dans le bécher.
1. La seule espèce colorée est le diiode. Indiquer la couleur d’une solution issue du mélange des
deux réactifs mentionnés.
2. À quelle longueur d’onde faut-il régler le spectrophotomètre pour mesurer l’absorbance
d’une solution de diiode avec la meilleure précision ?
3. Calculer les quantités initiales des réactifs.
4. Établir le tableau d’avancement de la réaction.
5. Calculer les quantités de matière à l’état final.
Exercice 4 (5 points) : géométrie des molécules
Soit la molécule semi-développée de méthoxyéthène :
1.
Ecrire la formule brute du méthoxyéthène.
2.Donner la formule électronique ou représenter la structure électronique des atomes H, C et
O. On donne les numéros atomiques : Z(H) = 1, Z(C) = 6 et Z(O) = 8.
3.
Donner la représentation de Lewis de la molécule.
4.
Préciser la géométrie de la molécule de méthoxyéthène en expliquant pour les atomes de
carbone et d’oxygène.
5.
Cette molécule présente-t-elle une isomérie de type Z/E ? Pourquoi ?
CORRECTION-BARÈME
Exercice 1 (5 points)

0,2 pt / réponse

Couleur(s)
absorbées
par le filtre
Expérience 1
Expérience 2
Expérience 3
Couleur
perçue du
poivron
Poivron
vert
rouge + bleu
vert
Poivron
jaune
bleu
jaune
Poivron
vert
rouge + bleu
Poivron
jaune
rouge + bleu
Poivron
vert
Poivron
jaune
Expérience 4
Couleur(s)
absorbées par
le poivron
vert
aucune
vert
aucune
vert
bleu
jaune
Poivron
vert
jaune
noir
Poivron
jaune
aucune
jaune
0,5 pt par justification
1. Les longueurs d’onde du domaine ultra-violet sont inférieures à celles du domaine visible. (λ
< 400 nm ) (0,5 pt)
2.1. La figure 1 montre un spectre contenant toutes les radiations du domaine visible ce qui
justifie l’appellation « plein spectre ». (0,5 pt)
2.2. Le rayonnement UV émis par le gaz de mercure est absorbé par une matière fluorescente qui
réémet à des longueurs d’onde différentes, principalement dans le domaine visible comme le
montre la figure 1. (0,25 pt + 0,25 pt : 0,25 pour l'émission UV et 0,25 pour l'émission dans le
visible)
3.1. Le niveau d’énergie E
est appelé niveau fondamental. (0,25 pt)
0
Les niveaux d’énergie E
à E
sont appelés états excités. (0,25 pt)
1
4
3.2. L’atome perd de l’énergie en émettant un photon : il passe donc du niveau d’énergie E
à E
.
3
1
(0,25 + 0,5 pt)
3.3. E
– E
= h.c/λ, donc :
3
1
λ = E h c
−E
3
1
A.N. :
6,63e−34×3,00e8
λ = (−2,72−(−5,00))×1,60e−19
×
Js ms−1
eV J eV −1
–7
–9
= 5,45×10
m = 545×10
m = 545 nm
- Formules correctement posées : 0,5
- Application numérique : 0,25
- Conversion en J : 0,25
- Résultat : 0,25
- Unité résultat :0,25
- Chiffres significatifs : 0,25
Cette valeur correspond à un nanomètre près à la raie annoncée à 546 nm dans l’énoncé. Cette
valeur est donc cohérente avec les données de l’énoncé. (0,5 pt)
1. La seule espèce colorée étant le diiode, les autres espèces n’absorbent aucune composante
spectrale de la lumière incidente. Dans le visible, le diiode absorbe les bleus (400-500 nm). La
lumière transmise contiendra donc des
composantes vertes et rouges
(500-800 nm), dont
la superposition donne une
teinte perçue jaune
.
- Explication construite et complète : 0,5
- Réponse correcte : 0,5
2. Pour augmenter la
précision
, étant donnée la résolution de la mesure, il s’agit de se placer là
où l’absorbance est la plus grande, c’est-à-dire sur le
pic d’absorbance
. On appelle λ
la
max
longueur d’onde correspondant à ce pic. On relève sur le document λ
max=420nm.

- Rappels de cours : 0,5
- Réponse correcte à +/- 10nm : 0,5
3. Calculer les quantités initiales des réactifs.
-
-
-
2-
2-
2-
n
)V(I
) et n
0(I
)=c(I
0(S
2O
8)=c(S
2O
8)V(S
2O
8)
A.N. :
-
-1
-1
n
x 50 mL = 5,0e-1 x 5,0e-2 mol.L
L = 2,5e-2 mol
0(I
) = 0,50 mol.L
2-
-1
-1
n
x 50,0 mL = 1,0e-1 x 5,00e-2 mol.L
L = 5,0e-3 mol
0(S
2O
8) = 0,10 mol.L
- Formules correctement posées : 0,5 ; 0,25 si directement l’A.N.
- Valeurs numériques justes : 0,25
- Unités et chiffres significatifs : 0,25
4. Tableau d’avancement de la réaction : 1 (-0,25 par erreur)
Equation chimique
Etat du système
Avancement
Etat initial
0
Etat
x
intermédiaire
Etat final
x
max
2-
2-
2 I-

(aq) + S
O
(aq) + 2 SO
2
8(aq) → I
2
4(aq)
2-
2-
n(I
)
n(S
O
n(I
)
n(SO
2
8)
2
4)
-
2-
2-
n
(I
)
n
(S
O
n
(I
)=0
n
(SO
0
0
2
8)
0
2
0
4)=0
-
n
(I-

)-2x
0
2-
n
(S
O
0
2
8)-x
x
2x
n
(I-

)-2x
0
max
2-
n
(S
O
0
2
8)-x
max
x
max
2x
max
5. A l’état final, l’une des espèces est le réactif limitant : il faut prendre le plus petit x
tel que
max
-
2-
n
=0.
0(I
)-2x
max=0
ou n
0(S
2O
8)-x
max
-
Cas 1 : x
max=
n
0(I
)/2 = 1,2e-2 mol
2-
Cas 2 : x
= n
(S
O
max
0
2
8) = 5,0e-3 mol
Le réactif limitant est donc le peroxodisulfate : cas 2.
Donc :
Etat final
x
(mol)
max
1,5e-2
0
-Explication : 0,25
-Calcul du réactif limitant : 0,25
-Calcul de l’état final : 0,5 (-0,25 par erreur)
1. (1 pt) C
3H
6O

2. Au choix le schéma ou la notation :
-
Formule électronique:
- 0,5 pour la mention des couches K et L
- 0,5 pour le respect des règles de remplissage
3. Formule de Lewis de la molécule.
- Formule développée : 0,5
- Doublets non-liants positionnés correctement : 0,5
4.
Sol 1: (0,25 par géométrie correcte sur les C et le O)
- carbone 1 : géométrie triangulaire plan;
- carbone 2 : géométrie triangulaire plan;
- oxygène : géométrie coudée;
- carbone 3 : géométrie tétraédrique.
Sol 2 :(1 pt)
5,0e-3
1,0e-2
Les valeurs des angles sont approximatives :
5. La molécule contient bien une liaison double. Or, comme il y a deux atomes d’hydrogène liés
au carbone n°1 en plus de la liaison double, il y a donc symétrie d’un côté de la liaison double,
d’où il ne peut pas y avoir d’isomérie Z/E.
- Justification : 0,5
- Réponse correcte : 0,5