devoir de sciences - physiques n°7

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PRÉNOM :
CLASSE :
DEVOIR DE SCIENCES - PHYSIQUES N°7
Il sera tenu compte du soin apporté à la présentation et à la rédaction. Barème sur 40 points.
Le sujet comporte 3 pages.
A. PROPRIÉTÉS DES TSUNAMIS ( / 7)
Document 1 : les tsunamis
On s'intéresse dans cet exercice aux tsunamis, du japonais tsu, port, et nami, vague (grande vague dans le port ou raz-de-marée).
Les tsunamis sont des vagues extrêmement destructrices créées par des séismes sous-marins. Ces vagues se propagent à la
surface de l'océan et leur amplitude y dépasse rarement le mètre pour une période (temps entre deux vagues successives) de
plusieurs minutes à plusieurs heures.
Quand elles arrivent aux côtes ces vagues peuvent toutefois provoquer d'énormes dégâts : il se produit une baisse rapide du
niveau de l'eau et un recul de la mer dans les quelques minutes qui les précèdent puis une élévation rapide du niveau des eaux
pouvant atteindre 60 mètres provoquant un courant puissant capable de pénétrer profondément à l'intérieur des terres lorsque le
relief est propice (plat). Dans certains cas assez rares, le tsunami peut prendre la forme d'une énorme vague déferlante ou, en
remontant un fleuve, d'un mascaret extraordinaire. 75% des tsunamis se produisent dans l'océan Pacifique et la plupart des
autres sont observés dans l’océan Indien, en raison de la forte activité tectonique sur le pourtour de ces deux océans.
Document 2 : données
Les tsunamis se produisant essentiellement dans l'océan Pacifique, on supposera qu'en plein océan la profondeur est uniforme et
vaut d = 10km.
Intensité de la pesanteur : g = 9,8m.s–2
1. Des observateurs rapportent que lors du passage d'un tsunami, on vit déferler 7 énormes vagues, et que deux vagues
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successives étaient séparées par un intervalle de 20 minutes. Quelle est la fréquence de l'onde de houle associée au
tsunami ?
La vitesse de propagation de l'onde est donnée par la relation v = g.d où d est la profondeur de l'océan.
Quelle est alors la célérité v du tsunami ?
En déduire la longueur d'onde λ du tsunami en plein océan.
Un tsunami est-il facilement détectable par des observateurs sur un bateau en plein océan ?
Le tsunami arrive du sud entre les deux îles A et B représentées ci-dessous. On supposera que la profondeur de l'océan
entre ces îles est la même qu'en plein océan : on pourra donc prendre λ = 3,8.105m. Les fronts d'ondes provenant du sud
sont rectilignes.
Y a-t-il risque de raz-de-marée dans le port V de l'île C ?
Justifier soigneusement puis compléter le schéma avec l'onde du tsunami en tenant compte de l'échelle de représentation.
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B. CINÉTIQUE DE LA DÉCOMPOSITION DE L'EAU DE JAVEL ( / 16)
L'eau de Javel est une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium (Na+(aq) + ClO–(aq)) et de chlorure de sodium (Na+(aq) + Cl–(aq)).
Elle se décompose lentement et spontanément selon la réaction d'équation :
2ClO–(aq) → 2Cl–(aq) + O2(g)
réaction (1)
Cette décomposition est en fait une réaction d'oxydoréduction.
Pour étudier la cinétique de la réaction (1), catalysée par les ions cobalt Co2+(aq), on utilise un volume V = 100mL d'une solution S
d'eau de Javel, de concentration C. On déclenche le chronomètre à l'instant où l'on introduit le catalyseur. Pour suivre l'évolution
de la réaction on mesure le volume de dioxygène V(O2) formé à température et pression constantes.
Dans les conditions de l'expérience une mole de gaz occupe un volume égal à 22,4L (le volume molaire est Vm =22,4L.mol–1).
Dans le tableau ci-dessous le temps t est en seconde, V(O2) en mL et [ClO–] en mmol.L–1 :
t
V(O2)
[ClO–]
0
0
30
42
226
60
74
197
90
106
168
120
138
140
150
166
115
180
189
210
212
74
240
231
57
270
246
44
300
258
33
330
269
23
360
280
13
390
289
5
420
295
0
t∞
295
0
t∞ : mesure effectuée au bout d'une durée très importante.
1. Retrouver l'équation de la réaction (1) en écrivant les demi-équations électroniques sachant que les couples mis en jeu
2.
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9.
sont : ClO–(aq)/Cl–(aq) et O2(g)/H2O(aq).
Construire et compléter le tableau d’avancement en utilisant des expressions littérales.
À partir de la mesure de V(O2) pour t∞, déterminer la concentration en ion hypochlorite [ClO–]0 à t = 0 dans la solution S
(utiliser le tableau d’avancement).
Établir l'expression littérale de la concentration en ions hypochlorite notée [ClO–] dans la solution S à chaque date t, en
fonction de [ClO–]0, V(O2), V et Vm (utiliser le tableau d’avancement).
Calculer [ClO–] à t = 180s.
Tracer le graphique [ClO–] = f(t) sur le graphe ci-dessous.
Déterminer, après l'avoir défini, le temps de demi-réaction t1/2 de la réaction étudiée.
Qu’est-ce qu’un catalyseur ? De quel type de catalyse s’agit-il ? Justifier.
Sur le graphique précédent, donner l'allure de la courbe représentant l'évolution de [ClO–] en fonction du temps en
l'absence d'ions cobalt.
Expliquer pourquoi il est recommandé de conserver les bouteilles d’eau de javel au frais.
300
[ClO-] (mmol.L-1)
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
t (s)
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
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C. SOLUTION AQUEUSE D'ACIDE CHLOROÉTHANOÏQUE ( / 17)
Pour obtenir une solution aqueuse S1 d'acide 2-chloroéthanoïque (ClCH2-COOH, noté A), on dissout une masse mA = 1,89g de cet
acide pur dans la quantité d'eau nécessaire pour arriver à un volume V= 2,00L. Le pH de cette solution vaut 2,5 à 25°C.
Données :
Masses molaires atomiques : M(C) = 12,0g.mol–1
Produit ionique de l'eau : K e =1,00.10 –14 à 25°C.
M(O) = 16,0g.mol–1
M(Cl) = 35,5g.mol–1
M(H) = 1,0g.mol–1
1. Réaction de l'acide sur l'eau
a. Donner la formule de la base conjuguée B de cet acide A.
b. Écrire l'équation chimique de la réaction entre l'acide 2-chloroéthanoïque et l'eau.
2. Constante d'acidité du couple A/B
a. Montrer que la concentration cA de soluté apporté d'acide A de la solution est égale à : cA = 0,0100mol.L–1
b. Donner la relation existant entre les concentrations à l'équilibre et la constante d'acidité KA du couple A(aq)/B(aq).
En déduire la relation entre le pH et le pKA du couple A(aq)/B(aq).
c. Construire le tableau d'avancement de cette réaction en utilisant des expressions littérales.
d. Déterminer l'avancement final xf à partir de la mesure du pH (V = 2,00L).
Comparer xf et xmax : cette transformation est-elle totale ?
e. Calculer les concentrations molaires des espèces chimiques présentes à l'équilibre à 25 °C.
f. En déduire une valeur expérimentale du K A du couple A(aq)/B(aq) puis le pKA.
3. Réaction de l'acide chloroéthanoïque avec les ions hydroxyde
On dispose d'une solution aqueuse S2 d'hydroxyde de sodium ou soude (Na+(aq) + HO–(aq)), de concentration de soluté
apporté c B = 1,0.10–2mol.L–1. On ajoute à la solution S1 d'acide chloroéthanoïque un certain volume de la solution S2
d'hydroxyde de sodium.
Après refroidissement de la solution S3 obtenue à 25°C, le pH prend une valeur égale à pK A + 1.
a. Tracer le diagramme de prédominance du couple A(aq)/B(aq).
Quelle est l'espèce du couple A(aq)/B(aq) qui prédomine dans la solution S3 ? Calculer le rapport [B]/[A].
b. Sur la courbe ci-dessous, ont été tracés les pourcentages relatifs des formes acides et basiques du couple A/B.
À quelles espèces chimiques (A ou B) correspondent les courbes 1 et 2 du diagramme ci-dessous ?
c. Retrouver graphiquement la valeur du pKA du couple A/B.
d. Indiquer les pourcentages relatifs des espèces A et B si l'on ajoute de la solution S2 à la solution S1 jusqu'à ce que le
pH soit égal à 4,0.
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