[PDF] DEVOIRS PHYSIQUE-CHIMIE Seconde. DEVOIRS. PHYSIQUE-CHIMIE. Notice

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Seconde

DEVOIRS

PHYSIQUE-CHIMIE

Notice individuelle

Devoirs 1 à 8

Rédaction

Jean-Luc Auffret

Yannick Faguet

Guillaume Monnier

Emmanuel Michel

Coordination

Emmanuel Michel

Les cours du CNED sont strictement réservés à l"usage privé de leurs destinataires et ne sont pas destinés à une utilisation collec-

tive. Les personnes qui s"en serviraient pour d"autres usages, qui en feraient une reproduction intégrale ou partielle, une traduction

sans le consentement du CNED, s"exposeraient à des poursuites judiciaires et aux sanctions pénales prévues par le Code de la pro-

priété intellectuelle. Les reproductions par reprographie de livres et de périodiques protégés contenues dans cet ouvrage sont effec-

tuées par le CNED avec l"autorisation du Centre français d"exploitation du droit de copie (20 rue des Grands Augustins, 75006 Paris).

© CNED 2015

Données pour l"ensemble des exercices:

• masse d"un proton mp = 1,67.10

-27 kg;

• masse d"un neutron mn = 1,67.10

-27 kg;

• masse d"un électron me = 9,11.10

-31 kg. 11

H: hydrogène;

Ca 2040
: calcium;

• charge élémentaire e = 1,6.10

-19 C.

Exercice 1

Enquête dans le monde des isotopes (4,5 pts)

Dans un vieux livre de Chimie, il est écrit: " J"ai enfi n trouvé deux nouveaux éléments chimiques auxquels

je donne la notation symbolique DH 12 et TH 13 . Eurêka! ».

Données : D: deutérium et T: tritium.

1. Ce chercheur a-t-il trouvé deux nouveaux éléments chimiques ? Pourquoi ? (2 pts)

2. Donner la représentation symbolique de tous les atomes isotopes de l"élément hydrogène. Vous pour-

rez vous aider des données fournies en préambule à ce devoir ainsi que des informations données en

introduction à cet exercice. (1 pt)

3. L"élément hydrogène existe dans la nature sous la forme de l"ion H+. Donner la représentation symbo-

lique de tous les ions isotopes de l"élément hydrogène. (1,5 pt)

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DEVOIR

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à envoyer à la correction

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votre copie à l"aide de l"étiquette correspondant à la matière et au numéro de devoir.

Exercice 2 (5 pts)

1. Compléter le tableau ci-dessous, tableau que vous reproduirez sur votre copie (3 pts)

Nom Symbole Z Nombre d"électrons Structure électronique

Hélium He 2

Néon Ne 10

Argon Ar 18

Lithium Li 3

Ion lithium 2

Magnésium Mg 12

Ion magnésium 10

O8 8

Ion oxyde O

2-

Potassium K 19 (K)

2 (L) 8 (M) 8 (N) 1

Ion ... 19 18

2. Qu"est-ce que la couche externe d"un atome (ou d"un ion)? (0,5 pt)

3. L"hélium, le néon et l"argon appartiennent à la famille des gaz rares. Ces éléments sont chimiquement

stables. Expliquer ce terme. (0,5 pt).

4. Du point de vue électronique quelle(s) propriété(s) possède(nt) les éléments stables? (1 pt)

Exercice 3 (6 pts)

1. Déterminer en expliquant sommairement votre raisonnement la composition (du noyau et du nuage

électronique) de l"atome de calcium. (2 pts)

2. Calculer sa masse approchée. (2 pts)

3. La structure électronique du calcium est (K)

2 (L) 8 (M) 8 (N) 2 . Donner la structure électronique et la for-

mule chimique de l"ion monoatomique stable formé à partir de l"atome de calcium. Justifi er la réponse.

(2 pts)

Exercice 4

Le magnésium, un minéral multifonction (4,5 pts)

Le magnésium est présent dans presque toutes les cellules de l"organisme, où il participe entre autres

à plus de 300 réactions enzymatiques. Au total, le corps contient environ de ce minéral : 60 % est

stocké dans les os, dont il aide à maintenir la structure. Un quart est utilisé par les muscles, où il contri-

bue à la décontraction musculaire. Le reste se répartit à la fois dans le cerveau et dans des organes-clés

comme le cœur, le foie ou les reins : le magnésium sert à la transmission de l"infl ux nerveux, à la fabrica-

tion de protéines et à la régulation du rythme cardiaque. Autre vertu importante : il a un effet régulateur

sur le transit intestinal... d"où son indication auprès des nourrissons souffrant de constipation passagère.

Mais les Français n"en consomment pas assez : près d"une femme sur 4 et un homme sur 6 manquent

de magnésium! Certaines situations exposent particulièrement à cette carence : le suivi d"un régime res-

trictif plusieurs fois par an, l"exclusion des féculents, du pain, du chocolat et des fruits secs par peur de

grossir ou une alimentation déséquilibrée par un excès de produits raffi nés et de plats industriels. L"abus

d"alcool et le stress chronique limitent également la couverture des besoins. Principaux signes de cette

défi cience : une fatigue persistante, des sensations de tension et de stress. Parfois, des symptômes plus

importants apparaissent comme des insomnies, des crampes ou même des palpitations cardiaques.

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A l"inverse, l"apport excessif peut occasionner des troubles du transit intestinal. Il est possible d"éviter

ces désagréments en prenant certaines précautions. Il existe des produits faiblement dosés et dont le

magnésium est inclus dans une amylose végétale ce qui permet d"améliorer la tolérance intestinale.

www.doctissimo.fr Le magnésium est présent dans l"organisme sous la forme d"un cation (voir exercice 2).

1. En vous aidant des données fournies en préambule à ce devoir, quelle est la charge électrique de l"ion

magnésium en coulomb? (2 pts)

La carence en magnésium peut être comblée par des compléments alimentaires vendus en pharma-

cie, comme par exemple le gluconate de magnésium de formule chimique C 12 H 22
MgO 14

2. Le gluconate de magnésium est-il un corps simple ou composé? Justifi er. (1 pt)

3. Quels autres éléments chimiques que vous détaillerez en donnant le nom et le symbole chimique cor-

respondant trouve-t-on dans ce complément alimentaire? (1,5 pt) n N"oubliez pas de joindre la notice individuelle que vous trouverez dans ce livret, avec le 1 er devoir, pour le professeur correcteur. Elle est également téléchargeable sur votre site de formation.

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DEVOIR

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Exercice 1 (4 pts)

Le signal de la fi gure 1 est celui d"un son émis par une clarinette et enregistré par un microphone relié à un

oscilloscope.

Figure 1 Figure 2

1. Pourquoi peut-on dire que ce signal est périodique? (0,5 pt)

2. Déterminer graphiquement, avec le plus de précision, la période T de ce signal. (2 pts)

3. Calculer la fréquence f de ce signal. (1 pt)

4. La fi gure 2 indique les fréquences de 12 notes de musique des trois premières octaves. Quelle est la

note enregistrée? (0,5 pt) S 0.02 - 0.01 - 0.020.01 t(S)

0.0020.0040.0060.0080.0100.012

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DEVOIR

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à envoyer à la correction

Exercice 2 (5,5 pts)

1. Expliquer ce que c"est que le phénomène de la réfraction.

Vous préciserez également si le rayon réfracté existe tou- jours. (1 pt)

2. Représenter sur la fi gure 3, l"angle d"incidence i

1 (0,5 pt).

3. Exprimer la 1

ère

loi de SNELL-DESCARTES concernant le phénomène de la réfraction (0,5 pt).

4. Exprimer la 2

ème

loi de SNELL-DESCARTES concernant le phénomène de la réfraction (0,5 pt).

5. a. Calculer l"angle de réfraction i

2 si l"angle d"incidence est i 1 = 60° (1 pt). Vous expliquerez votre résul- tat.

b. Que devient le rayon incident dans ce cas ? Comment s"appelle ce phénomène ? Représenter ap-

proximativement sur la fi gure 3 le rayon réfl échi. (1,5 pt)

c. Dans quelle technique d"imagerie médicale le phénomène précédent est-il utilisé ? (0,5 pt)

Exercice 3 (4 pts)

On fait arriver un rayon de lumière rouge en I sur le dioptre 1 plan d"un demi-cylindre de Plexiglas sous incidence i 1 = 50,0°.

1. Représenter sur la fi gure 4 l"angle d"incidence i

1 après avoir reproduit la fi gure 4 sur votre copie. (0,5 pt)

2. Calculer l"angle de réfraction i

2r sachant que l"in- dice du Plexiglas pour les radiations rouges est n r = 1,470 et celui de l"air est n 1 = 1,000 (2 pts). Vous exprimerez cet angle à l"aide de 3 chiffres signifi ca- tifs.

3. Tracer (en rouge) la marche du rayon à travers le

demi-cylindre. (0,5 pt)

4. Pourquoi le rayon ne subit-il pas une deuxième ré-fraction en J sur le dioptre cylindrique du demi-cy-lindre de plexiglas? (1 pt)

Exercice 4 (6,5 pts)

1. Dioptre: surface de séparation entre deux milieux transparents.

Verre indice n

1 = 1,5

Air indice n

2 = 1,0

En médecine, l"échographie est un examen courant, indolore et non dangereux permettant l"observation

" directe » d"organes internes. La technique de l"échographie utilise des ondes ultrasonores produites

par une sonde jouant le rôle d"émetteur et de récepteur. Les fréquences utilisées dépendent des organes

ou des tissus biologiques à sonder (2 MHz à 15 MHz).

Pour obtenir une image par échographie on exploite entre autres, les propriétés suivantes des ondes

ultrasonores :

Plexiglas ®Air

J

10 CNED SECONDE - PHYSIQUE-CHIMIE - 2015

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1. Vitesse de propagation et milieu de propagation

Un émetteur ultrasonore est relié à un générateur de salves. L"émetteur est le siège d"oscillations très

brèves. Le récepteur transforme l"onde ultrasonore reçue en signal électrique de même fréquence que

cette onde. L"émetteur et le récepteur, placés dans un même milieu, en regard l"un de l"autre et à une

distance donnée ?, sont reliés à un oscilloscope à mémoire. Les acquisitions sont transférées vers un

tableur grapheur scientifi que.

Les graphes ci-dessous donnent le signal capté par le récepteur. L"origine des dates t = 0 s est l"instant

de l"émission. Selon les milieux traversés on obtient les deux enregistrements fi gure 7 et fi gure 8 ci-

dessous.

Figure 7

Figure 8

a. Sans faire de calcul, expliquer à l"aide des graphiques, dans quel milieu la propagation des ultrasons

est la plus rapide. (1 pt) b. L"émetteur et le récepteur sont séparés par une distance l = 21,0 cm. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l"eau. (1 pt) - la célérité et l"absorption de l"onde ultrasonore dépendent du milieu traversé

- lorsqu"elle change de milieu, une partie de l"onde incidente est réfl échie, l"autre est transmise (elle

continue son chemin). On dit qu"il y a réfl exion partielle lorsqu"il y a changement de milieu aux interfaces

tissulaires.

Connaissant les temps de retour des échos, leurs amplitudes et leurs célérités, on en déduit des infor-

mations sur la nature et l"épaisseur des tissus traversés. Un ordinateur compile toutes les informations

et fournit des images de synthèse des organes sondés.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900Signal reçu par le récepteur

dans l"eauu (V) t (μs) u(V) t(μs)

Signal reçu par le récepteur

dans l"air

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

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2. Comprendre le principe de l"échographie - Modélisation

Dans un récipient rempli d"eau, on place une plaque de Plexiglas d"épaisseur e. L"eau simule le corps

humain dont la composition est de 65 à 90 % d"eau (excepté pour les os et les dents). La plaque de plexi-

glas simule un muscle dense.

Une sonde échographique constituée d"un émetteur et d"un récepteur est plongée dans l"eau. Les signaux

émis et reçus par la sonde sont très brefs. Sur les oscillogrammes, on représentera par un pic simple

les signaux nécessaires à l"exploitation. On choisit sur les oscillogrammes l"origine des dates à l"instant

de l"émission du signal.

Schéma de principe :

L"oscillogramme fi gure 10 est obtenu sans la plaque de Plexiglas®. À l"instant t = 0 s on visualise le signal

émis par la sonde. À l"instant tR , on visualise l"écho réfl échi sur l"objet réfl ecteur, on l"appellera écho de

référence. a. À l"aide de l"oscillogramme fi gure 10, déterminer la date t R . (1 pt) b. Établir l"expression de la distance D en fonction de la date t R et de la vitesse v des ultrasons dans l"eau. (1 pt) c. Calculer D si v = 1,5.10 3 m.s -1 . (0,5 pt) sonde S ondes ultrasonores plaque de

Plexiglas®

air eau objet réflecteur AB R de D

Figure 9

t=OstR

Figure 10

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2

L"oscillogramme fi gure 11 est obtenu avec la plaque de Plexiglas®. Le nouvel écho de référence arrive

à la date t"

R d. A quoi correspondent les échos aux dates tA et tB? (1 pt)

e. Les ultrasons se propagent-ils plus vite dans l"eau ou dans le Plexiglas®? Justifi er qualitativement

(sans faire de calcul) en comparant les résultats obtenus sur les fi gures 10 et 11. (1 pt) n N"oubliez pas d"envoyer la notice individuelle si vous ne l"avez pas jointe avec le 1 er devoir. t=OstRtAtBt"R

Figure 11

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Exercice 1

Lequel est le bon ? (2 pts)

Un élève souhaite réaliser une chromatographie. A partir d"exemples, il recueille plusieurs informations

qui lui permettent de mettre en place un dispositif expérimental pour réaliser sa chromatographie. Un

peu étourdi, cet élève a perdu ses fi ches expérimentales le jour de la réalisation de son expérience et a un

doute quant au dispositif à mettre en œuvre. Il hésite sur le choix du montage entre plusieurs situations,

qui vous sont détaillées ci-dessous (schémas a à e).

A l"aide d"un paragraphe argumenté, vous préciserez pour chaque schéma inadéquat ce qui ne va pas et

vous identifi erez la situation expérimentale qui convient afi n que la chromatographie soit correctement

réalisée.

Exercice 2

Synthèse de l"acétate de menthyle (10 pts)

tt tttt t t tt abcde

Document 1

L"acétate de menthyle (ou éthanoate de menthyle)

L"acétate de menthyle est un dérivé du menthol qui est très souvent utilisé pour l"élaboration d"un

parfum car il amplifi e la touche " fl orale ».

Dans la nature, on le trouve dans l"huile essentielle extraite de la menthe poivrée (Mentha piperata).

Il est diffi cilement isolable car associé à de nombreuses autres espèces.

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1. Protocole de synthèse (3 pts)

A partir des documents, rédiger un court paragraphe expliquant la synthèse (nature des réactifs, état

physique lors de leur introduction dans le ballon, schéma du montage de réaction, rôle de l"acide sulfo-

nique, rôle de la pierre ponce, sécurité...), expliquant le rôle du montage et justifi ant la synthèse plutôt

que l"extraction dans la nature.

2. Extraction de l"acétate de menthyle

Après refroidissement, on verse le contenu du ballon dans un bécher d"eau et on agite. On observe alors

deux phases distinctes.

a. A l"aide du document 3, préciser le contenu des deux phases et leurs positions relatives. (1 pt)

Document 2

Protocole de synthèse

L"acétate de menthyle est préparé à partir d"acide acétique en excès et de menthol. On introduit,

dans un ballon, 10g de menthol, puis, avec précaution 10mL d"acide acétique, une pointe de spatule

d"acide sulfonique (très soluble dans l"eau) et enfi n quelques grains de pierre ponce. On chauffe à

refl ux ce mélange pendant environ 30 minutes.

Document 3

Données menthol acide acétique acétate de menthyle T fusion (°C) 41 16< 0 T

ébullition

(°C) 212 118 227

Densité d 0,89 1,05 0,92

Solubilité (dans l"eau) moyenne grande très faible

Pictogrammes

Document 4

Identifi cation du produit de synthèse

Afi n de vérifi er la synthèse de l"acétate de menthyle, on dépose sur une plaque de silice : en 1, une goutte de la phase organique recueillie ci-dessus en 2, une goutte d"acétate de menthyle de référence en 3, une goutte d"une eau de lavande du commerce. L"ensemble est placé dans un bécher fermé contenant un éluant judicieusement choisi. Après quelques minutes, on obtient le chromatogramme (fi gure 1) après révéla- tion. 123

Figure 1

16 CNED SECONDE - PHYSIQUE-CHIMIE - 2015

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3 Remarque : n"oubliez pas qu"il peut rester des réactifs si la réaction n"est pas terminée.

b. Proposer une méthode permettant de séparer ces deux phases et dessinez le résultat obtenu sur votre

copie. (1 pt)

3. Identifi cation du produit de synthèse

a. Comment nomme-t-on la technique employée pour identifi er le produit de synthèse ? (0.5 pt)

b. Recopier le texte ci-dessous sur votre copie et complétez-le avec les mots suivant (conjugués ou non,

au pluriel ou au singulier) (2 pts)

Couvercle, Phase fi xe, Chromatogramme, Entraîner, Solvant, Révélation, Etape, Dépôt, Tremper, Soluble

La chromatographie se fait en 3

Le dépôt

On choisit un support poreux (papier ou support recouvert de silice, d"alumine...) : c"est l"absorbant ou

On réalise sur une ligne de base les ................................................ des solutions ou espèces chimiques à analyser.

Il faut bien déposer tous les composés sur la même ligne de départ pour que la chromatographie de

toutes les espèces démarre du même niveau.

L"élution

On plonge l"extrémité du papier dans un ................................................ sans que les dépôts des espèces à analyser ne

.................................................... dans le solvant.

Il faut fermer la cuve avec un

................................................ pour que la cuve se sature en vapeurs d"éluant et que la

chromatographie soit plus effi cace.

Ce solvant, appelé l"éluant ou phase mobile, monte par capillarité. Quand il atteint les espèces, il les

entraîne avec lui en les dissolvant.

Les espèces sont à la fois

................................................... par la phase mobile et retenues par la phase fi xe. Chaque

espèce n"est donc pas retenue par la phase fi xe et entraînée par la phase mobile de la même façon et

chaque espèce ne monte donc pas de la même hauteur sur le papier.

Plus une espèce est

...................................................... dans l"éluant, plus elle est entraînée rapidement et donc plus elle

migre haut et inversement. On peut ainsi séparer les espèces d"un produit. La ...................................................

A la fi n de la migration du solvant, on sort le support. Une révélation permet de mettre en évidence cer-

taines substances incolores.

On appelle

.................................................................. la plaque éluée et révélée.

On compare ainsi la hauteur de migration de chaque espèce. c. Donner 2 méthodes possibles de révélation. (0.5 pt) d. Analyser le plus précisément possible le chromatogramme obtenu (fi gure 4). (1 pt)

e. Défi nir et calculez le rapport frontal de l"acétate de menthyle dans les conditions de l"expérience. (1 pt)

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Exercice 3

Un médicament (8 points)

1. Donner la défi nition d"un principe actif. Combien ce médicament en contient-il ? (1 pt)

2. a. Donner la défi nition d"un excipient. Quel est leur rôle ? Combien sont cités sur la boîte ? Où trouver

l"information sur les autres excipients ? (2 pts)

b. Quelle est la formulation de ce médicament ? Comment appelle-t-on les différentes formes sous

lesquelles un médicament peut être formulé ? (1 pt)

3. Quel type de maladie traite ce médicament ? (0.5 pt)

4. Y-a-t"il des précautions à respecter dans l"utilisation de ce médicament ? (0.5 pt)

5. Recopier le tableau ci-dessous et compléter (3 pts)

Formule brute Formule ....................................Formule .....................................Modèle éclaté

Paracétamol

HHH H H

HHHHCCC

CC C CCNOO Acide ascorbique ....................................HO OH

OHOHCH

2CH CH

C CC O O n

Document 1

Composition

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