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I. CÔTE | L. LEBRUN | N. SARD | M. DÉCOMBE VASSETBCPST 1PHYSIQUE CHIMIEEXERCICES INCONTOURNABLES4e édition

I. CÔTE | L. LEBRUN | N. SARD | M. DÉCOMBE VASSET

BCPST 1

PHYSIQUE CHIMIE

EXERCICES INCONTOURNABLES

4 e

édition

© Dunod, 2018

11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff

www.dunod.com

ISBN 978-2-10-07820

-2Conception graphique de la couverture : Hokus Pokus Créations

Sommaire

Semestre 1

Sous-partie 1 : Thermodynamique chimique :

un syst `eme tend`a´evoluer vers l"´equilibre

1 Description d"un syst`eme chimique en r´eaction9

2R´eactions acido-basiques15

3R´eactions d"oxydor´eduction27

4 Application `a la chimie analytique35

Sous-partie 2 : Signaux physiques, bilans et transports

5 Signaux physiques63

6 Bilan macroscopique - Transport75

7 Circuit dans l"ARQP85

8R´egime transitoire du premier ordre103

Sous-partie 3 : Structure de la mati`ere

9 Noyau atomique129

10 Structure ´electronique137

11 Liaison covalente - D´elocalisation et aromaticit´e151

12 Interactions de faible ´energie165

Sous-partie 4 : Optique g´eom´etrique

13 Lois de Descartes175

14 Lentilles minces191

Sous-partie 5 : Introduction`a la chimie organique

15 St´er´eochimie205

16 Solvant et acido-basicit´e en chimie organique223

17 Oxydor´eduction en chimie organique235

©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.

Sous-partie 6 : Thermodynamique physique

18´Etats de la mati`ere249

19

´El´ements de statique des fluides259

20 Changements d"´etat du corps pur271

Semestre 2

Sous-partie 7 : Thermodynamique physique en syst`eme ferm´e

21´Equilibre et transformations287

22 Premier principe297

23 Second principe305

24 Machines thermiques313

Sous-partie 8 : Cin´etique chimique

25 Vitesse de r´eaction327

26 M´ecanismes r´eactionnels355

Sous-partie 9 : M´ecanique

27 Cin´ematique et dynamique373

28

´Energie d"un point mat´eriel389

Sous-partie 10 : Chimie organique r´eactionnelle

29 Addition ´electrophile sur les doubles liaisons C=C415

30 Substitution nucl´eophile423

31

´Elimination439

32 Addition nucl´eophile sur les doubles liaisons C=O447

33 Synth`ese organique453

34 Calculs d"incertitudes469

Avant-propos

Cet ouvrage a pour but d"aider les ´etudiants `a s"approprier les diff´erentes notions du programme de physique-chimie de BCPST1 et `ad´evelopper des automatismes qui

leur permettront d"appr´ehender avec s´er´enit´e aussi bien les ann´ees de pr´epa que les

concours. L"organisation des chapitres est la mˆeme que la partie II (Formation disciplinaire) du programme officiel.

Au sein de chaque chapitre, un tableau r´ecapitulatif pr´ecisant des capacit´es `aacqu´erir

et des exercices de diff´erents niveaux de difficult´e(rep´er´es par des ´etoiles) permettent

`al"´etudiant de v´erifier que les principales capacit´es sont maˆıtris´ees. Ces exercices

viennent compl´eter le travail effectu´e en classe. Travailler un exercice n"est pas une tˆache aussi simple qu"elle n"y paraˆıt. La premi`ere

´etape est de lire l"´enonc´e dans son int´egralit´e, d"en noter les termes qui paraissent

importants et d"y rep´erer les donn´ees. Ensuite, la recherche de solution prend de 5 `a

20 minutes, voire davantage. Il est d´econseill´ederegarderlecorrig´ed`es la premi`ere

difficult´e rencontr´ee. Il est pr´ef´erable de revenir `a un autre moment sur la question

qui a pos´e probl`eme. Le corrig´e n"est utile qu"apr`es une r´eflexion approfondie. C"est un travail de longue haleine mais qui est toujours payant. On consid`ere qu"un chapitre doit ˆetre acquis avant d"aborder le chapitre suivant.

Pour bien utiliser cet ouvrage :

: Signale l"´etape de la r´edaction finale. : Met en avant un pi`ege ou une erreur `a´eviter.

Point m

´ethode: Indique un point important.

Point math

´ematique:Pr´ecise des r´esolutionsdetypemath´ematique qu"il est inutile de d´etailler dans la partie ?r´edaction. Rappel: Pour se rem´emorer des notions vues en cours. Pour aller plus loin: Indique un raisonnement qui n"apparaˆıtpasdansle programme officiel mais qui n"est pourtant pas exclu. Remarque: Pour donner des pr´ecisions suppl´ementaires.

Bon travail! Les Auteurs

?Ce que d"autres ont r´eussi, on peut toujours le r´eussir.AntoinedeSaint-Exup´ery©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.

Semestre 1

Sous-partie 1

Thermodynamique chimique :

un syst`eme tend `a´evoluer vers l"´equilibre 1

CHAPITRE

Description d"un syst`eme

chimique en r´eaction

Capacit´es`aacqu´erirExercices

´Ecrire un tableau davancement.

Pr´evoir le sens d´evolution dun syst`eme. D´eterminer la composition `al´etat “nal.Tous ´Etablir une hypoth`ese sur l´etat “nal dune r´eaction connaissant lordre de grandeur de la constante d´equilibre et les valeurs des concentrations initiales.

Notations utilis´ees au cours de ce chapitre :

E I .signifie ´etat initial, E.F.,´etat final et E.Eq.,´etat d"´equilibre. R.P. signifie r´eaction pr´epond´erante et R.T. r´eaction de titrage. Les concentrations not´ees avec un indice e correspondent aux concentrations `al"´equilibre. h??H 3 O e et???HO e

Remarques :

Les cas ´etudi´es concerneront des r´eactions en solution dont le volume sera constant. Nous pouvons alors dresser les tableaux d"avancement directement `a l"aide des concentrations des solut´es. Afin d"all´eger les notations, la concentration standardC pourra ˆetre omise dans l"´ecriture des constantes d"´equilibre, qui seront ainsi exprim´ees `a partir des concen- trations `al"´equilibre, exprim´ees en mol.L 1 En solution aqueuse, on sint´eresse `alar´eaction d´equation-bilan : CH 3

COOH?F

CH 3 COO ?HF

La constante d´equilibre est ´egale `aK

10 ?1,6 D´eterminer le sens d´evolution puis la composition dans l´etat “nal pour les situations initiales suivantes :

Exercice 1.1 :´Evolution et ´equilibre

9 ©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Semestre 1?Thermodynamique chimique : un syst`eme tend`a´evoluer vers l"´equilibre 1 .Onm´elange de l"acide ´ethano¨ıque et du fluorure de potassium, tous deux de concentration ´egale `a1,0?10 ?1 mol.L ?1 2 .Onm´elange `al"´etat initial de l"acide ´ethano¨ıque, de l"´ethanoatedesodium, du fluorure de potassium et de l"acide fluorhydrique, tous `alaconcentration

´egale `a1,0?10

?1 mol.L ?1 Point m´ethode :Pour pr´evoir le sens d"´evolution d"un syst`eme, on calcule le quotient r´eactionnel `al"´etat initialQ r i et on compare sa valeur `a celle deK SiQ r i K ,ilya´evolution dans le sens direct. SiQ r i K ,ilya´evolution dans le sens indirect ou inverse. SiQ r i K , il n"y a pas d"´evolution, on est `al"´etat d"´equilibre. Pour d´eterminer la composition finale, on fait un tableau d"avancement et on utilise la constante d"´equilibre. Le quotient de r´eaction`al"´etat initial s"exprime`a l"aide des activit´es dans l"´etat initial : Q r i a CH 3 COO i a HFi a CH 3 COOHi a F i CH 3 COO i HF i CH 3 COOH i F i 1 . Comme il n"y a que des r´eactifs introduits initialement, l"´evolution de la r

´eaction se fait dans le sens direct.

Remarque :On peut calculerQ

r i ?00 0 ,100,10?0K .Lar´eaction ´evolue bien dans le sens direct. Pour trouver la composition finale, on fait un tableau d"avancement. On appelle xl"avancement volumique de cette r´eaction. La constante d"´equilibre valant 10 ?1,6 , on peut supposer que la r´eaction est partiellement avanc´ee : CH 3

COOH+F

GGBFGGCH

3 COO +HF

E.I.1,0?10

?1 1 ,0?10 ?1 00

E.Eq.1,0?10

?1 x1,0?10 ?1 xxx

Exprimons la constante d"

´equilibre :K

x 2

1,0?10

?1 x 2 K x 1 ,0?10 ?1 x

On arrive

`ax1,0?10 ?1 K 1 K

1,4?10

?2 mol.L ?1 La composition dans l"´etat d"´equilibre final est donc : CH 3 COOH e ?F e

8,6?10

?2 mol.L ?1 ?CH 3 COO e HF e

1,4?10

?2 mol.L ?1 10 Chapitre 1?Description d"un syst`eme chimique en r´eaction 2 . Calculons le quotient de r´eaction dans l"´etat initial : Q r i ?1,010 ?1 1,010 ?1 1 ,010 ?1 1,010 ?1 ?1K donc la r´eaction´evolue dans le sens inverse.

Pour d

´eterminer la composition finale, on peut proposer le tableau suivant : CH 3

COOH+F

CH 3 COO +HF

E.I.0,100,100,100,10

E.Eq.0,10x0,10x0,10x0,10x

Exprimons la constante d"

´equilibre :K

?1,010 ?1 x 2 1,010 ?1 x 2 K ?1,010 ?1 x 1,010 ?1 x

On arrive

`ax?1,010 ?1 1 K 1 K ?7,310 ?2 mol.L ?1 La composition dans l"´etat d"´equilibre final est donc : CH 3 COOH e ??F e ?1,710 ?2 mol.L ?1 ?CH 3 COO e ?HF e ?2,710 ?2 mol.L ?1 On consid`ere la r´eaction dhydrolyse de lATP 4 en ADP 3 `a 298 K. ATP 4 aq H 2 O ff ?ADP 3 aq H aq HPO 2 4aq K ?2,2010 ?2 On ´etudie cette r´eaction dans un milieu tamponn´e`apH?7,0. Les concen- trations molaires initiales des r´eactants sont :?ADP 3 ?2,5010 ?4 mol.L ?1 ;?ATP 4 ?2,2510 ?3 mol.L ?1 ;?HPO 2 ?4 ?0,6010 ?3 mol.L ?1 et?H 2 PO 4 ?0,9510 ?3 mol.L ?1 1 . En labsence de toute consid´eration biologique, quelle ´evolution spontan´ee peut-on observer? 2 . Calculer les concentrations molaires volumiques `al´equilibre de chacune des esp`eces participant `alar´eaction. Que peut-on en conclure? Cette situation ´etait-elle pr´evisible en ne tenant compte que de la valeur deK ? Commenter bri`evement. Exercice 1.2 :´Evolution et ´equilibre (Agro-V´eto 2013) 1 . Pour cette r´eaction d"hydrolyse le quotient de r´eaction`al"´etat initial s"ex- prime : Q r i ?a ADP 3 a H a HPO 2? 4 a ATP 4 aquotesdbs_dbs43.pdfusesText_43

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