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BCPST 1

PHYSIQUE CHIMIE

EXERCICES INCONTOURNABLES

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 Malako?

www.dunod.com ISBN 978-2-10-077932-1Conception 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´eaction 9

2R´eactions acido-basiques 15

3R´eactions d"oxydor´eduction 27

4 Application `a la chimie analytique 35

Sous-partie 2 : Signaux physiques, bilans et transports

5 Signaux physiques 63

6 Bilan macroscopique - Transport 75

7 Circuit dans l"ARQP 85

8R´egime transitoire du premier ordre 103

Sous-partie 3 : Structure de la mati`ere

9 Noyau atomique 129

10 Structure ´electronique 137

11 Liaison covalente - D´elocalisation et aromaticit´e 151

12 Interactions de faible ´energie 165

Sous-partie 4 : Optique g´eom´etrique

13 Lois de Descartes 175

14 Lentilles minces 191

Sous-partie 5 : Introduction`a la chimie organique

15 St´er´eochimie 205

16 Solvant et acido-basicit´e en chimie organique 223

17 Oxydor´eduction en chimie organique 235

©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.

Sous-partie 6 : Thermodynamique physique

18´Etats de la mati`ere 249

19

´El´ements de statique des fluides 259

20 Changements d"´etat du corps pur 271

Semestre 2

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

21´Equilibre et transformations 287

22 Premier principe 297

23 Second principe 305

24 Machines thermiques 313

Sous-partie 8 : Cin´etique chimique

25 Vitesse de r´eaction 327

26 M´ecanismes r´eactionnels 355

Sous-partie 9 : M´ecanique

27 Cin´ematique et dynamique 373

28

´Energie d"un point mat´eriel 389

Sous-partie 10 : Chimie organique r´eactionnelle

29 Addition ´electrophile sur les doubles liaisons C=C 415

30 Substitution nucl´eophile 423

31

´Elimination 439

32 Addition nucl´eophile sur les doubles liaisons C=O 447

33 Synth`ese organique 453

34 Calculs d"incertitudes 469

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. hH 3 O e etωHO 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 COOHF 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 final pour les situations initiales suivantes :

Exercice 1.1 :´Evolution et ´equilibre

9 ©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Semestre 1Thermodynamique 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 `a1,010 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 `a1,010

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

0,100,100K

.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.1,010

1 1,010 1 00

E.Eq.1,010

1 x1,010 1 xxx

Exprimons la constante d"

´equilibre :K

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

On arrive

`ax1,010 1 K 1 K 1,410 2 mol.L 1 La composition dans l"´etat d"´equilibre final est donc : CH 3 COOH e F e 8,610 2 mol.L 1 CH 3 COO e HF e 1,410 2 mol.L 1 10 Chapitre 1Description 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.0,10 0,10 0,10 0,10

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

`ax1,010 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.quotesdbs_dbs21.pdfusesText_27