Cet ouvrage a pour but d'aider les étudiants `a s'approprier les différentes notions du Il est déconseillé de regarder le corrigé d`es la premi`ere difficulté ponné : son pH varie tr`es peu par addition d'un acide ou d'une base ou par dilution
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BCPST 1
PHYSIQUE CHIMIE
EXERCICES INCONTOURNABLES
I. CÔTE | L. LEBRUN | N. SARD | M. DÉCOMBE VASSETBCPST 1
PHYSIQUE CHIMIE
EXERCICES INCONTOURNABLES
4 eédition
© Dunod, 2018
11 rue Paul Bert, 92240 Malako?
www.dunod.com ISBN 978-2-10-077932-1Conception graphique de la couverture : Hokus Pokus CréationsSommaire
Semestre 1
Sous-partie 1 : Thermodynamique chimique :
un syst `eme tend`a´evoluer vers l"´equilibre1 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 transports5 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 organique15 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´e21´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´eactionnelle29 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 quileur 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 meme 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 maıtris´ees. Ces exercices
viennent compl´eter le travail effectu´e en classe. Travailler un exercice n"est pas une tache aussi simple qu"elle n"y paraıt. 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 `a20 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 etre 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"apparaıtpasdansle 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 1CHAPITRE
Description d"un syst`eme
chimique en r´eactionCapacit´es`aacqu´erirExercices
´Ecrire un tableau d"avancement.
Pr´evoir le sens d´evolution dun syst`eme. D´eterminer la composition `al´etat nal.Tous ´Etablir une hypoth`ese sur l´etat nal dune r´eaction connaissant lordre 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 eRemarques :
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 etre 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 HFLa 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"´equilibre1.Onm´elange de l"acide ´ethano¨ıque et du fluorure de potassium, tous deux
de concentration ´egale `a1,010 1 mol.L 12.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 i1. 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 000,100,100K
.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 3COOH+F
GGBFGGCH
3 COO +HFE.I.1,010
1 1,010 1 00E.Eq.1,010
1 x1,010 1 xxxExprimons la constante d"
´equilibre :K
x 2 1,010 1 x 2 K x 1,010 1 xOn 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´eaction2. 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 3COOH+F
CH 3 COO +HFE.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 xOn 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. ATP 4 aq H 2 O ADP 3 aq H aq HPO 2 4aq K2,2010
2 On ´etudie cette r´eaction dans un milieu tamponn´e`apH7,0. Les concen- trations molaires initiales des r´eactants sont :ADP 32,5010
4 mol.L 1 ;ATP 42,2510
3 mol.L 1 ;HPO 240,6010
3 mol.L 1 etH 2 PO 40,9510
3 mol.L 11. 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 a H 2 O ADP 3 H HPO 24ATP 4 C 2 11 ©Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. Semestre 1Thermodynamique chimique : un syst`eme tend`a´evoluer vers l"´equilibre