Bilan de physique-chimie

Exercice 1

Réponse : 20 mmol

Pour une espèce de masse connue, on utilise n = mM, puis on convertit en mmol (1 mol = 1 000 mmol).

1. n = mM = 3,6180
2. n = 0,020 mol
3. n = 0,020 × 1 000 = 20 mmol

Exercice 2

Réponse : 1,6 mmol·L⁻¹

D’après la loi de Beer-Lambert, l’absorbance est proportionnelle à la concentration : A = k × c, donc c = Ak.

1. c = Ak = 0,400,25
2. c = 1,6 mmol·L⁻¹

Exercice 3

Réponse : Cu²⁺

L’oxydant est l’espèce qui capte des électrons. Ici, les ions Cu²⁺ captent 2 électrons cédés par le zinc et se transforment en cuivre métallique.

1. Réduction (gain d’électrons) : Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu : Cu²⁺ est l’oxydant.
2. Oxydation (perte d’électrons) : Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ : Zn est le réducteur.
3. Zn²⁺ et Cu sont des produits : ils ne réagissent pas ici.

Exercice 4

Réponse : 2 · 2 · 2

On équilibre d’abord l’oxygène avec H₂O, puis l’hydrogène avec H⁺, et enfin les charges avec des électrons.

1. Oxygène : 2 atomes O à gauche, donc 2 H₂O à droite.
2. Hydrogène : 4 H à droite, 2 H dans H₂O₂ à gauche, donc on ajoute 2 H⁺ à gauche.
3. Charges : +2 à gauche, 0 à droite, donc on ajoute 2 e⁻ à gauche.
4. H₂O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ = 2 H₂O

Exercice 5

Réponse : 0,08 mol

On cherche, pour chaque réactif, la valeur de x qui l’épuise. L’avancement maximal est la plus petite de ces valeurs : elle désigne le réactif limitant.

1. Aluminium épuisé si 0,20 − 2x = 0, soit x = 0,10 mol.
2. Ions cuivre(II) épuisés si 0,24 − 3x = 0, soit x = 0,080 mol.
3. x_max = 0,080 mol : les ions Cu²⁺ sont limitants.
4. Il reste 0,20 − 2 × 0,080 = 0,04 mol d’aluminium.

Exercice 6

Réponse : 40 mmol·L⁻¹

À l’équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques : n(I₂) = n(S₂O₃²⁻)2.

1. n(S₂O₃²⁻) versé = c₂ × V_E = 0,100 × 16,0 × 10⁻³ = 1,60 × 10⁻³ mol.
2. n(I₂) = 1,60 × 10⁻³2 = 8,00 × 10⁻⁴ mol.
3. c₁ = n(I₂)V₁ = 8,00 × 10⁻⁴20,0 × 10⁻³ = 4,00 × 10⁻² mol·L⁻¹.
4. c₁ = 40,0 mmol·L⁻¹.

Exercice 7

Réponse : 8

On compte tous les électrons de valence de la molécule, puis on divise par 2 pour obtenir le nombre de doublets.

1. Électrons de valence : 4 + 2 × 6 = 16.
2. Nombre de doublets : 16 ÷ 2 = 8.
3. Répartition : 2 doubles liaisons C=O (4 doublets liants) et 2 doublets non liants sur chaque oxygène (4 doublets non liants).

Exercice 8

Réponse : Pyramidale

Les 4 doublets autour de N se repoussent et pointent vers les sommets d’un tétraèdre. Mais la géométrie ne décrit que la position des atomes : avec 3 atomes H et un doublet non liant, la molécule est pyramidale.

1. 4 doublets autour de l’atome central, dont 0 non liant : tétraédrique (CH₄).
2. 4 doublets dont 1 non liant : pyramidale (NH₃).
3. 4 doublets dont 2 non liants : coudée (H₂O).

Exercice 9

Réponse : Faux

Les liaisons C=O sont bien polarisées (l’oxygène est plus électronégatif que le carbone), mais la molécule est linéaire et symétrique : le barycentre des charges partielles positives coïncide avec celui des charges négatives. CO₂ est donc apolaire.

1. Liaison polarisée : δ+ sur C, δ− sur chaque O.
2. Géométrie linéaire O=C=O : les deux effets se compensent.
3. Conclusion : molécule apolaire.

Exercice 10

Réponse : Le cyclohexane

Un solvant d’extraction doit remplir deux conditions : l’espèce à extraire doit y être plus soluble que dans l’eau, et il doit être non miscible à l’eau pour former deux phases séparables dans l’ampoule à décanter.

1. Éthanol : le diiode y est soluble, mais l’éthanol se mélange à l’eau : on ne peut pas séparer deux phases.
2. Cyclohexane : le diiode y est plus soluble et il ne se mélange pas à l’eau : il convient.

Exercice 11

Réponse : butanone

Le groupe carbonyle C=O est situé à l’intérieur de la chaîne : c’est une cétone (terminaison -one). La chaîne principale compte 4 atomes de carbone (préfixe but-).

1. Chaîne de 4 carbones : but-.
2. Groupe C=O en milieu de chaîne : cétone, terminaison -one.
3. En numérotant pour donner le plus petit numéro au carbone fonctionnel : position 2.
4. Nom : butan-2-one (souvent appelée butanone, car aucune autre position n’est possible pour une cétone à 4 carbones).

Exercice 12

Réponse : 70 %

Le rendement compare la masse obtenue à la masse maximale qu’on obtiendrait si la transformation était totale : η = m_expm_max.

1. n_max = 0,050 mol, donc m_max = 0,050 × 130 = 6,5 g.
2. η = 4,556,5 = 0,70.
3. η = 70 %.

Exercice 13

Réponse : 1604 kJ

On calcule d’abord la quantité de combustible, puis on utilise Q = n × |E_comb|.

1. n = mM = 3216,0 = 2,0 mol
2. Q = 2,0 × 802 = 1 604 kJ
3. Soit environ 1,6 × 10³ kJ.

Exercice 14

Réponse : Elle est divisée par 4

D’après la loi de Coulomb, F = k × |q_A × q_B|d² : la force est inversement proportionnelle au carré de la distance.

1. Si d devient 2d, alors d² devient (2d)² = 4d².
2. La force est donc divisée par 4.

Exercice 15

Réponse : 5000 V·m⁻¹

Entre les armatures d’un condensateur plan, le champ est uniforme et vaut E = Ud, avec d en mètres.

1. d = 4,0 cm = 0,040 m
2. E = 2000,040 = 5,0 × 10³ V·m⁻¹

Exercice 16

Réponse : 2,47 bar

D’après la loi fondamentale de la statique des fluides, la pression augmente avec la profondeur h : P = P_surface + ρ × g × h.

1. ρ × g × h = 1,0 × 10³ × 9,8 × 15 = 1,47 × 10⁵ Pa
2. P = 1,0 × 10⁵ + 1,47 × 10⁵ = 2,47 × 10⁵ Pa
3. P = 2,47 bar

Exercice 17

Réponse : Δv⃗ et ΣF⃗ sont de sens opposé au mouvement

La vitesse diminue : le vecteur variation de vitesse est de sens opposé au mouvement. D’après la relation m × Δv⃗Δt ≈ ΣF⃗, la somme des forces a la même direction et le même sens que Δv⃗.

1. Mouvement rectiligne ralenti : Δv⃗ opposé au mouvement.
2. ΣF⃗ a même direction et même sens que Δv⃗.
3. Une somme des forces nulle donnerait une vitesse constante (principe d’inertie), ce qui n’est pas le cas.

Exercice 18

Réponse : 10 V

On utilise le modèle d’une source réelle de tension : U = E − r × I.

1. r × I = 0,50 × 4,0 = 2,0 V
2. U = 12,0 − 2,0 = 10,0 V

Exercice 19

Réponse : 4,5 kWh

E = P × Δt. Pour obtenir des kWh, on exprime P en kW et Δt en heures.

1. P = 1 500 W = 1,5 kW
2. E = 1,5 × 3 = 4,5 kWh
3. En joules : 4,5 × 3,6 × 10⁶ ≈ 1,6 × 10⁷ J

Exercice 20

Réponse : 375 kJ

On convertit la vitesse en m·s⁻¹ (on divise par 3,6), puis on applique E_c = 12 × m × v².

1. v = 903,6 = 25 m·s⁻¹
2. E_c = 0,5 × 1 200 × 25² = 0,5 × 1 200 × 625 = 375 000 J
3. E_c = 375 kJ

Exercice 21

Réponse : 9,9 m·s⁻¹

Seul le poids travaille : l’énergie mécanique se conserve (ou, ce qui revient au même, le théorème de l’énergie cinétique donne ΔE_c = W(P⃗) = mgh).

1. 12 × m × v² − 0 = m × g × h, la masse se simplifie.
2. v = √(2 × g × h) = √(2 × 9,8 × 5,0) = √98
3. v ≈ 9,9 m·s⁻¹

Exercice 22

Réponse : 0,5 m

La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant une période : λ = v × T = vf.

1. λ = 340680
2. λ = 0,50 m

Exercice 23

Réponse : 40 cm

On utilise la relation de conjugaison 1OA′ − 1OA = 1f′, en respectant les signes.

1. 1OA′ = 1f′ + 1OA = 120 + 1−40
2. 1OA′ = 240 − 140 = 140
3. OA′ = 40 cm : l’image est réelle, 40 cm après la lentille (grandissement γ = 40−40 = −1 : image renversée, de même taille).

Exercice 24

Réponse : Rouge

La couleur perçue est celle de la lumière diffusée par l’objet. Elle dépend donc à la fois de l’objet et de la lumière qui l’éclaire.

1. Lumière reçue : rouge uniquement.
2. L’objet diffuse le rouge (il ne l’absorbe pas).
3. Lumière diffusée : rouge, donc l’objet apparaît rouge.

Exercice 25

Réponse : 10,2 eV

Lors d’une émission, l’atome passe d’un niveau supérieur à un niveau inférieur et émet un photon dont l’énergie est égale à l’écart entre les deux niveaux.

1. E_photon = E₂ − E₁ = −3,40 − (−13,6)
2. E_photon = 10,2 eV
3. Ce photon appartient au domaine de l’ultraviolet (λ ≈ 122 nm).