Physique-Chimie Terminale Spécialité
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Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 18
Interférences et diffraction
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 1
Exercices
Pour s'entraîner
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29Préservation du styrène
✔ REA : Utiliser un modèle
D'après le sujet Bac S, Antilles-Guyane, 2016.
Le styrène, sensible à la lumière et aux températures élevées, peut se polymériser dans une bouteille en l'absence de précaution. Pour éviter cela, les solutions de styrène sont « stabilisées » par ajout d'un inhibiteur de polymérisation : le 4-tert-butylpyrocatéchol, dont la formule semi-développée est présentée ci‑dessous.
Formule semi-développée du 4-tertbutylpyrocatéchol.
1. Justifier les propriétés acides du 4-tert-butylpyrocatéchol que l'on retrouve dans les tables de données.
2. Indiquer les couples acide-base possibles pour la molécule précédente.
3. Préciser si le 4-tert-butylpyrocatéchol est un acide carboxylique ou non.
2. Indiquer les couples acide-base possibles pour la molécule précédente.
3. Préciser si le 4-tert-butylpyrocatéchol est un acide carboxylique ou non.
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30 Plongeon dans un lac acide
✔ REA : Appliquer une formule
Le lac Poás peut avoir un \text{pH} de 0{,}30 lorsque les pluies sont les moins abondantes.
Le lac Poás peut avoir un \text{pH} de 0{,}30 lorsque les pluies sont les moins abondantes.
1. Préciser comment varie le \text{pH} lorsqu'il pleut.
2. Au cours du temps, l'eau du lac s'évacue, emportant avec elle une partie des espèces acides. Pour un volume maintenu constant grâce aux pluies, préciser comment évoluerait le \text{pH} du lac Poás si l'activité volcanique cessait subitement.
3. Si après une période de pluie le volume du lac augmente de 20 %, le \text{pH} final sera de :
4. Si une personne décidait de se baigner dans le lac, préciser à quel risque elle s'exposerait.
3. Si après une période de pluie le volume du lac augmente de 20 %, le \text{pH} final sera de :
4. Si une personne décidait de se baigner dans le lac, préciser à quel risque elle s'exposerait.
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31Potentiels en tous genres
✔ REA : Appliquer une formule✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement
Au cours de ses recherches, le chimiste danois Søren Sørensen a utilisé pour la première fois la notion de \text{pH}. « p » est l'abréviation du mot allemand potenz (potentiel) et « H » est le symbole de l'hydrogène. Il définit alors le \text{pH} par la relation :
De manière analogue, on définit :
À 25 °C, \text{pH + pOH} = 14.
\text{pH} =-\log \left(\frac{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]}{c^{\circ}}\right)
De manière analogue, on définit :
\text{pOH}=-\log \left(\frac{\left[\mathrm{HO}^{-}\right]}{c^{\circ}}\right)
À 25 °C, \text{pH + pOH} = 14.
1. Déterminer la masse d'hydroxyde de sodium
(\text{Na}^+\text{(aq)}\:;\text{HO}^-\text{(aq)}) de masse molaire M = 40{,}0 g⋅mol-1 qu'il faut dissoudre pour obtenir 1{,}0 L de solution de \text{pH} égal à 12.
2. Indiquer le protocole à suivre.
2. Indiquer le protocole à suivre.
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32Comprendre les attendusSynthèse de l'acide benzoïque
✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement
Pour synthétiser de l'acide benzoïque, un technicien de laboratoire réalise en milieu basique une première réaction entre de l'alcool benzylique et des ions permanganate \text{MnO}^-_4\text{(aq)} selon la réaction suivante :
4\ \text{MnO}^-_4\text{(aq)}+ 3\ \text{C}_7 \text{H}_8 \text{O(l)}\longrightarrow 4\ \text{MnO}_2\text{(s)} + \;\text{HO}^-\text{(aq)} + \; 3\ \text{C}_7\text{H}_5\text{O}^-_2\text{(aq)} + \;4\ \text{H}_2\text{O(l)}
4\ \text{MnO}^-_4\text{(aq)}+ 3\ \text{C}_7 \text{H}_8 \text{O(l)}\longrightarrow 4\ \text{MnO}_2\text{(s)} + \;\text{HO}^-\text{(aq)} + \; 3\ \text{C}_7\text{H}_5\text{O}^-_2\text{(aq)} + \;4\ \text{H}_2\text{O(l)}
Il procède à un chauffage à reflux du milieu réactionnel. Après filtration et refroidissement, il y ajoute de l'acide chlorhydrique concentré. L'acide benzoïque \text{C}_7\text{H}_6\text{O}_2 précipite alors lors d'une seconde réaction.
1. Rappeler l'intérêt du montage à reflux.
2. Établir l'équation de la seconde réaction.
2. Établir l'équation de la seconde réaction.
3. Préciser si les deux réactions mises en jeu sont des réactions acide-base.
4. Préciser pourquoi on travaille avec le filtrat.
4. Préciser pourquoi on travaille avec le filtrat.
Détails du barème
TOTAL / 4 pts
1 pts
1. Préciser l'intérêt du montage à reflux.
1,5 pts
2. Identifier les espèces et écrire les équations de la réaction acide-base.
0,5 pts
3. Justifier la réponse.
1 pts
4. Analyser un protocole.
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33Beurre acide
✔ REA : Utiliser un modèle
Doc.
Acide butyrique
Les travaux de Chevreul lui ont permis d'isoler un acide gras à quatre atomes de carbone, qu'il a nommé « acide butyrique », dérivé du latin butyrum, « beurre », à cause de son odeur caractéristique de beurre rance. Par la suite, l'élément but(y)- a été repris pour former les noms des molécules à quatre atomes de carbone dont, avec le suffixe -ane des alcanes, celui du butane.
L'acide butyrique est un acide carboxylique possédant une seule chaîne carbonée, dérivée du butane.
1. Déterminer la formule semi-développée et le schéma de Lewis de l'acide butyrique.
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2. Identifier l'atome d'hydrogène responsable de son acidité.
Le butanoate de méthyle \text{CH}_3(\text{CH}_2)_2\text{CO-O-CH}_3 est un ester utilisé comme arôme pour son odeur de pomme. Il est obtenu à partir de l'acide butyrique.
3. Préciser si l'ester formé a un caractère acide.
Le butanoate de méthyle \text{CH}_3(\text{CH}_2)_2\text{CO-O-CH}_3 est un ester utilisé comme arôme pour son odeur de pomme. Il est obtenu à partir de l'acide butyrique.
3. Préciser si l'ester formé a un caractère acide.
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34Acide phosphorique
✔ REA : Utiliser un modèle
L'acide phosphorique \text{H}_3\text{PO}_4 est un triacide. Il est utilisé dans certains sodas ou dans des systèmes d'irrigation comme régulateur de \text{pH}.
Champs irrigués de l'ouest des États-Unis.
1. Indiquer les trois couples acide-base issus de cet acide.
2. Parmi les espèces contenues dans ces couples, préciser lesquelles sont amphotères.
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35\textbf{pH} des océans
✔ REA/MATH : Utiliser des outils mathématiques
1. Préciser quelle propriété chimique possède le \text{CO}_2.
2. Déterminer le pourcentage de variation du \text{pH} entre 2018 et 2100. Commenter.
2. Déterminer le pourcentage de variation du \text{pH} entre 2018 et 2100. Commenter.
3. En déduire la variation de la concentration en ion oxonium \text{H}_3\text{O}^+ \text{(aq)} entre 2018 et 2100.
4. Justifier l'emploi des termes « échelle logarithmique ».
4. Justifier l'emploi des termes « échelle logarithmique ».
Doc.
\textbf{pH} des océans
Si les émissions de dioxyde de carbone \text{CO}_2\text{(g)} se poursuivent « comme si de rien n'était », l'acidification des océans devrait atteindre des niveaux records. C'est ce qu'affirment des chercheurs de l'université de Cardiff (Royaume-Uni). Rappelons que l'acidification des océans se produit lorsque le \text{CO}_2\text{(g)} atmosphérique est absorbé par l'eau. Depuis le début de l'ère industrielle, l'océan a ainsi déjà absorbé quelque 525 milliards de tonnes de \text{CO}_2\text{(g)}.
Et si les émissions doivent se poursuivre au même rythme qu'aujourd'hui, la concentration en \text{CO}_2\text{(g)} dans l'atmosphère atteindra les 930 parties par million (ppm) en l'an 2100, contre environ 400 ppm aujourd'hui. De quoi faire passer le \text{pH} des océans de 8{,}1 en 2018 à seulement 7{,}8 en 2100. Une augmentation de l'acidité considérable sur une échelle logarithmique comme celle du \text{pH}.
Et si les émissions doivent se poursuivre au même rythme qu'aujourd'hui, la concentration en \text{CO}_2\text{(g)} dans l'atmosphère atteindra les 930 parties par million (ppm) en l'an 2100, contre environ 400 ppm aujourd'hui. De quoi faire passer le \text{pH} des océans de 8{,}1 en 2018 à seulement 7{,}8 en 2100. Une augmentation de l'acidité considérable sur une échelle logarithmique comme celle du \text{pH}.
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36
Copie d'élève à commenter
Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.
L'éthanoate de sodium \text{CH}_3\text{COONa(s)} est un solide blanc. Sa solidification libère de l'énergie sous forme thermique dans les chaufferettes chimiques. En solution aqueuse, l'éthanoate de sodium donne l'ion éthanoate \text{CH}_3\text{COO}^-\text{(aq)}.
1. Écrire l'équation de dissolution de l'éthanoate de sodium dans l'eau.
2. Justifier le caractère basique de l'ion éthanoate.
3. Écrire l'équation de la réaction entre l'ion éthanoate et l'eau.
4. Le \text{pH} d'une solution dans laquelle on a dissous de l'éthanoate de sodium est de 8{,}9. Calculer la concentration en ion \text{H}_3\text{O}^+ \text{(aq)}.
1. \text{CH}_3\text{COONa(s)}+ \color{red}\cancel{\color{black}{\text{H}_2\text{O(l)}}} \longrightarrow \text{CH}_3 \text{COO}^- \text{(aq)}+ \text{Na}^+ \text{(aq)}
2. Il peut gagner un ion \text{H}^+. Préciser.
3. \text{CH}_3 \text{COO}^- \text{(aq)} + \;\text{H}_2 \text{O} \text{(l)} \rightleftarrows \color{red}\cancel{\color{black}{\text{H}_3\text{O}^+ (\text{aq}) + \;\text{CH}_2 \text{COO}^{2-}} \text{(aq)}}
4. [\text{H}_3\text{O}^+] = \color{red}\cancel{\color{black}{10^{\text{pH}}}}
AN : [\text{H}_3 \text{O}^+] = \color{red}\cancel{\color{black}{10^{8,9} = 7{,}9 \times 10^8}}?
2. Il peut gagner un ion \text{H}^+. Préciser.
3. \text{CH}_3 \text{COO}^- \text{(aq)} + \;\text{H}_2 \text{O} \text{(l)} \rightleftarrows \color{red}\cancel{\color{black}{\text{H}_3\text{O}^+ (\text{aq}) + \;\text{CH}_2 \text{COO}^{2-}} \text{(aq)}}
4. [\text{H}_3\text{O}^+] = \color{red}\cancel{\color{black}{10^{\text{pH}}}}
AN : [\text{H}_3 \text{O}^+] = \color{red}\cancel{\color{black}{10^{8,9} = 7{,}9 \times 10^8}}?
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37Incertitudes de mesures
✔ VAL : Évaluer les incertitudes
Une ingénieure en chimie réalise une solution de concentration [\text{H}_3\text{O}^+] = 1{,}0 \times 10^{-2} mol·L-1. Après réalisation de la solution, elle vérifie sa fabrication en mesurant le \text{pH}. Elle obtient un \text{pH} = 1{,}9 à l'aide d'un pH-mètre. On précise que pour un pH‑mètre de résolution d, l'incertitude‑type est égale à :
u(\mathrm{pH})=\frac{d}{2 \sqrt{3}}
L'incertitude sur la concentration des ions oxonium correspond à :
u\left(\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]\right)=\ln (10) \cdot u(\mathrm{pH}) \cdot\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]
Vérifier la qualité de sa préparation.
Donnée
- Résolution du pH-mètre : d = 0{,}1
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38Acide benzoïque d'un soda
✔ ANA/ANA : Construire un raisonnement
On souhaite isoler l'acide benzoïque \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH(aq)} présent dans une boisson. En dehors de l'acide benzoïque, la boisson contient également de l'acide phosphorique, de l'acide citrique ainsi que de l'eau. Il s'agit donc de séparer l'acide benzoïque des autres acides. Dans un bécher, on place un volume V = 100 mL de boisson dégazée. On précise que le toluène et l'eau ne sont pas miscibles.
| Espèce chimique | Solubilité dans l'eau à 20 °C | Solubilité dans le toluène |
|---|---|---|
| Acide benzoïque | 2,4 g·L-1 | 110 g·L-1 |
| Ion benzoate | 650 g·L-1 | Insoluble |
| Acide phosphorique | Tr ès bonne | Insoluble |
| Acide citrique | Très bonne | Insoluble |
1. Justifier que le toluène est un bon solvant pour cette extraction.
2. Représenter l'ampoule à décanter après ajout du solvant et agitation, en précisant et en justifiant la position et la composition de chaque phase.
On élimine la phase aqueuse et on ajoute un excès de solution d'hydroxyde de sodium \text{(Na}^+\text{(aq)} \:; \text{HO}^-\text{(aq))} dans l'ampoule à décanter, puis on agite.
2. Représenter l'ampoule à décanter après ajout du solvant et agitation, en précisant et en justifiant la position et la composition de chaque phase.
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On élimine la phase aqueuse et on ajoute un excès de solution d'hydroxyde de sodium \text{(Na}^+\text{(aq)} \:; \text{HO}^-\text{(aq))} dans l'ampoule à décanter, puis on agite.
3. Écrire l'équation de la réaction qui se produit entre l'acide benzoïque et les ions hydroxyde \text{HO}^-\text{(aq)}.
On récupère alors la nouvelle phase aqueuse et on ajoute une solution concentrée d'acide chlorhydrique. On voit alors apparaître des cristaux blancs. La pesée indique 0{,}38 g.
4.a. Justifier l'apparition des cristaux blancs.
b. Citer un dispositif efficace utilisé au laboratoire pour récupérer les cristaux.
c. Citer deux techniques simples pour vérifier la pureté des cristaux.
On récupère alors la nouvelle phase aqueuse et on ajoute une solution concentrée d'acide chlorhydrique. On voit alors apparaître des cristaux blancs. La pesée indique 0{,}38 g.
4.a. Justifier l'apparition des cristaux blancs.
b. Citer un dispositif efficace utilisé au laboratoire pour récupérer les cristaux.
c. Citer deux techniques simples pour vérifier la pureté des cristaux.
Données
- Masses volumiques des solvants : \rho_{\text{toluène}} = 0{,}867 g·cm-3 et \rho_{eau} = 1{,}000 g·cm-3
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39Détartrage
✔ RAI/ANA : Utiliser et interpréter des documents
D'après le sujet Bac S, métropole, 2011.
Le tartre est essentiellement constitué d'un dépôt solide de carbonate de calcium de formule \text{CaCO}_3\text{(s)}. Il peut boucher les cafetières s'il n'est pas nettoyé.
Lors du détartrage, l'acide lactique (noté \text{AH(aq)} et de masse molaire 90{,}0 g·mol-1) réagit avec le carbonate de calcium suivant la réaction d'équation :
\text{CaCO}_3\text{(s)}+ 2\ \text{AH(aq)} \rightleftarrows \text{CO}_2,\text{H}_2\text{O(aq)} + \text{Ca}^{2+}\text{(aq)}+ 2\ \text{A}^-\text{(aq)}
Dans un ballon, on verse 10{,}0 mL de la solution de détartrant contenant l'acide lactique, diluée 10 fois. On introduit une masse m = 0{,}20 g de carbonate de calcium de masse molaire égale à 100 g·mol-1. On ferme le ballon avec un bouchon muni d'un tube à dégagement relié à un capteur de pression. Ce capteur permet de mesurer la pression du dioxyde de carbone qui est à T = 298 K. Au bout de 10 min, la pression est de 155 hPa. Le \text{CO}_2\text{(g)} gazeux émis occupe un volume de 310 mL.
Lors du détartrage, l'acide lactique (noté \text{AH(aq)} et de masse molaire 90{,}0 g·mol-1) réagit avec le carbonate de calcium suivant la réaction d'équation :
\text{CaCO}_3\text{(s)}+ 2\ \text{AH(aq)} \rightleftarrows \text{CO}_2,\text{H}_2\text{O(aq)} + \text{Ca}^{2+}\text{(aq)}+ 2\ \text{A}^-\text{(aq)}
Dans un ballon, on verse 10{,}0 mL de la solution de détartrant contenant l'acide lactique, diluée 10 fois. On introduit une masse m = 0{,}20 g de carbonate de calcium de masse molaire égale à 100 g·mol-1. On ferme le ballon avec un bouchon muni d'un tube à dégagement relié à un capteur de pression. Ce capteur permet de mesurer la pression du dioxyde de carbone qui est à T = 298 K. Au bout de 10 min, la pression est de 155 hPa. Le \text{CO}_2\text{(g)} gazeux émis occupe un volume de 310 mL.
1. Justifier qu'il s'agit d'une réaction acide-base.
2. Préciser si tout le carbonate de calcium a été consommé.
3. Calculer la concentration en acide lactique en (mol·L-1) du détartrant.
2. Préciser si tout le carbonate de calcium a été consommé.
3. Calculer la concentration en acide lactique en (mol·L-1) du détartrant.
Doc.
Évolution du volume molaire \bm V_\textbf{m}
Évolution du volume molaire V_\text{m} d'un gaz en fonction de la pression p du gaz à 25 °C .
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j'ai une idée !
Oups, une coquille
