Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac

1. Constitution et transformations de la matière

Composition et évolution d'un système

Ouverture de thème p. 16-17

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

Prévision et stratégie en chimie

Ouverture de thème p. 146-147

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

Ouverture de thème

p. 290-291

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

Ouverture de thème

p. 402-403

Ch. 15

Étude d’un système thermodynamique

Ch. 16

Bilans d'énergie thermique

BAC

Thème 3

4. Ondes et signaux

Ouverture de thème

p. 462-463

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 4

Exercices

Pour s'entraîner

20
Paramètre d'influence en QCM

✔ APP : Extraire l'information utile

Pour aborder un chapitre de cinétique, et l'influence des facteurs cinétiques sur la vitesse volumique, un enseignant conseille à ses élèves de lire intégralement l'exercice et de bien comprendre l'énoncé avant de se lancer dans la rédaction des réponses.
L'un d'entre eux suit le conseil prodigué et arrive rapidement sur le graphique suivant, représentant l'évolution de la concentration d'une espèce chimique en fonction du temps pour une série de trois expériences.
Sans contexte particulier pour le renseigner, on se propose d'aider cet élève à décrypter.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : lelivrescolaire.fr

1. Le graphique présente l'évolution de la concentration :

a. d'un réactif.

b. d'un produit.

c. d'un réactif ou d'un produit, il n'est pas possible de le savoir.

2. Identifier le paramètre expérimental qui a été modifié entre ces trois expériences.

a. La température.

b. La concentration initiale.

c. L'équation-bilan.

3. Préciser laquelle de ces affirmations est vraie.

a. Le temps de demi-réaction augmente lorsque le paramètre précédent augmente.

b. Le temps de demi-réaction diminue lorsque le paramètre précédent augmente.

c. Le temps de demi-réaction reste inchangé, peu importe le paramètre précédent.

21
Décomposition de l'iodure d'hydrogène

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

Lors de la décomposition de l'iodure d'hydrogène

HI (g)

, il se forme du diiode

I_{2} (g)

de couleur violette et du dihydrogène

H_{2} (g)

. La décomposition à 1 000 K de l'iodure d'hydrogène

HI (g)

est étudiée et on représente la concentration en diiode

I_{2} (g)

formé, c'est-à-dire la quantité de diiode par unité de volume de gaz, sur le graphique ci-dessous.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : lelivrescolaire.fr

1. Proposer une méthode de suivi expérimental de la concentration en diiode

I_{2} (g)

2. Déterminer la concentration finale en diiode.

3. En déduire la concentration initiale en iodure d'hydrogène.

4. Déterminer le temps de demi-réaction

t_{1 / 2}

22
Synthèse du phosgène

✔ REA : Utiliser un modèle

Le phosgène

COCl_{2} (g)

est synthétisé par un mécanisme en quatre étapes qui fait intervenir une espèce instable

Cl^{∙} (g)

, espèce dite radicalaire.

$2 Cl (g) \to 2 Cl^{∙} (g)$
$CO (g) + Cl^{∙} (g) \to COCl (g)$
$COCl (g) + Cl_{2} (g) \to COCl_{2} (g) + Cl^{∙} (g)$
$2 Cl^{∙} (g) \to Cl_{2} (g)$

1. Écrire l'équation-bilan.

2. Vérifier la présence ou non d'un catalyseur.

3. Identifier l'intermédiaire réactionnel.

Détails du barème
TOTAL / 3 pts

1 pt

1. Établir l'équation-bilan.

1 pt

2. Repérer la présence ou non d'un catalyseur en rappelant sa définition.

1 pt

3. Identifier un intermédiaire réactionnel.

23
Substitution

✔ VAL : Faire preuve d'esprit critique

Dessinez ici

En milieu basique, le bromoéthane peut subir une substitution selon le mécanisme suivant, produisant ainsi de l'éthanol.

1. Cliquer sur l'image du mécanisme et ajouter les flèches courbes en justifiant leur sens.

2. Justifier le terme « substitution ».

24
Variation de la température

✔ VAL : Analyser des résultats

Un chimiste souhaite réaliser l'estérification de l'éthanoate de butyle d'équation :

C_{2} H_{4} O_{2} (l) + C_{4} H_{10} O (l) \to C_{6} H_{12} O_{2} (l) + H_{2} O (l)

Cette synthèse est réalisée à trois températures différentes. À l'aide de prélèvements plongés dans des bains d'eau glacée, il réalise des titrages par la soude pour estimer la concentration d'acide éthanoïque au cours du temps.

Doc.
Concentration d'acide éthanoïque

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : lelivrescolaire.fr

Le graphe représente l'évolution temporelle de la concentration

[CH_{3} COOH]

pour trois températures différentes.

1. Préciser l'influence de la température sur la vitesse de réaction.

La synthèse étudiée suit une loi d'ordre 1 de sorte que la vitesse volumique de disparition de l'acide éthanoïque est proportionnelle à sa concentration. Le coefficient de proportionnalité est une constante

k

appelée constante de vitesse dépendant de la température.
On précise ici qu'elle est égale à

k_{1} = 0, 044

min^-1,

k_{2} = 0, 091

min^-1 et

k_{3} = 0, 173

min^-1.

2. Associer, à chaque courbe, sa constante.

3. Déterminer les temps de demi-réaction associés.

4. Calculer le produit

p = t_{1 / 2} \cdot k

. Commenter."

25
Mécanisme de Diels-Alder

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement

Le mécanisme ci-dessous permet d'obtenir un cycle à six atomes de carbone.

Dessinez ici

Il est connu sous le nom de mécanisme de Diels-Alder. Kurt Alder et Otto Diels ont obtenu le prix Nobel de chimie en 1950 pour leurs travaux.

Rendez-vous
ici
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1950/summary/
pour en apprendre davantage.

À l'aide de l'outil « dessin », ajouter les trois flèches courbes sur ce mécanisme pour symboliser le mouvement des doublets d'électrons.

26

Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

Dans les gouttelettes de pluie ayant capté du dioxyde de soufre, on retrouve l'ion hydrogénosulfite

HSO_{3}^{-} (aq)

. Celui-ci réagit avec le dioxygène dissous pour former des ions hydrogène

H^{+} (aq)

et des ions sulfate

SO_{4}^{2 -} (aq)

HSO_{3}^{-} (aq) + \frac{1}{2} O_{2} (aq) \to H^{+} (aq) + SO_{4}^{2 -} (aq)

1. Exprimer la vitesse volumique de disparition

v

des ions hydrogénosulfite en fonction de

[HSO_{3}^{-}]

en considérant que la réaction est d'ordre 1.

2. Établir l'équation différentielle selon

[HSO_{3}^{-}]

3. Vérifier que

[HSO_{3}^{-}] = [HSO_{3}^{-}]_{0} \cdot exp (- t \cdot k)

est solution de l'équation différentielle.

1. La vitesse volumique de disparition des ions hydrogénosulfite est :

v = k + [HSO_{3}^{-}]

2. On peut donc établir que

\frac{d [ HSO _{3}^{-} ]}{d t} = k \cdot [HSO_{3}^{-}]

qui est l'équation différentielle selon la concentration en ion hydrogénosulfite. Attention au signe.
3. On remplace l'expression de

[HSO_{3}^{-}]

dans l'équation différentielle et on remarque que cette expression est bonne. À développer.

27
Vitesse volumique et absorbance

✔ VAL : Exploiter un ensemble de mesures

On étudie la réaction entre les ions chrome

Cr^{3 +} (aq)

et l'éthylènediaminetétra‑acétique, plus communément appelée EDTA de formule

C_{10} H_{16} N_{2} O_{8} (aq)

. Son écriture est simplifiée dans l'équation de la réaction suivante :

Cr^{3 +} (aq) + EDTA (aq) \to Cr-EDTA^{3 +} (aq)

Les deux espèces chimiques

Cr^{3 +} (aq)

Cr-EDTA^{3 +} (aq)

sont colorées et absorbent toutes deux à la longueur d'onde de travail

λ = 540

nm utilisée pour suivre l'absorbance du milieu réactionnel.

On utilise pour la réaction un excès d'EDTA et une concentration initiale en ion

Cr^{3 +} (aq)

égale à

c = 0, 0030

mol·L^-1. On obtient le tableau suivant pour les mesures d'absorbance sur une heure :

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : SPL/Science Source/Turtle Rock Scientific

Temps $t$ (min)	Absorbance $A$
0	0,058
5	0,080
10	0,101
15	0,120
20	0,139
25	0,158
30	0,176
35	0,193
40	0,210
45	0,226
50	0,242
55	0,256
60	0,271

1. Rappeler la loi de Beer-Lambert et justifier que l'on peut écrire :

A = k_{1} \cdot [Cr^{3 +}] + k_{2} \cdot (c - [Cr^{3 +}])

où

A

: absorbance de la solution

k_{1}

k_{2}

: coefficients de proportionnalité entre les absorbances propres et les concentrations des espèces

Cr^{3 +} (aq)

Cr-EDTA^{3 +} (aq)

(L·mol^-1)

[Cr^{3 +}]

: concentration en ion

Cr^{3 +} (aq)

(mol·L^-1)

c

: concentration initiale en ion

Cr^{3 +} (aq)

(mol·L^-1)

2. En déduire l'expression de la concentration

[Cr^{3 +}]

en fonction de

A

, de

k_{1}

, de

k_{2}

et de

c

La vitesse volumique

v

de disparition des ions

Cr^{3 +} (aq)

est définie par :

v = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ \frac{d [ Cr ^{3 +} ]}{d t} ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

3. Vérifier que la réaction présente un ordre 1 concernant les ions

Cr^{3 +} (aq)

28
Ordre de réaction

✔ VAL : Exploiter un ensemble de mesures

On s'intéresse à la réaction suivante :

C_{4} H_{9} Cl (aq) + HO^{-} (aq) \to C_{4} H_{10} O (aq) + Cl^{-} (aq)

Un suivi cinétique par conductimétrie est réalisé. Le milieu réactionnel est préparé en introduisant les réactifs dans des proportions stœchiométriques, de telle sorte que les quantités initiales en 2-chlorobutane

C_{4} H_{9} Cl (aq)

et en ion hydroxyde

HO^{-} (aq)

soient égales. L'ajout d'ion hydroxyde

HO^{-} (aq)

s'effectue à l'aide d'une solution d'hydroxyde de sodium

(Na^{+} (aq); HO^{-} (aq))

. Les mesures sont regroupées dans le tableau ci-dessous.

Temps $t$ (min)	0	10	20	30	60	120
Conductivité $σ$ (S·m^-1)	12,44	10,64	9,38	8,48	7,08	6,42

1. Lister les espèces chimiques responsables de la conductivité de la solution.

2. Exprimer la conductivité

σ

en fonction de la concentration de ces espèces chimiques et de leur conductivité molaire ionique.

On note

c_{0} = 0, 50

mol·L^-1 la concentration en ion hydroxyde

HO^{-} (aq)

apporté.

3. Exprimer

[Cl^{-}]

en fonction de

[HO^{-}]

4. En déduire l'expression de

[HO^{-}]

en fonction de

σ

, de

λ (Cl^{-})

(HO^{-})

et de

λ (Na^{+})

5. Préciser en le justifiant s'il s'agit d'une réaction d'ordre 1 selon les ions hydroxyde

HO^{-} (aq)

Données

Conductivités molaires ioniques :
- $λ (Cl^{-}) = 7, 63$ (mS·m²·mol^-1)
- $λ (HO^{-}) = 19, 86$ (mS·m²·mol^-1)
- $λ (Na^{+}) = 5, 01$ (mS·m²·mol^-1)

Doc.

Conductimètre et sa sonde

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Andréa Aubert/EDS

A
Évolution des concentrations

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

On étudie une réaction dans une solution de volume

V = 200

mL. La réaction fait intervenir quatre espèces chimiques (notées A, B, C et D). L'évolution des concentrations de ces quatre espèces est donnée sur le graphique ci‑dessous.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

1. Identifier les réactifs et les produits. Préciser quel est le réactif limitant.

2. Comment est appelée l'espèce C ?

3. Écrire l'équation bilan de cette réaction.

4. Déterminer l'avancement final.

B
Vitesse initiale

✔ REA/MATH : utiliser des outils mathématiques

On s'intéresse à décomposition du peroxyde d'hydrogène

H_{2} O_{2} (a q)

par les ions iodures

I^{-} (a q)

en milieu acide dont l'équation est la suivante :

H_{2} O_{2} (a q) + 3 I (a q) + 2 H^{+} (a q) \to I_{3}^{-} (a q) + 2 H_{2} O (l)

L'ion triiodure

I_{3}^{-} (a q)

est la seule espèce colorée présente. On suit l'avancement de la réaction en mesurant l'absorbance

A

de la solution pour une longueur d'onde de

415

nm. Le résultat est donné sur la courbe ci‑dessous.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

1. Écrire la loi de Beer‑Lambert appliquée à cette solution.

2. En déduire l'expression littérale de l'avancement

x

en fonction de l'absorbance

A .

3. Exprimer la vitesse d'apparition de l'ion triiodure

I_{3}^{-} (a q)

en fonction de

\frac{d A}{d t} .

4. Déterminer la vitesse d'apparition de l'ion triiodure

I_{3}^{-} (a q)

à l'instant initial.

Données

Longueur de la cuve du spectrophotomètre : $l = 1, 0$ cm
Coefficient d'absorption molaire de l'ion triiodure $I_{3}^{-} (a q)$ à $415$ nm : $ϵ = 4360$ L·mol^-1·cm^-1

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20
Paramètre d'influence en QCM

21
Décomposition de l'iodure d'hydrogène

22
Synthèse du phosgène

Détails du barème
TOTAL / 3 pts

23
Substitution

24
Variation de la température

25
Mécanisme de Diels-Alder

26

Copie d'élève à commenter

27
Vitesse volumique et absorbance

28
Ordre de réaction

A
Évolution des concentrations

B
Vitesse initiale

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23Substitution

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