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Exercices Objectif Bac
P.171-172

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Objectif
Pictogramme de Bac





Comprendre les attendus

35
Pile citron

RAI/ANA : Élaborer un protocole
APP : Formuler des hypothèses

D’après le sujet Bac S, centres étrangers, 2011.

Un moyen simple de réaliser une pile est de planter un trombone recouvert de zinc et une pièce recouverte de cuivre dans un citron.
Une lampe, reliée d’un côté au trombone et de l’autre à la pièce, s’allume. Un voltmètre branché à la pile citron affiche 0,840,84 V. Sa borne V est du côté du cuivre, la borne COM est reliée au trombone.

1. Préciser ce que représente la valeur mesurée.


2. Déterminer la polarité de la pile au niveau du trombone et de la pièce. Justifier.


Au cours de l’utilisation de la pile, du dihydrogène H2(g)\text{H}_2\text{(g)} se dégage.

3. Écrire les demi‑équations d’oxydoréduction ayant lieu à chaque électrode.


4. En déduire l’équation de réaction globale de la pile citron.


5. Préciser d’où proviennent les ions H+(aq)\text{H}^+\text{(aq)}.


6. Toujours à partir de citrons, trombones et pièces de cuivre, proposer un dispositif délivrant une tension deux fois plus grande.


Données

    • Couples d’oxydoréduction : Zn2+(aq)\text{Zn}^{2+}\text{(aq)}/Zn(s)/\text{Zn(s)} et H+(aq)/H2(g)\text{H}^+\text{(aq)/H}_2\text{(g)}



Détails du barème

TOTAL / 6 pts
1. Connaître ses définitions
0,5 pt
2. Savoir utiliser un voltmètre.
0,5 pt
Identifier une anode et une cathode.
1 pt
3. Identifier les couples mis en jeu à chaque électrode et équilibrer les demi‑équations.
1 pt
4. Écrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction en tenant bien compte du nombre d’électrons de chaque demi‑équation.
0,5 pt
5. Justifier la présence des ions H+(aq)\text{H}^+\text{(aq)}.
0,5 pt
6. Choisir un paramètre influençant une grandeur.
2 pts
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36
Pile cuivre‑aluminium

REA : Utiliser un modèle
COM : Rédiger correctement une résolution d’exercice
D’après le sujet Bac S, Antilles, 2004.

Une pile est composée de deux demi‑piles reliées par un papier filtre imbibé d’une solution de chlorure de potassium (K+(aq);Cl(aq))(\text{K}^+\text{(aq)} ; \text{Cl}^-\text{(aq))}. La première demi‑pile est constituée d’une lame d’aluminium de masse m1=1,0m_1 = 1{,}0 g qui plonge dans 5050 mL de solution de sulfate d’aluminium (2 Al3+(aq) ; 3 SO42(aq))\left(2  \mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{aq})  ;  3  \mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq})\right) de concentration en ion aluminium Al3+(aq)\text{Al}^{3+}\text{(aq)} égale à [Al3+]=5,0×101\text{[Al}^{3+}] = 5{,}0 \times 10^{-1} mol⋅L-1.

La seconde est constituée d’une lame de cuivre de masse m2=8,9m_2 = 8{,}9 g qui plonge dans 5050 mL de solution de sulfate de cuivre (Cu2+(aq) ; SO42(aq))\left(\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})  ;  \mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq})\right) de concentration en ion cuivre Cu2+(aq)\text{Cu}^{2+}\text{(aq)} égale à [Cu2+]=5,0×101\text{[Cu}^{2+}] = 5{,}0 \times 10^{-1} mol⋅L-1. Un ampèremètre indique qu’à l’extérieur de la pile, le courant circule de la plaque de cuivre vers la plaque d’aluminium.

1. Rappeler le rôle du papier filtre.


2. Préciser le sens de déplacement des électrons.


3. Indiquer quelle lame est l’anode.


4. Réaliser le schéma annoté de la pile.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


L’équation de fonctionnement de la pile est :
3 Cu2+(aq)+2 Al(s)3 Cu(s)+2 Al3+(aq)3  \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+2  \mathrm{Al}(\mathrm{s}) \rightleftarrows 3  \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+2  \mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{aq})

5. Écrire les demi‑équations d’oxydoréduction à chaque électrode.


La constante d’équilibre associée à l’équation précédente est K=10200K = 10^{200}.

6. a. Exprimer puis calculer la valeur du quotient de réaction Qr,iQ_\text{r,i} à l’état initial.


b. Conclure quant à la cohérence du sens d’évolution attendu.


7. Faire le bilan des quantités de matière du système chimique à l’état initial.


8. Établir le tableau d’avancement de la réaction de manière littérale.

Avancement
++
\rightarrow
++
État initial x=0x = 0 mol
État intermédiaire xx
État final xmaxx_\text{max}

9. En déduire la valeur de l’avancement maximal xmaxx_\text{max}.


10. Calculer la capacité électrique que peut débiter cette pile.


Données
  • Constante de Faraday : F=9,65×104F = 9{,}65 \times 10^4 C⋅mol-1
  • Masses molaires atomiques : M(Al)=27,0M\text{(Al)} = 27{,}0 g⋅mol–1 et M(Cu)=63,5M\text{(Cu)} = 63{,}5 g⋅mol–1
  • Couples d’oxydoréduction : Cu2+(aq)/Cu(s)\text{Cu}^{2+}\text{(aq)/Cu(s)} et Al3+(aq)/Al(s)\text{Al}^{3+}\text{(aq)/Al(s)}
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37
Odeur de rhum

REA : Utiliser un modèle
RAI/ANA : Construire un raisonnement
D’après le sujet Bac S, Polynésie, 2003.

Le méthanoate d’éthyle C3H6O2\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2 est un ester présentant une odeur de rhum. Il est utilisé dans l’industrie alimentaire pour parfumer des aliments sans avoir à les alcooliser directement avec du rhum. L’acide méthanoïque HCOOH\text{HCOOH} et l’éthanol C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O} sont à l’origine de la synthèse de cet ester.

Rhum
2 tonneaux de rhum

Le rhum est fabriqué à partir de canne à sucre, par fermentation puis distillation.

1. Écrire l’équation de la synthèse de cet ester et identifier la seconde espèce chimique produite.


Dans un ballon de 250250 mL sont introduits 7070 mL d’éthanol de masse volumique ρ1\rho_1, quatre gouttes de solution d’acide sulfurique concentré H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} et quelques grains de pierre ponce. On ajoute 45 mL d’acide méthanoïque de masse volumique ρ2\rho_2. Le mélange est chauffé à reflux jusqu’à l’obtention de tout l’ester possible. L’état d’équilibre est atteint.

2. a. Préciser le rôle de l’acide sulfurique.


b. Identifier le montage à reflux. Nommer l’autre montage.
Deux montages, dont un a reflux


c. Réaliser le tableau d'avancement de la réaction.

Avancement
++
\rightarrow
++
État initial x=0x = 0 mol
État intermédiaire xx
État final xmaxx_\text{max}

d. Calculer le taux d’avancement final de la réaction.


Données
  • Masses volumiques : ρ1=0,789ρ_1 = 0{,}789 g⋅mL-1 et ρ2=1,22ρ_2 = 1{,}22 g⋅mL-1
  • Quantités de matière à l’état final : n(C3H6O2)=0,80n\text{(C}_3\text{H}_6\text{O}_2) = 0{,}80 mol et n(HCOOH)=n(C2H6O)=0,40n\text{(HCOOH)} = n\text{(C}_2\text{H}_6\text{O)} = 0{,}40 mol
  • Masses molaires : M(C)=12,0M(\text{C}) = 12{,}0 g·mol-1, M(H)=1,0M(\text{H}) = 1,0 g·mol-1 et M(O)=16,0M(\text{O}) = 16,0 g·mol-1
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38
Pile à combustible à dihydrogène

RAI/ANA : Construire un raisonnement
COM : Rédiger correctement une résolution d’exercice

Une pile à combustible (PAC) à dihydrogène génère de l’électricité à partir de l’oxydation du dihydrogène H2(g)\text{H}_2\text{(g)} et la réduction du dioxygène O2(g)\text{O}_2\text{(g)}. Cette pile particulière produit de l’eau.

1. Écrire les demi‑équations pour chaque électrode.


2. Montrer que l’équation de la réaction globale est :
2 H2(g)+O2(g)2 H2O(l)2  \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 2  \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})



3. Du platine est inséré entre les deux électrodes afin de jouer le rôle de catalyseur. Rappeler le rôle d’un catalyseur.


Une cellule élémentaire fonctionne pendant une durée Δt=192Δt = 192 h et débite un courant d’intensité considérée constante I=300I = 300 A.

4. En utilisant les demi‑équations des réactions se produisant aux électrodes, calculer la quantité de matière de chacun des gaz réactifs nécessaires au fonctionnement d’une cellule élémentaire.
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Données
  • Couples d’oxydoréduction : O2(g)/H2O (l)\text{O}_2 \text{(g)/H}_2\text{O (l)} et H+(aq)/H2(g)\text{H}^+\text{(aq)/H}_2 \text{(g)}

Doc 1
Voiture à pile à combustible

Les véhicules alimentés par une pile au dihydrogène peinent à s’imposer sur le marché des véhicules « propres » actuellement dominé par les véhicules 100100 % électriques.

Toutefois, les constructeurs automobiles ne délaissent pas ces véhicules, à l’image de BMW qui a annoncé le lancement de son premier véhicule doté d’une chaîne de traction basé sur une pile à combustible au dihydrogène pour 2021.

Doc 2
Train à dihydrogène

photo d'un train à dihydrogène
Les voitures ne sont pas les seuls moyens de transport susceptibles de rouler au dihydrogène. Le premier train à dihydrogène, le Coradia iLint, a été testé en Europe et son premier trajet commercial a eu lieu le 19 septembre 2018 en Allemagne.
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