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 6

Exercices

Pour s'échauffer - Pour commencer

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Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

	Pour s'échauffer	Pour commencer	Différenciation	Pour s'entraîner
Savoir déterminer le sens d'évolution spontanée	7	15
Savoir déterminer un quotient de réaction	5			34
Savoir déterminer les caractéristiques d'une pile			19 20 21	27 30

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Pour s'échauffer

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5
Quotient de réaction

Donner l'expression du quotient de réaction

Q_{r}

pour chacune des réactions chimiques suivantes :

C H_{3} C O_{2} H (a q) + H_{2} O (l) ⇄ C H_{3} C O_{2}^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

C u (s) + 2 A g^{+} (a q) ⇄ C u^{2 +} (a q) + 2 A g (s)

H O^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q) ⇄ 2 H_{2} O (l)

2 H_{2} O (l) ⇄ H O^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

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6
Équation de réaction chimique

Écrire les équations de réaction à partir des quotients de réaction suivants :

a.

Q_{r} = \frac{[ N H _{4}^{+} ] \cdot [ F ^{-} ]}{[ H F ] \cdot [ N H _{3} ]}

Q_{r} = \frac{[ A g ( C N ) _{2}^{-} ] \cdot ( c ^{\circ} ) ^{2}}{[ A g ^{+} ] \cdot [ C N ^{-} ] ^{2}}

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7
Sens spontané

On considère la réaction dont l'équation s'écrit :

C H_{3} C O O H (a q) + N H_{3} (a q) ⇄ C H_{3} C O O^{-} (a q) + N H_{4}^{+} (a q)

Cette réaction possède une constante d'équilibre

K = 2, 5 \times 1 0^{4}

à température ambiante. À l'état initial,

Q_{r,i} = 5, 1 \times 1 0^{4}

.

Déterminer le sens d'évolution spontanée de cette réaction.

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8
Pile cuivre‑argent

Les demi-équations d'une pile cuivre‑argent sont :

à la cathode : $C u^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \to C u (s)$
à l'anode : $A g (s) \to A g^{+} (a q) + e^{-}$

Écrire l'équation de fonctionnement de la pile.

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9
Schéma d'une pile

Annoter ce schéma avec les termes : anode, cathode et pont salin.

Dessinez ici

Cliquez sur le schéma pour l'agrandir. Puis cliquez sur modifier pour le compléter.

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Pour commencer

Quotient de réaction

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10
Consignes de sécurité en laboratoire

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

Le mélange de l'eau avec certains acides, dits forts, provoque une réaction fortement exothermique.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

1. Expliquer cette consigne de sécurité en laboratoire : « Ne jamais verser l'eau dans l'acide. Toujours verser l'acide dans l'eau. »

2. Écrire l'équation de la réaction acide-base entre l'eau

H_{2} O(l)

et l'acide sulfurique

H_{2} SO_{4} (l)

sachant que des ions sulfate

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

sont produits.

3. Exprimer le quotient de réaction

Q_{r}

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : SPL

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11
Calcul d'un quotient de réaction

✔ REA : Appliquer une formule

Les ions iodure

I^{-} (aq)

, en contact avec les ions peroxodisulfate

S_{2} O_{8}^{2 -} (a q)

, subissent une oxydation lente. On s'intéresse au mélange de

100

mL d'une solution de peroxodisulfate d'ammonium

(2 N H_{4}^{+} (a q); S_{2} O_{8}^{2 -} (a q))

de concentration

c_{1} = 0, 10

mol·L^-1 avec

100

mL de solution d'iodure de potassium

(K^{+} (aq) ; I^{-} (aq))

de concentration

c_{2} = 0, 20

mol·L^-1.

1. Établir l'équation de la réaction à partir des couples fournis.

2. Exprimer le quotient de réaction

Q_{r}

3. Calculer sa valeur à l'état initial.

La constante d'équilibre de cette réaction est égale à

K = 2 \times 1 0^{46}

.

4. Conclure quant au caractère total ou non de la réaction.

Donnée

Couples d'oxydoréduction : $I_{2} (a q) / I^{-} (a q)$ et $S_{2} O_{8}^{2 -} (a q) /$ $S O_{4}^{2 -} (a q)$

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Constante d'équilibre

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12
Calcul de la constante d'équilibre (1)

✔ REA : Appliquer une formule

L'acide ascorbique

C_{6} H_{8} O_{6}

, plus connu sous le nom de vitamine C, réagit avec l'eau selon l'équation :

C_{6} H_{8} O_{6} (a q) + H_{2} O (l) ⇄ C_{6} H_{7} O_{6}^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

À l'équilibre, les concentrations sont les suivantes :

$[C_{6} H_{8} O_{6}] = 2, 6 \times 1 0^{- 1}$ mol⋅L^-1 ;
$[C_{6} H_{7} O_{6}^{-}] = 3, 1 \times 1 0^{- 3}$ mol⋅L^-1 ;
$[H_{3} O^{+}] = 6, 7 \times 1 0^{- 3}$ mol⋅L^-1.

Calculer la constante d'équilibre

K

de cette réaction.

Doc
Scorbut

Le scorbut est une maladie due à un déficit alimentaire en acide ascorbique, plus connu sous le nom de vitamine C. Les symptômes les plus fréquents sont des malaises, une léthargie et une faiblesse généralisée. Durant la progression de la maladie, les articulations, les muscles, et les tissus sous‑cutanés peuvent subir des hémorragies.

La carence en acide ascorbique se retrouve fréquemment chez les enfants en bas âge nourris au lait de vache non supplémenté, exclusivement pendant leur première année. On le retrouve aussi souvent chez des patients atteint d'alcoolisme chronique.

D'après chu-rouen.fr.

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13
Calcul de la constante d'équilibre (2)

✔ REA : Appliquer une formule

Le cuivre

Cu(s)

réagit avec les ions argent

Ag^{+} (aq)

selon la réaction d'équation :

C u (s) + 2 A g^{+} (a q) ⇄ 2 A g (s) + C u^{2 +} (a q)

On plonge une lame de cuivre dans une solution de nitrate d'argent

(Ag^{+} (aq); NO_{3}^{-} (aq))

de concentration

c = 0, 50

mol·L^-1.

1. Calculer le quotient de réaction à l'instant initial.

2. À l'équilibre

[Cu^{2 +}]_{eq} = 0, 25

mol·L^-1 et

[Ag^{+}]_{eq} = 1, 1 \times 1 0^{- 8}

mol·L^-1, calculer la constante d'équilibre

K

de la réaction.

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Sens d'évolution

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14
Sens d'évolution d'une réaction

✔ VAL : Analyser des résultats

Une lame de zinc est plongée dans une solution contenant des ions

Cu^{2 +} (aq)

. Il se produit la réaction d'oxydoréduction suivante :

Z n (s) + C u^{2 +} (a q) ⇄ Z n^{2 +} (a q) + C u (s)

La constante d'équilibre de cette réaction est égale à

K = 1, 9 \times 1 0^{37}

Réaction d'oxydoréduction

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Andréa Aubert/EDS

En présence d'ions cuivre

Cu^{2 +} (aq)

, le zinc

Zn(s)

s'oxyde.

Préciser le sens d'évolution de la réaction sachant que

[C u^{2 +}]_{i} = 2, 0 \times 1 0^{- 2}

mol⋅L^-1 et

[Z n^{2 +}]_{i} = 3, 5 \times 1 0^{- 2}

mol⋅L^-1.

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15
Accident domestique

✔ REA : Appliquer une formule

L'eau de Javel est une solution aqueuse contenant des ions chlorure

Cl^{-} (aq)

, des ions hypochlorite

ClO^{-} (aq)

et des ions sodium

Na^{+} (aq)

. Mélangé à une solution acide contenant des ions oxonium

H_{3} O^{+} (aq)

, ce produit ménager peut réagir selon l'équation suivante :

C l O^{-} (a q) + C l^{-} (a q) + 2 H_{3} O^{+} (a q) ⇄ C l_{2} (a q) + 2 H_{2} O (l)

1. Exprimer le quotient de réaction

Q_{r}

2. Compte tenu de la constante d'équilibre fournie, et en supposant que tout le dichlore reste en solution, calculer la quantité de matière de dichlore

Cl_{2} (aq)

formé pour

2, 0

g d'ions hypochlorite

ClO^{-} (aq)

réagissant avec des ions oxonium

H_{3} O^{+} (aq)

et chlorure

Cl^{-} (aq)

en excès.

3. Le dichlore

Cl_{2} (aq)

en solution passe rapidement dans l'air, ce qui diminue sa concentration en solution. En déduire le sens d'évolution de la réaction.

4. Expliquer le danger à nettoyer ses toilettes en y versant de l'acide chlorhydrique puis de l'eau de Javel.

Données

Volume molaire à 20 °C sous 1,013 hPa : $V_{m} = 24$ L⋅mol^-1
Constante d'équilibre : $K = 3, 2 \times 1 0^{5}$

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Piles électriques

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16
Tension à vide d'une pile

✔ REA : Appliquer une formule

Une pile alcaline fonctionne à partir des couples

Zn(s)/ZnO(s)

à l'anode et

MnO_{2} (s)/Mn_{2} O_{3} (s)

à la cathode.

1. Rappeler ce qu'est la tension à vide d'une pile.

2. On place un voltmètre aux bornes de la pile, sa borne

COM

est reliée à la cathode. La tension à vide de cette pile est de 4,5 V. En déduire la valeur affichée par le voltmètre.

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17
Vélo électrique

✔ REA : Appliquer une formule

Une batterie de vélo à assistance électrique a une capacité électrique de 4 A⋅h. Sur le plat, la batterie débite un courant de 0,5 A. En montée, le courant est de 3 A.

1. Déterminer la durée de fonctionnement de l'assistance électrique sur une route horizontale.

2. Calculer la durée de fonctionnement de l'assistance pour une route exclusivement en pente ascendante.

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18
Pile cuivre-plomb

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

La borne d'entrée d'un voltmètre est reliée à la lame de cuivre

Cu(s)

et la borne

COM

à la lame de plomb

Pb(s)

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Lelivrescolaire.fr

1. Déterminer le sens du courant.

2. Identifier l'anode et la cathode.

3. À l'aide du schéma, écrire les demi‑équations d'oxydoréduction.

4. En déduire l'équation de fonctionnement de la pile.

Doc
Collecte et recyclage

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : petovarga/Shutterstock

1,3 milliard de piles et accumulateurs sont mis sur le marché en France. Cela représente environ 30 000 tonnes de matériaux.

En 2019, seulement 73 % des matériaux constituant les piles peuvent être recyclés. Leur utilisation n'est donc pas sans danger pour l'environnement.

Pour retrouver plus d'informations sur le

recyclage des piles.

https://www.jerecyclemespiles.com/nouveau-film-semaine-europeenne-recyclage-piles/

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A
Pile bouton air-zinc

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement
✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

Une pile bouton possède une capacité électrique

Q_{max} = 250

mA·h et génère un courant supposé constant d'intensité

I = 5, 0

mA. Les demi-équations sont :

Zn(s) + 4 HO^{-} (aq) = Zn(OH)_{4}^{2 -} (aq) + 2 e^{-}

O_{2} + 4 e^{-} + 2 H_{2} O(l) = 4 HO^{-} (aq)

1. Identifier l'anode et la cathode.

2. Écrire l'équation de réaction globale de la pile bouton.

3. Préciser la quantité d'électrons échangés lors de la réaction.

4. Calculer la durée de fonctionnement de la pile.

5. En déduire la masse de zinc disparue.

6. Calculer le volume de dioxygène consommé.

Données

Volume molaire à 20 °C sous 1 013 hPa : $V_{m} = 24$ L·mol^-1
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^-1

Doc
Piles bouton

Parmi les différentes sortes de piles « boutons » existe la pile bouton au lithium. Cette pile est très utilisée dans les jouets pour enfants mais nécessite des précautions d'usage.

« Dans un milieu humide comme l'œsophage, l'action électrique des piles est dangereuse pour les tissus. Le lithium qu'elles contiennent peut également s'avérer dangereux s'il se diffuse inopinément dans l'œsophage, et entraîner la formation de lésions potentiellement mortelles. Un phénomène qui touche majoritairement les 0‑5 ans et qui conduit, chaque année en France, plus de 1 200 personnes aux urgences. À noter que deux des derniers incidents concernaient des enfants de 6 et 10 ans ayant mis dans leur bouche un hand spinner lumineux, dont la pile est sortie de son compartiment. »

D'après LCI, décembre 2017.

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B
Masses des électrodes

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement

Une pile alcaline possède une capacité de 38 mA·h. Les demi-équations d'oxydoréduction aux électrodes sont :

Zn(s) + 4 HO^{-} (aq) = Zn(OH)_{4}^{2 -} (aq) + 2 e^{-}

MnO_{2} (s) + H_{2} O(l) + e^{-} = MnO(OH)(s) + HO^{-} (aq)

Calculer les masses minimales des électrodes.

Données

Masses molaires atomiques : $M (Mn) = 54, 9$ g·mol^-1, $M (O) = 16, 0$ g·mol^-1 et $M (Zn) = 65, 4$ g·mol^-1
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C·mol^-1

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C
Court‑circuit

✔ APP : Extraire l'information utile

Une pile, ou plus généralement un générateur, se retrouve en court‑circuit lorsque ses deux bornes positive et négative sont reliées, par un fil ou du métal par exemple.

1. Faire le schéma d'un court-circuit.

Dessinez ici

Le fil électrique possède une résistance de

0, 010 Ω

2. Calculer l'intensité du courant

I

débité par une pile de 12 V en court‑circuit.

3. En déduire la puissance dissipée par effet Joule.

4. Calculer l'énergie dissipée au bout de 1,0 min.

5. Expliquer le phénomène observé lorsqu'on place de la paille de fer entre les bornes d'une pile 4,5 V.

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Une notion, trois exercices
Différenciation

Savoir-faire : Savoir déterminer les caractéristiques d'une pile

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19
Capacité électrique et durée de vie

✔ REA : Appliquer une formule

Un fabricant indique que sa pile peut débiter un courant d'intensité

I = 35

mA pendant 800 h.

1. Calculer la capacité électrique maximale

Q_{max}

de la pile (en A⋅h).

2. Convertir

Q_{max}

en coulomb (C).

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20
Pile Daniell

✔ REA : Appliquer une formule

La pile Daniell est constituée d'une anode en zinc

Zn(s)

et d'une cathode en cuivre

Cu(s)

.

1. Écrire les demi‑équations des couples

Zn^{2 +} (aq)/Zn(s)

Cu^{2 +} (aq)/Cu(s)

2. En déduire l'équation de fonctionnement de la pile.

3. Déterminer la quantité d'électrons mis en jeu d'après l'équation de la réaction.

4. Exprimer la capacité électrique

Q_{max}

en fonction de la quantité de matière de zinc

n (Zn)

Données

Masse molaire du zinc : $M (Zn) = 65, 4$ g⋅mol^-1
Constante de Faraday : $F = 9, 65 \times 1 0^{4}$ C⋅mol^-1

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21
Pile alcaline

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement

Une pile alcaline fonctionne avec une électrode en zinc de 20 g et une en dioxyde de manganèse de masse inconnue. Les deux demi‑équations sont :

Z n (s) + 2 H O^{-} (a q) \to Z n O (s) + H_{2} O (l) + 2 e^{-}

M n O_{2} (s) + H_{2} O (l) + e^{-} \to M n O (O H) (s) + H O^{-} (a q)

Exprimer puis calculer la capacité électrique

Q_{max}

de cette pile.

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5
Quotient de réaction

6
Équation de réaction chimique

7
Sens spontané

8
Pile cuivre‑argent

9
Schéma d'une pile

Pour commencer

Quotient de réaction

10
Consignes de sécurité en laboratoire

11
Calcul d'un quotient de réaction

Constante d'équilibre

12
Calcul de la constante d'équilibre (1)

13
Calcul de la constante d'équilibre (2)

Sens d'évolution

14
Sens d'évolution d'une réaction

15
Accident domestique

Piles électriques

16
Tension à vide d'une pile

17
Vélo électrique

18
Pile cuivre-plomb

A
Pile bouton air-zinc

B
Masses des électrodes

C
Court‑circuit

Une notion, trois exercices
Différenciation

19
Capacité électrique et durée de vie

20
Pile Daniell

21
Pile alcaline

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