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Physique-Chimie 1re

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24
Électrolyse de l’eau

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique/physique : écrire l’équation/l’ajuster

Pour produire le dihydrogène et le dioxygène utilisé dans les piles à combustible, on peut réaliser l’électrolyse de l’eau. Pour cela, on connecte un générateur à deux électrodes plongées dans l’eau. Toutefois, cette dernière étant peu conductrice, l’ajout d’une solution acide contenant des ions H+\text{H}^{+} est nécessaire. On observe alors un dégagement de dioxygène à l’anode et de dihydrogène à la cathode.
Les couples en jeu sont les suivants :
O2(g)/H2O(l);H2O(I)/H2(g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l});\,\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{I}) / \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})

1. Expliquer les observations en écrivant les demi-équations qui se produisent aux deux électrodes sous l’action du courant électrique, puis l’équation bilan de la réaction.


2. Que peut-on dire de l’eau en termes d’oxydoréduction dans cette réaction ?


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Comprendre les attendus

20
Crampes musculaires

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

Crampe durant un match de football

Lors d’un effort, l’acide pyruvique C3H4O3(aq)\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{4} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{aq}) est transformé en acide lactique C3H6O3(aq)\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{aq}). Un excès d’acide lactique provoque l’apparition d’une crampe musculaire.

1. Écrire les demi-équations redox des couples O2(g)/H2O(l)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) et C3H4O3(aq)/C3H6O3(aq).\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{4} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{aq}) / \mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{aq}). (Il est nécessaire de faire intervenir l’ion H+(aq).\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}).)


2. En déduire l’équation bilan de la réaction.


3. L’acide pyruvique subit-il une oxydation ou une réduction ?


Détails du barème
TOTAL /5 pts

2 pts
1. Faire intervenir l’ion H+(aq)\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) dans les équations et bien équilibrer les charges.
1 pt
2. Identifier le sens des demi-équations.
1 pt
2. Équilibrer les charges pour trouver l’équation.
1 pt
3. Identifier une oxydation et une réduction.
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17
Le dioxygène et le fer

RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Un objet en fer laissé à l’air libre se dégrade et rouille. C’est une oxydation lente.
Un objet en fer laissé à l’air libre dégradé et rouillé

La rouille est un composé complexe. Sa formation peut être décrite par la succession des réactions suivantes :

1. Étape 1 : formation de l’hydroxyde de fer (II). Les couples qui interviennent sont Fe(OH)2(s)/Fe(s)\mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{s}) / \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) et O2(g)/H2O(l).\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}).

a. Écrire les demi-équations des couples.

b. En déduire l’équation bilan de la réaction.

Aide : les ions H+\text{H}^{+} réagissent aves les ions HO\text{HO}^{-} en produisant de l’eau H2O\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}.

2. Étape 2 : formation de l’hydroxyde de fer (III). Les couples qui interviennent sont Fe(OH)3(s)/Fe(OH)2(s)\mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{\mathrm{3}}(\mathrm{s}) / \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{2}(\mathrm{s}) et O2(g)/H2O(l)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}).

a. Écrire les demi-équations des couples.

b. En déduire l’équation bilan de la réaction.


3. Étape 3 : l’hydroxyde de fer se transforme en oxyde de fer (III).
La réaction s’écrit 2Fe(OH)3(s)Fe2O3(s)+3H2O(l).2\:\mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{3}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{s})+3\:\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}).
Qu’indique la présence de la molécule d’eau H2O(l)\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) dans les demi-équations de ces trois réactions ?

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21
Eau forte

REA : Agir de façon responsable/respecter les règles de sécurité
RAI/MOD : La quantité de matière

Jean-Baptiste Le Prince, Les Nouvellistes, 1768, gravure à l’eau-forte

Jean-Baptiste Le Prince, Les Nouvellistes, 1768, gravure à l’eau-forte.


Certains artistes utilisent une technique appelée « l’eau forte » pour graver des plaques métalliques avec un acide tel que l’acide nitrique (H+(aq);NO3(aq))(\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) ; \mathrm{N} \mathrm{O}_{3}^{-}(\mathrm{aq})).
Ce procédé se fait en plusieurs étapes :
  • la plaque de cuivre à graver est recouverte d’un film protecteur résistant à l’acide ;
  • le graveur réalise son dessin en éliminant de fines stries sur le film au niveau desquelles le métal est mis à nu ;
  • la plaque est alors plongée dans un bain où les ions nitrate, NO3(aq)\mathrm{NO}_{3}^{-}(\mathrm{aq}), vont creuser les zones non protégées en attaquant le métal. Les ions NO3(aq)\mathrm{NO}_{3}^{-}(\mathrm{aq}) réagissent et libèrent un gaz incolore et toxique qui entre ensuite en contact avec le dioxygène de l’air et se transforme en dioxyde d’azote NO2(g)\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}) (fumées rousses très toxiques). Lors de la réaction, la solution du bain devient bleue ; après rinçage et élimination du vernis, la plaque permet l’impression sur papier en remplissant avec de l’encre les sillons formés.

1. Quelle est l’équation de la réaction ayant lieu dans le bain de gravure ?


2. En déduire les précautions indispensables à prendre pour réaliser une telle opération.


3. Une plaque de cuivre de masse m1=m_{1}= 453,2 g est plongée dans une cuve (10 cm de profondeur, 50 cm de longueur et 30 cm de largeur) remplie aux trois quarts d’acide nitrique. Après réaction, rinçage et séchage, la plaque pèse m2=m_{2}= 452,4 g. Quelle est la concentration en quantité de matière d’ions Cu2+\mathrm{Cu}^{2+} dans la cuve après le traitement de la plaque ?


Données
  • Couples :
    Cu2+(aq)/Cu(s)\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Cu}(\mathrm{s}) ;
    Cu+(aq)/Cu(s)\mathrm{Cu}^{+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Cu}(\mathrm{s}) ;
    NO3(aq)/NO(g)\mathrm{NO}_{3}^{-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{NO}(\mathrm{g}) ;
  • Les ions Cu2+(aq)\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) sont bleus, les ions Cu+(aq)\mathrm{Cu}^{+}(\mathrm{aq}) ne sont pas stables en solution aqueuse.
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22
Origine des pluies acides

APP : Extraire l’information utile sur supports variés/ schéma/texte

Les industries et l’emploi massif des énergies fossiles entraînent notamment des émissions de dioxyde de soufre SO2(g)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{g}) et de dioxyde d’azote NO2(g)\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}). Ces composés, naturellement toxiques, réagissent avec le dioxygène O2(g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) et l’eau H2O(l)\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) dans l’atmosphère. Les produits issus de ces réactions causent d’importants dégâts écologiques en retombant sur le sol avec les eaux de pluie.

Origine des pluies acides

1. Trouver le couple dont SO2(g)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{g}) fait partie et écrire la demi-équation correspondante.


2. Trouver le couple dont NO2(g)\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}) fait partie et écrire la demi-équation correspondante.


3. Déterminer la réaction entre le dioxyde de soufre SO2(g)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{g}) et le dioxygène O2(g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}).


4. Déterminer la réaction de l’oxyde d’azote NO2(g)\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}) et le dioxygène O2(g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}).


Une usine a eu un incident et du dioxyde de soufre SO2(g)\mathrm{SO}_{2}(\mathrm{g}) a été rejeté. Dans les jours suivants, des averses ont eu lieu à raison de 3,0 mm de pluie. La concentration mesurée dans les eaux de pluie donne une concentration en quantité de matière d’acide sulfurique c=c = 0,010 mol·L-1.

5. Calculer la quantité d’acide qu’un champ d’un hectare a reçue lors de ces averses.


6. Quel volume de dioxyde de soufre émis correspond à la quantité retrouvée dans le champ ?


Données

  • Volume molaire : Vm=V_{m}= 24 L·mol-1 ;
  • 1 mm de pluie équivaut à 1 L/m2 ;
  • 1 ha == 10 000 m2.
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18
Réactions d’oxydoréduction en QCM

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

1. Entre l’atome de cuivre Cu(s)\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) et l’ion cuivrique Cu2+(aq)\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}), le réducteur est :




2. Dans la demi-équation redox de l’ion sulfate SO42(aq)+4H+(aq)+2e\mathrm{SO}_{4}^{2-}(\mathrm{aq})+4\:\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+2\:\mathrm{e}^{-} == H2SO3(aq)+H2O(l):\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{3}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) :






3. La réaction d’équation
2Ag+(aq)+Cu(s)2Ag(s)+Cu2+(aq):2\:\mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) \rightarrow 2\:\mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) :





Supplément numérique

Retrouvez plus d’informations sur cet accident.
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25
Dismutation de l’eau oxygénée H2O2(l)\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}(\mathrm{l})

RAI/ANA : Construire un raisonnement, communiquer sur les étapes

La réaction 2H2O2(l)O2(g)+2H2O(l)2\:\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g})+2\:\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) est une réaction d’oxydoréduction.

Comment peut-on l’expliquer ?


Supplément numérique

Retrouvez la vidéo complète de l'expérience de la bouteille bleue.
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23
La bouteille bleue

RAI/ANA : Utiliser des observations/des documents pour répondre à une problématique


Du glucose C6H12O6\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} en poudre est dissous dans une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq);HO(aq))\left(\mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq})\right). La solution est incolore. On ajoute un peu de bleu de méthylène et la solution devient bleue. Puis, quelques secondes plus tard, elle devient incolore. Mais si on agite le flacon, elle devient bleue à nouveau, puis incolore lorsqu’on cesse l’agitation. L’expérience peut être reproduite de nombreuses fois.
Le bleu de méthylène est une molécule organique dont le couple redox est noté B2+(aq)/BH+(aq)\mathrm{B}^{2+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{BH}^{+}(\mathrm{aq}). C’est la forme B2+(aq)\mathrm{B}^{2+}(\mathrm{aq}) qui est bleue. Le couple redox du glucose, quant à lui, sera noté C6H11O7(aq)/C6H12O6(aq)\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{11} \mathrm{O}_{7}^{-}(\mathrm{aq}) / \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{aq}). En milieu basique, le couple du dioxygène est : O2(g)/HO(aq)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{HO}^{-}(\mathrm{aq}).

1. Écrire les demi-équations de ces trois couples redox.


2. En déduire la cause de la disparition de la couleur bleue dans un premier temps.


3. Expliquer pourquoi, en agitant, elle redevient bleue.


4. L’expérience peut-elle être réalisée indéfiniment ?

HISTOIRE DES SCIENCES

Le Zeppelin LZ 129 Hindenburg

Le mélange gazeux H2(g)/O2(g)\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) / \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) est explosif. Ainsi, le Zeppelin LZ 129 Hindenburg, le plus grand dirigeable jamais construit, rempli de dihydrogène pour s’élever dans les airs, a explosé peu avant son atterrissage à New York suite à un incident qui a provoqué l’inflammation de ce gaz et tué 35 personnes, le 6 mai 1937.

L’expérience de la bouteille bleue

L’expérience de la bouteille bleue

Le mélange est préparé, la couleur bleue disparaît après quelques dizaines de secondes.

L’expérience de la bouteille bleue

Il est secoué, la couleur bleue réapparaît, puis disparaît à nouveau. Le processus peut être répété plusieurs fois.

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19
Décapage d’un métal

RAI/ANA : Construire un raisonnement, communiquer sur les étapes/Chemin de résolution

Le traitement de surface des pièces métalliques est primordial avant de les usiner. Différentes techniques existent pour cela. Une pièce d’aluminium de 100 g est décapée dans 1,00 L d’une solution d’acide chlorhydrique (H+(aq);Cl(aq))\left(\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})\:;\:\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})\right). Une réaction a lieu sur la surface, éliminant une partie de l’aluminium qui passe en solution. Un dégagement gazeux incolore et extrêmement inflammable est observé.

1. Déterminer l’équation de la réaction ayant lieu entre l’aluminium Al(s)\mathrm{Al}(\mathrm{s}) et l’ion hydrogène H+(aq)\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}).


2. Calculer la concentration maximale en quantité de matière d’ion H+(aq)\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) pour que le décapage représente au plus 0,1 % de la masse d’aluminium.


3. Pourquoi l’emploi d’ustensiles de cuisine en aluminium est-il déconseillé quand on utilise des ingrédients acides comme le vinaigre ?


Données

Couples redox mis en jeu :
  • Al3+(aq)/Al(s)\mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{Al}(\mathrm{s}) ;
  • H+(aq)/H2(g)\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) / \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}).
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26
Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

1. Le plomb solide Pb(s)\text{Pb}(\text{s}) devient des ions plomb Pb2+(aq)\text{Pb}^{2+}(\text{aq}) selon la demi-équation :
Pb(aq)2e=2Pb2+(s).\xcancel{\text{Pb}(\text{aq})-2e^{-}=2\:\text{Pb}^{2+}(\text{s})}.

2. La transformation du plomb solide en ion plomb est une réduction car Pb(s)\text{Pb}(\text{s}) a perdu des électrons.

3. L'oxygène O2(g)\text{O}_{2}(\text{g}) se réduit en ion oxyde O2(aq)\text{O}^{2-}(\text{aq}) selon l'équation :
O2(g)+2e=O2(aq).\xcancel{\text{O}_{2}(\text{g})+2 e^{-}=\text{O}^{2-}(\text{aq})}.

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