Exercices




Pour s'entraîner

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TNT, une combustion explosive

RAI/ANA : Faire le lien entre les modèles microscopiques et les grandeurs macroscopiques

TNT, une combustion explosive


Le TNT ou 2,4,6-trinitrotoluène est un explosif découvert par le chimiste allemand Julius Wilbrand. Le TNT fut très utilisé lors de la Première Guerre mondiale, notamment pour la confection de torpilles. Selon les conditions opératoires, deux réactions différentes peuvent se produire à partir du TNT :
a. 2C7H5N3O6(s)+O2(g)2\, \mathrm{C}_{7} \mathrm{H}_{5} \mathrm{N}_{3} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{s})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 3N2(g)+5H2(g)+14CO(g).3\, \mathrm{N}_{2}(\mathrm{g})+5\, \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})+14\, \mathrm{CO}(\mathrm{g}).
b. C7H5N3O6(s)+4O2(g)\mathrm{C}_{7} \mathrm{H}_{5} \mathrm{N}_{3} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{s})+4\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 7CO2(g)+H2O(g)+N2(g).7\, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{N}_{2}(\mathrm{g}).

1. Nommer chacune de ces réactions.


2. La réaction b. ne se produit pratiquement pas, proposer une explication.


3. En s’aidant des données, déterminer l’énergie libérée lors de la combustion de 2 kg de TNT et de 2 kg de sucre lors de leur combustion.


4. Le résultat précédent est-il cohérent ? Proposer une explication.



Données

  • MTNT=227,1M_{\mathrm{TNT}}=227\text{,}1 g·mol-1 ;
  • Msucre=342,3M_{\text {sucre}}=342\text{,}3 g·mol-1 ;
  • Er(TNT)=3,29E_{\mathrm{r}}(\mathrm{TNT})=3\text{,}29 MJ·mol-1 ;
  • Er(sucre)=5,72E_{\mathrm{r}}(\text {sucre})=5\text{,}72 MJ·mol-1.

Doc. 1
VO2\text{V}\text{O}_{2} max

Le Volume d’oxygène maximum (VO2\text{V}\text{O}_{2} max) est la quantité maximale d’oxygène que le corps consomme lors d’un effort intense par unité de temps. Il s’exprime en millilitres par minute (mL·min‑1).
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20
Valorisation du CO2\bf{\text{CO}_{2}}

RAI/MOD : Réaliser une chaîne énergétique

1. Représenter la chaîne énergétique d’une telle centrale.
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2. Écrire l’équation de combustion complète du méthane.


3. Calculer la masse de dioxyde de carbone CO2\text{CO}_{2} produite chaque année par cette centrale.


4. Combien de bouteilles d’un litre peut-on gazéifier après captage du CO2\text{CO}_{2} en sortie de cette centrale ?


Données

  • M(CH4)=16,0M(\mathrm{CH}_{4})=16\text{,}0 g·mol-1 ;
  • Concentration en CO2\bf{\text{CO}_{2}} par litre de soda : 7 g·L‑1.
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Comprendre les attendus

23
Jeux olympiques

RAI/MOD : Transformation chimique

La flamme olympique est un symbole des jeux, elle reste allumée tout au long de l’année et sa température est de l’ordre de 1 000 °C. Elle est alimentée par du propane qui arrive par un tuyau dans le manche de la torche qui alimente en continu la combustion de ce gaz.

La flamme olympique


1. Écrire l’équation de combustion complète du propane C3H8.\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8}.


2. Déterminer le volume de CO2\mathrm{CO}_{2} produit pour 1 kg de propane consommé.


3. La flamme olympique participe-t-elle au réchauffement climatique ?


4. Rappeler ce qu’est l’effet de serre.


Données

  • M(C3H8)=44,1M(\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8})=44\text{,}1 g·mol-1 ;
  • ρ(C02)=1,87\rho(\mathrm{C0}_{2})=1\text{,}87 g·L-1 ;

  • Détails du barème
    TOTAL /5,5 pts

    0,5 pt
    1. Connaître les réactifs et produits d’une combustion complète.
    0,5 pt
    1. Ajuster une équation chimique.
    1 pt
    2. Calculer la quantité de propane consommée.
    1 pt + 0,5 pt
    2. Déduire la quantité de CO2\mathrm{CO}_{2} formée et le volume de CO2\mathrm{CO}_{2} correspondant.
    1 pt
    3. Identifier un gaz à effet de serre.
    1 pt
    4. Rédiger en employant le vocabulaire adapté.
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29
Efforts musculaires

RÉA : Exploiter un ensemble de mesures

Martin Fourcade est quintuple champion olympique de biathlon et a été 11 fois champion du monde.

Martin Fourcade


Ce sport nécessite à la fois endurance sur les skis et concentration lors des tirs de précision. Face à son grand rival, le Norvégien Johannes Bø, Martin Fourcade (77 kg) gagne ses victoires au mental. Comment vérifier cette affirmation ?

1. Écrire les équations ajustées des processus aérobie (doc. 2) et anaérobie (doc. 3).


2. Lors d’une course d’une heure, quelle est la quantité de matière maximale de O2\text{O}_{2} consommée par chaque biathlète ?


3. En considérant le dioxygène comme le réactif limitant de la réaction aérobie, quel athlète atteint le processus d'anaérobie le premier pour une même énergie dépensée par unité de temps ?


4. D'après vos résultats, justifier l'affirmation faite dans l'énoncé.


Données

  • M(O2)=32,0M(\text{O}_{2})=32\text{,}0 g·mol-1 ;
  • VO2 max (Martin Fourcade) \mathrm{VO}_{2} \text { max (Martin Fourcade) } =82= 82 mL·kg -1·min-1 ;
  • VO2 max (JohannesBϕ)=87\mathrm{VO}_{2} \text{ max }(\text {Johannes}\: \mathrm{B} \phi)=87 mL·kg-1·min-1;
  • Volume molaire d’un gaz dans les CNTP :
    Vm=22,4V_{\text{m}}=22\text{,}4 L·mol-1.

Doc. 3
Anaérobie

Lorsque la quantité de dioxygène n’est plus suffisante, le glucose C6H12O6\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} se transforme en acide lactique C3H6O3\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}_{3}, qui peut déclencher des crampes.
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Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

1. L’équation de combustion complète du pentan-1-ol (C5H12O)(\text{C}_{5} \text{H}_{12} \text{O}) est :
C5H12O(l)+5O2(g)5CO(g)+6H2O(g).\xcancel{\text{C}_{5}\text{H}_{12}\text{O}(\text{l}) + 5\, \text{O}_{2}(\text{g}) \rightarrow 5\, \text{CO}(\text{g}) + 6 \,\text{H}_{2}\text{O}(\text{g})}.


2. L’équation de combustion complète du pentan-1-ol participe à l’effet de serre car il consomme du dioxygène.

3. L’énergie massique de dissociation de cette réaction est égale à :
Ed=4El(CC)+12El(HC)+El(OC)+152El(O=O)\xcancel{E_{\text{d}}=4 El(\text{C}-\text{C})+12 E_{\text{l}}(\text{H}-\text{C})+E_{\text{l}}(\text{O}-\text{C})+\dfrac{15}{2} E_{\text{l}}(\text{O}=\text{O})}
=10522= 10\, 522 kJ·mol-1.

4. L’énergie molaire de réaction est égale à :
Ef=5El(C=O)+6El(OH)=13518E_{\text{f}}=5 E_{\text{l}}(\text{C}=\text{O})+6 E_{\text{l}}(\text{O}-\text{H})=13\,518 kJ·mol-1.

5. L’énergie molaire de réaction est égale à :
Er=2996E_{\text{r}}=2\,996 kJ·kg-1.

6. Cette réaction est dite endothermique.

Doc. 2
Aérobie

L’aérobie est un processus musculaire de combustion complète du glucose C6H12O6\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} contenu dans l’organisme.

Efficacité énergétique

A : le logement consomme moins de 50 kW·h·m‑2·an‑1.
B : le logement consomme entre 51 et 90 kW·h·m‑2·an‑1.
C : le logement consomme entre 91 et 150 kW·h·m‑2·an‑1.
D : le logement consomme entre 151 et 230 kW·h·m‑2·an‑1.
E : le logement consomme entre 231 et 330 kW·h·m‑2·an‑1.
F : le logement consomme entre 331 et 450 kW·h·m 2·an‑1.
G : le logement consomme plus de 450 kW·h·m‑2·an‑1.

Doc. 2
Le rhum

Le rhum est une boisson alcoolisée fabriquée à partir de la canne à sucre. Il contient de l’éthanol, sa concentration en éthanol est de 40 %vol.
%vol : rapport entre le volume d’alcool (éthanol) contenu dans le mélange et le volume total de ce mélange.
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Le briquet à gaz

RAI/MOD : Appliquer le principe de conservation de l’énergie

Le briquet à gaz est une invention du français Henry Pingeot. Environ 9,0 mL de butane (C4H10)(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10}) sont stockés dans le briquet à l’état liquide et ce butane s’échappe du briquet à l’état gazeux avant de subir une combustion.

Un briquet à gaz


1. Nommer le changement d’état physique qui a lieu avant la combustion.


2. Calculer la quantité de matière de butane contenue dans le briquet.


3. Écrire l’équation de combustion complète du butane.


4. Calculer l’énergie maximale que peut libérer un briquet.


Données

  • M(C4H10)=58,1M(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10})=58\text{,}1 g·mol-1 ;
  • ρ(C4H10)=0,573\rho(\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10})=0\text{,}573 kg·L-1 ;
  • Ef=11000E_{\mathrm{f}}=11\,000 kJ·mol-1 ;
  • Ed=8122E_{\mathrm{d}}=8\,122 kJ·mol-1.
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Des énergies variées en QCM

RAI/MOD : Faire le lien entre une grandeur macroscopique et un modèle micoscopique

1. Le pouvoir calorifique du propan-2-ol (C3H8O)(\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8} \mathrm{O}) est égal à :






2. L’énergie de dissociation du pentane (C5H12)(\text{C}_{5} \text{H}_{12}) est égale à :





3. L’énergie de réaction molaire de la combustion du dihydrogène H2\text{H}_{2} est égale à :





Données

  • Er(C3H8O)=2569