Aurélie jan 04
chimie physique

aide technique laboratoire d'après concours


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Exercice 1 A température ordinaire, le dioxyde de soufre est soluble dans l'eau. Lorsqu'il réagit avec l'eau de pluie, il y a formation entre autres, d'ions hydronium et d'ions sulfite.

  1. Quels sont les réactifs de cette réaction chimique? Quels sont les produits de là réaction?
  2. Compléter le tableau ci dessous en choisissant les formules dans la liste suivante : C02 ; H30+ ; S02 ; H20 ; S03 2- 
    nom
    formule
    ion hydronium

    ion sulfite

    eau

    dioxyde de soufre

  3. La réaction des pluies acides sur le marbre (essentiellement constitue de carbonate de calcium) se traduit par l'équation-bilan suivante : CaCO3 + ...H30+ + S03 2- = ...C02 +…H20 + CaSO3. Il se forme du sulfite de calcium très friable. Équilibrer l'équation de la réaction.

Exercice Il : On mesure la valeur efficace de la tension alternative sinusoïdale appliquée aux bornes d'une cellule conductimétrique plongée dans une solution électrolytique ainsi que la valeur efficace de l'intensité du courant électrique qui la traverse. On obtient: U = 2,25 V et I = 1,25 mA.

  1. Faire un schéma du montage électrique utilisé pour effectuer ces mesures.
  2. Pourquoi utilise-t-on un courant alternatif pour déterminer une conductance?
  3. Déterminer la conductance de la colonne d'électrolyte comprise entre les plaques (électrodes) de la cellule.

Exercice III : On veut déterminer la concentration molaire d'une solution (S) de chlorure de potassium (K+ + CI-) par conductimétrie. Pour cela on dispose d'une cellule conductimétrique dont les caractéristiques sont :

Surface en regard : S = 1,0 cm2 , distance entre les plaques : L = 1,0 cm. La cellule est traversée par un courant d'intensité 18,2 mA lorsqu'on lui applique une tension efficace de 2V.

  1. Déterminer la conductance de la colonne de solution (S) comprise entre les électrodes de la cellule. En déduire la conductivité de cette solution
  2. On désire tracer, pour des solutions de chlorure de potassium, la courbe d'étalonnage donnant la conductivité en fonction de la concentration : s = f(c) en utilisant la même cellule que précédemment, dans les mêmes conditions de température.
    A partir d'une solution mère de chlorure de potassium de concentration C0 = 0,1 mol. L-1, on prépare des solutions filles de concentrations C1 = 0,05 mol. L-1, C2 = 0,02 mol. L-1 et C3 = 0,01 mol. L-1
    On impose une tension alternative sinusoïdale de valeur efficace U=1,0 V aux bornes de la cellule, plongée successivement dans les solutions filles puis dans la solution mère. Les valeurs des intensités efficaces du courant dans les différentes solutions sont données dans le tableau ci-dessous.
    c mol/L
    0,1
    0,05
    0,02
    0,01
    U volt
    1
    1
    1
    1
    I mA
    13,1
    7,02
    2,8
    1,45

    Compléter ce tableau en y faisant figurer la conductance G et la conductivité s (préciser les unités employées).
    Tracer la courbe d'étalonnage s = f(c)
    Déterminer graphiquement la concentration de la solution (S)

 



corrigé
réactifs : dioxyde de soufre et eau

produits : ion hydronium et d'ion sulfite.

nom
formule
ion hydronium
H30+
ion sulfite
S03 2- 
eau
H20
dioxyde de soufre
S02
CaCO3 + 2H30+ + S03 2- = C02 +3H20 + CaSO3


En courant alternatif, on n'observe pas de dépôts permanents ou de dégagement de gaz modifiant la nature des électrodes : en conséquence la conductance de la tranche de solution située entre les électrodes ne change pas.

la conductance en siemens est : I (A) / U(V) = 1,25 10-3 / 2,25 = 5,54 10-4 S.


G= 18,2 10-3 / 2 = 9,2 10-3 S

constante de cellule : k= distance (m) / surface (m²) = 10-2 / 10-4 = 100 m-1.

la conductivité s et la conductance G sont proportionnelles : s = kG = 100*9,2 10-3 = 0,92 Sm-1.

c mol/L
0,1
0,05
0,02
0,01
U volt
1
1
1
1
I (A)
13,1 10-3
7,02 10-3
2,8 10-3
1,45 10-3
G=I/U (S)
13,1 10-3
7,02 10-3
2,8 10-3
1,45 10-3
s = kG = 100 G (Sm-1)
1,31
0,7
0,28
0,145


Exercice I

Une bille métallique de masse m = 15,0 g est en chute libre sans vitesse initiale. Elle a été lâchée d'un balcon au 6ème étage situé à une hauteur h = 18,0m. La résistance de l'air est supposée négligeable devant l'intensité du poids. On donne g = 9,81 m.s-2

  1. Représenter les forces s'exerçant sur la bille.
  2. Déterminer le travail du poids de la bille au cours de la chute.
  3. Déterminer l'énergie cinétique de la bille juste avant d'arriver au sol.
  4. En déduire la vitesse de son centre d'inertie à cet instant.

 

Exercice II Faisceaux lumineux.

  1. Compléter, pour les deux cas de la figure ci-dessous, le trajet du faisceau émergent issu d'un faisceau incident parallèle à l'axe optique de la lentille ; Placer sur chaque figure, les foyers objet (F) et image (F') de ces lentilles.
  2. Les différents schémas de la figure ci-dessous représentent le trajet de faisceaux lumineux traversant une lentille convergente ou une lentille divergente. A partir de l'analyse de la forme du faisceau incident proposé, indiquez les schémas qui sont manifestement faux et représentez sur les schémas, de façon qualitative, les faisceaux émergents corrects.  
 


corrigé
La bille est soumise à son poids, vertical vers le bas, valeur mg = 0,015*9,81 = 0,147 N

travail du poids lors de la chute : W= mg( h départ - h arrivée) avec h = altitude en mètre

W= 0,015*9,81* 18 = 2,65 J.

variation d'énergie cinétique : ½mv² fin -½mv²départ = ½mv² fin - 0

cette variation est égale au travail du poids : ½mv² fin = 2,65

fin = 2,65*2*0,015 = 353,33 ; vfin = 18,8 m/s.


 

Versailles 2003
Quelles précautions sont nécessaires pour l'utilisation du dichlorométhane et du cyclohexane utilisés comme solvant d'extraction et solvants de chromatographie sur couche mince ? Pictogramme de l'étiquette

Donner les formules brutes du cyclohexane et du dichlorométhane, du thiosulfate de sodium

Il faut éviter le contact avec la peau et ne pas inhaler les vapeurs de ce produit : port de blouse, lunette, et travail sous hotte aspirante

cyclohexane : C6H12

dichlorométhane CH2Cl2.

thiosulfate de sodium Na2S2O3.

Donner la formule semi-développée de l'anhydride éthanoïque
[CH3-CO]2O
Donner les noms des composés : H2C2O4 ; CHI3; Na2S2O8
acide oxalique ; triodométhane; peroxodisulfate de sodium
Quel test met en évidence la fonction carbonyle d'un aldehyde ou d'une cétone ?

2,4 - dinitrophénylhydrazone ( DNPH)


Dosage pHmétrique d'une solution d'acide phosphorique.

H3PO4 est un triacide. Les trois acidité ont des pka de valeur pKa1 = 2,1 ; pka2 = 7 ; pKa3 = 12,1.

  1. Préparation d'une solution S d'acide phosphorique de concentration c voisine 0,11 mol/L à partir de la solution commerciale de densité d= 1,7 à 85 % en masse. La masse molaire de H3PO4 est 98 g/mol.
    - Calculer le volume de solution commerciale à prélever pour obtenir 1L de solution S.
    - Décrire le mode opératoire.
  2. Dosage pHmétrique de S par une solution d'hydroxyde de sodium à 0,100 mol/L. On utilise une électrode au calomel saturée ( ECS) et une deuxième électrode . Citer son nom.
    - Comment stocker ces deux électrodes lorsqu'elle ne sont pas en usage?
    - ECS doit toujours être saturée. Avec quel solide ?
    - Faire un schéma annoté du dispositif pour réaliser ce dosage.
    - Quel matériel et quelles solutions sont nécessaire pour étalonner le pHmètre ?
  3. Résultats du dosage d'une prise d'essai de S : Vs= 10,0 mL.
    - Ecrire l'équation bilan de la réaction correspondant à chaque saut de pH
    - Vérifier que la solution préparée S est bien à 0,110 mol/L à 1% près.
    - On peut réaliser un dosage colorimétrique avant de réaliser le dosage pHmétrique. Quel(s) indicateur(s) faut-il choisir ? hélianthine 3,1-4 ; vert de bromocrésol 3,8 - 5,4 ; rouge de méthyle 4,8-6 ; bleu de bromothymol 6-7,6 ; rouge de phénol 6,4-8,2 ; phénolphaléine 8,2- 9,8.

corrigé
1 L de solution commerciale a une masse de : 1700 g et contient 1700*0,85 = 1445 g d'acide pur

Qté de matière d'acide (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol) = 1445 / 98 = 14,75 mol dans 1 L

facteur de dilution : concentration mère / concentration fille = 14,75 / 0,1 = 147,5

Prélever 1000/147,5 = 6,8 mL de solution commerciale à l'aide d'une pipette graduée + pipeteur

Placer dans une fiole jaugée de 1 L contenant un peu d'eau distillée ; compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.

Agiter pour rendre homogène.


L'électrode de référence utilisée ici est une électrode au calomel saturée (ECS), c'est à dire une électrode de platine (Pt) recouverte de mercure (Hg) sur lequel est déposé du calomel Hg2Cl2. Cette électrode est dite saturée car la solution dans laquelle plonge l'électrode ainsi constituée est une solution aqueuse saturée en chlorure de potassium KCl. Cette électrode constitue une référence. ( Stocker dans une solution KCl saturée)

L'électrode de verre est constituée d'argent recouverte du précipité AgCl, plongeant dans une solution aqueuse de HCl, généralement à 0,1 mol/L. Cette solution est séparée de la solution extérieure à analyser par une membrane de verre très fine, de 50 micromètres d'épaisseur.

On rince les électrodes et on les plonge dans une solution tampon de pH égal à 7. On attend que la valeur obtenue soit stable avant de valider la mesure. On rince alors les électrodes et on utilise une deuxième solution tampon, de pH égal à 4 dans le cas de mesures en milieu acide, ce qui sera le cas ici, et de pH égal à 10 dans le cas de mesures en milieu basique. Le pHmètre est alors étalonné.

saut 1 : H3PO4 + HO- = H2PO4- + H2O

saut 2 : H2PO4- + HO- = HPO42- + H2O

au premier saut de pH: Vequi = 11,5 mL

Vs [S]= Vequi[soude] soit [S] = 11,5*0,1/10 = 0,115 mol/L

On peut réaliser un dosage colorimétrique avant de réaliser le dosage pHmétrique. La zone de virage de l'indicateur coloré doit contenir la valeur du ph au point équivalent .

pour repérer le premier saut (pH voisin de 4) : vert de bromocrésol , hélianthine

pour repérer le second saut (pH voisin de 9) : phénolphaléine


Dosage spectrophotométrique de l'élément fer dans un vin blanc.

Ce dosage nécessite la préparation d'une gamme d'étalonnage ou échelle de teintes.

  1. Préparation d'une solution S contenant 10 mg/L de fer II. Décrire le protocole permettant d'obtenir cette solution à partir de sel de Mohr solide FeSO4(NH4)2, 6H2O ; masse molaire 392,14 g/ mol ; Fe : 56g/mol
  2. Préparation de la gamme d'étalonnage : On veut préparer à partir de la solution S, six solutions numérotées de 1 à 6 dans des fioles jaugées de 50 mL. On note c la concentration massique des ions Fe2+ dans chacune des fioles.
    solution n°
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    c (mg/L)
    0
    1
    2
    3
    4
    5
    V mL de solution S

    Compléter le tableau. Pour la solution n°2 quel est le volume de solution S à prélever et avec quel matériel.
  3. Dans chaque fiole jaugée contenant le volume v de solution S on ajoute :
    - 10 mL d'une solution à 1 g/L de chlorure d'hydroxylammonium, 10 mL d'une solution d'éthanoate de sodium à 180 g/L, 2,5 mL d'une solution à 2 g/L de chlorure d'orthophénantronium et on ajuste à 50 mL d'eau.
    Tous ces réactifs permettent d'obtenir une solution de coloration rouge dont l'intensité est liée à c.
    On réalise un dosage spectrophotométrique en utilisant un spectrophotomètre réglé sur la longueur d'onde
    l= 500 nm. On mesure l'absorbance.
    - Quel est le rôle de la solution 1 ?
    - Justifier le choix de la longueur d'onde ?
    - Tracer la courbe d'étalonnage obtenue A=f(c) pour les solutions peu concentrées obtenues.

    corrigé
    Qté de matière de fer dans 1 L : masse (g) / masse molaire ( g/mol) = 10 10-3 / 56 =1,78 10-4 mol
donc 1,78 10-4 mol de sel de Mohr

masse de ce sel à peser : 1,78 10-4 * 392,14 = 0,07 g

disoudre dans de l'eau distillée ; placer dans une fiole jaugée de 1 L et compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. Agiter pour rendre homogène.


solution n°
1
2
3
4
5
6
c (mg/L)
0
1
2
3
4
5
V mL de solution S
0
5
10
15
20
25
solition n°2 : la solution S est diluée 10 fois, il faut donc prélever à la pipette jaugée 50/10 = 5 mL de S

La solution 1, ne conteant que le solvant, permet de faire le zéro du spectrophotomètre.

Le spectrophotomètre doit être réglé sur une longueur d'onde pour laquelle l'absoption est maximale : donc pour la longueur d'onde de la couleur complémentaire du rouge.

La courbe A=f(c) est une fonction linéaire croissante.


Synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle à partir de l'acide éthanoïque et du 3 méthylbutan-1-ol.

composé
masse molaire (g/mol)
densité
température d'ébullition °C
acide éthanoïque
60
1,05
118
3-méthylbutan-1-ol
88
0,81
131
éthanoate de 3-méthylbutyle
130
0,87
140

  1. Quel est le nom de la réaction ayant lieu ?
  2. Dans un ballon, on introduit 50 mL d'acide éthanoïque, 40 mL d'alcool, 1 mL d'acide sulfurique, quelques grains de piere ponce. Faire un schéma annoté du montage à reflux en précisant la capacité du ballon
    - Quel est le rôle de la pierre ponce ?
    - Comment vérifier visuellement que le reflux est correct ?
  3. On verse le mélange réactionnel refroidi dans une ampoule à décanter contenant 100 mL d'eau glacée. Indiquer la position des phases observées.
  4. La phase organique est lavée à l'eau puis à l'hydrogénocarbonate de sodium et enfin à l'eau. Quel est le rôle de l'hydrogénocarnonate de sodium
  5. Proposer une espèce chimique pemettant de sécher la phase organique.
  6. L'éthanoate de 3-méthylbutyle est distillé sous pression atmosphérique. Faire un schéma du montage de distillation.
    - Quel est le but de cette distillation ?
  7. Citer des moyens permettant de vérifier la pureté d'un liquide.

corrigé
estérification

volume du ballon : 250 mL

rôle de la pierre ponce : régulariser l'ébullition

vérifier visuellement que le reflux est correct : 1 à 3 gouttes doivent retomber dans le ballon à chaque seconde

Dans l'ampoule à décanter les liquides non miscibles se séparent par différence de densité : le plus dense occupe la partie inférieure, la phase aqueuse avec les acides et l'alcool restant ; l'ester , le moins dense, occupe la partie supérieure.

rôle de l'hydrogénocarnonate de sodium : réagir avec les acides restant dans le milieu.

espèce chimique pemettant de sécher la phase organique : sulfate de magnésium anhydre.

1 : ballon ; 2 : tête de colonne ou allonge coudée ; 3 : réfrégirant ; 4 : chauffe ballon ; 5 : erlenmeyer ; 6 : élévateur à croisillon.

la distillation est une technique de purification

vérifier la pureté d'un liquide : chromatographie, mesure de l'indice de réfraction.


conducteur ohmique :

On se propose de tracer la caractèristique d'un conducteur ohmique avec le matériel ci-dessous ; le générateur entretient entre ces bornes une tension constante UPN=6 V. On souhaite faire varier de 0 à 6 V la tension aux bornes du conducteur ohmique .

  1. Compléter le schéma
  2. Placer dans le circuit un ampèremètre et un voltmètre ( indiquer la position de la borne COM) permettant de mesurer l'intensité du courant dans le résistor et la tension aux bornes du résistor.
  3. On effectue une série de mesures, grâce auquelles on trace la courbe UDE=f(I). Quelle est l'allure de cette courbe ? Quelle relation lie UDE et I ?
  4. La courbe a permi de déterminer la résistance du conducteur ohmique R= 200 ohms. Citer deux autres méthodes qui auraient pu permettre de déterminer R.
    - Dans cette mesure, on a utilisé un conducteur ohmique 0,25 W; peut-on lui imposer la tension de 6 V fournie par le générateur ? Justifier.

corrigé
montage potentiomètrique

UDE=f(I) fonction linéaire : tension aux bornes du résistor et intensité du courant sont propotionnelles. U=RI

La mesure directe à l'ohmmètre donne égalemment la valeur de R ; réaliser un pont de Westone avec tois résistances connues.

puissance consommée par le conducteur ohmique, sans dommage : 0,25 W

or P= U I = U²/R ; si U=6 V et R = 200 W alors P= 36/200 = 0,18W; valeur inférieure à la puissance maximale dissipable.


optique :

  1. Citer les deux catégories de lentilles minces qui existent . Comment peut-on les reconnaître rapidement ?
    - Compléter les schémas ci-dessous en construisant les images de l'objet AB


    - Qu'appelle t-on focométrie ?
  2. On réalise le montage ci-dessous

    Lister le matériel utilisé.
    L'image obtenue est plus grande que l'objet; est-il possible d'obtenir une image plus petite sans déplacer l'objet et l'écran. Si oui expliquer.
    On remplace cette lentille par l'autre lentille mince ; que ce passe-t-il ? Expliquer.


corrigé
lentille convergente ( à bords minces) et lentille divergente ( à bords épais)

focométrie : méthodes de détermination d'une distance focale.

banc d'optique, source lumineuse, objet, lentille, écran

A l'aide d'une d'une lentille convergente de courte distance focale, on peut trouver deux possitions de la lentille ( objet et écran étant fixes) donnant une image nette sur l'écran. Ces deux positions sont symétriques par rapport à la médiatrice du segment [objet-Ecran] L'une des image est très grande, par contre l'autre image obtenue est toute petite.

On remplace cette lentille par l'autre lentille mince divergente : on ne peut observer directement d'image sur l'écran, car l'image est virtuelle.



Circuit RLC :

  1. On réalise le circuit électrique suivant, où le générateur délivre une tension sinusoïdale.

    Indiquer sur un schéma les branchements à effectuer sur un oscilloscope afin d'étudier :
    - Sur la voie A, l'intensité
    - Sur la voie B, la tension totale notée u , aux bornes du circuit.
    - Comment se fait-il que l'on puisse étudier l'intensité à l'aide de l'oscilloscope qui est un appareil destiné à visualiser des tensions ?

  2. Dans les schémas ci-dessous, la tension u est représentée par la sinusoïde de plus grande amplitude

    - A une première valeur de fréquence f1 de la tension délivrée par le générateur, on observe l'écran ci-dessus: La tension u est-elle ? en phase avec i ; en opposition de phase avec i ; en avance de phase par rapport à i ; en retard de phase par rapport à i.
    Le circuit RLC a un caractère : capacitif, inductif, résistif.

  3. même question pour la fréquence f2.
  4. même question pour la fréquence f3
  5. Coment s'appelle le phénomène observé dans le ca s de la fréquence f2 ? Quelle est la relation particulière à cette fréquence ?
    - Quand ce phénomène ce produit , par quelles valeurs particulières passent l'impédance et l'intensité ?

corrigé

  1. La tension aux bornes d'un résistor et l'intensité qui le traverse sont proportionnelles. Visualiser la tension aux bornes du résistor, c'est obtenir l'image de l'intensité au facteur R près.
pour la fréquence f1 : u est en avance sur i, ou bien i est en retard sur u : circuit inductif

pour la fréquence f2 : u est en phase avec i, : circuit résistif.

pour la fréquence f3 : u est retard sur i, : circuit capacitif.

pour la fréquence f2 : phénomène de résonance d'intensité ; l'impédance est minimale, égale à la somme des résistances et l'intensité passe par un maximum ; on observe une surtension aux bornes du condensateur, pouvant détruire ce dernier.

relation LCw²=1


Ressort :

A un ressort de longueur à vide l0= 23 cm, on accroche une masse de valeur m1= 70,0 g ; la longueur du ressort devient l1 = 24,4 cm. Quelle longueur l2 aura le ressort si on lui accroche une masse de valeur m2 = 210 g ( g = 10 N/m) ?

allongement du ressort pour une masse de 70 g : l1-l0 = 1,4 10-2 m.

la tension du ressort et l'allongement sont proportionnelles ; à l'équilibre ( ressort vertical auquel on accroche une masse m) la tension a même valeur que le poids de la masse accrochée.

raideur k = 0,07*10 / 1,4 10-2 = 50 N/m

allongement du ressort pour une masse de 210 g = 3 * ( l1-l0 )= 3* 1,4 10-2 = 4,2 10-2 m.

longueur du ressort l2 = l0 + 4,2 10-2 = 0,23 + 4,2 10-2 = 0,272 m = 27,2 cm.


fréquence d'un son :

On veut déterminer la fréquence d'unson émis par un haut parleur. On plac un microphone à cotés d'un haut parleur ; celui-ci est relié à un oscilloscope. On observe l'oscillogramme suivant :

La base de temps de l'oscilloscope est réglée sur 500 ms par divisions

- Quelle est la fréquence du son émis ?

- Le son est-il plus aigu ou plus grave que le son émis par le La3 de fréquence 440 Hz ?

- On éloigne le microphone dans l'axe du haut parleur ; la sinusoïde observée se décale exactement d'une période pour un déplacement de L=70 cm. Que représente cette longueur L=70 cm ? En déduire la célérité du son dans le milieu où a lieu l'expérience.
une période correspond à 4 divisions soit 4*500 = 2000
m S = 2 10-3 s

fréquence = 1/ 2 10-3 = 500 Hz

Un son est d'autant plus aigu que sa fréquence est grande

la sinusoïde observée se décale d'une longueur d'onde l = 0,7 m

célérité de l'onde : l/T= 0,7 / 2 10-3 =350 m/s.

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