Exercices de Spécialité TS

8/21/2019 Exercices de Spcialit TS

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L y c e G n r a l e t l y c e d e s M t i e r s d e C h a m a l i r e s

Exercices corrigs de Spcialit

Physique-Chimie Terminale S

Pierre-Marie CProfesseur Agrg de Physique

Anne scolaire 2006-2007


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PrfaceCe livre regroupe lensemble des exercices donns mes lves de Terminale Sspcialit, en Physique-Chimie, lors de lanne scolaire 2006-2007. La prsenta-tion dorigine des exercices, axe sur une utilisation maximale de la feuille depapier, a t maintenue. Les exercices dont seul le numro est prcis peuventtre trouvs dans le livre de llve Spcialit Physique-Chimie Terminale S,diteurBordas, 2002.

En plus des exercices et de leurs corrigs,on trouvera ici les devoirs maisons, lesdevoirs surveills et les bac blancs. Ce livre est ainsi un outil de travail complet.Un tel document existe aussien Physique Terminale S et en Chimie Terminale S.

Rsoudre tous les exercices Les exercices sont destins tre tous rsolus.Ils sont dun niveau facile moyen. Il ne ma pas t possible pour linstantdintgrer des exercices dun niveau plus lev. Il ne sagit donc pas dunouvrage uniquement accessible aux meilleurs, bien au contraire : lesbonslvesdoivent se tourner vers dautres rfrences plus compltes, et les plus faibles semettre au travail ds maintenant avec les exercices que je propose sans chercherplus loin.

Des questions Les questions, gnralement aussi au nombre de sept par cha-pitre, sont l uniquement en guise de simple dtente ou pour relever un peu ledbat, quand il ne sagit pas de simples rappels de cours.

Je souhaite tous mes lecteurs une brillante russite dans leurs projets. Jeserais heureux de recevoir de votre part des commentaires et des signalementsderreurs.

M. C

ii


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Table des matires

I noncs 1

II Corrigs 35

III Devoirs la maison 67

IV Devoirs surveills 79

V Bacs blancs 109

iii


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iv


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Premire partie

noncs

1


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Chapitre 1

Lentilles convergentes

Les exercices dont le numro est gris sont pour le 12 septembre.

A 1.1 Appliquer les formules de conjugaison

a. O doit-on placer un cran pour observer uneimage nette dun objet situ 80 cm dune lentillede distance focale 12,5 cm?

b. Un objet est 50 cm dune lentille et forme uneimage nette sur un cran plac 25 cm aprs lalentille. Calculez la vergence de cette lentille et en

dduire la distance focale.c. quelle distance de la lentille est plac un objet de20 cm de hauteur, formant une image sur un cran 3 mtres de la lentille, sachant que limage obte-nue a une taille de 2,5 mtres? Quelle est alors ladistance focale et la vergence de la lentille ?

1.2 Constructions

Reproduireetcomplterlesschmasentraantlesfais-ceaux mergents.

F F F F F F

O O O

1.3 Appareil photographique

Lobjectif dun appareil photographique est modlisparunelentillededistancefocale f =10 cm. Lappareilest mis au point sur un lve qui se tient perpendicu-lairement laxe optique de lobjectif une distancede 2,5 m.

Quelle est alors la distance entre la pellicule et la len-tille?

La taille de llve est de 1,65 m ; quelle est la dimen-sion de son image sur la pellicule ?

E1.4 No14 p. 15 : Lentille convergente

1.5 La loupe

laide dune lentille convergente de vergence

C= +20

on observe un objet de 1 cm de hauteur et situ 3 cmde la lentille.

a. Par application de la formule de conjugaison, d-terminer la position de limage.

b. Retrouver ce rsultat laide dune constructiongraphique lchelle 1. Comparer limage obtenue lobjet observ (grandeur et sens).

c. Dans ces conditions, la lentille constitue une loupe.Pourquoi?

B1.6 Mthode de Silbermann

Une lentille mince convergente done dun objet ABune image renverse de mme taille que lobjet.

a. Quelle est la valeur du grandissement?b. Montrer que, dans ce cas, la distance entre lobjet et

limage est telle que AA =4f.c. Raliser un schma pour illustrer ce cas.d. Proposer un protocole utilisant cette situation pour

mesurer la distance focale dune lentille.

1.7 No2 p. 13 : Deux lentilles


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Chapitre 2

Miroirs sphriques

A 2.1 Modle et schmatisation

Un miroir sphrique convergent a pour rayon :

R=50, 0 cm

a. Dfinir sa distance focale. Calculer sa valeur.b. Schmatiser le miroir en indiquant les points carac-

tristiques : centre, sommet et foyers.c. noncer les conditions qui doivent tre ralises

pour que le modle soit valide.2.2 No10 p. 15 : Relle ou virtuelle

2.3 Trac de faisceaux

Reproduire et complter les schmas suivants.

SF SF

2.4 Image linfini

Quelle doit tre la position de lobjet pour que limagedonne par un miroir sphrique convergent soit lin-fini?

Justifier la rponse par une construction graphique soi-gne.

E2.5 Position de limage

Un objet AB est plac 1,00 m du sommet dun miroir

sphrique convergent de rayonR=40, 0 cm.

a. Dterminer graphiquement le sens et la position delimage AB. Comparer la taille de limage cellede lobjet.

b. Pour obtenir une image renverse plus grande quelobjet, faut-il rapprocher ou loigner lobjet du mi-roir?

2.6 No12 p. 15 : Dans un plan frontal

2.7 Mesure de distance focale

Un miroir sphrique convergent est plac sur le bancdoptique. Il reot un faisceau lumineux incident pa-rallle son axe optique. Un demi-cran est plac aupoint de convergence du faisceau rflchi.

a. Commentpeut-onobtenirunfaisceaulumineuxpa-rallle laide dune lentille convergente ?

b. Raliser un schma illustrant cette exprience.

c. La prsence du demi-cran modifie-t-elle limagequil reot?d. Montrer que cette exprience permet de mesurer la

distance focale du miroir.

2.8 LoupeUn objet AB de taille 5,0 mm est plac 10,0 cm dunelentille convergente de vergence +10 et de diamtre

4 cm.a. Calculer le diamtre apparent de lobjet AB, ob-serv lil nu d=25 cm de distance.Remarque : cette distance correspond au PunctumProximum pour un il normal, distance minimalede vision nette.

b. Dterminer graphiquement les caractristiques deAB, image de AB par la lentille dont il est questiondans lnonc.

c. Tracer lefaisceaulumineux issu de B et sappuyantsur le bord de la lentille. Faire de mme avec le

faisceau issu de A. Indiquer la zone o lil de lob-servateur peut se placer pour voir limage de lobjet.d. Pour une observation sans fatigue, on conseille

dobserverun objet AB linfini, afin que lil nestpas fournir deffort daccomodation. Est-on dansce cas ici ?

e. Calculer le diamtre apparentde limage AB, partir de la construction gomtriquede la questionb.

f. Le grossissementGdun instrument doptique estdfini par le rapport :

G=

Calculer ce rapport dans le cas prsent. Justifiezlutilisation en tant que loupe de cette lentille.


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Chapitre 3

Le microscope

E3.1 No1 p. 24 : Modlisation dun microscope

3.2 Pouvoir sparateur

On veut observer une cellule dont les dtails ont unetaille denviron 0, 2m.

a. Sous quel angle voit-on ces dtails lorsquon les ob-serve lil nu 25 cm ?

b. Deux points sont spars par lil sils sont vussous un angle suprieur 3 104 rad.Peut-onobserverlesdtailsdunecellulelilnu?

c. Pour observer ces dtails, on utilise un microscope.Quel est le grossissement minimal quipermet de lesobserver?

d. Le microscope utilis possde trois objectifs degrandissements (lettre grecque gamma ) x10,x40 et x100, et trois oculaires de grossissement Gx5,x10 et x15.Sachant que le grossissement du microscope estdonn par la relation :

G=

ob

Goc

proposez une association possible.3.3 Mesure du diamtre dun fil

Pour mesurer le diamtre dun fil de pche, on uti-lise un microscope muni dun micromtre oculaire au1/10e de mm. Un tel oculaire possde dans son planfocal objet une plaque de verre gradue au 1/10e demm.

On utilise ce microscope avec un micromtre objec-tif au 1/100e de mm. Un micromtre objectif est uneplaque de verre gradue au 1/100e de mm, que lon

place sur la platine du microscope. Cette plaque deverre gradue remplace alors la plaque de verre rec-tangulaire habituelle.

On observe ce micromtre objectif travers le micro-scope muni du micromtre oculaire. La photographie

ci-dessous reprsente ce qui est vu lorsque la mise aupoint est faite.

La micromtre au 1/100e de mm correspond aux gra-duations du bas (grandes graduations). Le micromtreoculaire correspond aux graduations du haut (petitesgraduations numrotes).a. Donner la taille, en mm, des 100 graduations du mi-

cromtre objectif gradu au 1/100e de mm. Peut-onfaire la diffrence, lil nu, entre une plaque deverre normale et une plaque micromtre objectif ?

b. combien de graduations du micromtre oculaire

correspondent les 100 graudations du micromtreobjectif ?

Dans un deuxime temps, on remplace le micromtreobjectif au 1/100e par le fil de pche quon observe sanschanger aucun rglage, tel que le montre la photogra-phie ci-dessous.

b. combien de graduations du micromtre oculairecorrespond le diamtre du fil ?

c. En dduire la diamtre du fil.

B3.4 Modlisation dun microscope

On modlise un microscope laide de deux lentillesminces convergentes :

lobjectif L1, de centre optique O1, de foyer objet F1,de foyer image F1, de distance focale f1 =2, 0 cm ;

lobjectif L2, de centre optique O2, de foyer objet F2,de foyer image F2, de distance focale f2 =4, 0 cm ;

Les deux lentilles ont mme axe optique, et :

O1O2 =14, 0 cm

Un objet plan AB, perpendiculaire en A laxe optique,estplacdevantlalentilleL1.Celle-cidonneuneimageA1B1de lobjet AB.

La lentille L2permet dobtenir limage dfinitive A2B2.


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I - Rle de loculairea. Quel rle joue limage intermdiaire A1B1pour la

lentille L2?b. Pour ne pas fatiguer lil, limage dfinitive A2B2

doit se former linfini. Justifier, partir dune re-lation de conjugaison, le fait que limage interm-

diaire A1B1se forme ncessairement au niveau dufoyer objet de loculaire L2.c. Sur la figure 1 de lannexe, sont reprsents locu-

laire L2, ainsi que limage intermdiaire A1B1. Lafigure est ralise lchelle 1/1, sauf pour A1B1quiestreprsentesanssoucidchelle.PlacerlesfoyersF2et F

2, et construire la marche du faisceau lumi-

neux dlimit par les deux rayons lumineux tracssur la figure 1. En dduire limage dfinitive A2B2.

II - Rle de lobjectifa. Surlafigure2delannexe,sontreprsentslobjectif

L1, ainsi que limage intermdiaire A1B1. La figureest ralise lchelle 1/1, sauf pour A1B1qui est re-prsente sans souci dchelle. Placer les foyers F1et F1, et construire lobjet AB.

b. Dfinir le grandissement1de lobjectif. Montrer,en utilisant la construction graphique, quil est delordre de -4.

III - Grossissement du microscopea. Les cellules dpiderme doignon ont des dimen-

sions de lordre de 80m. Une cellule est observ lilnusousundiamtreapparent =3, 2.104 rad.Calculer le diamtre apparent pour une celluledpiderme doignon observe travers le micro-

scope modlis, qui a un grossissementG=

25.b. Deux points dun objet sont discernables lil nusi ils sont obervs sous un diamtre apparent sup-rieur ou gal 4.103 rad. Le microscope modlisest-il assez puissant pour permettre cette observa-tion?

3.5 Cercle oculaire

Lobjectif dun microscope a une distance focale de1,6 cm et un diamtre de 4,0 mm. Il est utilis en TPavec un oculaire de 4,0 cm de distance focale. Linter-

valle optique de ce microscope est =

16, 0 cm.a. Calculer la distance sparant lobjectif de loculaire.b. Rappeler la dfinition du cercle oculaire, puis cal-

culer sa position.c. Calculer le grandissement de loculaire, et en d-

duire le diamtre du cercle oculaire.d. Le diamtre de la pupille varie entre 2 mm et 8 mm

suivant lclairement. Le comparer au diamtre ducercle oculaire. Quel est lintrt de placer son ilau niveau du cercle oculaire ?

3.6 No17 p. 16 : Modlisation dun il hypermtrope


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Annexe de lnonc de Spcialit no3

L2

O2 Axeoptiqueprincipal

Sens de propagation de la lumire

A1

B1

F. 3.1 Rle de loculaire.

L1

O1 Axeoptiqueprincipal

Sens de propagation de la lumire

A1

B1

F. 3.2 Rle de lobjectif.


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Chapitre 4

Lunette astronomique et tlescope

E4.1 Proprits des miroirs

On coupe un faisceau lumineux convergent par unmiroir plan (MP) :

I H J

(Mp)

Aa. Reprsenter les rayons rflchis correspondant aux

rayons incidents extrmes passant par I et J ainsiquau rayon intermdiaire passant par H.

On utilise maintenant un miroir sphrique concave(MS), qui a pour axe optiquexx, pour foyer F1et poursommet S :

(MS)

Sx xF1

B

UnobjetBlinfinimetdesrayonsinclinsdunanglefaible sur laxexx.b. Tracer ce que deviennent aprs rflexion sur le mi-

roir les rayons issus de B et passant respectivementpar F1et S.

c. Prciser sur la figure o se trouve limage B1de B.

4.2 Lunette astronomiqueUne lunette astronomique peut tre modlise par unensemble de deux lentilles convergentes de mme axe.a. Expliquez comment il faut positionner loculaire L2

par rapport lobjectif L1pour obtenir une lunetteafocale.

b. Pour un objet AB linfini, construire soigneu-sement limage A1B1 donne par lobjectif, puislimage dfinitive AB forme par loculaire. Bientenir compte sur le schma que f1> f2.

c. Le grossissement dune lunette afocale est :G=

Expliquez la signification des angles et , et lesfaire figurer sur le schma prcdent.

d. Montrez alors que :

G=f1f2

e. Discutez de lintrt davoir f1 f2.f. De quoi le cercle oculaire est-il limage ? Construire

cette image sur un beau schma tout neuf.

4.3 Tlescope de Newtona. Proposez une modlisation du tlescope de New-

ton. Prcisez la nature (concave, convexe ou plan)des miroirs utiliss. On notera dun indice 1 lobjec-tif et dun indice 2 loculaire.

b. Pour un objet AB linfini, construire soigneu-sement limage A1B1 donne par lobjectif, puislimage A2B2 donne par le miroir secondaire, etenfin dfinitive AB forme par loculaire. Bien te-nir compte sur le schma que f1 > f2.

c. Le grossissement dun tlescope afocal est :

G=

Expliquez la signification des angles et , et lesfaire figurer sur le schma prcdent.

d. Montrez alors que :

G=f1f2

e. Discutez de lintrt davoir f1 f2.f. De quoi le cercle oculaire est-il limage ? Construire

cette image sur un beau schma tout neuf.

4.4 Le tlescope, collecteur de lumire

Un astronome observe le ciel laide dun tlescopedont le miroir principal a un diamtre de 10 cm. Ledispositif qui maintient en place le miroir secondaire

a un diamtre de 2,5 cm.a. Calculez la surface par laquelle la lumire pntre

dans le tlescope.b. Le grossissement utilis est tel que le diamtre du

cercle oculaire est infrieur celui de la pupille, dediamtre estim 6 mm : toute la lumire rentredans lil.Montrez que lastronome reoit chaque instant en-viron 250 fois plus de lumire lorsquil observe unetoile travers le tlescope en plaant lil au ni-veau du cercle oculaire.

c. Expliquez pourquoi il peut observer, avec son tles-cope, des toiles invisibles lil nu.

d. Pourquoi est-il formellement interdit dobserverdi-rectement le Soleil, mme avec les meilleurs filtresdisponibles?


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P4.5 Observation de la Lune

Un astronome observe la Lune avec un tlescope deNewton. Le tlescope est form principalement :

dunmiroirsphriqueouobjectif(MS)dedistancefocaleF1S= f1.

dun petit miroir plan (MP) inclin 45o par rap-port laxe optique du miroir principal et placentre celui-ci et son foyer, les surfaces rflchis-santes des deux miroirs tant face face.

dun oculaire daxeyyperpendiculaire xx, as-similable une lentille convergente de distancefocale f2 .

(MS)

S

E

D

x x

Plan du miroir (MP)

y

y

(MP)

Oculaire

F1

Lastronome oriente laxe du tlescope vers le centrede la Lune D suppos situ une distance infinie etveut observer un dtail ponctuel E la surface du sollunaire. Les rayons issus de E font langle faible avec

laxe optique.Le miroir principal (MS) donne de D et E les imagesrespectives D1et E1.

D1E1sert dobjetpour le miroir plan (MP)quiendonneune image D2E2.

D2E2sert dobjet pour loculaire qui en donne limagedfinitive D3E3.a. Tracer les rayons lumineux permettant dobtenir

limage D1E1. Prciser la position de D2E2et com-parer les dimensions de D1E1et D2E2.

b. Lastronome, dont la vue est suppose normale,rgle loculaire de telle faon que D2E2 soit dansle plan focal objet de loculaire.O limage dfinitive D3E3se trouve-t-elle? Tracerles rayons lumineux la sortie de loculaire et in-diquer langle sous lequel lastronome voit DEdans le tlescope.Pourquoi ce rglage de lappareil est-il adopt ?

4.6 No1 p. 36 : Grossissement dune lunette

H H

4.7 Lunette de Scheiner

La premire lunette fut ralise par lopticien hollan-dais L en 1608. Elle possdait un objectifconvergent, mais un oculaire divergent. Cest avec unelunette de ce type que G a dcouvert, en 1610, lessatellites de Jupiter et les phases de Vnus. Quelques

idiots seffrayrent de lutilisation comme lunette ter-restre, puisquun tel instrument permet dobserver despersonnes lointaines leur insu, ce qui peut apparatrecomme un privilge divin. Le Pape avait cependantrussit protger son ami G contre ces premiresattaques obscurantistes.

La premire vritable lunette astronomique, avec ocu-laire convergent, fut imagine par K et ralisepar S en 1630. On peut raliser une telle lunetteavec un tube rigide, comportant ses deux extrmitsdeux lentilles convergentes de 3,0 cm de diamtre et dedistances focales f1 =40 cm et f2 =10 cm.a. Quelle lentille faut-il utiliser comme objectif ? Justi-

fier.b. Indiquez la longueur quil faut donner au tube pour

obtenir une lunette afocale. Quel est lavantage duntel montage pour les observations astronomiques?

c. Calculez la position et le diamtre du cercle oculaire.En dduire si la lunette est bien adapte une ob-servation lil nu, dont la pupille a un diamtremaximum de 8 mm dans lobscurit.

4.8 Grande lunette de MeudonLa grande lunette de lobservatoire de Meudon (ban-lieue parisienne) a un objectif de 83 cm de diamtre etde 16,2 m de distance focale.

cause du phnomne de diffraction, limage dunpoint dans un instrument optique est une tache circu-laire dautant plus grande que le diamtre de lobjec-tif est petit. Si on utilise un grossissement trop fort,ces taches deviennent visibles et limage est floue. Onmontrequele grossissement maximal utilisable est gal

2,5 fois le diamtre de lobjectif exprim en mm.Calculer le grossissement maximal de la grande lunettede Meudon.

4.9 No6 p. 37 : Le tlescope de Newton


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4.10 toiles doubles

Deux toiles doubles sont vues spares par lil sila distance angulaire qui les spare est suprieure 3, 0104 rad.Alcor et Mizar par exemple constituent un coupledtoiles visibles lil nu dans la constellation de la

Grande Ourse.Alcor

Mizar

Mais Mizar elle-mme est une toile double invisible lil nu car les deux composantes sont trop procheslune de lautre : elles ne sont distantes que de 14,5(avec 1 darc qui vaut 1/3600o). Cette toile double at dcouverte par Gen 1620.

a. Exprimer en radian la distance angulaire entre les

deux composantes de ltoile..b. En dduire le grossissement minimal de la lunette

quiapermisG dobservercettetoiledouble.c. Peut-on la voir en construisant une lunette laide

de deux lentilles de 20 et 5 de vergence?


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Chapitre 5

Extraire et identifierR R

O est le cours ? Il ny aura quun rsum de cours surce chapitre. En effet le but du chapitre est lextrac-tion partir dun produit naturel, thme large-ment dvelopp en seconde.Attention, absence de cours ne signifie pas ab-sence de connaissances requises!

Importance du TP Les noncs des travaux pratiqueset les rponses aux questions poses en fin deTP contiennent beaucoup dinformation impor-tantes!

Seconde Rviser les points suivants du programme deSeconde :

Les techniques dextraction partir dun pro-duit naturel ;

Les critres de choix dun solvant pour une ex-traction par solvant ;

La chromatographie sur couche mince ; Calculs de densits et masses volumiques.

M Hydrodistillation

Relargage

Extraction par solvant

Chromatographie

luant

Phase fixe

Phase mobile

Migration

Chromatogramme

Rapport frontal

Densit

Masse volumique

QQ 1 Donner une dfinition pour chacun des mots clefs

ci-dessus.

Q 2 Une ampoule dcanter contient deux phases,dont lune est aqueuse. La densit de lautre phaseest inconnue. Proposer une mthode pour identifier laphase aqueuse.

Q 3 Un professeur de spcialit physique-chimie d-sire que ses lves extraient les colorants contenus dansdes feuilles dpinard. Ces colorants sont solubles dans

la propanone. Imaginer le protocole que devra fournirce professeur.

Q 4 Pour enlever des taches de goudron sur du co-ton, il vaut mieux utiliser du White spiritque de leau.Pourquoi?

Q 5 Lusage duWhite spiritpour enlever une tache degoudron sur une peinture ou un vernis est dconseille.Pourquoi?

EDensit & masse volumique

5.1 Calculs de densits

On donne la masse de divers volumes despces chi-miques :

Espce Volume Massechimique (mL) (g)thanol 60 49Actaldhyde 50 40Acide nitrique 30 42

a. Donner la formule de la densit dun liquide parrapport leau (prciser les units).b. Dterminer la densit de chaque espce chimique,

dans les conditions telles que 1 g deau occupe unvolume de 1 mL.

5.2 Mesure de la densit de lheptane

Lheptaneestunsolvant.Pourdterminersadensit,onverse 50,0 mL dheptane dans une prouvette gradue,que lon pse sur une balance de prcision; la massemesure est de 94,35 g (lprouvettegradue avait aussit pese vide, on avait trouv 60,35 g).a. Calculer la masse dheptane contenue dans lprou-

vette gradue.b. Calculer la masse volumique de lheptane.c. En dduire la densit de lheptane.

5.3 Densits & masse volumique

a. Lactate dthyle est un solvant organique de massevolumique =0, 9 g.cm3. Quelle est sa densit?

b. La densit du lait estd =1, 033. Calculer sa massevolumique, en kg/L et en kg/m3.


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Combien y-a-til de constituants dans le produittest?

c. Quel sont ceux que lon peut identifier ?d. Donner la dfinition du rapport frontalRf. Calculer

le rapport frontal du menthol (faites les mesures surles schmas, la rduction lors de la photocopie est

sans effet sur les valeurs des rapports frontaux).5.7 Pastille pour la toux

On se propose dextraire et didentifier quelques consti-tuants dune pastille pour la toux. Cette pastille est

broye, puis dissoute dans 20 mL deau; On ajoute 5 mLde cyclohexane, solvant dans lequel les constituants re-cherchs sont beaucoup plus solubles que dans leau.

En utilisant une ampoule dcanter, on rcupre laphase organique, note P par la suite. On ralise alorsune chromatographie sur couche mince. Sur la ligne A,

on dispose, de droite gauche :

une goutte de citral C ; une goutte de menthol M ; une goutte deucalyptol E ; une goutte de limonne L ; une goutte du produit analyser P.

Aprs lution et rvlation, on obtient laspect de laplaque de droite.

| | | | |

C M E L P C M E L P

Ligne B

Ligne A

a. Dessiner lampoule dcanter en prcisant la posi-tion des deux phases.

b. Quels sont les noms des lignes A et B ?c. Quelle prcaution exprimentale doit-on prendre

proposdu volume dluant introduire dans la cuve chromatographie ?

d. Les constituants analyss sont tous incolores ;Quelles techniques peut-on utiliser pour les rvelersur le chromatogramme ?

e. Quels constituants la pastille tudie semble-t-ellecontenir ?

f. Dterminer le rapport frontal Rf du menthol(lchelle de la figure est sans effet sur les valeursdes rapports frontaux).

Donne : Masse volumique du cyclohexane :0,78 g.cm3.


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Chapitre 6

Fabrication & analyse dun produit fini

R RFormulation Un produit commercial, manufactur,

est constitu dun mlange despces chimiques.Cette prparation sappelle formulation.

Manufactur Dans le TP no8 sur la fabrication dunecolle, on sest attach respecter une formulationpour obtenir un produit fini partir des matirespremires. La synthse dune espce proprementdite sera vue plus tard.

Analyse Dans le TP no9 sur lanalyse des fraises Ta-gada, on sest attach vrifier la formulationdun produit fini. Un tel travail combine une ex-traction et une analyse de lextrait.

Solvant Un solvant est une espce chimique qui a laproprit de dissoudre dautres espces.

Solut Un solut est une espce chimique dissoutedans un solvant. Pour savoir qui dissout qui, ilfaut garder lesprit que le solut est minoritairepar rapport au solvant, majoritaire.

Solubilit La solubilit dune espce chimique dansun solvant est gale la concentration de la so-lution sature de cette espce dans ce solvant. Engnral, par commodit, on lexprime en g.L1.Exemple : la solubilit du chlorure de sodiumNaCvaut :

s =359 g.L1

Tensioactifs Un tensionactif est une molcule dte la fois dune partie polaire ou ionique, hydro-phile, et dune partie apolaire, hydrophobe. Un

tensioactif ne rends pas miscible lhuile et leau,mais permet la formation de micelles.

mulsion Une mulsion est un mlange de goutte-lettes dhuile disperses dans leau (cas E/H) oude gouttelettes deau disperses dans lhuile (casH/E).

Charges Selon les cas, les matires de charge per-mettent de : Jouer un rle de tensioactif ;

Contrler la viscosit de la prparation; Permettre une meilleure dispersion des autresmolcules;

viter la dshydratation du produit...Galnique En pharmacie, lobjectif de la formulation

est dadministrer une molcule appeleprincipeactifavec le maximum defficacit. La formula-tion prends donc en compte les proprits de lamolcules ainsi que celles de la partie de lorga-nisme atteindre.

Dans une formulation, on distingue alors : Le principe actif ; Les adjuvants, amliorant lefficacit du prin-

cipe actif ;

Les colorants et les armes, destins lagr-ment;

Les excipients, sans rle autre quobtenir uncertain volume.

M SolvantSolutSolubilitTensioactifs

HydrophobeHydrophileMicelleMolcule polaire

Molcule apolaireDissolutionMatire premireMdicament

FormulationMatires de chargeGalniquePrincipe actif

AdjuvantsColorantsArmesExcipients

QQ 1 Rechercher chacun des mots clefs ci-dessus dans une

encyclopdie.

Q2 Dessiner une micelle, stabilise par un tensionactif,dune mulsion E/H. Mme question dans le cas dune mul-sion H/E.

Q 3 Pour parfumer une eau-de-vie,on peut y laisser mac-rerdes fruits(cerises...) ou des plantes (gentiane...).Certainesespces chimiques des fruits ou de la plante se solubilisent

dans lalcool. Comment nomme-t-on cette mthode dextrac-tion?

Q 4 Dresser un schma lgend dun montage dhydrodis-tillation.

Q 5 Expliquer en trois tapes la techniquedextraction duncompos organique par un solvant dextraction. On nomet-tra pas de dtailler lutilisation dune ampoule dcanter.

Q6 Dcrire les tests permettant de confirmer la prsence


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des groupes caractristiques suivants dans une molcule or-ganique :

Alcool primaire Acide carboxyliqueHalogne AldhydeCtone Alcne

Q 7 Expliquer comment on procde pour identifier une es-pce par chromatographie sur couche mince. On distingueradeux grands cas gnraux.

Q 8 Dtailler la mise en uvre dun spectrophotomtrepour lanalyse dun mlange de deux espces colores.

Q 9 Parmi les grandeurs suivantes, indiquer celles qui sontmises en uvre dans des mthodes didentification. Pourchaque grandeur, on prcisera sil sagit dune caractris-tique chimique ou physique :

Temprature de fusion Solubilit dans leauSpectre dabsorption Temprature d bullitionIndice de rfraction Masse molaireDensit Masse volumique

E6.1 Une aspirine et un verre deau

Un comprim daspirine contient 500 mg dacide ac-tylsalicylique, qui est le principe actif. La solubilit decet acide dans leau, 25oC, est de 2,5 g.L1.a. Calculer (en mL) la quantit minimale deau nces-

sairepourquetoutlacidecontenudanslecomprimpasse en solution. Comparer avec le volume dunverre deau, soit 200 mL.

b. Calculer la concentration de lacide actylsalicyliquedans la solution obtenue.

c. Le cachetdaspirine contient aussi de lacide citrique,not HA, et de lhydrognocarbonate de sodium, enQSP un comprim de 3,5 g. crire lquation de laraction qui a lieu entre leau et lexcipient.

d. Lasolubilit du dioxyde de carbonedans leau est de0,024 mol.L1. Montrer que les quantits de ractifsen prsence justifient un dgagement de CO2.

Donne:M=180 g.mol1 pour lacide actylsalicylique.6.2 No3 p. 99 : Solubilits

6.3 No4 p. 99 : Hydrodistillation de lcorce dorange

6.4 tude du lait

Les glucides constituent lune des grandes classesde produits naturels ; ils comprennent notamment lessucres comme le glucose, le fructose, le saccharose, lelactose, le maltose... Lorsque plusieurs sucres sont pr-

sents dans une solution aqueuse comme le lait, il estpossible de les sparer par CCM.

On a reprsent la plaque de CCM au dbut et la finde lexprience :

Dpts de gauche droite : glucose, maltose, fructose,

lactose, lait. Conclure.6.5 Formulation dune lotion dermatologique

Un laboratoire pharmaceutique propose dans sagamme une lotion dermatologique quil dfinit avec

la formulation suivante :

Base surhydratante associant lacide lactique, le propy-lne glycol et la glycrine.

Convient au traitement des peaux sches et rugueuses. Composition massique :

acide lactique . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,4 %propylne glycol . . . . . . . . . . . . . . 53,8 %glycrine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25,3 %eau distille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . qsp

Prsentation : flacon de 150 mL ; masse de 178,5 g.

Approche qualitativea. Rechercher les formules semi-dveloppes des es-

pces chimiques intervenant dans la lotion.b. Identifier le rle de chacune des espces dans la for-

mulation de la lotion : principe actif, excipient, mul-sionnant.

c. Dfinir ce que la formulation entends par QSP .d. Proposer une exprience permettant de confirmer la

prsence dacide lactique dans cette lotion.

Approche quantitativeOn prlve 5,0 mL de lotion.On complte avec de leau distille pour amener sonvolume Va = 100, 0mL. On dose cette solution parla soude (hydroxyde de sodium) de concentrationcb = 0, 20 mol.L1.e. La molcule dacide lactique est note R-COOH.

crire lquation de la raction de lhydroxyde desodium sur lacide lactique.

f. On effectue le dosage, dont le rsultat est Vb =13, 5mL.Endduirelaquantitdematire na dacidelactique dans la solution dose

g. Endduirelamasse madacide lactique dans 150 mLde lotion. Comparer avec lindication de ltiquette.

Longvit de la lotionOn cherche savoir si les esp-ces de la formulation sont susceptibles de ragir entreelles.

h. Quel est le nom, indiqu page 241 du livre de Chi-mie TS tronc commun, de la principale raction sus-

ceptible de se produire entre le glycrol et lacidelactique ?i . crire lquation de cette raction.j . Quelle prcaution de stockage du flacon peut-on

proposer pour viter cette raction ?


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Chapitre 7

Approche quantitative de lextraction

R RExtraction Une extraction consiste transfrer une es-

pce chimique E dune phase 1 une autre phase,2. Cest donc une transformation qui peut tremodlise par une raction dquation-bilan :

E(phase 1)=E(phase 2)

Phases Les phases peuvent tre liquides (aqueuse ouorganique), solides ou gazeuses.

tat final ltat final, il y a quilibre, lespce E extraire est prsente dans les deux phases.

Quotient de raction tout instant, on peut crire lequotient de la raction dextraction comme :

Qr =[E(phase 1)][E(phase 2)]

Constante dquilibre Lquilibre est caractris, une temprature donne, par une constantedquilibreKtelle que :

Qr,eq =K=[E(phase 1)]eq[E(phase 2)]eq

Dans ce cas particulier, la constante dquilibreKest appelecfficient de partage.

Cfficient de partage Pour calculer un cfficient departage, on dtermine les concentrations de les-pce E dans chacune des deux phases.

M Quotient de raction quilibre Phases Constante dquilibre

E7.1 Extraction de lacide propanoque

On se propose dextraire lacide propanoqueC2H5COOH prsent en solution aqueuse par un sol-vant organique, lther dithylique.

1. On prpare V0 = 250, 0 mL de solution aqueuse(S) dacide propanoque partir dune masse m0 =18, 5 g dacide pur. Quelle est la concentration mo-laire apportecien acide propanoque de la solution(S)?

2. Dans une ampoule dcanter, on introduit Vi =50 mL de (S) etVeth = 100 mL dther. On agite enveillant dgazer de temps en temps, puis on laissedcanter. Les deux phases se sparent.Dcrire et jus-tifier la disposition respective des phases. Quelle estla quantit de matirenidacide introduit dans lam-poule?

3. Une partie de lacide propanoque sest solubilisdans lther. crire lquation de la raction (1) cor-respondant cette transformation.

4. On prlve un volumeVa =20, 0 mL de la solutionaqueuse contenue dans lampoule dcanter, et ontitre ce prlvement avec une solution dhydroxydede sodium de concentrationcb = 0, 50 mol.L1 enprsence de phnolphtaline.4.a. crire lquation de la raction de dosage.4.b. Lquivalence est repre pourun volume vers

VbE =12, 00 mL. Dterminer la quantit de ma-tirenadacide prsent dans le prlvement.

4.c. En dduire la quantit de matire nf dacidedans la phase aqueuse de lampoule dcanter.

5. On revient maintenant ltude de la raction dex-traction (1).5.a. tablir le tableau dvolution de la raction (1).5.b. Donner lexpression de la constante dquilibre.

Dterminer sa valeur.

Densit Solubilit Solubilitdans leau dans lther

ther dithylique 0,71 faible (75 g/L) -Acide propanoque 1,0 trs leve trs leve

7.2 Un ou deux rinages ?

On se propose de montrer lefficacit de lextractiondune espce A, prsente dans un solvant S, est accruesi lon effectue deux extractions avec deux fois un vo-lume V2 deau, plutt quune seule extraction avec unvolumeVdeau.

On peut modliser lextraction par le tableau dvolu-tion ci-dessous :

quation A(aq) = A(S)

tat initial (mol) 0 n0

tat final dquilibre (mol) xeq n0 xeq


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Le cfficient de partage :

K=[A](S)

[A](aq)

est la constante de cet quilibre. On dfinit le taux dex-traction comme le rapport de la quantit de matireextraitexeq la quantit de matire initialen0:

=xeqn0

1. Un seul lavage avec un volumeVdeauExprimer un, le taux dextraction de ce lavage, enfonction de VS, le volume de la phase S, de V, levolume deau et deK.

Application numrique : VVS

=10 etK= 2.

2. Deux lavages successifs avec deux volumes V2

deau

2.a. Pour un mme volume VSde la solution de Adans S, on appellexeq,1la quantit de matire deA extraite par leau la fin du lavage avecV/2

deau, et1la taux dextraction de cette opra-tion.Donner lexpression de1en fonction deV,VSetK, puis effectuer lapplication numrique.

2.b. On met de ct le premier extrait puis on re-lave la solution S appauvrie en A avec un nou-

veau volume V/2 deau. On schmatise cettedeuxime extraction par le tableau dvolutionci-dessous.

quation A(aq) = A(S)

I (mol) 0 n0 xeq,1F (mol) xeq n0

xe,1 + xe,2

Par une dmarche analogue aux prcdentes,exprimer le taux dextraction 2decettesecondeextraction.

2.c. En considrant la quantit de matire totale ex-traite :xtotal =xe,1 + xe,2, calculer deux, taux dex-traction global de ces deux extractions succes-sives. Effectuer lapplication numrique.

2.d. Comparer les taux dextraction des deux m-thodes.


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Chapitre 8

Production dun sonR R

Vibrer & mettre Pour quun instrument de musiqueproduise un son, il lui faut remplir deux fonc-tions : vibrer et mettre.

Modes propres Sousleffetduneperturbation,unsys-tme peut se mettre vibrer librement. Penser unecordedeguitare:onlapince (= pertubration),une fois lache elle vibre.On appelle modes propres les faons (= mode)dont le systme vibre librement (=propre luiseul). En particulier, ces modes de vibrations sont

caractriss par des frquences bien prcises.Mathmatiquement, un mode propre de vibra-tionestuntatdevibrationsinusodal,caractrispar une frquence dtermine.

Quantification des frquences Les frquences desmodes propres sont multiples entier dune fr-quence appele fondamental.Le fondamental est la plus basse frquencepropre, les autres frquences tant appeles har-moniques.

Si on note f1la fondamental, les harmoniques derang nsont telles que :

fn = n f1 avec n N

Ventres & Nuds Un nud de vibration est un pointdamplitude vibratoire nulle : le point est immo-

bile. Un ventre est un point damplitude vibra-toire maximale. Travaillez bien rgulirement pourne pas vous retrouver avec un nud dans le ventre le

jour du Bac.

Entre deux nuds, on parle dun fuseau.Stroboscope Vous devez tre capable de dcrire et de

raliser une mesure de la frquence de vibrationdune corde laide dun stroboscope.

Oscilloscope Vous devez tre capable de mesurer unepriode loscilloscope (T= nombre de divisionsfois la sensibilit horizontale, en ms/div), et deplus vous devez savoir calculer la frquence cor-respondante.

Frquence du son Vous devez tre capable de dcrire

et de raliser une mesure de la frquence et de lapriode du son mis par une corde, par exemple laide dun oscilloscope branch un micro.Attention, la priode du signal est gale celledu fondamental f1, mme lorsque dautres com-posantes fnsajoutent.

Corde Une corde pince (guitare) ou frappe (piano)met un son compos de frquences qui sontcelles des modes propres de la corde.Lorsque quune corde vibre sur le mode de rang

n, son aspect prsentenfuseaux.Vous devez savoir montrer les modes propres devibration dune corde (typiquement, avec un ouplusieurs ventres visibles).

Colonne dair Une colonne dair possde des modesde vibrations dont les frquences sont lies lalongueur.Vous devez savoir mettre en vidence les modespropres de vibration dune colonne dair.

M Instrument de musique

Mode propre

Frquence propre

Quantification

Fondamental

Harmoniques

Ventre

Nud

QQ 1 Donner une dfinitionpour chacun desmots-clefs

ci-dessus.

Q 2 Pourquoi, en soufflant simplement dans une flte bec, on peut mettre un son, alors que la mme exp-

rience est irralisable avec une trompette?Q 3 Anna joue de la guitare lectrique, Olivia de la

batterie, Alphonse de la trompette. Proposer chacunune solution pour jouer sans rendre les habitants de

limmeuble dingues, en prcisant sur quelle partie delinstrument ils doivent faire porter leurs efforts.

Q 4 Pourquoi les frquences des sons amplifis parla caisse de rsonance dun violon ne doivent par tre

quantifis ?Q 5 Dcrire une exprience destine mettre en vi-

dence les modes propres de vibration dune colonnedair. Mme question pour une corde vibrante.


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Q 6 En soufflant dune certaine faon dans un tube essai, on peut produire un son. Indiquer la source devibrationainsiquelapartiedelinstrumentassurantle couplage avec lair ambiant. Proposer une mthodepour changer la frquence du fondamental mis.

Q 7 Le mode de vibration fondamental dune cordede guitareestde 440 Hz. Peut-on faire vibrer la corde enla soumettant une excitation sinusodale de 220 Hz ?De 660 Hz? De 880 Hz?

E8.1 Son complexe

Soit un son, form par la superposition de sinusodesde frquences f1 =440 Hz, f2 =2f1et f3 =3f1, dam-plitudes gales.a. Tracer la somme de ces trois sinusodes la calcula-

trice graphique.b. Indiquer la frquence et la priode du son. Gnra-

liser ce rsultat.

8.2 Modes propres de vibration dune corde

Une corde en acier est tendue entre deux points fixesdistants de 1,20 m. Elle est excite sinusodalement parune force magntique. Lorsque la frquence de la forceest de 225 Hz, la corde se met vibrer fortement. Onobserve alors la formation de trois fuseaux.a. Prciser le mode de vibration de la corde.b. Calculer la frquence du fondamental et des trois

premiers harmoniques.

La corde est maintenant pince en son milieu, est aban-donne ses oscillations libres. Un son est mis.

c. La vibration sonore est-elle sinusodale?d. La frquence du son mis est celle de lun des modes

propres de la corde. Lequel?

8.3 No12 p. 47 : Longueurs des tuyaux sonores

8.4 Guitare classique

Une guitare classique comporte six cordes, toutes ten-dues entre le chevalet, fix sur la caisse, et le sillet, fixen haut du manche. La distance entre le chevalet et lesillet vautL =65, 0 cm.On pince la corde en son milieu et on enregistre loscil-

logramme correspondant au son mis.

a. Quelle est la frquence f1 du son mis (sensibilithorizontale de 1 ms/div)?

On excite maintenant la mme corde laide dun ai-mant et dun GBF dlivrant un courant alternatif defrquence fe =1, 44 kHz. On observe alors quatre fu-seaux sur la corde.

b. Dessiner sur le mme schma lallure de la corde plusieurs instants, en y faisant figurer les nuds etles ventres de vibration.

c. Quelle est la distancedentre deux nuds voisins?d. Quelle est la frquence propre de vibration de cette

corde?

Le guitariste dbarasse la corde du dispositif prc-dent puis la pince nouveau. Il appose son doigt = 21, 7 cm de lextrmit de la corde vibrante, ce qui a

pour effet dimposer en ce point un nud de vibration.e. Combien de fuseaux la corde comporte-t-elle?f. Quelle est la frquence fdu son mis?

8.5 Vibration sonore dune colonne dair

On modlise la partie dun tuyau dorgue qui se trouveau-dessus du biseau par un tube ouvert ses deux ex-trmits.Lestranchesdelacolonnedaircontenuedansle tube vibrent paralllement laxe du tube.

LBiseau

Air

Dans le modle propos, il y a toujours un ventre devibration chaque extrmit du tube. Le schma ci-dessus reprsente llongation maximale du dplace-ment des tranches dair le long de laxe du tube pourun mode fondamental.

a. Faire une reprsentation analogue celle de la fi-gure ci-dessus pour le deuxime puis le troisimeharmonique.

b. Par analogie avec la corde, donner la frquence deces deux harmoniques en fonction de la frquencef1du mode fondamental.

c. On considre maintenant un tube de longueurL/2.En sappuyant sur le schma de la questiona, justi-fier que le mode fondamental de ce tube a la mmefrquence que la deuxime harmonique du tube delongueurL.

d. Donner la frquence du fondamental dun tube delongueurL/3. Gnraliser ces rsultats.

Application numrique:L= 132, 8 cm et f1 =128 Hz pourle premier tube.


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Chapitre 9

Ondes stationnairesM

ventresnuds

quantification des frquencesonde stationnaire

onde progressive incidenteonde progressive rflchie

QQ 1 Donner une dfinition pour chacun des mots clefs

ci-dessus.Q 2 Expliquer pourquoi les caisses de rsonance sur

lesquelles sont monts les diapasons sont dautant plusgrandes que la frquence de la note mise par le diapa-son est basse.

E9.1 Corde de banjo

a. Calculer la clrit dune onde sur une corde debanjo de masse m=1, 1g,delongueur54cm,tenduepar une force de 71 N.

b. En dduire la frquence du son fondamental.

Donne: la clritvdune onde le long dune corde demasse linque (rapport de la masse de la corde enkg sur la longueur de la corde en m) tendue entre deuxpoints par une force de valeurFscrit :

v=

F

9.2 No3 p. 55 : Tuyau sonore

9.3 Onde stationnaire dans un tuyau

UntuyausonoredelongueurL estouvertsesdeuxex-trmits. Devant lune delles, on place un haut-parleurreli un GBF dlivrant une tension sinusodale de fr-quence rglable.

On modifie la frquence du GBF en partant dune va-leur trs faible et on note les valeurs pour lesquelles le

son est nettement audible dans le tuyau. Ces valeurssont consignes dans le tableau suivant.

f(Hz) 142 283 425 567 708 850

On admet qu chacune de ses extrmits, la colonnedair prsente un ventre de vibration.a. Quelle est la frquence du fondamental pour ce

tuyau?b. Reprsenter sur un schma les positions des ventres

et des nuds de vibration pour f =425 Hz.

c. Sachant que pour cette exprience, la clrit du sondans lair vautv = 340 m.s1, calculer la longueurdu tuyau.

d. On chauffe le tube et lair quil contient. La temp-rature de ce dernier passe deT= 298 K T =330 K.Sachant que la clrit de londe dans lair est pro-portionnelle

T, comment varient les frquences

du tableau prcdent?e. Calculer, T = 330 K, la frquence du mode fonda-

mental.

9.4 No6 p. 55 et 56 : Rsonance9.5 No13 p. 47 : Diapason

9.6 Tube de KundtUn tube de Kundt est compos dun tube horizontaldans lequel repose une poudre fine et lgre. Le tubeest ferm ses deux extrmits par des bouchons dontlun est reli une tige mtallique. En frottant cettedernire, on cr une onde sonore dans lair du tubeet la poudre, agite par londe, se rpartit en petits tasrgulirement espacs.

a. Lestascorrespondent-ilsdesnudsoudesventresde vibration ? Expliquer.

b. Les tas sont spars de 11,0 cm. La clrit du sondans lair valantv=340 m.s1, calculer la frquencede londe.

9.7 No5 p. 55 : Tube de Kundt


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Chapitre 10

Acoustique

R RFrquences audibles Le domaine des frquences au-

dibles stant de 20 Hz 20 000 Hz environ.

Audiogramme La sensation dintensit sonore peruepar loreille dpend de la frquence du son. Cettesensibilit est maximale vers 3 000 Hz.Un orthophoniste est quip de faon raliserun audiogramme du patient, ou courbe dgalesensation sonore.

Perception sonore Un son est caractris par trois per-

ceptions, hauteur, timbre et intensit, correspon-dant respectivement la frquencedu fondamen-tal du son, lamplitude de ses harmoniques et lamplitude de la vibration sonore reue.

Transitoires Les transitoires dattaque et dextinctionsontimportantes quant la perception finale don-ne par un son.

Timbre dun son Timbre & transitoires dun son d-pendent fortement de linstrument utilis pourproduire le son.

Intensit sonore Lintensit sonoreIest la puissancede la vibration sonore, reue par unit de surface :

I=PS

unite : W.m2

Intensit de rfrence Lintensit de rfrence, seuildaudibilit de loreille humaine 1 000 Hz, vaut :

I0 =1012 W.m2

Niveau sonore Le niveau sonoreL, exprim en dci-bels acoustiques (dBA), est donn par :

L=10log II0

et est mesur par un sonomtre.

Octave Siune note a une frquence doubledune autre,on dit quelles sont spares par une octave.

Gamme tempre La gamme tempre est la divisiondune octave en douze demi-tons, le rapport defrquence entre chaque demi-ton tant gal 21/12.

M Frquences audibles

Hauteur dun son

Timbre

Transitoires

Intensit sonore

Niveau sonore

Dcibel acoustique

Octave

Gamme tempre

QQ 1 Calculer le niveau sonore correspondant une

intensit de 1 W.m2.Q 2 Calculer la frquence du do4, qui est 3 demi-tons

au dessus de la3.

E10.1 Les fentres double vitrage sont de bons iso-

lants phoniques. Un fabricant promet une diminutionde niveau sonore de 35 dBA. Comparer les intensitssonores avant et aprs la traverse du double vitrage.

10.2 Calculer lintervalle entre le do3et le sol3, sparspar 7 demi-tons. Conclure quant la consonance de laquinte dans la gamme tempre.

10.3 No1 p. 64 : Rangs des harmoniques

10.4 No2 p. 64 : tude dun spectre sonore

10.5 No6 p. 64 : Intensit et niveau sonore

10.6 No16 p. 66 : Sons consonants

10.7 Microtuyau

Un chercheur en nanotechnologies tente de raliser untuyau dont la longueur vaut 1m. Il ralise un dispo-sitif permettant dexciter la colonne dair qui se trouvedans ce tuyau. Peut-il esprer entendre le son corres-pondant au mode fondamental? Pourquoi ?

10.8 Audiogramme

a. Daprs laudiogramme de Fletcher et Munson ci-dessous, dans quel domaine de frquences loreilleest-elle la plus sensible?

b. Pourquoi les courbes sarrtent-elles pour des fr-quences bien dtermines?


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c. Lauditeur peroit-il un son de frquence 50 Hz et deniveau sonore 40 dBA?

10.9 Spectres mlangs

On enregistre, la mme chelle, quatre spectres cor-respoondant aux situations suivantes :

la3jou par une flte ; la3jou par un diapason; do3jou par une flte ; do3jou par un diapason.

Associer chaque situation le bon spectre parmi lesquatre suivants.

a

Amplitude

f(Hz)

b

Amplitude

f(Hz)

c

Amplitude

f(Hz)

d

Amplitude

f(Hz)


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Chapitre 11

Dosages par talonnage

R RDoser Doser, cest dterminer une quantit de matire

dune espce chimique prsente dans un chan-tillon.On peut utiliser les dosages pour effectuer descontrles de qualit (vrification de la conformitde produits).

Reconnaissance Vousdeveztrecapablededistinguerundosagepartitragedundosagepartalonnage,par simple lecture du protocole exprimental.

Par talonnage Le dosage par talonnage est une m-

thode de dtermination physique, non destruc-tive.

Beer-Lambert LabsorbanceA dunesolutiondunees-pce colore est lie sa concentration molaire cpar :

A=kc

o le cfficientk dpend de la nature du solutet du solvant, de la longueur donde, de lpais-

seur de la solution traverse par la lumire et dela temprature.

Conditions dapplication Beer-Lambert peut tre uti-lis pour un dosage uniquement pour des solu-tions dilues (A < 2), et au maximum dabsor-

bancemaxde lespce.

Mthode gnrale Pour raliser un dosage par talon-nage, il faut :

1. Raliser une gamme talon;

2. Mesurer labsorbance pour chaque talon ;

3. Dresser un graphiqueA= f(c) ;

4. Modliser la courbe obtenue ;

5. Mesurer labsorbance pour lchantillon analyser;

6. Utiliser la modlisation pour dterminer laconcentration recherche.

M

Dosage

chelle de teinte

Droite dtalonnage

Absorbance

max

Blanc

Couleurs complment.

Spectrophotomtre

E11.1 Bleu de mthylne dans un collyre

La composition dun collyre est la suivante :

bleu de mthylne 0,2 mg/mL ; hydrochlorure de napharoline 0,5 mg/mL.

Pour vrifier la concentration massique en bleu demthylne, on ralise une chelle de teinte partirdune solution S de bleu de mthylne de concentra-tion 0,5 g/L. On prpare huit tube essais contenantchacun 20 mL de solution.

Tube no 1 2 3 4 5 6 7 8VS(mL) 1 2 4 6 8 10 12 14Veau(mL) 19 18 16 14 12 10 8 6t(g/L)

a. Calculer les concentrations massiques des solutionsprpares.b. En comparant les couleurs du collyre celles de

lchelle de teintes, on trouve que le collyre a lamme couleur que la solution contenue dans le tube

no5. Quelles prcautions faut-il prendre lors de cettecomparaison ?

c. Cette observation est-elle en accord avec la compo-sition annonce par le fabricant ?

11.2 Colorants alimentaires dans le sirop de mentheOn peut lire sur ltiquette dun sirop de menthe : eau,sirop de glucose, armes naturels, colorants E102 etE131.

Pour identifier ces colorants, on trace dans les spectresdabsorption :

dune solution de colorant E102 de concentrationc102 = 4, 0 mg.L1 ;

dune solution de colorant E131 de concentrationc131 = 1, 4 mg.L1 ;

dune solution de sirop de menthe obtenue par dilu-tion au 1/25e.

a. Relever les longueurs dondes dabsorption maxi-malemaxpour chaque solution de colorant. Quelleest la couleur de la solution de colorant E102? De


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E131 ? Du sirop de menthe dilu ?

+

++

++

+

+

+

+ +

375 475 575 6750

0.5

1.0

1.5

(nm)

A

+ + +

Sirop de menthe

Colorant E131Colorant E102

b. Les spectres permettent-ils de confirmer les indica-tions de ltiquette du sirop de menthe ?

c. On se place la longueur donde = 475 nm. D-terminer la concentration massique en colorant E131dans la solution de sirop dilue, puis dans le siroplui-mme. Pourquoi sest-on plac cette longueurdonde et non au maximum dabsorption?

d. Dterminer la concentration massique en colorantE131 dans la solution de sirop dilue, puis dans lesirop lui-mme.

e. laide des donnes, discuter de la toxicit du siropde menthe ainsi dos.

Donnes :E102 : tartrazine, DJA 7,5 mg/kgE131 : bleu patent, DJA 2,5 mg/kgLtoile des couleurs serait donne au bac.

11.3 Pourcentage en masse de cuivre dans un laiton

Le laiton est un alliage compos de cuivre et de zinc.

Le but de cet exercice est de trouver le pourcentage enmasse de cuivre dun laiton jaune.

Manipulation 1 : mise en solution du laiton.

Un chantillon du laiton de masse m = 1, 682 g est at-

taqu par une solution dacide nitrique concentre enexcs.

Dans ces conditions, le cuivre est transform en ionsCu2+(aq)et le zinc en ions Zn2+(aq). Quand tout le laitona disparu, on place la solution obtenue dans une fiole

jauge de 1 L et on ajuste au trait de jauge avec de leaudistille. On obtient la solution 1.

Manipulation 2 : on prpare 500 mL dune solu-tion 2 de sulfate de cuivre (II), de concentration c2 =

0, 100 mol.L1.Par dilution, on prpare partir de la solution 2, unegamme talon de solutions de sulfate de cuivre dontles concentrationsc sont indiques dans le tableau ci-dessous (V2reprsente le volume de solution 2 nces-saire pour prparer 100 mL de solution dilue).

V2(mL) 1,00 5,00 15,0 20,0c(mmol.L1) 1,00 5,00 10,0 15,0 20,0

Manipulation 3 : on trace le spectre dabsorptiondune solution de sulfate de cuivre (II) avec un spec-trophotomtre.

500 600 700 800 900 10000

0.4

0.81.2

1.6A

(nm)

Manipulation 4 : on mesure labsorbanceAdes solu-tions talon la longueur donde =795 nm.

c(mmol.L1) 1,00 5,00 10,0 15,0 20,0A 0,060 0,32 0,65 0,98 1,30

On mesure aussi labsorbance de la solution 1, qui vautA1 =1, 09.

Questionsa. La solution 2 est prpare en utilisant du sulfate de

cuivre (II) pentahydrat, de formule CuSO4, 5 H2O.Quelle masse de solide faut-il dissoudre pour pr-parer la solution 2 ? Dcrire le mode opratoire.

b. Calculer le volume manquant dans le premier ta-bleau.c. Justifier la couleur bleue de la solution de sulfate de

cuivre (II).d. Pourquoi sest-on plac la longueur donde =

795 nm?e. Tracer la reprsentation graphiqueA =f(c). En d-

duire la concentration molaire de la solution 1.f. Calculer le pourcentage massique du cuivre dans le

laiton. En dduire le pourcentage en masse de zinc.11.4 No2 p. 130 : lment fer dans le vin blanc


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25

Chapitre 12

Dosages par prcipitation & complexation

R RPrcipitation Une raction de prcipitation est une r-

actionentredesions,dissousensolutionaqueuse,menant la formation dun produit solide, le pr-cipit. Le solide apparat directement dans la so-lution aqueuse, qui perds sa limpidit.

Ractions Voici les ractions de prcipitation que vousdevez connatre :

Prcipit bleu dhydroxyde de cuivre (II) :Cu2+(aq) + 2 OH(aq)= Cu(OH)2(s)

Prcipit blanc dhydroxyde de zinc (II) :Zn2+(aq) + 2 OH(aq)= Zn(OH)2(s)

Prcipit vert dhydroxyde de fer (II) :Fe2+(aq) + 2 OH(aq)= Fe(OH)2(s)

Prcipit rouille dhydroxyde de fer (III) :Fe3+(aq) + 3 OH(aq)= Fe(OH)3(s)

Prcipit blanc de chlorure dargent :

Ag+(aq) + C(aq) = AgC(s)

Complexation Une raction de complexation est uneraction entre des ions, menant la formationdun ion polyatomique appel ion complexe.Lion complexe reste dissout en solution, la solu-tion reste limpide, mais en gnral les ions com-plexes ont une couleur marque, ce qui en fait unractif de choix pour reprer lquivalence dundosage.

Comptition Entre deux prcipits ou deux com-plexes, on peut avoir une comptition. Cest tou-

jours le complexe ou le prcipit dont la ractionde formation a la constante de ractionKla pluslevequiseforme,audpenddesonconcurrent.

Indicateur Un indicateur de fin de raction est un pro-duit dont le changement de teinte permet de re-prer lquivalence dun dosage (pas forcmentuniquement acido-basique).

M Prcipit

Ion complexe

Prcipitation

Comptition

quivalence

Indicateur

E12.1 No1 p. 147 : Duret dune eau

12.2 No2 p. 147 : Salinit de la glace de mer

12.3 Titrage des ions sulfate dans une eau minrale

Le principe de ce titrage consiste faire prcipiterles ions sulfate par les ions baryum, selon la ractiondquation :

Ba2+(aq) + SO24 (aq) = BaSO4(s)

Lors dun titrage par prcipitation, les concentrationsdes diffrentes espces ioniques en solution varient. Laconductance de la solution varie notablement. On tracela courbe de la conductance de la solution en fonctiondu volume de ractif vers.

Le mode opratoire est le suivant :

Dans un grand bcher de 250 mL, verser 150 mLdeau distille, mesurs avec une prouvette, et50 mL deau minrale Hparc, mesurs la pipette

jauge.

Remplir la burette dune solution S2de chlorure debaryum (Ba2+(aq) + 2 C(aq) ) de concentration c2 =5, 0102 mol.L1.

Disposer la cellule conductimtrique, verser la solu-

tion de chlorure de baryum mL par mL, en relevantla conductanceGet en traant la courbeG =f(V2).

0 10 200

5

10

V2(mL)

G(mS)

a. Justifier lemploi dun grand bcher et lajout de150 mL deau aux 50 mL deau minrale.


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b. Quels sont les ions prsents avant lquivalence ?Justifier la faible pente avant lquivalence. Quellesespces ioniques disparaissent et quelles espces io-niques les remplacent ?

c. Quels sont les ions prsents aprs lquivalence ?Pourquoi peut-on observer une forte pente aprs

lquivalence ?d. Dterminer les coordonnesdu point dquivalence.

e. En dduire la concentration en mg.L1 des ions sul-fate dans leau minrale.

Donnes pour les questions : conductivits molaires io-niques (en S.m2.mol1) :

Sulfate : 1, 6102 Baryum : 1, 8

102

Chlorure : 7, 6103 Oxonium : 3, 5102Hydroxyde : 2, 0102


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Chapitre 13

Dosages indirects

R RDosage indirect Un dosage indirect met en jeu deux

transformations successives.

Principe Dans un titrage indirect, on ajoute un excsconnu dun ractif R1 uneprise dessai de les-pce A doser, la transformation A + R1C +D devant tre totale etspcifique. Puis, par titragedirect, on dtermine la quantit de matire res-

tante de R1. Par diffrence, on calcule la quantitinitiale de A dans la prise dessai.Une autre mthode consiste dterminer par ti-trage direct les quantits de matire de C ou de D.

Distinction Vous devez savoir distinguer un titragedirect dun titrage indirect daprs le protocoleexprimental.

M

DosageTitrage

Direct

IndirectPrise dessai

Spcifique

Titrage pH-mtriqueTitrage colorimtrique

Titrage conductimtrique

QQ 1 Dfinir chacun des mots-cls.

Q 2 Quelles conditions doit satisfaire une raction dedosage support dun dosage direct ?

Q 3 Expliquer les conditions qui peuvent pousser effectuer un dosage indirect au lieu dun dosage direct.

Q 4 Quelles conditions doit satifaire la premire rac-tion dun dosage indirect ?

Q 5 Un dosage indirect peut-il faire intervenir plus dedeuxractionschimiques?Danslemmeordredides,pourquoipeut-ondire que la dernire raction dun do-sage indirect est forcment un dosage direct ?

Q 6 Quellesgrandeursrelativesauxsolutionstitranteset titrer doivent tre connues avec prcision avant de

commencer un titrage, quelquil soit ?

E13.1 Doage dune eau de Javel

Leau de Javel est une solution aqueuse contenant entreautres des ions chlorure C(aq) et des ions hypochlo-rite CO(aq). En milieu acide, leau de Javel subit unetransformation totale :

C(aq)+ CO(aq)+2 H+(aq) C2(g) + H2O()Cette transformation permet de dfinir le degr chlo-romtrique, ou volume de dichlore, en litre, produitpar litre deau de Javel. Ce volume est mesur 0oC et1,013 bar.

On ralise un titrage pour vrifier lindication portesurunebouteilledeaudeJavel:12ochl (12 degrs chlo-romtriques).

PrincipeOn ajoute un excs dions iodure I(aq) un volumeconnu deau de Javel :

CO +2 I +2 H+ I2 +C +H2O (1)

Le diiode I2(aq)form est ensuite titr par les ions thio-sulfate S2O

23 (aq).

Prparationa. Leau de Javel tant trop concentre, il faut effectuer

une dilution au dixime pour obtenir 50,0 mL de

solution dilue S. Dcrire cette dilution.b. Dans un erlenmeyer, on introduit dans cet ordre :

V=10, 0 mL de solution S, V = 20 mL de solution diodure de potassium.Quelle verrerie faut-il utiliser pour prlever chacunde ces volumes?

Titrage

Le titrage par le thiosulfate de sodium de concentra-tionc1 = 0, 10 mol.L1 en prsence de thiodne donne

lquivalence pourV1,E =10, 0 mL.c. En dduire le degr chloromtriquede leau de Javel.

13.2 No2 p. 141 : Dosage de la vitamine C

13.3 No3 p. 141 : Degr alcoolique dun vin


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Chapitre 14

Sparations en hydromtallurgie

R RHydromtallurgie La mtallurgie a comme objectif la

production de mtaux. Rares sont les mtaux ltat natif dans les mines. Lhydromtallurgiecorrespond aux transformations des mtaux etde leurs composs, en prsence deau.

Minerai Unminerai est un oxyde ou un sulfure du m-tal correspondant, quil faut traiter pour obtenirle mtal.

Oxydes Monoxyde de fer (II) FeO(s), trioxyde de fer

(III) Fe2O3(s), alumine A2O3(s), monoxyde de zinc(II) ZnO(s), monoxyde de cuivre (II) CuO(s)sontquelques exemples doxydes courants.

Attaque Lattaque acide ou basique des oxydes desmtaux permet dobtenir les ions mtalliques cor-respondants en solution.

Sparations Les sparations les plus courantes en hy-dromtallurgie consistent former, partir dunesolution dions mtalliques, les prcipits dhy-droxyde mtalliques correspondants :

Fe2+(aq)+ 2 OH(aq) = Fe(OH)2(s)Fe3+(aq)+ 3 OH(aq) = Fe(OH)3(s)

Cu2+(aq)+ 2 OH(aq) = Cu(OH)2(s)A3+(aq)+ 3 OH(aq) = A(OH)3(s)Zn2+(aq)+ 2 OH(aq) = Zn(OH)2(s)

Schma gnral pour un mtal M (s) et sonion Mn+(aq) :

Mn+(aq) + n OH(aq) = M (OH)n (s)

Qr = 1

[Mn+][OH]n

Une fois le prcipit solide form, on le rcuprepar filtration.

pH de prcipitation Pour provoquer la prcipitation

dunionmtallique,onajoutedesionshydroxydeOH(aq),cequicorresponduneaugmentationdupH.Pour avoir prcipitation, il faut queQr,i K, cequi correspond pH pHpo pHpest le pH deprcipitation.

Domaines de prdominance partir de la donne dupH de prcipitation, on peut tracer un domainede prdominance du prcipit :

pHpPas de prcipitation

Domaine de Mn+(aq)

Prcipitation

Domaine de M(OH)n (s)

Tests didentification Les ractions de prcipitationprcdentes peuvent aussi tre utilises pouridentifier les solutions dions mtalliques.

M Hydromtallurgie

Minerai

Oxydes

Sparations

Tests didentification

pH de prcipitation

Diagramme de prdomi-nance

QQ 1 Dfinir chacun des mots clefs.

Q 2 Pourquoi peut-on trouver les mtaux prcieuxcomme lor ou largent directement ltat natifdansdes mines, alors quavec des mtaux comme le fer, lecuivre ou le zinc, on ne trouve que des oxydes ou dessulfures ? Faites intervenir la notion dquilibre chi-mique dans votre rponse.

Q 3 Dans un tableau priodique, indiquez la positiondu soufre S, et comparer avec loxygne O. Utilisez cesrenseignements pour expliquer que lon trouve tanttdes oxydes de zinc, tantt des sulfures de zinc ltat

naturel. Connaissant la formule de loxydede zinc ZnO(s), donner alors celle du sulfure de zinc.

Q 4 Donnez les formules brutes de loxyde de cuivre(I), de loxyde de cuivre (II), de loxyde daluminium(III)ou alumine, ainsique celle deloxyde de titane (IV).

Q 5 Lors du TP sur la mtallurgie du zinc, on a uti-lis une rduction par un excs de poudre de zinc pour

liminer les ions Cu2+

(aq)et Fe2+

(aq). crire les quationsdoxydorduction correspondants cette mthode, etcomparer avec la mthode de sparation par prcipita-tion.


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EDonnes : couples oxydant-rducteur utiles pourles exercices : (A3+ / A) ; (O2 / O2 ) ; ( H+ / H2 ) ;(O2 / H2O) ; (Cu2+ / Cu) ; (Ni2+/ Ni) ; (Fe2+ / Fe);(Fe3+ / Fe2+ ) ; (Au3+/ Au) ; (Ag+/ Ag); (Zn2+ / Zn).

14.1 Sparation des ions zinc des ions ferLors du recyclage des aciers zingus, on dsire rcup-rer llment zinc. Les aciers zingus sont attaqus parune solution dacide sulfurique afin dobtenir les ionsfer (II), Fe2+(aq), et les ions zinc, Zn2+(aq).

On oyxde ensuite les ions fer (II) en ions fer (III) en fai-sant passer un courant de dioxygne dans la solution,puis on provoque la prcipitation des ions fer (III) sousla forme dhydroxyde de fer (III) Fe(OH)3(s).

Les constantes dquilibre associes aux quations de

ractions de prcipitation sont :Fe3+(aq) + 3 OH(aq) = Fe(OH)3(s) K1 = 1038

Zn2+(aq) + 2 OH(aq) = Zn(OH)2(s) K1 = 1016

1. crire lesquationsdesractionsmodlisant lactionde lacide sulfurique sur le fer et le zinc.

2. crire lquation de la raction modlisant loxyda-tion des ions fer (II).

3. On considre une solution contenant donc unique-ment des ions fer (III) et zinc (II), de concentrations

respectives 0, 1 mol.L1.a. Exprimer les quotients de raction correspon-

dants aux prcipitations des hydroxydes mtal-liques.

b. En dduire la concentration en ions hydroxydeOH(aq)pour que la prcipitation commence.

c. En dduire le pH de prcipitation commenantede chacun des hydroxydes mtalliques.

4. Peut-on rellement sparer les ions fer (III) des ionszinc (II)?

5. Montrer qu pH = 3, 5, la concentration en ions fer(III) est ngligeable.

14.2 Purification de la bauxite

Dans les mines de bauxite, le minerai extrait est unmlange solide, compos de 50% 60% dalumineA2O3(s) , de 20% au maximum doxyde de fer (III)

Fe2O3(s) donnant sa couleur rouille la bauxite desmines de lHrault, de silice SiO2(s)...

Leprocd Bayerpermet dobtenir de lalumine pure partir de la bauxite. Ce traitement chimique consiste

ajouter de la soude concentre; les ions hydroxydeOH(aq)attaquent lalumine seule, les autres oxydes nesont pas attaqus, et restent ltat solide.

a. crire lquation de la raction de prcipitation delhydroxyde daluminium (III) partir des ions alu-minium (III) et des ions hydroxyde.

b. crire lquation de la raction de la formation delion aluminate, partir des ions aluminium (III) etdes ions hydroxyde.

c. Un lve ajoute goutte--goutte une solution desoude concentre une solution contenant des ions

aluminium (III). Prvoir ses observations, indiquerles quations des ractions en jeu.

d. Lors de lajout de soude concentre la bauxite, onvrifie le pH au fur et mesure de lattaque de lalu-mine. Indiquer dans quel domaine de pH il faut seplacer pour obtenir par filtration un filtrat contenantllment aluminium sous une forme que lon prci-sera et un solide contenant les impurets.

e. On veut rcuprer llment aluminium prsentdans le filtrat prcdent. Pour cela, on joue sur lepH du filtrat afin dobtenir un filtrat contenant les

restes de soude et deau, et un solide contenant ll-ment aluminium sous une forme que lon prcisera.Indiquer le domaine de pH dans lequel il faut seplacer pour cette seconde filtration.

f. Le solide prcdent est port 1000oC dans desfours, sans aucun autre ractif. Aprs refroidisse-ment, on obtient lalumine A2O3(s) parfaitementpure, les chemines des fours ne rejettant que dela vapeur deau. crire lquation de la raction en

jeu dans cette dernire tape, et la nommer.

Donnes: domaines de prdominance de laluminium : ion aluminium (III) A3+(aq)pour pH


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Chapitre 15

Applications de llectrolyse

R Rlectrolyse Llectrolyse est la transformation lectro-

chimique force qui se produit lorsquun gn-rateur externe dbite un courant dans une cuvecontenant un lectrolyte et deux lectrodes : la ca-thode o se produit la rduction et lanode o seproduit une oxydation.

Le Faraday Le Faraday est la charge dune mole dl-ectrons :

1 F =NA |e | =9, 65104 C.mol1

Quantit dlectricit La quantit dlectricitQqui acircul pendant la dure tde llectrolyse est re-lie lintensitIdu courant continu dbit parlalimentation et la quantit de matire dlec-trons changsn(e) :

Q=I t=n(e) FProtection de lacier On dpose sur une pice dacier

protger un mtal M (tain, zinc comme lors

du TP no18, or, nickel, chrome, argent). La pice protger sert de cathode. Llectrolyte est unesolution dions Mn+ du mtal M dposer. Lademi-quation de la rduction ayant lieu la ca-thode est :

Mn+(aq) + n e= M(s)

Production de laluminium Cette application, parti-culirement importante, est tombe au bac natio-nal en 2005. Elle se dcompose en deux tapes :

1. purification de la bauxite, minerai dalu-minium, pour obtenir de lalumineA2O3(s)pure ;

2. lectrolyse de lalumine en aluminium A(s).

Anode soluble Cemoyendaffinagelectrolytique(oupurification dun mtal par lectrolyse) est aussiparticulirement important.

M

lectrolyseAnode CathodeProtection des mtaux Anode solubleAffinage lectrolytique

EDonnes : couples oxydant-rducteur utiles pourles exercices : (A3+ / A) ; (O2 / O2 ) ; ( H+ / H2 ) ;(O2 / H2O) ; (Cu2+ / Cu) ; (Ni2+/ Ni) ; (Fe2+ / Fe);(Au3+/ Au); (Ag+/ Ag) ; (Zn2+ / Zn).

15.1 lectrolyse de lalumine

Lalumine est un compos solide ionique form dionsaluminium (III) A3+ et dions oxyde O2. Sa tempra-ture de fusion est trs leve (2 040oC). Laddition decryolithe (Na2AF6) lalumine abaisse la tempraturede fusion du mlange 950oC. Ce mlange constituellectrolyte qui, du point de vue de llectrolyse, estmodlis par (2 A3+ + 3 O2).

Les anode et cathode de llectrolyseur sonten carbone,soumises une tension de 4 V. Lintensit du courantpeut atteindre 300 kA, maintenant ainsi le mlange enfusion 950oC.

Laluminium obtenu est liquide A().

a. Quel est lintrt dutiliser des lectrodes en car-bone ?

b. Quel effet explique que le mlange alumine+ cryo-

lithe soit maintenu sa temprature de fusion de950oC, sans chauffage extrieur?

c. crire les demi-quations des ractions ayant lieu lanode et la cathode, et en dduire lquationglobale de transformation de lalumine.

d. Calculer la puissance puis lnergie consomme parllectrolyseur :

Pe=UI et Ee= Pe tpour produire une tonne daluminium.

15.2 Anodisation de laluminium

Laluminium prsente sa surface une mince couchedalumine qui le protge de loxydation (passivation).Mais cette couche trs fine est insuffisante protgertotalement le mtal, on augmente donc son paisseurpar une lectrolyse appeleanodisation:

la cathode, en plomb, est inerte; lanode est la pice daluminium anodiser ; llectrolyte est une solution dacide sulfurique ;

la cathode, on observe un dgagement gazeux dedihydrogne.


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lanode, laluminium est transform en ion alumi-nium (III) A3+(aq), qui ragit avec leau pour donnerlalumine selon la raction dquation :

2 A3+(aq) +3 H2O() = A2O3(s) +6 H+(aq)a. crire les quationsdesractions ayant lieu aux lec-

trodes, ainsi que lquation globale de llectrolyse.

b. Quelle est la proprit de lalumine vis--vis du cou-rant lectrique ? Peut-on considrer quil y a un d-pt sur lobjet en aluminium ?

c. Lanodisation dune feuille daluminium a dur10 min, sous une intensit de 0,35 A. Quelle massedalumine a t dpose?

Donnes : Proprits de lalumine : ne conduit pas lecourant, est dissout par lacide sulfurique.

15.3 Affinage du cuivre

Le principal minerai contenant du cuivre est la chal-

copyrite. Suite son traitement, on obtient un solidemtallique, le blister, qui contient du cuivre 99,0 %,les autres mtaux tant le fer, le nickel, lor et largent.On ralise une lectrolyse anode soluble pour obte-nir du cuivre 99,99 %. Llectrolyte utilise est unesolution aqueuse de sulfate de cuivre acidifie.

Lor et largent constituent les boues, qui se dposentau fond de llectrolyseur; les lments fer et nickel nesont par rduits la cathode.a. Reprsenter llectrolyseur ainsi que les mouve-

ments des porteurs de charge.b. quelle lectrode doit-on placer le blister pour pu-

rifier le cuivre ?c. crire les demi-quations lectroniques modlisant

les ractions susceptibles de se produire aux lec-trodes, ainsi que lquation de la raction dlectro-lyse.

d. Que deviennent les lments fer, nickel, argent etor, sachant que ni lor ni largent ne peuvent treoxyds?

e. Commenter le nom donn cette lectrolyse.f. La masse de cuivre dpose la cathode estde 30,0 g

en30min;quelletaitlavaleurdelintensitducou-

rant lectrique ?

15.4 lectrozingage

Un dpt lectrolytique de zinc est utilis dans lindus-trie automobile pour protger les tles mtalliques enacier contre la corrosion. Pour que la protection soitefficace, il faut disposer 40,0 g de zinc par mtre carr.

On dsire recouvrir les deux faces dune plaque dacierde dimensions 2,00 m 1,30 m. On ralise llectro-zingage avec une lectrolyte de sulfate de zinc et une

lectrode de zinc.a. Quelles espces chimiques sont prsentes? Quelles

ractions sont susceptibles de se produire aux lec-trodes?

b. quelle lectrode doit-on placer la pice dacierpour raliser llectrozingage ?

c. Sachant que lon observe aucun dgagement gazeuxet que la masse de zinc diminue, crire lquation dela raction dlectrolyse.

d. Quelle masse de zinc doit-on dposer? Quelle estla dure de llectrolyse, sachant que lintensit ducourant lectrique est maintenue 10,0 A?

e. Comment varie la concentration massique de llec-trolyte?

f. Dterminer lpaisseur du dpt de zinc.

Donne:(Zn)=7 140 kg.m3.


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Chapitre 16

Transmission dinformation par les ondes lec-tromagntiques

R RCanaux Latransmission simultane de plusieursinfor-

mations ncessite un canal affect chacunedelles.

Ondes Transporter de linformation par des ondes estdun grand intrt, car il est plus facile denvoyerdes ondes que de la matire sur une grande dis-tance. Rappelez-vous quune onde correspond un transport dnergie, sans transport de matire.

lectromagntiques Les ondes lectromagntiques sepropagent dans le vide et dans de nombreux mi-lieux matriels. La lumire est une onde lectro-magntique particulire, dont le domaine de fr-quences est trs restreint.

Antenne Une antenne mettrice a pour rle dmettreune onde lectromagntique, et une antenne r-ceptrice a pour rle de capter cette onde afindobtenir un signal lectrique. Les frquences de

londe lectromagntique et du signal lectriquesont identiques.

Tension Lexpression mathmatique dune tension si-nusodale est :

u(t)= Umaxcos(2f t + 0)

o Umax

est lamplitude, f la frquence, 0

laphase lorigine.

Modulations Dans le but de transmettre une informa-tion, on peut moduler (= changer) lune des ca-ractristiques dune tension sinusodale. On dis-tingue les modulations :

damplitude (variations deUmax) ; de frquence (variations de f) ; de phase (variations de0).

M Onde lectromagntique

Signal sinusodal

Porteuse

Modulation

Antenne

Filtre passe-bande

QQ 1 No1 p. 74

Q 2 No2 p. 74

Q 3 No4 p. 74

Q 4 No6 p. 74

Q 5 No7 p. 74

Q 6 No10 p. 74

Q 7 Quel est le nom de lappareil qui permet laconnexion lInternet bas dbit la maison ? Quelleest lorigine de ce nom ? Comparer le domaine de fr-quences utilis avec lInternet haut dbit.

E16.1 Poste radio

Le bandeau dun poste de radio se prsente de la ma-nire suivante :

540 600 700 800 1000 1200 1400 1600

88 91 94 97 100 103 106FM

AM

MHz

kHz

a. Rappeler la gamme des frquences audibles parloreille humaine. La comparer avec les gammes defrquences proposes par le poste de radio.

b. Comment se fait-il que lon puisse malgr tout en-tendre les missions captes par le poste?

c. Que signifient les lettres AM et FM ? Comparer cesdeux gammes.

16.2 Communication transatlantique

Pour communiquer par tlphone entre Paris et New-York, on peut utiliser :

soit un satellite de tlcommunications, situ 36000 km daltitude, plac dans le cas idal sur lamdiatrice du segment reliant les deux villes ;

soit un cble en fibre optique, immerg au fond delOcan Atlantique, dune longueur de 6 000 km en-viron, dindicen = 1, 5.

a. Quelle est la nature du signal transmettre?


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b. Quelle est la nature de la porteuse?c. Quelle est la nature du milieu de propagation dans

chaque cas ?d. Comparer la dure que met un message pour tre

transmis par chacun de ces moyens.e. Le dcalage de temps risque-t-il dtre gnant pour :

une communication orale entre deux personnes? une transmission de donnes informatiques ?

16.3 No16 p. 75 : Tension sinusodale

16.4 Paramtre dune tension

Soit un signal sinusodal, reprsent ci-dessous :

5 10 15

0.5

0.5

u(V)

t

a. Dterminer les paramtres suivants de la tension si-nusodale : son amplitude; sa phase lorigine ; sa priode et sa frquence.

b. En dduire une expression mathmatiques deu(t).c. Une antenne capable de capter une telle onde doit

avoir des dimensions de lordre de la moiti de lalongueur donde. Quelle devra tre sa longueur?

d. Recommencer les questions avec la tension repr-

sente ci-dessous :

5 10 15

1

1

u(V)

t

16.5 mission dune onde hertzienne

Un circuit oscillant RLC, connect un dispositif den-tretien des oscillations, a les caractristiques suivantes :

R =5 ,L =110HetC= 120 pF.On relie un fil lune des armatures du condensateur.a. Schmatiser le montage sans dtailler le dispositif

dentretien.b. Calculer la frquence des oscillations lectriques

dans le circuit.c. Quel est le rle du fil ?d. Quelle est la longueur donde de londe mise dans

lair o sa clrit estc= 3, 00108 m.s1 ?e. Cette onde est-elle audible ? Pourquoi?

16.6 No17 p. 75 : Filtre passe-bande

16.7 Filtrage dun signal rectangulaire

Un gnrateur qui dlivre un signal rectangulaire estplac lentre dun filtre LC dont la capacit estc =1, 0F et linductanceLde la bobine est rglable.

Voie A Voie BR

(L, r) C usue

On constate que lamplitude du signal de sortie usaux

bornes du filtre nest notable que pour certaines fr-quences spcifiques; dans ce cas, on dit que le filtreestaccordsur la frquence du gnrateur. On observealors que ce signal est quasiment sinusodal. Loscillo-gramme obtenu lorsque le rglage est ralis est donnci-dessous. La sensibilit horizontale est b =1, 0 ms/div.

a. Dterminer la frquence des deux tensions.b. En dduire la valeur de linductanceLde la bobine,

le filtre tant suppos comme parfaitement accord sa frquence propre f = f0.c. La tension dentre peut tre considre comme la

somme de tensions sinusodales correspondant ausignal fondamental de frquence fet aux diffrentesharmoniques de frquence 2f, 3f, 4f... damplitudesplus petites. Expliquer, en consquence, la forme dusignal de sortie.

d. On modifie linductanceLet on la divise par quatre.Comment a vari la frquence f0 de rsonancedu filtre ? Quelles modifications observera-t-on sur

lcran de loscilloscope ?


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Deuxime partie

Corrigs

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40/126


41/126


42/126

38

F F

(L)

O

B

A

B

A

B1.6 Mthode de Silbermann

a. Limage est de mme taille mais renverse, donc legrandissement vaut = 1.

b. Par dfinition du grandissement : =

OA

OA= 1 OA = OA

Relation de conjugaison :1

OA 1

OA=

1f

On remplace OApar OA dans cette relation :

2

OA

= 1

f OA=

2f et OA =2f

Relation de Chalses :

D =AA =AO + OA =4f

c.(L)

FF

B

A

B

A

d. Disposer lcran grande distance de lobjet, puisrduire cette distance jusqu obtenir une seule po-sition mdiane pour le rglage de la position de lalentille permettant dobtenir une image nette. Me-surer alors la distanceDet diviser par quatre pourobtenir f.

1.7 No2 p. 13 : Deux lentilles

1. Rayons paraxiaux.2. b. O1A =3 cm et AB = 1 cm. Formule de conju-

gaison :1

O1A1 1

O1A=C O1A1 =6 cm

Donc limage est relle. Dfinition du grandisse-ment :

1 =O1A1

O1A = 2

Donc limage est renverse (


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39

Correction 2

Miroirs sphriques

A 2.1 Modle et schmatisation

a. Distance focale :

f =FS=R2

=25, 0 cm

b. Voir schma du cours.c. Conditions de Gauss (rayons paraxiaux, arrivant

proche du sommet du miroir, et peu inclins).

2.2 No10 p. 15 : Relle ou virtuelleCes constructionsont t ralises en cours.

2.3 Trac des faisceaux

SF

SF

2.4 Image linfiniLobjet doit tre dans le plan focal objet du miroir. Voirla construction ralise en cours.

E2.5 Position de limage

a. Limage est relle, inverse, environ 32,5 cm enavant du miroir.

b. Il faut rapprocher lobjet du miroir pour obtenir uneimage plus grande. En cas de doute sur ce point, levrifier par un schma sommaire au brouillon.

2.6 No12 p. 15 : Dans un plan frontal

2.7 Mesure de distance focale

a. En disposant un objet lumineux comme un trou

source de petit diamtre dans le plan focal objet de

la lentille. Le faisceau mergent est alors parallle laxe optique, de diamtre sensiblement constant.

c. La prsence du demi-cran ne modifie normalementpas limage reue, tant que lcran nintercepte pas lefaisceau tombant sur le miroir. En gnral, on inclinelgrement le miroir autour dun axe vertical.

d. Le miroir est clair en lumire parallle, limageva donc se former dans le plan focal du miroir. Enmesurant la distance cran-miroir, on a donc unevaluation de la distance focale.

2.8 Loupe


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40

Correction 3

Le microscope

E3.1 No1 p. 24 : Microscope 3.2 Pouvoir sparateur 3.3 Mesure du diamtre dun fil

B3.4 Modlisation dun microscope

I - Rle de loculairea. Limage intermdiaire A1B1 joue le rle dun objet

rel pour la lentille L2.b. Limage A2B2se forme linfini si :

02A2 La relation de conjugaison pour la lentille L2scrit :

1

O2A2 1

O2A1=

1

O2F2 0 1

O2A1=

1

O2F2

O2A1 = O2F2 = O2F2Ainsi, le point A1est confondu avec F2.

c. Voir la figure 1 ci-dessous. Les foyers F2et F2sont 4 cm de la lentille L2, conformment aux indications

de lnonc. F2est confondu avec A1.

II - Rle de lobjectifa. Voir la figure 2 ci-dessous. Les foyers F1et F1sont

2 cm de la lentille L1, conformment aux indicationsde lnonc.

b. Sur la figure 2 lchelle 1, on mesure les distancesalgbriques :

O1A= 2, 5 cm et O1A1 =10 cmmesures que lon reporte dans la formule du gran-

dissement transversal :1 =

O1A1O1A

= 102, 5 = 4

III - Grossissement du microscopea. Dfinition du grossissement du microscope, avec les

notations de lnonc :

G=

=G=25

3, 2

104 =8, 0

103 rad

b. Le diamtre apparents trouv tant double du mi-nimum discernable par lil, on peut conclure quele microscope est assez puissant pour observer loi-gnon.

3.5 Cercle oculairea. La distance objectif-oculaire est la somme des dis-

tances focale et de lintervalle optique :

d=1, 6 + 16, 0 + 4, 0=21, 6 cm

b. Le cercle oculaire est limage de la monture de lob-jectif, forme par loculaire. Pour calculer sa position,on applique la formule de conjugaison des lentilles,avec comme objet le centre A lobjectif, comme len-tille loculaire de centre O, et comme image le centreA du cercle oculaire :

OA= 21, 6 cm et OF = +4, 0 cm1

OA 1

OA=

1

OF OA = 1

1OF

+ 1OA

OA = 11

4,0 + 121,6

=4, 9 cm

c. Grandissement:

=OA

OA=

4, 921, 6 = 0, 23

Le cercle oculaire tant limage de la monture delobjectif, de diamtred=4, 0 mm, le diamtredducercle oculaire est donc (avec des valeurs absolues,car le signe est sans importance) :

|| =d

d d = ||d=0, 23 4, 0= 0, 92 mm

d. Lediamtredelapupilleestconstammentsuprieur celui du cercle oculaire. Le microscope a t bienprvu.Lintrt de placer son il au niveau du cercle ocu-laire est la certitude de recevoir le maximum de lu-mire.

3.6 No17 p. 16 : Modlisation dun il hypermtrope

A. il normal

1.

F

FO

L Rtine

A

B


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42

Annexe

L2

O2

A1

B1

F2 F2

A2B2

F. 3.1 Rle de loculaire.

L1

O1

A1

B1

F2 F2

A

B

F. 3.2 Rle de lobjectif.


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43

Correction 4

Lunette astronomique et tlescope

E4.1 Proprits des miroirs

4.2 Lune

Exercices de Spécialité TS

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