Ondes mécaniques progressives. Les ondes...

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Ce travail est librement inspiré de documents disponibles sur la toile. Merci à leurs auteurs Merci pour vos remarques Ondes mécaniques progressives. Ondes mécaniques progressives. Ondes mécaniques progressives. Ondes mécaniques progressives. Nature ondulatoire de la lumière Nature ondulatoire de la lumière Nature ondulatoire de la lumière Nature ondulatoire de la lumière Les ondes Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie. Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie. Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie. Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie. Le noyau atomique. Le noyau atomique. Le noyau atomique. Le noyau atomique. Réactions nucléaires. Réactions nucléaires. Réactions nucléaires. Réactions nucléaires. Physique atomique et nucléaire Etude de la pile Daniell. Etude de la pile Daniell. Etude de la pile Daniell. Etude de la pile Daniell. Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir oxydant de sa forme oxydée oxydant de sa forme oxydée oxydant de sa forme oxydée oxydant de sa forme oxydée Piles électrochimiques Chimie organique Les amides aliphatiques Les amides aliphatiques Les amides aliphatiques Les amides aliphatiques Passage entre les dérivées des acides carboxyliques Passage entre les dérivées des acides carboxyliques Passage entre les dérivées des acides carboxyliques Passage entre les dérivées des acides carboxyliques

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Merci pour vos remarques

���� Ondes mécaniques progressives.Ondes mécaniques progressives.Ondes mécaniques progressives.Ondes mécaniques progressives.

���� Nature ondulatoire de la lumièreNature ondulatoire de la lumièreNature ondulatoire de la lumièreNature ondulatoire de la lumière Les ondes

���� Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie.Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie.Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie.Spectre atomique et quantification des échanges d’énergie.

���� Le noyau atomique.Le noyau atomique.Le noyau atomique.Le noyau atomique.

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Physique atomique et nucléaire

���� Etude de la pile Daniell.Etude de la pile Daniell.Etude de la pile Daniell.Etude de la pile Daniell.

���� Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir Potentiel standard d’un couple redox et pouvoir oxydant de sa forme oxydéeoxydant de sa forme oxydéeoxydant de sa forme oxydéeoxydant de sa forme oxydée

Piles électrochimiques

Chimie organique

���� Les amides aliphatiquesLes amides aliphatiquesLes amides aliphatiquesLes amides aliphatiques

���� Passage entre les dérivées des acides carboxyliquesPassage entre les dérivées des acides carboxyliquesPassage entre les dérivées des acides carboxyliquesPassage entre les dérivées des acides carboxyliques

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Sommaire

PhysiquePhysiquePhysiquePhysique

Propagation d’ ébranlement ………………………………………………….……….….…

Onde progressive le long d’une corde………………………….…………….…………... …

Onde progressive à la surface d’un liquide au repos ……………………...….…….… … Onde progressive longitudinale …………………………………………………………… La diffraction d’une onde………………………………………………………….…… ….

Le spectre atomique …………………………………………… …………………… …….… Le noyau atomique ……………………………………………………..… . ..…

La réaction nucléaire spontanée ………………………………………………… …. ….… La réaction nucléaire provoquée ………………………………………….……… …… …

Bilan énergétique d’une réaction nucléaire …………………….……… .…...…

ChiChiChiChimiemiemiemie

Les amides aliphatiques ……………………………………………………… Passage entre les dérivées des acides carboxyliques……………………………………… Les réactions d’oxydoréduction ( rappel) ………………………………………..…………

Les piles électrochimiques ……………………….…………………………………...………

La variation de la fem d’une pile de type Daniel avec les concentrations………………

Le potentiel standard d’un couple redox……….……………………………………..……

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Propagation d’un ébranlementPropagation d’un ébranlementPropagation d’un ébranlementPropagation d’un ébranlement 1- Mise en évidence expérimentale : 1-1- Définition : …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………

1-2- Expériences : Condition de propagation :

1-3- Types d’ébranlement: 2- Aspect énergétique et principe de propagation : 3- Célérité de propagation :

S

S

S

M

M

M

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Expérience : 2 On crée une perturbation à une extrémité d’une corde

……………………………………………………

…………………………………………………….

Expérience : 1 On fait tomber un léger corps dans une cuve de sable

……………………………………………………

…………………………………………………….

Conclusion :

………………………................................................................................................................

. ……………………….................................................................................................................

Le déplacement de la perturbation

s’effectue ……………………… à la

direction de propagation: C’est un

ébranlement ………………………….

a- Ebranlement transversal b- Ebranlement longitudinal

Le déplacement de la perturbation s’effectue dans

……….. …………………………………….que

celle de la propagation :

C’est un ébranlement longitudinal.

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Expériences Résultats et conclusion

L (cm)

∆t (s)

L/∆t (m.s-1)

4- Onde progressive sinusoïdale Notion d’une onde : «« Une onde mécanique correspond au phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu, sans

déplacement de matière. De manière générale, on peut définir une onde comme étant le phénomène résultant

de la propagation d’une succession d’ébranlements. : Comme ondes mécaniques on peut citer :tremblements de terre, ressort, vagues, les ondes sonores, les ondes de choc…

Les ondes mécaniques se propagent uniquement dans la matière (lorsqu’elle constitue un milieu élastique) avec

la célérité 'v' des ébranlements qui se propagent dans le milieu de propagation. Elle est égale à la distance 'd'

parcourue par la perturbation divisée par la durée du parcours Δt. Une onde peut être transversale ou longitudinale selon le caractère longitudinal ou transversal des

ébranlements créant l’onde. Une onde se propagent dans un milieu ouvert, progresse indéfiniment en

s’éloignant de la source tant que l’énergie quelle transporte se conserve ; une telle onde est dite progressive. »

»

Dégager à partir du texte les définitions : - d’une

onde :……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………

- de la célérité de l’onde :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

- d’une onde transversale :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

- une onde longitudinale :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

- d’une onde progressive :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

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Onde progressive sinusoïdale le long d’une cordeOnde progressive sinusoïdale le long d’une cordeOnde progressive sinusoïdale le long d’une cordeOnde progressive sinusoïdale le long d’une corde I- Etude expérimentale :

Expériences Observations Interprétations

1èr cas 2ème cas 3ème cas Te = p.T p∈∈∈∈ΝΝΝΝ

∗ ⇔ Ν = ⇔ Ν = ⇔ Ν = ⇔ Ν = p.Ne p∈∈∈∈ΝΝΝΝ

∗∗∗∗

Te est légèrement supérieure à

p.T; p∈∈∈∈ΝΝΝΝ∗

Te est légèrement inférieure à

p.T ; p∈∈∈∈ΝΝΝΝ∗

S

O M

x = OM

t ( ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………

M

M

Moteur

M

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II- Etude théorique : 1- Longueur d’onde :

Instant Aspect de la corde Observation

t = 0

Ys(0) =……………

t1 = T/4

Ys(t1) =……………

YA(t1) =…………….

t2 = T/2

Ys(t2) =…………...

YA(t2) =…………….

YB(t2) =……………..

t3 = 3.T/4

Ys(t3) =……………

YA(t3) =…………….

YB(t3) =……………..

YC(t3) =……………..

t4 = T

Ys(t4) =……………

YA(t4) =……………

YB(t4) =…………….

YC(t4) =…………….

YD(t4) =……………..

2- Equation de la propagation de l’onde :

* S débute son mouvement à t0=0s, soit son équation horaire yS(t) = a.sin(ωt + φS). * L’onde arrive en M à l’instant t1 = t0 + θ

Appliquons le principe de propagation pour établir l’équation horaire de M

S

y

x

S

y

x

S

y

x

S

y

x

S

y

x

S

y

x M

Définition et expression de la longueur d’onde λλλλ: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

3- Etat vibratoire d’un point M : L’onde part de S à t0=0s pour atteindre M1 à t1 alors on a : t1= ……………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

4- L’aspect de la corde à un instant donné : L’onde part de S à t0=0s, le front d’onde atteint le point d’abscisse xf à l’instant tf fixé tel que : xf = ……………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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Application N°1 : Une lame vibrante impose à l’extrémité S d’une corde horizontale un mouvement transversal rectiligne

sinusoïdal d’équation : y = a.sin(100.π.t), avec t en seconde.

La célérité de propagation des ébranlement le long de la corde est v = 10.m.s-1

On supposera l’amortissement nul.

1- Déterminer la fréquence N de vibration de l’extrémité S et la longueur d’onde λ de l’onde progressant le

long de la corde.

2- a – Quel est, par rapport à la source, l’état vibratoire de chacun des points M1 et M2 distants de S respectivement de d1 = 10cm et de d2 = 40cm ?

b- Représenter l’aspect de la corde aux instants t1 = 0.02s et t2 = 0.05s sachant que le mouvement de

l’extrémité S de cette corde commence à t = 0 en se déplaçant dans le sens positif.

3- On éclaire la corde avec un stroboscope de fréquence Ne réglable. Quel est l’aspect observé de la corde

lorsque Ne vaut 25Hz, 49Hz et 51Hz ?

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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Onde progressive sinusoïdaleOnde progressive sinusoïdaleOnde progressive sinusoïdaleOnde progressive sinusoïdale à la surface d’un liquide au repos à la surface d’un liquide au repos à la surface d’un liquide au repos à la surface d’un liquide au repos I- Etude expérimentale : 1- Cas d’une source ponctuelle : a- Dispositif expérimental :

Remarque : La surface de l’eau est identique à une infinité de cordes élastiques identiques liées en O et

dispersées selon la surface libre de l’eau.

b- Observation en lumière ordinaire : …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… c- Observation en lumière stroboscopique : Te étant la fréquence des éclairs.

* Si Te = p.T ; p ∈ ΝΝΝΝ* :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Si Te légèrement inférieure à p.T : …………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Si Te légèrement supérieure à p.T :

……………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2- Cas d’une source étendue : Remarque : La surface de l’eau est semblable à une infinité de cordes disposées parallèlement dans un plan situé à la

surface libre de l’eau.

Vue de dessus

Coupe

Vibreur

x

Rég

lette

O

Lignes de crêtes ; Lignes de creux

Vue de dessus

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b- Observation en lumière ordinaire : …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

c- Observation en lumière stroboscopique : Te étant la fréquence des éclairs.

* Si Te = p.T ; p ∈ ΝΝΝΝ* :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Si Te légèrement inférieure à p.T : …………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Si Te légèrement supérieure à p.T :

……………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

3- Application N°2 : Un vibreur entretenu électriquement porte une lame vibrante dont l’extrémité S est une pointe qui frappe la

surface de l’eau d’un mouvement vertical sinusoïdal, de fréquence N réglable et d’amplitude << a >>.

1-a Décrire le phénomène observé à la surface de l’eau.

b- Un stroboscope éclaire la surface de l’eau ; la fréquence des éclaires Ne est constante.

On augmente progressivement, à partir de la valeur zéro, la fréquence des vibrations de la lame ; pour une

fréquence N = 25Hz de celle-ci on observe, pour la première fois, l’immobilité apparente des rides à la

surface de l’eau. Expliquer le phénomène et calculer la fréquence Ne des éclaires permettant d’obtenir

l’immobilité apparente.

2- On donne ci-dessous, la représentation graphique d’une coupe de la surface de l’eau, par un plan vertical

passant par S, à un instant donné t1 : yt1(x) On prendra pour valeur de la fréquence N = 25Hz et on suppose que l’onde part de la source S à t = 0.

a- Définir la longueur d’onde λ et la calculer. En déduire la valeur de la célérité C de propagation. Déterminer

l’instant de date t1.

b- Donner la représentation de la coupe transversale de la surface de l’eau à l’instant t2 = 0,1s. c- Déterminer l’équation horaire de la source ys(t).

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Y(mm)

x(mm)

4

1

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……………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ondes progressives longitudinalesOndes progressives longitudinalesOndes progressives longitudinalesOndes progressives longitudinales

I- Propagation d’une onde sinusoïdale le long d’un ressort :

1- Observation en lumière ordinaire :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2- Observation en lumière stroboscopique : Te étant la fréquence des éclairs.

* Si Te = p.T ; p ∈ ΝΝΝΝ* :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………..

* Si Te légèrement inférieure à p.T : …………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…..

* Si Te légèrement supérieure à p.T :

……………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

3- Position des spires à un instant t.

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II- Propagation d’une Onde sonore : * Le haut parleur (supposé source ponctuelle) produit une onde sonore sinusoïdale de fréquence N. * L’onde sonore est une onde progressive sphérique mais qui s’atténue en s’éloignant de la source à cause de la

dilution de l’énergie.

* Une onde sonore ne se propage pas dans le vide. Un son est une vibration qui se propage dans un milieu

matériel.

* Une onde sonore est longitudinale :

* Célérité de son : La propagation d’onde sonore se fait avec une célérité qui dépend de la nature de milieu propagateur

Milieu air eau Fer Célérité (m.s-1) 340 1500 5000

HP

M1 M2 M4 M3

I

II

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………….

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………….

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………….

La flamme se met à bouger en suivant le mouvement de

………………………... : Ceci illustre la nature longitudinale des ondes

sonores.

HP

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Application : Deux microphones A et B, distants de d, sont placés dans l’axe d’un haut parleur émettant un son sinusoïdal de

fréquence N = 1.25 KHz. Les microphones A et B, sont reliés respectivement aux voies Y1 et Y2 d’un

oscilloscope et réglées sur la même sensibilité verticale.

On obtient les oscillogrammes ci-dessous.

1- Dire si le son est une onde transversale ou longitudinale.

2- Indiquer la voie qui correspond à chaque courbe de l’oscillogramme. Justifier la réponse.

3- Calculer la sensibilité horizontale de l’oscilloscope.

4- Comparer l’état vibratoire des deux points ou sont placés les microphones.

5- a – La distance d est égale à 27.2cm. Cette valeur est-elle cohérente avec la réponse précédente ? La célérité du son dans l’air est v = 340m.s-1 b- Trouver la distance minimale entre les deux microphones pour que les deux courbes deviennent :

* en opposition de phase.

* en quadrature de phase

6- Sans déplacer le dispositif, on divise par deux la fréquence N du son émis par le haut parleur.

Parmi les propositions suivantes, indiquer en le justifiant les affirmations exactes :

a- La période est divisée par deux.

b- La longueur d’onde est doublée.

c- Les points ou sont situés les microphones vibrent en phase.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

d

HP

I

II

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La diffraction d’une ondeLa diffraction d’une ondeLa diffraction d’une ondeLa diffraction d’une onde

La lumière est-elle une onde ?

La nature de la lumière n’apparaît pas de façon évidente : est-ce un ensemble de rayons ? Est-ce une onde ?

Est-ce un ensemble de particules qui se déplacent en ligne droite ? Des faits expérimentaux ont tranché en

faveur de la seconde hypothèse (Grimaldi, 1665 – puis Young et Fresnel au début du XIXème siècle ont

montré la nature ondulatoire de la lumière)

I- La diffraction d’une onde mécanique : 1°/ Expériences. Le schéma ci-contre représente une cuve à onde contenant

de l’eau dans laquelle la pointe d’un vibreur est plongée.

On place dans l’eau une paroi munie d’une fente de petite

largeur a. Une règle solidaire du vibreur, peut créer

une onde périodique plane se propageant à la surface de l'eau.

Examinons ce qui se passe lorsqu'une onde rencontre la paroi

2°/ Observations. a > λλλλ a ≈ λλλλ a < λλλλ

Fe

nte

ob

sta

cle

Ob

se

rva

tio

ns

3°/ Interprétation : ���� En passant à travers une fente F de largeur a ………… ……………..à λ , l’onde rectiligne incidente traverse

l’ouverture en subissant ……………………….………………………….. : On dit qu’elle est ……………………………………………

���� En passant à travers une fente F de largeur a ……………………………………….………………..à λ , l’onde rectiligne

incidente se transforme en une onde ………………..……………...de même longueur d’onde.

On dit que l’onde est …………………………..

Remarque : On obtient le même phénomène, en remplaçant la fente F de largeur a ……… λ par un obstacle de même

…………….

Règle a

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4°/ Influence du rapport λλλλa sur le phénomène de diffraction.

a- Expériences On fixe la largeur a de la fente et on fait varier la longueur d’onde λλλλ en faisant varier l’épaisseur e de l’eau.

On obtient le résultat suivant :

b- Observations et interprétation: ���� Plus que l’eau est profonde, plus les rides sont espacées : donc plus la longueur d’onde λλλλ augmente.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ���� Pour une largeur fixe a de la fente F, le phénomène de diffraction est d’autant plus marqué que la longueur d’onde λ est plus ……………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… II- La diffraction de la lumière: 1°/ Expériences : a- Expérience :1

Ecran vu de face

Ecran (E) Faisceau Laser

Laser

* Une source laser émet une

lumière rouge de longueur d’onde

λ=……………… Observations :………………………………

………………………………………………………………………..

λλλλ2

e2

Vibreur

λλλλ2

e1

Vibreur

λλλλ1

5°/ Conclusion :

� La diffraction d’une onde est la ………………….………….de la ……………….…. …… de propagation et de la

……………………..…… de l’onde au voisinage d’une ………………………… ou d’un ……………………

� Le phénomène de la diffraction est une ……………………………………………………………………….des ondes.

� L’onde incidente et l’onde diffractée ont même …………….…………..et même ………………….……. et même

……………………….………….

� Le phénomène de diffraction dépend du quotienta

λ.

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b- Expérience: 2

c- Expérience: 3 Si l’ouverture de la fente est circulaire

4°/ Influence du rapport λλλλa sur le phénomène de diffraction (T.P)

4-1/ Objectif : Etudier la diffraction des ondes lumineuses.

4-2/ Montage expérimental : Réaliser le montage ci-contre :

Observations :……………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………….

3°/ Conclusion : Propriétés de l’onde lumineuse :

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

2°/ Interprétations : ����………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

����…………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ecran

LASER

Obstacle (fente de largeur a)

Environ 2cm D ≈ ……. m

* Entre la source laser et l’écran on interpose un diaphragme muni

d’une fente rectangulaire mince de

largeur a. Observations :

Figure de diffraction sur l’écran

L

Ecran

Faisceau Laser Laser

Obstacle : Fente ou fil de largeur a sur son support

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4-3/ Mode opératoire : * Fixer la distance D entre les fentes et

l’écran :……………………..

* Pour chaque fente, mesurer la largeur L de

la tache lumineuse centrale (distance entre

les deux premières zones d’extinction comme

le schéma suivant)

Θ : écart angulaire entre le milieu de la

tache centrale et le centre de la première

extinction.

4-4 / Mesures : Réaliser l’expérience et compléter la 2ème et la 3ème ligne du tableau suivant :

a(mm)

L(mm) 1111a(m-1)

Θ(rad)

λa

4-5/ Exploitation des résultats :

a- Tracer le graphe L = f(1111a).

b- Commenter l’allure du graphe.

Conclure :

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

……………………………………………………………………

c- Mesurer la largeur de la tache de

diffraction pour un cheveu.

Reporter cette valeur dans le tableau.

d- Reporter cette valeur sur le graphe et en déduire l’épaisseur e du cheveu : e=……………

e- En exploitant la courbe L = f(1111a) établir la relation entre L et a.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

f- Pour Θ petit ( en radian) on a tgΘ ≈ Θ. Montrer que Θ = L

2222.D.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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g- Compléter la 4 et la 5 ligne du tableau, en déduire une relation entre Θ, λ et a.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… h- En exploitant les résultats précédents établir l’expression de L en fonction de D, λλλλ et a. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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LeLeLeLe spectre atomique spectre atomique spectre atomique spectre atomique

I- L’énergie de l’atome 1°/ Insuffisances de la mécanique classique (de Newton). 1.1. Interaction gravitationnelle - interaction électrostatique

1.2. Comparaison des systèmes planétaires : Système= {planète - satellite} et des cortèges électroniques des atomes : Système= {noyau - électron}.

1.3. Rayonnement de l’énergie : Loi de Maxwell. «Toute particule chargée et accélérée rayonne de l’énergie en émettant des ondes électromagnétiques » En appliquant la loi de Maxwell à un électron qui gravite autour du noyau, dire comment doit-il se comporter ? …………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………..………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1.4. Conclusion : ……………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………..………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Système= {planète - satellite} …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Modèle de l’atome de Rutherford Système= {noyau - électron} …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Loi de Newton : Loi de Coulomb :

B

qB

A

qA mA

B

mB

A

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2- Expérience de Frank et Hertz : James Franck et Gustave Hertz ont montré, en 1914, qu’en bombardant les atomes d’un gaz avec des électrons

d’énergie connue (de l’ordre de quelques eV), on pouvait accroître l’énergie interne des atomes et que cela

s’effectuait par paliers. Ils reçurent, pour l’ensemble de leurs travaux, le prix Nobel en 1925.

c- résultats de l’expérience :

Les résultats ont permis de tracer la courbe représentant Nc

Ne

= f(EC) avec :

Ne : nombre d’électrons émis par le canon par unité de temps.

Nc : Le nombre d’électrons captés avec une certaine énergie cinétique par unité de temps.

EC : énergie cinétique des électrons émis par le canon.

1eV = 1,6.10-19 ; Ne (constante) d- Interprétation :

���� Si le modèle de l’atome de Rutherford est juste, quel(s) résultats(s) l’expérience de Franck et Hertz doit-elle donner ? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

���� Pour Ec <<<< 4,9 eV on a Nc

Ne= 1, donc Nc = Ne :

�…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

� Pour Ec ≥ 4,9 eV on a Nc

Ne <<<< 1 donc Nc <<<< Ne :

�…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

e- Conclusion : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

b- Principe

Ils ont bombardé les atomes d’un gaz

avec un faisceau homocinétique

d’électrons et comparé l’énergie de

ceux-ci à l’entrée de la chambre de

gaz et à la sortie.

Nc

Ne

4,9

EC (eV)

1

Analyse de l’énergie des électrons sortants Canon à électrons

homocinétiques (de même vitesses)

a- Dispositif expérimental

Vapeur de mercure à faible pression

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3- Niveaux d’énergie d’un atome : Le système= {noyau - électron}

3-1) Le modèle atomique de Bohr L’atome est formé d’un noyau fixe autour du quel gravitent des électrons tels que : � Les électrons sont placés sur des orbites sphériques concentriques et stables. � L’atome n’a que certains niveaux d’énergie spécifiques possibles qu’on appelle états stationnaires.

� Un électron change de niveaux d’énergie en absorbant ou en émettant une quantité spécifique d’énergie correspondant exactement à la différence d’énergie entre les deux niveaux

3-2) Niveaux d'énergie d'un atome De l'expérience précédente, on déduit que

l'énergie de l'atome est quantifiée :

c'est-à-dire qu'elle ne peut prendre que certaines valeurs bien déterminées appelées niveaux discrets d'énergie caractéristiques de l'élément notées E1 ; E2 ; E3 ;… ; En Les différents états de l’atome :

a- Etat fondamental : E0 < 0 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… b- Etats excités : En<0

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… c-. Etat ionisé : E∞=0.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Remarque : …………………………………………………………………………………………………………………………… 3-3) Transition entre niveaux d'énergie Une transition atomique est le passage de l'atome d'un état d'énergie à un autre a ) Absorption :

La transition d’un niveau d’énergie En à un niveau d’énergie Ep plus élevé se fait par absorption d’une radiation lumineuse de fréquence νννν (ou de longueur d’onde λλλλ) : L’atome est en état excité. Remarque : ����Cette énergie peut être transférée à l'atome par absorption de lumière (ou à l'occasion de chocs interatomiques si la température du milieu est élevée, par décharges électriques, par chocs avec les électrons d'un faisceau électronique) ���� L’énergie absorbée par l'atome doit être juste égale à la quantité d'énergie nécessaire à l'une des transitions possibles : C'est-à-dire égale à l'augmentation d'énergie de l'atome :

���� Lors d'un choc avec un électron d'énergie cinétique Ec, l'atome absorbe juste la quantité d'énergie nécessaire à l'une des transitions possibles (∆∆∆∆E=Ep -En ) et l'électron repart avec l'énergie résiduelle conservée par l’électron.

E3

E∞ =0

E2

E1

E0

En (énergie de l’atome)

Ep

En

En (énergie de l’atome) en eV

Absorption

Eabsorbée = Ep -En

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4-2) Émission : L’émission de lumière peut se faire spontanément, par perte

d’énergie de l’atome excité : L’électron passe d’un niveau excité d’énergie Ep à un niveau d’énergie En plus bas par émission d’une radiation lumineuse de fréquence νννν (ou de longueur d’onde λλλλ) La diminution d'énergie de l'atome est égale à l'énergie de la radiation lumineuse émise de fréquence νννν (ou de longueur d’onde λλλλ) : II- Le spectre lumineux :

Les découvertes astronomiques se font essentiellement par l'étude

de la lumière émise par les astres. Il est possible d'étudier cette

lumière comme un tout mais il est aussi possible de la diviser en

ses différentes composantes pour mieux connaître la nature de

l'objet qui l'a émise.

Nous observons un phénomène spectroscopique depuis l'aube de

l'humanité: les arcs-en-ciel. Ceux-ci sont produits par la

décomposition de la lumière du Soleil en ses différentes couleurs

par la présence de gouttelettes d'eau dans l'air. C'est Isaac

Newton (1642-1727) qui, le premier, observa de façon scientifique

le phénomène de séparation des couleurs en notant qu'un prisme

de verre pouvait diviser un faisceau de lumière blanche en les

différentes couleurs de l'arc-en-ciel. Cela se passait vers la fin du

XVIIème siècle.

1) Le dispositif expérimental : Le spectroscope

Nous avons vu dans le chapitre précédent le prisme, instrument capable de décomposer la lumière. La figure montrant la décomposition de la lumière s’appelle un ………………………………. Un autre instrument existe afin d’obtenir ce genre de figure, il s’agit du réseau. Il est constitué d’une

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Nous allons dans ce chapitre utilisé ces instruments pour observer des spectres et voir qu’il en existe de

différentes sortes.

2) Spectres d’émission : 2-1) Spectres visible de la lumière blanche : Pour réaliser expérimentalement un spectre, il est possible de

réaliser le montage suivant : Observations : …………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ep

En

En (énergie de l’atome) en eV

Émission Eémise = Ep -En

Source de lumière blanche

Ecran Réseau Lentille

Fente

OFF

ON

Longueur d’onde en

(nm)

400 800

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2-2) Spectres de raies d’émission :

a- Observations b- Interprétation :

Le spectre donné par une lampe à vapeur de sodium ou à vapeur de mercure est ………………………… La lumière émise par ces lampes est composée d'un nombre ………………………………………………… qui dépend de la ………………………… Leur spectre est un spectre de ……………………………………………………

c- Définitions : � Un gaz à basse pression et à température élevée émet une lumière constituée d’un nombre donné de raies, on dit que l’on a ……………………………………….…. ou un …………………. � Le spectre donné par une lampe à vapeur de sodium ou à vapeur de mercure est discontinu : La lumière émise par ces lampes est composée d'un nombre limité de radiations. Leur spectre est un spectre d'émission ……………………….

� A chaque ……… ………..correspond une ………………………………………. bien précise, qui définit …………………………………………………………………. � Chaque espèce chimique du gaz émet des raies …………………………………………….. on peut donc identifier un gaz par ………………………………………….sans ambiguïté : Le spectre de raies est la signature de l'élément chimique.

3) Les spectres de raies d’absorption :

a- Définitions : Lorsqu'une substance est traversée par de la lumière blanche, le spectre obtenu est constitué de raies noires se détachant sur un spectre coloré. Le spectre obtenu est appelé : ………………………………… Donc le spectre d’absorption est le spectre d’une lumière blanche ayant traversé la matière (un gaz) qui l’a privée d’une partie du rayonnement initial : …………………………………………………………………………………

b- Expérience : (Avec un gaz)

����Avec une lampe au sodium on obtient une seule raie jaune

����Avec une lampe au mercure on obtient

de gauche à droite : raies : rouge / rouge / orange / vert / bleu

Source de lumière

blanche

Ecran Réseau Lentille Fente

Gaz

OFF

ON

Ecran Réseau Lentille Fente Lampe spectrale à vapeur de sodium ou à vapeur de mercure

OFF

ON

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Ephoton : ………………………….…

νννν : ………………………….…

λλλλ : ………………………….…

c ≈ ………………………….…

h = ………………………….…

Ep

En

En (énergie de l’atome) en eV

Absorption

Remarque : Lorsqu’on fait brûler l’élément chimique sodium dans la flamme du bec bunsen. La flamme devient jaune. c- Observations : ����Lorsqu'un gaz est traversé par de la lumière blanche, le spectre obtenu est constitué de raies ……………………… se détachant sur un spectre coloré. ���� La ……………………………………….du spectre d'absorption du sodium correspond à la………………………………………. de son spectre d'émission : ����Les raies ………………………..……………. du spectre d'absorption du mercure correspondent aux raies ……………………… de son spectre d'émission.

d- Conclusion : ���� La substance absorbe certaines radiations. ���� Les raies …………………………………………. correspondent aux raies …………………..……….. ���� Un élément chimique ………..……….………..…. les radiations qu'il est capable …………………..….…………... : Donc un spectre d’absorption est aussi une signature de l’espèce chimique considéré (On peut également reconnaître un élément par une couleur de flamme)

4) Interprétation des spectres atomiques

4-1) Le modèle du photon ���� La diffraction de la lumière prouve qu’elle à un caractère ………………………….………, cette théorie est incapable d’expliquer le spectre atomique : ���� Pour expliquer le spectre de raies atomique, on admet qu’une radiation monochromatique de longueur d’onde λλλλ est constituée par des particules non chargées et sans masse appelées : Photons. Chaque photon transporte une quantité d’énergie :Ephoton tel que :

4-2) Interprétation des raies d’émission ou d’absorption et transition électronique: a-) Cas des raies d’absorption : Un électron transite d’un niveau En (proche du noyau) vers un niveau

d’énergie supérieur Ep, lorsqu’il reçoit le quantum d’énergie nécessaire et suffisant, tel que : ∆E = ………………………….… ………………………….…

4) Généralisation : ���� Un ………………… d’élément chimique est caractérisé par son spectre ………………..……….……… ou ………………………….. ���� Les raies d'absorption et d'émission ont la même longueur d'onde : Un gaz ne peut …………….…………..que les radiations qu’il serait …………………………………………….………….. s’il était chaud.

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Ep

En

En (énergie de l’atome) en eV

Emission

Le spectre de raies d’absorption obtenu présente essentiellement une raie noire sur fond continu qui

correspond à la radiation manquante dans le spectre de la lumière blanche : ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… a-) Cas des raies d’émission : Désexcitation de l’atome excitée.

Lorsque l’électron excité de l’atome passe du niveau d’énergie Ep vers un niveau d’énergie En plus bas, il y a émission d’un photon d’énergie ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… Remarque : ………………………………………………………………

III- Le spectre de l’atome d’hydrogène :

1) Énergie de l’atome d’hydrogène. a) Expression L'atome d'hydrogène est formé d'un seul électron en mouvement autour d'un proton (noyau le plus simple).

Les niveaux d'énergie électronique sont quantifiés. Ils sont donnés par la relation suivante

n 1 2 3 4 5

En (eV)

b) Etat fondamental, état excité. Donner la valeur de l’énergie qui correspond à l’état fondamental de l’atome d’hydrogène: Quelle est l’énergie de l’atome d’hydrogène lorsqu’il est excité ?

c) Etat ionisé et énergie d’ionisation. Définition :

2 ) Série de raies d’émission :. L’ensemble de raies qui constituent le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène peut être placé en série. Une série correspond aux transitions qui aboutissent au même niveau d’énergie : ����Série de Lyman pour les transitions des niveaux supérieurs, vers le niveau d’énergie n = 1 ����Série de Balmer pour les transitions vers le niveau d’énergie n = 2. ����Série de Paschen pour les transitions vers le niveau d’énergie n = 3

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IV- Applications:

1°) Application à l’astrophysique: Il est difficile d’envoyer une sonde spatiale sur de nombreuses étoiles car elles sont trop loin ou trop chaude. Seul leur rayonnement nous permet de les analyser. Qu’est ce qu’une étoile ? C’est une boule de gaz sous haute pression dont la température varie beaucoup entre le centre et la surface. Mais la plupart des étoiles comportent une atmosphère constituée d’un gaz sous basse pression.

Quelles informations pouvons-nous avoir ? • Le rayonnement que l’on perçoit d’une étoile provient de la photosphère. Celui–ci donne

la couleur donc la température de l’étoile : Les bleues sont les plus chaudes et les rouges les plus froides.

• A la périphérie de cette photosphère, il existe donc une atmosphère constituée d’un gaz sous faible pression. C’est dans cette partie de l’étoile que certaines radiations sont absorbées par les éléments chimiques présents. Le spectre de la lumière émise par une étoile est donc un spectre d’absorption.

2°) Exercice :

h = 6,62.10-34J.s ; C= 3.108m.s-1 ; 1eV = 1,6.10-19J ; me = 9,1.10-31Kg On rappelle que l’énergie d’un atome d’hydrogène est quantifiée et ne peut prendre que les valeurs suivantes :

En = E0000

n2222 avec E0 = -13.6 eV et n = 1, 2, 3………

1- a – Représenter sur un diagramme les niveaux d’énergie en électrons-volts de l’atome d’hydrogène pour n

compris entre 1 et 6. b- Préciser sur ce diagramme l’état fondamental et les états excités.

c- Montrer à partir de ce diagramme le caractère discontinu du spectre d’émission de l’atome d’hydrogène.

2- Qu’appelle-t-on énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène ? Quelle est sa valeur ?

3- Dire s’il y a absorption ou émission lors de la transition :

a- Du niveau d’énergie correspondant à n = 1 au niveau n = 2

b- Du niveau d’énergie correspondant à n =3 au niveau n = 2

4- L’atome d’hydrogène passe du niveau d’énergie correspondant à n = 4 au niveau n = 2. a- Calculer la longueur d’onde de la radiation émise.

b- A quel domaine de radiation cette longueur d’onde appartient-elle ?

5- Les quatre premières raies de la série de Balmer correspondant au retour au niveau n = 2 ont pour longueur

d’onde : λ1 = 410 nm, λ2 = 410 nm, λ3 = 410 nm, λ4 = 410 nm. Associer chaque longueur d’onde à la transition

correspondante.

6- L’atome d’hydrogène étant dans un état correspondant au niveau n = 1, il reçoit deux photons d’énergie

respectives 10.5 eV et 14 eV. a- Lequel des deux photons permet ionisation de l’atome d’hydrogène ?

b- Calculer l’énergie cinétique, en eV, de l’électron lorsqu’il quitte l’atome ; puis déduire sa vitesse

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Le noyau atomiqueLe noyau atomiqueLe noyau atomiqueLe noyau atomique I - Introduction : Un atome est constitué de deux parties : un noyau (appelé aussi nucléide) et un nuage électronique. Le noyau est composé de particules appelées nucléons qui sont de deux types :

* Les protons de charge élémentaire positive (qp = e=1,6.10-19C) et de masse (mp = 1,6726.10-27kg ) * Les neutrons électriquement neutres (qn=0) et de masse (mn=1,6750.10-27kg ) . mn très légèrement supérieure à mp.

1- Caractéristiques d'un noyau d'atome :

La représentation symbolique du noyau d'un atome est: XAZ

• X est le symbole de l'élément chimique de numéro atomique Z. • Z est le nombre de protons. Z est aussi appelé nombre de charge.

• A est le nombre de nucléons (protons + nucléon). A est aussi appelé nombre de masse.

N = A - Z est le nombre de neutrons présents dans le noyau. a- Nucléide.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

b- Élément. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

c- Isotopes. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Exemple: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

d- Dimensions. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Le rayon d’un noyau XAZ est r = r0. 3 A ; avec r0 =1,2 Fm

2- L’unité de masse atomique : L’emploi du (kg) pour exprimer la masse des noyaux est peu commode ; en revanche, il est pratique d’utiliser

l’unité de masse atomique (symbole : u) a- Définition :

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

b- Exemples : c- Remarque : la masse du noyau diffère peu de la masse de l’atome correspondant. La masse des nucléons étant

environ 2000 fois supérieure à la masse des électrons, cette dernière est souvent négligée :

masse de l’atome ≃≃≃≃ masse de son noyau

particule proton neutron électron masse ( kg ) 1,6726231.10-27 1,6749286.10-27 9,1093897.10-31

masse ( u ) 1,0073 1,0087 0,55.10-3

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E: énergie du système en joules (J) m: masse du système en kilogrammes (kg) c: vitesse de la lumière dans le vide (c=3,0.108m.s-1)

ΔE = Δm.c2

II- Stabilité et instabilité des noyaux : 1. Les principales forces agissant dans le noyau.

Au sein du noyau s'affrontent principalement deux types d'interactions:

• Des répulsions électriques qui ont tendance à détruire le noyau,

• Des interactions nucléaires fortes qui ont tendance à assurer la cohésion du noyau. Qui se manifestent

seulement à des faibles distances (de l’ordre de1Fm)

2. Instabilité du noyau. Sous l'action des différentes forces en présence, certains noyaux sont stables (ils ont une durée de vie

considérée comme infinie à l'échelle géologique) et d'autres sont instables (ils se détruisent spontanément au

bout d'une durée plus ou moins grande à la même échelle).

III- Equivalence masse énergie : 1- Relation d'Einstein En 1905, en élaborant la théorie de la relativité restreinte, Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie.

Postulat d'Einstein: Un système de masse m possède lorsqu'il est au repos, une énergie:

E = m.c2 avec

Conséquence: Si le système (au repos) échange de l'énergie avec le milieu extérieur, (par rayonnement ou par transfert

thermique par exemple), sa variation d'énergie E∆∆∆∆ et sa variation de masse m∆∆∆∆ sont liées par la relation:

Remarque: • Si Δm < 0 : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

• Si Δm >0 : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

2. Unités de masse et d'énergie 2.1- Unité de l’énergie : Le joule est une unité d'énergie inadaptée à l'échelle microscopique. On utilise plutôt à cette échelle

l'électron volt (noté eV):

Définition : l'électron volt est l’énergie acquise par un électron accéléré sous une tension de 1V d’où : ……………………………………………………………………………………..

Remarque: On utilise aussi le MeV: 1MeV = 106eV = 1,60.10-13J.

2.2- Unité de la masse :

Dans la pratique, lorsque l’énergie est exprimée en MeV la masse 2c

Em ==== est exprimée en -2MeV.c

Exemple : Exprimer 1u en MeV c-2

……………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………….

Un Calcul plus précis donne :

Compléter le tableau suivant :

particule proton neutron électrons masse ( u ) 1,0073 1,0087 0,55.10-3

masse (MeV.c-2)

1u =931,5 MeV.c-2

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El: énergie de liaison du noyau (en Mev)

Δm: défaut de masse du noyau (en kg) c: célérité de la lumière dans le vide (en m.s-1)

IV- Energie de liaison du noyau : 1. Défaut de masse du noyau * Exemple du noyau d’hélium : He4

2

La masse du noyau d’hélium,qui peut être mesurée avec spectrographe de masse est m = 4,001506u. a- Déterminer la composition du noyau d’hélium.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

b- Calculer la masse totale m’ des nucléons séparés (isolés), sans interaction, et au repos :mp = 1,007277u ; mn = 1,008665u

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

c- Comparer les valeurs de m et m’ et calculer la variation Δm = m’-m de la masse du système formé par les

quatre nucléons qui constituent le noyau d’hélium, lorsqu’on les sépare. Conclure.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Remarque : Ce défaut de masse Δm est du à l’existence, de forces qui permettent la liaison entre les nucléons du

noyau, appelées forces nucléaires (ou interaction forte) qui deviennent importantes lorsque la distance entre les

nucléons est très courte (de l’ordre de 1Fm). * Généralisation : Expérimentalement, on a constaté que la masse du noyau atomique est toujours inférieure à la somme des masses

des nucléons qui le constituent.

Dans le cas d'un noyau XAZ , en notant mp la masse du proton et mn la masse du neutron, on peut écrire:

mnoyau < Z.mp+ (A - Z).mn. Définition : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

2. Énergie de liaison du noyau : a- Définition: On appelle énergie de liaison d'un noyau (notée El) l'énergie que doit fournir le milieu extérieur

pour séparer ce noyau au repos en ses nucléons libres au repos. El = Δm.c2……………………………………………………………..

Lorsqu'on brise le noyau, sa masse augmente de Δm et son énergie de Δm.c2. On en déduit que l'énergie de liaison

d'un noyau a pour expression:

El = ∆m.c2 avec

L’énergie du système augmente de ∆m.c2

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a- Définition: L'énergie de liaison par nucléon d'un noyau est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses

nucléons. On la note EA.

A

E E l

A ==== avec

EA: énergie de liaison par nucléon (en Mev/nucléon)

El: énergie de liaison du noyau (en Mev) A: nombre de nucléons du noyau

EA en MeV/nucléon

b- Remarque: Inversement, lorsque le noyau se forme à partir de ses nucléons libres, le milieu extérieur reçoit

l'énergie E=| Δm |.c2 (la masse du système diminue et Δm <0).

3- Énergie de liaison par nucléon : Pour juger la stabilité d’un noyau on définit son énergie de liaison par nucléon

b- Remarque: EA permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux. Les noyaux dont l'énergie de liaison par

nucléon est la plus grande sont les plus stables.

4- Courbe EA=f(A) : La courbe EA= f(A) permet de visualiser facilement les noyaux les plus stable puisque ceux-ci se trouvent au bas

du graphe.

Application : Soit le noyau de Radium 226 : (88Ra)

1- Comment vous expliquer la stabilité du noyau?

2- Donner la définition de l’énergie de liaison d’un noyau.

Cette énergie est elle suffisante pour comparer la stabilité des différents noyaux ? Expliquer.

3- L'énergie de liaison d'un noyau de Radium (22688Ra) est El (Ra)=1741,68MeV

L’énergie de liaison d'un noyau de Radon (222Rn) est El(Rn) = 1718,08MeV

a- Quel est le noyau le plus stable ? .Justifier

b- En déduire que la masse d’un noyau de (22688Ra) est m (226Ra)=225,977u.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

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Réactions nucléaire spontanéesRéactions nucléaire spontanéesRéactions nucléaire spontanéesRéactions nucléaire spontanées : La radioactivité: La radioactivité: La radioactivité: La radioactivité

I. La radioactivité.

1- Définition : La radioactivité est l’émission spontanée d’un rayonnement par un isotope particulier d’un élément

chimique.

Le rayonnement peut être : - Un rayonnement électromagnétique noté ( γγγγ ). Cette émission de rayonnement γγγγ n'est pas systématique mais

extrêmement fréquente.

- Corpusculaire : émission de particules chargées.

Le processus est appelé désintégration radioactive et le noyau qui émet le rayonnement radioactif est appelé

radioélément. Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) est aléatoire et s'accompagne de:

* L'apparition d'un nouveau noyau,

* L'émission du rayonnement radioactif

La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l'atome par opposition aux réactions

chimiques qui ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau.

2- Propriétés de la désintégration : La désintégration radioactive est:

* Aléatoire: Il est impossible de prévoir l'instant où va se produire la désintégration d'un noyau radioactif

* Spontanée: La désintégration se produit sans aucune intervention extérieure,

* Inéluctable: Un noyau radioactif se désintégrera tôt ou tard,

* Indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie,

* Indépendante des paramètres extérieurs tels que la pression ou la température.

II- Identification et caractéristique des rayonnements radioactifs :

Expérience :

* Radioactivité : αααα

Des noyaux sont dits radioactifs αααα s'ils expulsent des noyaux d'hélium ou hélions : He4

2

Les particules αααα sont très ionisantes mais peu pénétrantes (une feuille de papier l’arrête)

* Radioactivité : −−−−ββββ ce sont des électrons e0

1-

* Radioactivité : ++++ββββ ce sont des positons e0

1++++

* Radioactivité : γγγγ c’est un rayonnement électromagnétique (photon) de très grande fréquence c.à.d de très

haute énergie, peu ionisant mais très pénétrant par conséquent dangereux (capable de traverser même 20cm dans

le plomb).

e 01====++++ββββ

He 4

2====αααα

γγγγ

e 0

1-

- ====ββββ

Bloc de

Echantillon

Ecran

Er

Particules très Energétiques ;

moins ionisantes mais plus pénétrantes

(arrêtées par une feuille d’aluminium

d’épaisseur 7mm )

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XA

Z YA'

Z' + e0

1++++

III- mécanismes nucléaires spontanés : 1- Lois de conservation : Lors de toute désintégration nucléaire, il y a :

* Conservation du nombre total de charges Z.

* Conservation du nombre total de masses A.

* Conservation de l’énergie.

* Conservation de la quantité de mouvement.

2- Equations des réactions nucléaires spontanées : a- La désintégration αααα : C’est l’émission d’une particule αααα ( He4

2 ) par un noyau XA

Z (appelé noyau père) qui se

transforme en un autre noyau YA'

Z' (appelé noyau fils).

XA

Z YA'

Z' + He4

2

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Remarque : la radioactivité αααα concerne les noyaux lourds : A >>>> 200 ; Z >>>> 80 Exemple :…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

b- La désintégration ββββ-: C’est l’émission d’un électrons ( e0

1- ) par un noyau père XA

Z qui se transforme en un

autre noyau fils YA'

Z'

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Origine de l’électron émis : Le noyau ne contient pas des électrons, c’est le neutron ( n1

0 ) qu’en se transformant en proton ( p1

1 ) libère un

électron ( e0

1- ). Remarque : la radioactivité ββββ- concerne les noyaux riche en neutrons Exemple : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………...

c- La désintégration ββββ+ :C’es t l’émission d’un positon ( e0

1++++ ) par un noyau père XA

Z qui se transforme en un autre

noyau fils YA'

Z'

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Origine du positon émis : e0

1++++

Le noyau ne contient pas des positons, c’est le proton ( p1

1 ) qu’en se transformant en neutron ( n1

0 ) libère un

positon ( e0

1++++ ). Remarque : la radioactivité ββββ+concerne les noyaux riche en protons, ces noyaux n’existe pas dans la nature, ils sont produits

aux laboratoires :

Le radioélément est artificiel on dit que la radioactivité est artificielle Exemple : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

XA

Z YA'

Z' + e0

1- avec

n1

0 p1

1 + e0

1-

p1

1 n1

0 + e0

1++++

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d- La désexcitation : γγγγ Au cours des radioactivités αααα ou ββββ ; généralement une partie de l’énergie libérée est absorbée par le noyau

fils ( Y ) on dit qu’il est obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé). Ce noyau dans cet état excité est en

général noté Y*. Le noyau fils ne reste pas dans cet état instable.

Il évacue cette énergie excédentaire sous forme de photons en émettant un rayonnement électromagnétique γγγγ : On dit qu'il se désexcite.

Cette émission γγγγ apparaît donc comme un phénomène secondaire de la radioactivité.

Le retour à l’état fondamental du noyau excité Y* se traduit par l’équation bilan :

*A

ZY YA

Z + γγγγ00

3- Filiation radioactive : Une famille est constituée d’un ensemble de noyaux radioactifs issus d’un noyau initial et formés par

désintégrations successives conduisant à un noyau stable. Dans la nature il existe 3 ou 4 familles

Exemple : père : Uranium dernier fils : Plomb,

état excité (instable)

état

fondamental (stable)

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IV. Evolution temporelle d’une substance radioactive.

2. Décroissance exponentielle. Soient :

���� N0, le nombre de noyaux radioactifs à l’instant t = 0

���� N(t), le nombre de noyaux radioactifs restants à l’instant t ���� N(t) + dN le nombre de noyau restants à la date t + dt . (avec dN < 0 puisque N diminue).

���� Calculez le nombre de noyaux qui s'est désintégrés entre t et t + dt :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

���� Nous savons que ce nombre est proportionnel à deux grandeurs: ���� (- dN) est proportionnel à N(t) c'est à dire au nombre de noyaux présents à l'instant t dans l'échantillon.

�(- dN) est proportionnel à dt c'est à dire la durée pendant laquelle on compte les désintégrations.

�Ainsi, on peut écrire la relation de proportionnalité entre : (- dN), N(t) et dt. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

La constante de proportionnalité …………. est appelée généralement ……………………………………………………………………….

Elle est exprimée en : Elle dépend de la nature de l'échantillon étudié.

En exploitant la relation de proportionnalité entre (- dN), N(t) et dt montrer que l’expression de N(t) en

fonction de N0 , λλλλ et t est N(t) = N0.e-λλλλ.t

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Remarque-1 : Expression de la masse m(t) de l'échantillon radioactive à l'instant t : m(t) = m0.e-λλλλ.t

Remarque-2 : Exploitation des courbes.

La fonction f(t) La courbe de f(t) Expression de f(t) f(t) = Log(N)

f(t) = Log(N) est une application affine Log(N) = at+b= -λλλλ.t +Log(N0) avec la pente

a = -λλλλ b = Log(N0) d’où N0=eb

f(t) = Log(N0000

N)

N= N0.e-λλλλ.t ⇒⇒⇒⇒ N0000

N= eλλλλ.t ⇒⇒⇒⇒ Log(N0000

N)= λλλλ.t

f(t) = Log(N) est une application linéaire :

Log(N0000

N)= a.t=λλλλ.t

avec la pente a = λλλλ

b=Log(N0)

t (s)

Log(N)

Log(N0000

N)

t (s)

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3. Période ou demi-vie d’une substance radioactive. 3-1. Définition. La demi-vie radioactive, notée T, d'un échantillon de noyaux radioactifs est

égale à la durée nécessaire pour que, la moitié des noyaux radioactifs présents dans l'échantillon se désintègrent

3-2.Activité : En exploitant la définition de la période T et la loi N(t) = N0e-λλλλt établir la

relation entre T et λλλλ. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

3-3.Exemples de périodes de quelques éléments radioactifs. Quelques éléments ont une période de l'ordre de 10-15s d'autre ont une période de 1023s .

4 Activité d'une source radioactive. 4-1. Définition. L'activité A d'une source radioactive est égale au nombre moyen de désintégrations par seconde dans

l'échantillon.

Elle s'exprime en becquerels dont le symbole est Bq

(1Bq=1 désintégration par seconde). Remarque : Le curie (Ci) est une autre unité de mesure d'activité utilisée.

Il correspond à l'activité de 1,0 g de radium et vaut 3,7.1010Bq.

4-2. Expression de l'activité. En exploitant la définition de l'activité A d'une source radioactive et la loi N(t) = N0e-λλλλt , montrer que

l’expression de l'activité d'un échantillon en fonction du temps est : A(t)= A0e-λλλλt tel que :

A0 = λλλλ.N0 est l’activité initiale de l’échantillon radioactive ( à t = 0s ) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Remarque : L’activité suit la même loi de décroissance exponentielle que N. 5. Activité : Principe de la datation d'un objet très ancien à l'aide d'un radioélément. ���� Si l'on connaît le radioélément contenu dans l'objet (on connaît alors λλλλ), si l'on connaît l'activité A0 de

l'échantillon et si l'on sait mesurer A, alors il est possible de connaître la date d'origine t de l'objet.

���� Etablir l’expression de t en fonction de A0, A(t) et λλλλ.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Radionucléide T Organe cible 31H 12 ans organisme entier

13153I 8 jours thyroïde

23994Pu 24400 ans os

t (s)

N=f(t)

Courbe de décroissance

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6. Dangerosité et effets biologiques. 6-1. Dangerosité et demi-vie. On admettra que plus l'activité d'une source est grande, plus elle est dangereuse. Or d'après ce qui précède:

On a A =λλλλN et λλλλ = (Log 2) / T ⇒⇒⇒⇒ A= N .Log 2222 T

Il apparaît donc q'une source radioactive est d'autant plus active, donc dangereuse, qu'elle comporte un grand

nombre de noyaux radioactifs et que sa demi-vie est courte.

6-2. Effets biologiques.

L'action sur les tissus vivants dépend de plusieurs paramètres:

• Du nombre de particules reçues par seconde. Ce nombre dépend de l'activité de la source et de son

éloignement.

• De l'énergie et de la nature des particules émises et donc reçues.

• Du fractionnement de la dose reçue.

• De la nature des tissus touchés.

Les particules ionisantes et le rayonnement γ sont capables de provoquer des réactions chimiques et des

modifications dans la structure des molécules constituant la matière vivante. En particulier, ils peuvent induire

des mutations génétiques lorsque l'ADN se trouve modifié.

7. Activité d’évaluation : On considère N et N0 les nombres de noyaux

présents aux dates t > 0 et

t0 = 0. On étudie la désintégration de l’isotope de

xénon Xe13554 , on obtient les résultats suivants :

1°) Tracer la courbe

N

NLog 0 = f (t).

2°) Justifier l’allure de la courbe.

…………………………………………………………………………………

……..…………………………………………………………………………

………………………………………….

3°) Exploiter la courbe pour :

a) Déterminer la valeur de la constante

radioactive λλλλ. …………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

………………………………………..

b) Déduire la période radioactive de Xe13554 :

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

……………………………………….

c) Calculer l’activité initiale A0 de l’échantillon :.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………….

t (heures) 0 2 4 6 8 10 N (106noyaux) 27 23,16 19,9 17,13 14,75 12,7

Log(N0000

N)

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----

2-4.Remarque: Les neutrons émis lors de la fission peuvent à leur

tour provoquer la fission d'autres noyaux.

Si le nombre de neutrons émis lors de chaque fission

est supérieur à 1, il peut se produire une réaction en

chaîne qui devient rapidement incontrôlable (principe

de la bombe à fission).

Dans les centrales nucléaires, la réaction en chaîne est

contrôlée par des barres qui absorbent une partie du flux de neutrons.

2-Exemple: Plusieurs réactions de fission de l'uranium

235 sont possibles:

……………………………………………………………………………………

……..……………………………………………………………………………

………………………………….

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

………………………………….

……………………………………………………………………………………

REACTIONS NUCLEAIRES PROVOQUEES

Dans les réactions nucléaires spontanées un seul noyau se désintègre tout seul spontanément.

Les réactions nucléaires provoquées concernent au moins deux noyaux ou un noyau et une particule qui

interagissent : c’est un choc entre particules

I. La fission nucléaire: réaction en chaîne

III - La fusion nucléaire

2-Exemple:

1- Définition: La fission est une réaction nucléaire

provoquée au cours de laquelle un noyau

lourd "fissible" donne naissance à deux noyaux plus légers.

3- Généralisation :

n)k.( Z Y X n 10

'A''Z'

A'Z'

AZ

10 ++++++++→→→→++++

1-.Définition: La fusion nucléaire est une réaction au cours

de laquelle deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd.

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XAZ YAZ

42

−− + He4

2

Co6027 Ni60

28 + e01−

n10 + U23592 Sr94

... + Xe14054 + …..

( n )

IV- Bilan d'énergie

1- Cas des réactions nucléaires spontanées Si la réaction se produit avec perte de masse, le milieu extérieur reçoit de l'énergie (généralement sous forme

d'énergie cinétique des particules émises). Dans le cas d'une émission α par exemple:

L’énergie fournie au milieu extérieur est: 555555555555555555555555555

Exemple: La désintégration β - du cobalt 60 :

Masses des particules :

m( Co6027 ) = 59,9190u; m( Ni60

28 ) = 59,9154u; m( e01− ) = 5,49.10-4u.

m∆ = m( Ni6028 ) + m( e01− ) - m( Co60

27 ) => m∆ =………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………

On remarquera que m∆ <0. La masse du système diminue et le système fournit de l'énergie au milieu extérieur. Cette énergie s'écrit: E = | m∆ |.c2

=> E = ........................................................................

.....................................................................................................................................................................................................................

.....................................

2. Cas des réactions de fission Nous traiterons ce paragraphe sur un exemple, la fission de l'uranium 235.

Masses des particules : m( U235

92 ) =234,9935u; m( Sr94... ) = 93,8945u; mn =1,0087u et m( Xe140

54 )=139,8920u

m∆ = …………………………………………………………………… 55555555555555555555555555 55555555555555555555555555 55555555555555555555555555 55555555555555555555555555

On remarquera que m∆ <0. La masse du système diminue et le système fournit de l'énergie au milieu extérieur.

Cette énergie s'écrit: E = | m∆ |.c2 =>

E = .....................................................................

................................................................................................................................................................................................

3. Cas des réactions de fusion Ce paragraphe sera lui aussi traité à l'aide d'un exemple.

Soit

Déterminer k :…………………………………..

Masses des particules: m( He32 ) = 3,0149u; m( He4

2 ) = 4,0015u; mp = 1,0073u.

m∆ = …………………………………………………………………… 55555555555555555555555555 55555555555555555555555555

On remarquera que m∆ <0. La masse du système diminue et le système fournit de l'énergie au milieu extérieur. Cette énergie s'écrit: E = | m∆ |.c2 E = ....................................................................................... 55555555555555555555555555

He32 + He3

2 He42 +

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Pile Daniell

Description de la pile de Bagdad

La pile électrique de Bagdad est réalisée dans un petit pot en terre cuite d'un diamètre

d'environ 8 centimètres et d'une hauteur de 15 centimètres. Elle est constituée d'un petit

barreau de fer d'environ 9 centimètres de long placé dans un cylindre en cuivre et isolé de

celui-ci par un bouchon d'asphalte. L'ensemble est rempli d'électrolyte et fermé

hermétiquement par un autre bouchon d'asphalte

1 : Fil de masse (pole positif).

2 : Fermeture par bouchon en asphalte.

3 : Barreau de fer (pole négatif).

4 : Electrolyte (citron ou vinaigre).

5 : Cylindre en cuivre.

6 : Bouchon isolant en asphalte.

7 : Pot en terre cuite.

8 : Capuchon en cuivre.

Cette pile de Bagdad prouve que les anciennes civilisations connaissaient l'électricité. Elle

était en effet utilisée plus de 2000 ans avant la pile de Volta (pile Argent-Zinc, inventée en

1800 par le comte Alessandro Volta) !

Plusieurs de ces piles ont été trouvées aux environs de Bagdad, dans les ruines de Khujut

Rabu, une ancienne ville Parthe. Les Parthes ont dominé cette région à partir de 250 avant

J.C. et jusqu'en 250 après J.C.

Dix autres piles furent découvertes plus tard à Ctesiphon, une cité antique à 32 kilomètres

au Sud-Est de Bagdad qui, en 129 avant J.C., était la résidence d'hiver des rois Parthes.

( http://www.cirac.org/infos-fr/pilefr.htm)

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Les réactions d’oxydoréduction

I- Rappels et définitions. 1) Expériences : Un oxydant :……………………………………………………………………………………………………………………………… Un réducteur :………………………………………………………………………………………………………………………………. Une oxydation :…………………………………………………………………………………………………………………………….. Une réduction : ……………………………………………………………………………………………………………………………..

�……………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………

�……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………..

���� ……………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………..

II- Loi d’action de masse et condition d’évolution spontanée

1) Loi d’action de masse : Soit la réaction redox : m.Ox1 +n. Réd2

m.Réd1 + n.Ox2 K = ==== dyéq .ππππ

2) Comparaison des pouvoirs réducteur et oxydant : Si K >1 (ou pK =-logK < 0) : Ox1 plus fort que Ox2 et Réd2 plus fort que Réd1

Si K<1 (ou pK =-logK > 0) : Ox2 plus fort que Ox1 et Réd1 plus fort que Réd2

ππππ <K ΠK

K

La réaction directe est possible spontanément : La réaction inverse est possible spontanément :Ox2 oxyde Réd1

ππππ >K

K ====ππππ :Equilibre dynamique

Expérience :1 Expérience :2

Cu2+ +SO42-

Zn

…………………………….

…… ……… …………… ……..

…………… ……………

Oxydation

Réduction

…… ……….. ……….. ……………

…………. ………….

Oxydation

Réduction

Définitions :

Ag+ +NO3-

Cu Cu

………………

………………

…………

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III- Application.

Soit la réaction :

Co + Ni2+ Co2+ + Ni Caractérisée par sa constante d’équilibre K = 4,65 à 25°C.

1) Comparer les deux couples redox mis en jeu.

2) Soit le système formé par le mélange d’une solution aqueuse de sulfate de cobalt (CoSO4) et d’une

solution aqueuse

de sulfate de nickel (NiSO4), dans lequel on plonge deux lames de cobalt et de nickel

et tel que : [Ni2+] = 0,1mol.L-1 et [Co2+] = x mol.L-1. Commenter suivant la valeur de x l’état du système.

Solutions :

Co2+, Ni2+ et SO42-

Co Ni

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[Cu2+] = 1mol.L-1 [Zn2+] = 1mol.L-1

Zn Cu

R

Les piles électrochimiquesLes piles électrochimiquesLes piles électrochimiquesLes piles électrochimiques

I- Formation d’une pile électrochimique.

3) Interprétation ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4) Formation d’une pile électrochimique ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

II- Pile Daniell 2-2) Observations et interprétations. a) Préciser le sens de circulation du courant et des électrons dans le circuit extérieur.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………….

b) En déduire

� La polarité de la pile.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

� La réaction spontanée qui se produit lorsque la pile débite un courant. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………….

Dans un mélange d’une

solution de sulfate de

zinc et d’une solution de

sulfate de cuivre on

plonge deux lames de

cuivre et de zinc

1) Expérience

Zn2+, Cu2+ et SO42-

Zn Cu

………………………………………………………………

………………………………………………………………

………………………………………………………………

………………………………………………………………

………………………………………………………………

………………………………………

2) Observations

1) Description de la pile Daniel …………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

…………………………………………………………

2) Principe de fonctionnement de la pile Daniel 1-2) Expérience : Réaliser le circuit suivant :

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----

c) Comment varient les concentrations [Zn2+] et [Cu2+] lorsque la pile fonctionne. Que peut-on dire de la charge

globale des solutions aqueuses dans chaque demi-pile ?

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………….

d) Expliquer comment le pont salin permet de rétablir l’équilibre des charges électriques dans les deux

dimi-piles.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………….

e) Peut-on remplacer le pont salin par un conducteur électronique (métal) ?

………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………….

3) Représentation de la pile Daniel Une pile électrochimique peut être représentée ; soit par son schéma ; soit par son symbole ; soit par sa

réaction associée. A une pile, on peut associer deux schémas, deux symboles et deux réactions selon qu’on met à gauche le couple

Cu2+/ Cu ou Zn2+/Zn

Conclusion : Le rôle du pont électrolytique ………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………….

Convention :L’équation chimique est écrite de sorte que chaque réducteur doit être du même coté (droite

ou gauche) dans l’équation chimique et dans la représentation de la pile.

Zn + Cu2+ ���� Zn2+ + Cu Cu + Zn2+ ���� Cu2+ + Zn

Zn ||||Zn2+(C1) |||||||| Cu2+(C2) |||| Cu Cu ||||Cu2+(C2) |||||||| Zn

2+(C1) |||| Zn

On écrit à gauche le symbole du métal de la lame de gauche dans le schéma de la pile séparé de l’ion

correspondant par une barre ; puis on représente le pont par deux traits parallèles ; ensuite le symbole de

l’ion métallique dans la solution de droite séparé du symbole du métal de la lame à droite par un seul trait.

[Zn2+] = C1 [Cu2+] = C2

Cu Zn

[Zn2+] = C1 [Cu2+] = C2

Zn Cu

a) Schéma

c)Equation de la réaction associé à la pile

b) Symbole

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Vb.D est le potentiel électrique de la borne droite

Vb.G est le potentiel électrique de la borne droite

4) La force électromotrice d’une pile : E a) Définition : La force électromotrice (E) d’une pile est la différence de potentiel entre la borne droite et la borne gauche

lorsqu’elle ne débite pas (en circuit ouvert : i = 0 )

E = Vb.D – Vb.G

b) Mesure de la fem de la pile Daniell: L’utilisation d’un voltmètre numérique permet de déterminer la fem de la pile ainsi que sa polarité : Il y a deux possibilités

………………………………….. ………………………………..

III- Généralisation autres piles électrochimiques de type Pile Daniell

Dans une pile électrochimique de

type Daniell chaque demi-pile

renferme un couple redox

métallique de type : Mn+⁄⁄⁄⁄ M

E1 = Vb.Zn – Vb.C u=........ V

Zn Cu

Cu2+ Zn2+

[Zn2+ ]i= [Cu2+]i = 1mol.L

-1

1er Cas 2

éme Cas

Zn Cu

Cu2+ Zn2+

[Zn2+]i = [Cu2+]i =1mol.L

-1

E2 = Vb.Cu – Vb.Zn= ........V

M1 M2

M1n+ M2

n+

Schéma d’une pile Symbole correspondant

M1 + M2n+

���� M1

n+ + M2

M1 ||||M1n+ |||||||| M2

n+ |||| M2

Réaction associée

Réaction associée

Réaction spontanée

Conclusion :

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Remarque Si on permute les deux demi- piles :

�L’équation de la réaction associée……………………….

�Le symbole de la pile……………………….

�Les polarités des bornes de la pile………………………..

�L’équation de la réaction spontanée qui se produit dans la pile lorsqu’elle fonctionne ……………….

�Schéma de la pile ……………………….

�Signe de la fem de la pile ……………………….

IV- Application. On considère l’équilibre : Ni + Co2+

���� Ni2+ + Co

Caractérisé par la constante d’équilibre K= 10-2.

1) Comparer les pouvoirs réducteurs des couples redox mis en jeu.

2) On réalise la pile associée à la réaction précédente avec [Co2+]i= [Ni2+]i = 1mol.L-1.

a) Donner le schéma de cette pile.

b) Ecrire l’équation de la réaction spontanée lorsque la pile débite. Justifier.

c) Sachant que la valeur absolue de la fem initiale de cette pile est E = 0,03V Donner la valeur algébrique

du potentiel électrique Vb.Ni de la borne du nickel ; sachant que Vb.Co= -0,25V.

d) Dite comment varie-t-il les concentrations [Co2+] et [Ni2+] dans chaque compartiment de la pile lorsqu’elle

fonctionne.

e) En déduire le sens du déplacement des ions K+ et Cl- qui forment le pont électrolytique lorsque la pile

fonctionne.

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Zn2

Cu2+

Zn

Cu

La variation deLa variation deLa variation deLa variation de la fem d’une pile avec les concentrations la fem d’une pile avec les concentrations la fem d’une pile avec les concentrations la fem d’une pile avec les concentrations

I- Objectifs : � Montrer que la fem d’une pile varie avec les concentrations

� Etablir l’expression de la fem d’une pile : la loi de Nerst II- Etude expérimentale 1- Expérience et principe On réalisera des piles définies par le schéma suivant avec différentes concentrations des deux solutions et

on mesurera les fem E de ces piles

V

2- Résultats : Compléter le tableau.

3- Courbe: Tracer la courbe E= f ( logΠΠΠΠ ) . 4-Interprétation: Déduire l’expression de

E en fonction de logΠΠΠΠ

....................................................................................

....................................................................................

....................................................................................

....................................................................................

....................................................................................

....................................................................................

....................................................................................

..................................................

....................................................................................

....................................................................................

.................

[Zn2+] (mol.L-1) [Cu2+](mol.L-1) E ( V ) Π logΠ

1 1

0,5 0,5

0,1 0,1

0,1 1

0,01 1

0,1 0,01

1 0,01

� Symbole correspondant :……………………………………… � Equation de la réaction associée

…………………………………………………………………………

� Expression de la fonction des concentrations Π relative à

la réaction associée : …………………………….

0,5 0

E (V)

logππππ

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III- Exploitation des mesures 1) Définition de la fem normale ( E0) d’une pile : .................................................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................................................

...........................................................

Remarque : la fem normale ( E0) d’une pile dépend de ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2) Expression de la fem d’une pile de type Daniel : la loi de Nerst ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3) Relation entre E° et la constante d’équilibre K relative à la réaction associée : Soit la pile symbolisée par : M1 ||||M1

n+ |||||||| M2n+ |||| M2 .

Lorsque cette pile fonctionne la fonction des concentrations ππππ relative à la réaction associée à cette pile évolue

vers la valeur de la constante d’équilibre K.

Quand l’équilibre chimique est atteint la pile s’arrête, aucun transfert d’électrons entre les réactifs ne se

produit et le courant s’annule : La fem s’annule également et la pile est dite usée. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

IV - Comparaison des forces de deux couples redox Oxi/Redi d' après la valeur de la fem standard E° de la pile correspondante.

1°) Activité : Soit la pile symbolisée par : Cu |||| Cu2+ |||||||| Sn|||| Sn2+ . La fem standard de la pile est E° = -0,48V. Donner l’équation de la réaction associée à cette pile : …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. En déduire la valeur de la constante d’équilibre relative à cette réaction et conclure

……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. Comparer le pouvoir réducteur de Cu à celui de Sn et le pouvoir oxydant de Cu2+ à celui Sn2+. ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………

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2°) Généralisation : La relation entre E° et K permet de comparer la force de deux couples redox M1

n+ /M1 et M2n+ /M2

En effet : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………………

………………………………………….…………………………………………………………………………………………….……

……………………………………………………………………………………….………………………………………………………

…………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………

………………………………………………………………………………….……………………………………………………………

……………………………….…………………………………………………………………………………………….………………

…………………………………………………………………………….…………………

V- Evaluation : La fem normale de la pile P1 symbolisée par : Sn||||Sn2+(0,01 mol.L-1)|||||||| Pb2+(0, 1 mol.L-1) |||| Pb est E0 = 0,01V 1) Ecrire l’équation de la réaction associée à cette pile et calculer la valeur de sa constante d’équilibre K. 2) Comparer les pouvoirs oxydant et réducteur des deux couples mis en jeu. 3) Calculer la fem initiale Ei de la pile 4) Déterminer : a) La polarité de la pile b) La réaction spontanée qui se produit lorsque la pile débite un courant. 5) Faire un schéma de la pile en indiquant le sens du courant à l’extérieur de la pile et le sens de déplacement des ions K+ et Cl – qui forment le pont électrolytique lorsque la pile fonctionne. 6) Calculer les concentrations molaires quand la pile ne débite plus de courant électrique dans le circuit extérieur. On suppose que les solutions, dans les compartiments de gauche et de droite, ont le même volume. 7) On considère la pile P2 symbolisée par Sn|Sn2+(0, 1 mol.L-1)|| Pb2+(0,01 mol.L-1) | Pb. Déterminer La réaction spontanée qui se produit lorsque la pile débite un courant. Conclure.

Réponses ………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

Conclusion : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………

………………………………………………….……………………………………………………………………………………

……….…………………………………………………………………………………………….…………………………………

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POTENTIEL STANDARD D’UN COUPLE REDOXPOTENTIEL STANDARD D’UN COUPLE REDOXPOTENTIEL STANDARD D’UN COUPLE REDOXPOTENTIEL STANDARD D’UN COUPLE REDOX : : : : Choix d’une référence pour les couples redoxChoix d’une référence pour les couples redoxChoix d’une référence pour les couples redoxChoix d’une référence pour les couples redox

I - La demi-pile normale à hydrogène

II - Définition du potentiel standard d’électrode d'un couple redox

1) Potentiel d’électrode.

1-2) Activité :

b) Symbole :

c) Equation de la réaction associée :

1°- La demi-pile à hydrogène ou électrode à hydrogène

Au couple redox H3O+ / H2(gaz) correspond une demi-pile à hydrogène qu'on appelle "électrode à hydrogène" . Son fonctionnement est le suivant:

………….

.

…………………

………………….

……….

.

……………………………..

2°- L' Electrode Normale à Hydrogène On convient de fixer : La pression du gaz du dihydrogène…………………. On note …………………. La concentration des ions hydronium:……………… Dans ces conditions, appelées ……………………………., on note cette demi-pile E.N.H. ( électrode normale à hydrogène).

………………

………………..

2-3 Définition d’E.N.H. ………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………

1-1) Définition: Le potentiel d’électrode d’un couple redox Ox/Red est noté EOx/Red et il représente la fem. de la pile formée par l'Electrode Normale à Hydrogène (E.N.H.) placée à gauche et l'électrode du couple Ox/Red placée à droite.

a) Compléter le schéma ci-contre de la pile qui permet

la mesure du potentiel d’électrode d’un couple redox Zn2+/ Zn.

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d) Expression du potentiel d’électrode d’un couple redox Zn2+/ Zn.

2) Le potentiel standard d’électrode.

2-2) Le potentiel standard du couple Mn+/M : 0

M/MnE ++++

2-3) Le potentiel standard du couple Cu2+/ Cu. La fem de la pile représentée ci-contre est égale à (+0,34V) . Donner :

���� Le symbole de cette pile :

……………………………………………………………

���� Déduire le potentiel standard du couple Cu2+/ Cu .

2-4) Le potentiel standard du couple Zn2+/ Zn . La mesure de la fem de la pile : Pt ||||H2 (P=1atm)|||| H3O+(1mol.L-1) |||||||| Zn2+ (1mol.L-1)||||Zn donne E= -0,76V. Déduire la va leur de 0

/2 ZnZnE ++++

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………

2-1 ) Définition: Le potentiel standard d’électrode d’un couple redox noté E

0ox /red ou

°°°°iE est par définition la fem standard de la

pile qui sert à mesurer le potentiel d’électrode de ce couple. C'est donc la fem de cette pile quand la fonction des

concentrations ππππ est égale à 1 : π π π π =1

Remarque : Le potentiel standard d’électrode normal à hydrogène est par convention : 0

H/OH 23E ++++ =

0ENHE = 0V

a- Symbole :

b- L'équation chimique associée est : c- Expression de sa f.e.m : ……………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

M

Cu

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III - Comparaison d'un couple Oxi/Redi au couple H3O+ / H2(g) d'après la valeur du potentiel standard d’électrode.

1) Activité N° 1 Comparons le couple Cu2 + / Cu(sd) à H3O

+ / H2(g) La mesure de la fem de la pile : Pt |||| H2 (P=1atm)|||| H3O+ (1mol.L-1) |||||||| Cu2+ (1mol.L-1)||||Cu donne E= +0,34V. Comparer le pouvoir réducteur du métal Cu à celui du dihydrogène H2 et le pouvoir oxydant de Cu2+ à celui des

ions hydronium H3O+. a) Donner l’équation de la réaction associée à la pile : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

b) Ecrire l’expression de la fem de cette pile et en déduire la valeur de 0

/2 CuCuE +

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

c) En déduire la valeur de la constante d’équilibre K relative à la réaction associée. Conclure

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

…………………………………………………………………

2) Activité N° 2 Comparons le couple Fe2 + / Fe à H3O+ / H2(g) La mesure de la fem de la pile : Pt ||||H2 (P=1atm)|||| H3O+(1mol.L-1) |||||||| Fe2+(1mol.L-1)||||Fe donne E= -0,41V. Comparer le pouvoir réducteur du métal Fe à celui du dihydrogène H2 et le pouvoir oxydant de Fe2+ à celui des

ions hydronium H3O+. a) Donner l’équation de la réaction associée à la pile : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

b) Ecrire l’expression de la fem de cette pile et en déduire la valeur de 0

/2 FeFeE +

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

c) En déduire la valeur de la constante d’équilibre K relative à la réaction associée. Conclure

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………

3- Généralisation : Comparaison d'un couple Mn+||||M au couple H3O+ / H2(g) d' après la valeur du potentiel standard d’électrode. Soit la pile symbolisée par : Pt |||| H2 (P=1atm)|||| H3O+ (1mol.L-1) |||||||| Mn+ (1mol.L-1) |||| M . L’équation de la réaction associée à cette pile est : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………….…………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………

La relation entre 0

/MM nE + et K est : ………………………………………………….………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………….…………………………………………

Conséquences :

………………………………………………….…………

………………………………………………………………

………………………………………………………………

……………………………………………………

………………………………………………….…………

………………………………………………………………

………………………………………………………………

……………………………………………………

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IV- Classification électrochimique des couples redox Plus le potentiel standard d’un couple redox est élevé plus le pouvoir oxydant de sa forme oxydée est grande :

Dans ce tableau on a placé par ordre croissant les potentiels standards d’électrodes usuelles

V- Détermination de la fem standard d’une pile 1) Exemple: Soit à déterminer le potentiel normal de la pile symbolisée par : Cu(sd) ||||Cu2 +( C1) |||||||| Pb2 +(C2) |||| Pb(sd)

La fem normale de la pile est

E° = E°D - E°G = ……………………………………………..

E°pile = …………………………………………………….

2) Conclusion : On détermine E°(pile) ���� Soit par calcul direct comme le cas précédent : E°(pile) = E°D - E°G

���� Soit à partir de la constante d'équilibre K ce qui donne E°(pile) = 0,06

n.logK

2) Remarque: Prévision des réactions. Deux méthodes pour prévoir le sens de déplacement d’une réaction.

���� On compare ππππ à K

���� On se base sur le signe de la fem.

Exemple : La fem. de la pile symbolisée par: Zn(sd) I Zn2 +( 0,1mol/L) II Sn2 +(10-4mol/L) I Sn(sd) est égale à 0,53V.

a) Schématiser cette pile et écrire l'équation chimique associée.

b) Donner les polarités des bornes et le sens de circulation du courant dans le circuit extérieur;

c) Calculer la valeur de la fem. normale et celle de la constante d’équilibre.

Pouvoir réducteur décroissant

Pouvoir oxydant

H3O+/H

0 0,34 0,80 -0,13 -0,29 -0,23 -0,76 -0,14

Cu2+/Cu Pb2+/Pb

Sn2+/Sn

Ag+/Ag

Ni2+/Ni

Co2+/Co

Zn2+/Zn

E0(V)

Conclusion : …………………………………………………………………………………………….…………………………………………

………………………………………………….……………………………………………………………………………………

……….…………………………………………………………………………………………….…………………………………

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Les amides aliphatiquesLes amides aliphatiquesLes amides aliphatiquesLes amides aliphatiques

A- Présentation des amides aliphatiques : 1- Activité : On donne les formules semi développées suivantes :

A B C D

Le composé (A) est un acide éthanoïque : cette molécule renferme le groupe fonctionnel acide carboxylique

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

*

: La fonction chimique relative à ce groupe fonctionnel est appelée fonction amide

B : En remplaçant le groupe (OH) dans le corps A par le groupe ( ……………………………) :

Un amide peut être considéré comme un dérivé …………………………………………………………...

C : En remplaçant H par le groupe ( ………………………….: ………………………………………………..).

D :……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2- Définition : Un amide est un composé organique oxygéné et azoté dont la molécule renferme le groupe fonctionnel amide :

* La formule brute d’un amide aliphatique saturée est CnH2N + 1ON.

3- Les différents types d’amide : On distingue 3 types d’amides :

B- Nomenclature des amides aliphatiques : Pour nommer un amide, il faut :

- Identifier la chaîne carbonée comportant le groupe fonctionnel amide.

- Identifier le (ou les) substituant(s) alkyle(s) éventuel(s) sur l’atome d’azote.

CH3

OH

C

O

CH3

NH2

C

O

CH3 NH

C

O

-CH3

CH3

N

C

O

CH3

CH3

NH2

C

O

N

C

O

R

N

C

O

H

H

R

N

C

O

H

R’

R

N

C

O

R’’

R’

Amides N- non substitués Amides N- monosubstitués Amides N,N- disubstitués

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1- Amides N-non substitués : * Le début du nom est choisi selon le nombre d’atomes de carbone formant la chaîne principale, il s’obtient en

remplaçant le << e >> final de l’alcane correspondant à cette chaîne carbonée par le suffixe << amide >> .

* Pour déterminer le nom, on convient :

- De choisir comme chaîne principale :la chaîne linéaire la plus longue comportant le groupe fonctionnel amide.

- De la numéroter en commençant par le carbone du groupe fonctionnel.

- D’indiquer, s’il y a lieu la nature et la position des groupements greffés sur la chaîne principale.

Exemples :

2- Amides N- substitués : Lorsqu’un acide est monosubstitué sur l’azote N, son nom est obtenu en faisant précéder le nom de l’amide non

substitué par celui du groupe alkyle précédé du préfixe N et suivi d’un tiret( N - ).

Exemples :

3- Amides N- disubstitués : * L’amide disubstitué sur l’atome d’azote par 2 groupements alkyles identiques :

* Si les deux groupements alkyles sur l’atome d’azote sont différents.

CH3

NH2

C

O

…………………………………………….

.

NH2

C

O

CH2 CH2 CH3

……………………………………

NH2

C

O

CH2 CH CH3

CH3

……………………………………………….

CH3

N

C

O

H

CH3

CH3

N

C

O

H

C2H5

CH3

N

C

O

CH3

CH3

CH3

N

C

O

CH3

C2H5

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C- Préparation des amides : 1- Préparation d’un amide a partir des sels d’ammonium :

2- Généralisation: R – COO-, NH4

+ → R-CO-NH2 + H2O D- Hydrolyse des amides: 1- Hydrolyse en milieu basique: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Généralisation : R- CONH2 + ( Na+ + OH-) →→→→ R- CO2

- + Na+ + NH3(g) R- CONHR’ + ( Na+ + OH-) →→→→ R- CO2

- + Na+ + R’NH2(g) 2- Hydrolyse en milieu acide: Amide + H3O+ → Acide carboxylique ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Généralisation: R- CONH2 + H3O+ → R- CO2H + NH4

+

R- CONHR’ + H3O+ → R- CO2H + R’NH3+

a- Expérience et observations :

b- Interprétations : ………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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----

Application: Compléter le tableau suivant:

Formule brute Formule développée Nom

Méthanamide

N,N-diméthylmethanamide

2.2-diméthylpropanamide

NH2

C

O

CH2 CH CH3

CH3

CH3

N

C

O

H

C2H5

CH3

N

C

O

CH3

CH3

CH3

N

C

O

CH3

C2H5

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Passage entre les dérivés acides carboxyliquesPassage entre les dérivés acides carboxyliquesPassage entre les dérivés acides carboxyliquesPassage entre les dérivés acides carboxyliques

A- Introduction : Lorsque dans un acide carboxylique le groupe OH est remplacé par un autre groupe X on dit que

le composé obtenu est un dérivé de l’acide carboxylique.

Exemples :

X Dérivé de l’acide carboxylique Dérivés Rqs

Cl

Exemples :………………………………………………………………………………………………..

B- Passage entre les dérivés des acides carboxyliques I- A partir des chlorures d’acyles : 1- Synthèse des esters :

* Généralisation :

+ → HCl +

2- Synthèse des amides :

R

OH

C

O

R

X

C

O

R

Cl

C

O

R’ OH

O-R’

R C

O

a- Expérience et observations :

b- Interprétations : …………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………

R

Cl

C

O

R

C

O

R

O

C

O

R

C

O

O

R’ O R

C

O

R’ O

N R’

C

O

N

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c- Généralisation :

+ 2NH3 → + NH4Cl

* N-éthyléthanamide : CH3- CONH-C2H5 qui est un amide N-substitué.

+ 2CH5-NH2 → + ( CH5-NH3+ + Cl-)

* Généralisation:

+ 2R’NH2 → + R’NH3+ + Cl-

+ 2R’R’’NH → + R’R’’NH2+ + Cl-

* Les amines tertiaires ne réagissent pas avec les chlorures d’acyle. 3- Synthèse des anhydrides : a- Rappel : …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

R

Cl

C

O

R

NH2

C

O

CH3

Cl

C

O

NH-C2H5

CH3 C

O

R

Cl

C

O

NH-R’

R C

O

R

Cl

C

O

NR’R’’

R C

O

a- Expérience et observations :

b- Interprétations : ………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

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b- Action d’un chlorure d’acyle sur un acide carboxylique :

+ → + HCl

b- Action d’un chlorure d’acyle sur un carboxylate de sodium :

+ → + NaCl

Exemple : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Exercice d’application : On considère le tableau suivant :

Réactifs A Réactifs B Produits P

A1 : CH3- CH2-COCl B1 : Méthylamine P1 : éthanoate de méthyle

A2 : Chlorure d’éthanoyle B2 : CH3-OH P2 : N-méthylpropanamide

A3 : Chlorure de méthanoyle B3 : Acide méthanoique P3 : Anhydride méthanoïque

1- Ecrire les formules semi développées des composés A2 ; A3 ; B1 ; B3 ; P1 ; P2 et P3.

2- Parmi les réactifs A et B proposés ci-dessus, quels sont ceux qu’on peut associer pour obtenir un des composés

P ? Ecrire, à chaque fois, l’équation chimique modélisant la transformation correspondante.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

II- A partir des anhydrides d’acides : 1- Synthèse des esters : a- Expérience et observations :

R

Cl

C

O

R

OH

C

O

R

O

C

O

R

C

O

R

Cl

C

O

R

ONa

C

O

R

O

C

O

R

C

O

a- Expérience et observations :

b- Interprétations :

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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* Equation de la réaction : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Généralisation : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

*Rq : Cette réaction est exploitée dans l’industrie pour la préparation des esters car elle est rapide et totale à

l’opposée de la réaction d’estérification des acides carboxyliques par les alcools qui est lente et limitée.

2- Synthèse des amides :

* Equation de la réaction : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

* Généralisation : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Exercice d’application : On traite un acide carboxylique A( CH3CH2COOH) par le chlorure de thionyle SOCl2, il se forme un produit B, du

dioxyde de soufre et un gaz soluble dans l’eau.

1-a- Ecrire l’équation chimique de la réaction modélisant cette transformation.

b- Préciser le groupe fonctionnel, la formule semi-développée et le nom du composé B.

2- On fait réagir sur B le méthanol. On obtient un composé C.

a- Ecrire l’équation chimique de la réaction.

b- Préciser le groupe fonctionnel, la formule semi-développée et le nom du composé C.

c- Indiquer une autre méthode de préparation de C autre que l’estérification des acides carboxyliques par les

alcools.

3- On fait réagir sur B de l’ammoniac en excès, on obtient le composé D.

a- De quel dérivé s’agit-il ? Ecrire la formule semi-développée et le nom de D.

b- Décrire un autre mode de synthèse du composé D.

a- Expérience et observations :

b- Interprétations :

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………