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SESSION 2012
PHYSIQUE-CHIMIE
Srie S
DURE DE LPREUVE : 3 h 30. COEFFICIENT : 6
Lusage des calculatrices est autoris
Lpreuve a t conue pour tre traite avec calculatrice
Ce sujet est constitu de 6 pages numrotes de 1 6, y compris celle-ci.
Le candidat doit traiter trois exercices, qui sont indpendants les uns des autres :
1. Ralisation d'une pile nickel-zinc (6,5 points)2. Les systmes lectriques (5,5 points)3. Le plutonium (4 points)
Source des schmas de lnonc : http://labolycee.org
BACCALAURAT BLANC
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Exercice 1 : Ralisation d'une pile nickel-zinc (6,5 pts)
On ralise une pile forme partir des couples Ni2+/Ni et Zn2+/Zn.Chaque solution a pour volume V = 100 mL et la concentration initiale des ions positifs est C = 5,0.10-2 mol.L-1.
Donnes
M(Zn) = 65,4 g.mol-1 M(Ni) = 58,7 g.mol-1 Charge lmentaire de l'lectron: e = 1,6.10-19 C
Constante d'Avogadro: N= 6,02.1023 mol-1 Charge d'une mole d'lectrons: F= 96500 CPour la raction suivante: Ni2+(aq) + Zn(s) = Zn2+(aq) + Ni(s), la constante d'quilibre vaut K= 1018.
1. Ralisation de la pile
1.1. Llectrode positive de cette pile est l'lectrode de nickel.Lgender le schma de la figure 1 en annexe ( rendre avec la copie) avec les termes suivants: lectrode dezinc, lectrode de nickel,pont salin, solution contenant des ions Zn2+, solution contenant des ions Ni2+.
1.2. quation des ractions.crire les demi-quations des ractions se produisant aux lectrodes.Prciser chaque lectrode s'il s'agit d'une oxydation ou d'une rduction.crire l'quation de la raction globale qui intervient quand la pile dbite.Calculer la valeur du quotient ractionnel initial Qr,i. Cette valeur est-elle cohrente avec la polarit propose ?
2. tude de la pile2.1. On fait dbiter la pile dans un conducteur ohmique.
2.1.1. Complter le schma de la figure 1.2.1.2. Prciser sur ce schma le sens du courant et le sens de dplacement des lectrons dans le circuit
extrieur.2.2. Comment varie la concentration des ions positifs dans chacun des bchers ?
En dduire l'volution du quotient ractionnel Qr.
2.3. Sachant que la masse des lectrodes ne limite pas la raction, pour quelle raison la piles'arrtera-t-elle de dbiter ? Quelle est alors la valeur numrique de Qr?
2.4. La raction tant considre comme totale, calculer l'avancement maximalxmaxde la raction.
2.5. Quelle relation existe-t-il entrexmaxet la quantit de matire d'lectrons qui ont circul ?
En dduire la quantit totale d'lectricit fournie par cette pile.
3. Dcharge partielle de la pile
On prend une deuxime pile identique et on la laisse fonctionner pendant une heure. On supposera que l'intensitreste constante.On constate une augmentation de masse de l'lectrode de nickel de m = 100 mg.3.1.
3.1.1. Calculer la quantit de matire d'ions Ni2+ disparus note ndisp(Ni2+) pendant cette dure.
3.1.2. Dterminer la quantit d'lectricit correspondante note Q.En dduire la valeur de l'intensit du courant.
3.2. On donne les valeurs de l'absorbance A, pour des solutions de sulfate de nickel de concentrations
Cdiffrentes, mesures une longueur d'onde gale 390 nm.
C(mol.L1) 0 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050
A 0 0,20 0,41 0,61 0,82 1,02
Tracer la courbe de l'absorbance sur la figure 2 en annexe ( rendre avec la copie) en fonction de la concentration C.
3.3. On mesure l'absorbance de la solution dans laquelle plonge l'lectrode de nickel. La valeur mesure estA = 0,67.
En dduire graphiquement la concentration des ions Ni2+ restant en solution.Quelle est la quantit d'ions Ni2+ disparus ?Ce rsultat est-il conforme avec le calcul du 3.1.1. ?
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1.
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Sciences Ph
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Blanc 2012
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Sciences Ph
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Exercice 3 : Le plutonium (4 pts)
En consultant lencyclopdie Universalis, on constitue la carte didentit du plutonium fournie ci-dessous :
Description : mtal lourd artificiel
Isotopes : quinze isotopes dont plutonium 238, 239 et 241
Production : irradiation de luranium 238
Utilisation : plutonium 239 : composant de ttes nuclaires et de combustibles Mox ; plutonium 238 : source deneutrons et de chaleur
Radioactivit : metteur de particules alpha et rayonnement gamma faible, sauf plutonium 241 metteur bta
Commentaire :plutonium 239 et 241 sont des matires fissiles
Donnes : 1 MeV = 1,6022.10-13 J ; 1 u = 1,66043.10-27 kg ; c = 2,9979.108 m.s-1.
Extrait de la classification priodique :
92U 93Np 94Pu 95Am 96CmUranium Neptunium Plutonium Amricium Curium
Masse atomique de quelques noyaux :
Noyau
102
42Mo 135
52Te 239
94Pu 1
0n Masse (en u) 101,9103 134,9167 239,0530 1,0089
1. partir de la carte didentit du plutonium, rpondre aux questions suivantes.
1.1. Le numro atomique de llment chimique plutonium tant Z = 94, donner la composition des noyauxde plutonium 238 et 239.
1.2. Dfinir lisotopie.1.3. Quelle est la nature dune particule alpha ?1.4. En utilisant lextrait de la classification priodique et en prcisant les lois de conservation utilises, crire
lquation de la dsintgration du noyau de plutonium 238 lorsque le noyau fils est mis dans un tatexcit.
1.5. Pourquoi y a-t-il mission dun rayonnement gamma ?1.6. De quelle raction parle-t-on dans le commentaire de la carte didentit ci-dessus ? La dfinir.
2.Lquation (1) de la raction du plutonium 239 sous limpact dun neutron est :
239 1 135 102 194 0 52 42 0Pu n Te Mo 3 n (1)
2.1. Donner lexpression de la perte de masse du systme au cours de cette raction. Calculer sa valeur enkilogramme.
2.2. Donner lexpression de lnergie libre par laction dun neutron sur un noyau de plutonium. Calculer savaleur en MeV.
3.On donne les nergies de liaison des noyaux suivants :
noyaux 23994Pu 135
52Te 102
42Mo nergie de liaison
(en MeV)1,79.103 1,12.103 8,64.102
3.1. partir des nergies de liaison de ces trois noyaux, donner lexpression de lnergie libre lors de laraction (1). Calculer cette nergie et comparer le rsultat la valeur trouve en 2.2.
3.2. Calculer lnergie de liaison par nuclon de chacun des noyaux. Comparer la stabilit de ces troisnoyaux.
3.3. laide de ces rsultats, donner et justifier le bilan nergtique de la raction (1).
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ANNEXE EXERCICE 1
Figure 1
+
A
C (mol.L )0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
1,00
0,50
0
Figure 2
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