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CLASSE DE PREMIÈRE
S
Le : 18 mars 2015
Durée : 2 h 00
Physique-Chimie
DEVOIR SUR TABLE N° 4
L’épreuve a été conçue pour être traitée sans calculatrice.
L’usage des calculatrices est rigoureusement interdit.
TOUT DOCUMENT INTERDIT.
Les résultats numériques doivent être précédés d’un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation.
L’épreuve est notée sur 16 points auxquels s’ajouteront les points d’épreuve pratique sur 4 points.
I ] Un radio-isotope dangereux. (sur 3,5 points)
Le polonium 210 est un radio-isotope présent en quantité minuscule dans le sol. Sa radioactivité est de type α.
Ce type de particule est très peu pénétrant, donc ne franchit pas la peau. Son activité massique est très élevée
14
-1
(1,66.10 Bq.g ), ce qui en fait un élément très dangereux.
La toxicité du polonium 210 est de deux types : aiguë, si une grande quantité est absorbée, ou chronique pour une
absorption régulière de faibles quantités. Dans le premier cas la mort intervient rapidement, dans le second cas, la toxicité
se traduit par un risque de cancer.
Le tableau suivant indique des ordres de grandeur de la nocivité de l'irradiation par le polonium 210, par ingestion ou
inhalation en une seule fois.
1. 1.1. Le polonium 210 fait partie de la famille radioactive de l'uranium, c'est-à-dire que c'est un descendant de
–
l'uranium par une série de désintégrations α et β successives, dont le bilan peut s'écrire :
238
92 U
→
210
84 Po
–
+ aα + bβ .
Déterminer les valeurs numériques de a et de b en justifiant la détermination.
1.2. Écrire l'équation de la désintégration radioactive du polonium 210.
2. Pourquoi le polonium est-il toxique par ingestion ou inhalation, et non par simple contact ?
3. Le 23 novembre 2006, le lieutenant-colonel du F.S.B. (services secrets russes) Alexander Valtérovich Litvinenko
(Александр Вальтерович Литвиненко) est décédé, après trois semaines d'agonie, des suites d'une ingestion de polonium 210.
3.1. En imaginant qu'il a reçu en une fois la dose létale de 10 MBq, déterminer la masse de polonium qu'il a ingérée.
3.2. La commission d'enquête estime qu'il a, en réalité, avalé environ deux microgrammes de polonium 210.
Conclure sur les intentions de ceux qui la lui on fait ingérer.
4. Le tabac est une plante qui concentre le polonium dans ses feuilles. Cet élément chimique est par conséquent
contenu en traces non négligeables dans les cigarettes. L'activité d'une seule cigarette due au polonium 210 est estimée
à 75 mBq. 91,7 % du polonium se retrouve dans les cendres, 6,7 % dans la fumée inhalée par le fumeur et 1,6 % dans la
fumée exhalée aux alentours.
4.1. Estimer l'activité annuelle inhalée par un fumeur consommant dix cigarettes par jour.
4.2. Le tabac étant reconnu comme toxique en partie à cause de l'exposition au polonium 210, de quel type de toxicité s'agit-il ?
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Aide aux calculs : 0,75 X 6,7 ≈ 5 ; 1,66 ≈ .
3
II ] Transferts thermiques … (sur 5,0 points)
A ] Argenterie.
Pour couler les couverts en argent massif, il faut fondre du métal initialement à sa température de changement d’état.
1. Déterminer l’énergie thermique qu’il faut transférer à une masse : m = 150 g d’argent solide pur pour obtenir de
l’argent sous forme de liquide, à la même température, afin de mouler une fourchette.
2. Est-il exact de dire que, puisque l’argent solide et l’argent liquide sont à la même température pendant la fusion, il n’y
a pas de modification de l’ordre dans lequel se trouvent les atomes d’argent ? Justifier la réponse.
-1
Donnée : Chaleur latente de fusion de l’argent à sa température de fusion : Lf (Ag) = 104 J.g .
... / ...
B ] Réaction chimique exothermique.
+
–
Dans un calorimètre, on mélange une masse : m1 = 100 g d'une solution d'hydroxyde de sodium, Na (aq) + HO (aq),
+
–
contenant : n1 = 0,100 mol de soluté et : m2 = m1 = 100 g d’une solution d'acide chlorhydrique, H (aq) + Cl (aq), de même
concentration molaire volumique.
Une augmentation de la température de la solution est observée depuis la température : θ(i) = 24°C jusqu'à la
température : θ(f) = 31°C.
L’équation chimique de la réaction totale étudiée s'écrit :
+
–
H (aq) + HO (aq) H2O(liq).
1. Faire un schéma légendé du calorimètre et rappeler son utilité.
2. Décrire, d'un point de vue microscopique, l'évolution subie par les molécules de solvant pendant l'échauffement.
3. Calculer l'énergie thermique libérée par la réaction étudiée.
4. Quel a été l'avancement maximal, xmax, de cette réaction ?
5. En déduire l'énergie thermique libérée pour une mole d'avancement de cette même réaction.
6. 6.1. Quel aurait été l'avancement maximal x'max de la réaction étudiée si les 100 g de la solution d'acide
+
chlorhydrique n'avaient contenu que 0,070 mol d'ions H (aq) ?
6.2. Quel aurait alors été l'énergie thermique libérée par le mélange ?
6.3. En déduire quelle aurait alors été la température finale du mélange réactionnel.
-1 -1
Donnée : toutes les solutions sont assimilées à de l’eau et ont la capacité thermique massique : Cm = 4,1 J.g .K .
Aide aux calculs : 4,1 X 0,98 ≈ 4,02.
III ] Measuring the electron charge. (sur 3,5 points)
The charge of the electron was first measured by Millikan in 1909. A fine mist of oil droplets was sprayed between
two plates. The plates were d = 1,0 cm apart. Some droplets became electrically charged through the nozzle as they were
sprayed. By applying U = 5 000 V across the plates, a uniform electrostatic field (aligned with the gravitational field) was
created in the space between them.
Please, answer the following questions using French language.
1. What are the two forces acting upon the droplets ? Make a simple sketch of the situation.
2. Express the values of these forces if the mass of one droplet is m and its electrical charge is q.
3. What is the condition required for the droplet to be in equilibrium ?
-3
4. The radius of a droplet is R = 1,34 µm (measured with a microscope) and its mass density is ρ = 800 kg.m .
Calculate the mass m of such a droplet.
5. Calculate the value of the electrostatic field E between the plates.
6. Deduce the electrical charge q of a droplet in equilibrium. What can be concluded from this value ?
-2
Données : g = 10 m.s ; V(sphère) =
Aide aux calculs :
4
3
.π.R .
3
π X (1,34)3 ≈ 30
.
4
IV ] Des solutions aqueuses. (sur 4,0 points)
A ] Sérum physiologique.
Le sérum physiologique est une solution composée d'eau distillée et de chlorure de sodium à raison de m = 45 mg
par dosette de volume : V = 5,0 mL.
1. Écrire l'équation chimique de dissolution dans l'eau du chlorure de sodium.
2. Calculer les concentrations massique volumique puis molaire volumique des ions présents en solution.
3. Donner le protocole utilisé au laboratoire pour fabriquer V' = 100 mL de sérum physiologique.
4. Quelle serait la concentration molaire volumique en chacun des ions dissous si cette dosette contenaient 45 mg de
chlorure de calcium ?
-1
-1
Données : M(Chlorure de sodium) = 58,5 g.mol ; M(Chlorure de calcium) = 111 g.mol .
Aides aux calculs :
1
1
–2
–3
≈ 1,7.10 ;
≈ 9.10 .
58,5
111
.../ p. 3
Première S
Devoir sur Table N° 4
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B ] Extraction de la caféine du thé.
Un protocole d'extraction de la caféine des feuilles de thé est donné ci-dessous.
Infuser 30 g de feuilles de thé dans 250 mL d'eau bouillante.
Cette infusion contient la caféine et les tanins du thé. Les tanins sont transformés en ions avec 5 g de carbonate de sodium.
Filtrer puis laisser refroidir le mélange. Le filtrat est appelé solution (S1).
Extraire la caféine de la solution (S1) à l'aide de 25 mL de dichlorométhane en utilisant une ampoule à décanter.
La solution aqueuse restante est notée solution (S2) et la solution de dichlorométhane obtenue solution (S3).
Évaporer le dichlorométhane de la solution (S3) afin d'obtenir la caféine.
1.
2.
3.
4.
Quels solutés les solutions (S1), (S2) et (S3) contiennent-elles ?
Pourquoi attendre que la solution (S1) ait refroidi pour réaliser l'extraction par le dichlorométhane ?
Décrire le protocole de cette extraction et dessiner l’ampoule à décanter en fin d’extraction.
Pourquoi le dichlorométhane est-il un bon choix de solvant pour cette extraction ?
Données :
Le dichlorométhane est un solvant beaucoup moins polaire que l'eau et plus dense qu’elle.
La caféine est une molécule peu polaire.
Température d'ébullition du dichlorométhane : 40°C.
Les ions sont peu présents dans le dichlorométhane.