Question

evaluation continue n°1 de physique chimie
coef: 3
la qualité de la rédaction, le don et la précision des raisonnements, lutilisation correcte des formules sont
prises en compte dans lappréciation des copies.
i. physique: (9 pts)
a. questions de cours :

1. définis les mots et expressions suivantes : force, dynamomètre, galilée, force respirale.
2. quelles sont les caractéristiques dune force ?
3. réponds par vrai ou faux aux affirmations suivantes :

a. les types de forces sont : forces inclusees et forces respirales.
b. pour que deux forces soient en équilibre les deux forces doivent avoir même direction et le
même sens.
c. lunité dans le si de la force est le joule.

b. exercices :

1. soit une force f = 60 n dans un repère (ox, oy), faisant un angle α = 15° avec lhorizontal détermine

ses composantes dans le repère (ox, oy).

1. deux forces perpendiculaires ont pour modules f₁ = 12 n et f₂ = 9 n.

quelle est la valeur de leur résultante ?

ii. chimie: (11 pts)
c. questions de cours :

1. définis : un atome, un élément chimique, un isotopes, structure électronique.
2. réponds par vrai ou faux :

a. latome est constitué de trois parties.
b. la masse du proton est négligeable devant celle de lélectron.
c. dans un ion le nombre de protons est égal au nombre délectrons.
d. une couche ionique se divise en sous-couches nommées k, l, m, n...
e. chaque sous-couche peut comporter un nombre limité délectrons.

d. exercices :
on considère les atomes suivants : (_{17}^{35}\text{cl}); (_{13}^{27}\text{al}); (_{12}^{24}\text{mg}); (_{8}^{16}\text{o}); (_{29}^{63}\text{cu})
et les ions : ( \text{cl}^- ), ( \text{al}^{3+} ), ( \text{mg}^{2+} ), ( \text{o}^{2-} )

1. détermine le nombre de protons et délectrons des atomes ainsi que des ions ci-dessus.
2. fais la structure électronique des trois premiers atomes et des deux derniers ions.
3. fais la structure électronique par sous-couche des ions ci-dessus.
4. quelle est la représentation de lewis de (_{12}^{24}\text{mg}) et de (_{8}^{16}\text{o}) ?
5. on donne : ( m_p = m_n = 1,67 \times 10^{-27}\text{kg} ); ( m_e = 9,10 \times 10^{-31}\text{kg} ); ( e = 1,6 \times 10^{-19}\text{c})

a. calcule la charge du nuage délectrons : (_{12}^{24}\text{mg}) et (_{8}^{16}\text{o}).
b. quelle est la masse du noyau de (_{13}^{27}\text{al}) ?

Answer:

Partie I : Physique (Questions de cours)

1. Définitions

• Force : Action capable de modifier l'état de mouvement (vitesse, direction) ou la forme d'un objet.
• Dynamomètre : Appareil permettant de mesurer la grandeur d'une force (ex: dynamomètre à ressort).
• Galilée : Unité de force dans le système CGS (1 galilée = 1 dyn, équivalent à \(1\ \text{dyn} = 1\ \text{g}\cdot\text{cm/s}^2\)).
• Force respiratoire : Force exercée par les muscles respiratoires (intercostaux, diaphragme) pour inhérer ou expulser l’air.

2. Caractéristiques d’une force

Une force est caractérisée par :

• Sa grandeur (ex: 10 N),
• Sa direction (ex: verticale, horizontale),
• Son point d’application (où la force s’exerce sur l’objet).

3. Réponses sur les forces

• a. Les types de forces incluent : forces de contact (ex: poussée, traction, friction) et forces à distance (ex: gravitation, électrostatique, magnétique). La force respiratoire est une force de contact (exercée par les muscles sur les organes respiratoires).
• b. Pour que deux forces soient en équilibre, elles doivent avoir :
• Même direction (ou opposée ? Non, en réalité : direction opposée, même ligne d’action, et même grandeur). Correction : Pour l’équilibre statique, deux forces doivent être opposées en direction, de même grandeur, et de même ligne d’action (principe de l’équilibre des forces).
• c. L’unité de force dans le SI est le newton (N). La relation est \(1\ \text{N} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m/s}^2\) (force nécessaire pour accélérer 1 kg de 1 m/s²).

Partie I : Physique (Exercices)

1. Force \( \vec{F} = 60\ \text{N} \) dans \( (OX) \), \( \alpha = 155^\circ \) avec l’horizontal

Pour déterminer les composantes :

• Composante horizontale (\( F_x \)) : \( F_x = F \cdot \cos(\alpha) \)

\( \alpha = 155^\circ \), \( \cos(155^\circ) = \cos(180^\circ - 25^\circ) = -\cos(25^\circ) \approx -0.9063 \)
\( F_x = 60 \cdot (-0.9063) \approx -54.38\ \text{N} \) (la négative indique la direction opposée à \( OX \)).

• Composante verticale (\( F_y \)) : \( F_y = F \cdot \sin(\alpha) \)

\( \sin(155^\circ) = \sin(180^\circ - 25^\circ) = \sin(25^\circ) \approx 0.4226 \)
\( F_y = 60 \cdot 0.4226 \approx 25.36\ \text{N} \) (positive, direction vers le haut).

2. Deux forces perpendiculaires \( F_1 = 12\ \text{N} \), \( F_2 = 9\ \text{N} \)

La résultante \( R \) de deux forces perpendiculaires s’obtient par le théorème de Pythagore :
\[ R = \sqrt{F_1^2 + F_2^2} \]
\[ R = \sqrt{12^2 + 9^2} = \sqrt{144 + 81} = \sqrt{225} = 15\ \text{N} \]

Partie II : Chimie (Questions de cours)

1. Définitions

• Atome : Entité minimale d’un élément chimique possédant ses propriétés (ex: atome de carbone \( \text{C} \)).
• Élément chimique : Substance formée d’un seul type d’atome (ex: oxygène \( \text{O} \), hydrogène \( \text{H} \)).
• Isotope : Atomes d’un même élément (même numéro atomique \( Z \)) mais avec un nombre de neutrons différent (donc masse atomique \( A \) différente, ex: \( ^{16}\text{O} \) et \( ^{18}\text{O} \)).
• Structure électronique : Distribution des électrons dans les couches (ou orbitales) autour du noyau (ex: \( \text{O} \) : \( 1s^2 2s^2 2p^4 \)).

2. Réponses Vrai/Faux

• a. Vrai : Un atome est constitué de trois parties : noyau (protons + neutrons) et électrons.
• b. Faux : La masse du proton (\( \approx 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \)) n’est pas négligeable (elle est comparable à celle du neutron, et bien plus grande que celle de l’électron).
• c. Vrai : Dans un ion, le nombre de protons (donné par \( Z \)) diffère du nombre d’électrons (ex: \( \text{Na}^+ \) a 11 protons et 10 électrons).
• d. Faux : Les sous-couches sont notées \( s, p, d, f \) (pas \( K, L, M, N \) : ce sont les couches principales).
• e. Vrai : Chaque sous-couche a un nombre limité d’électrons (ex: \( s \): 2, \( p \): 6, \( d \): 10, \( f \): 14).

Partie II : Chimie (Exercices)

1. Nombre de protons et électrons (atomes et ions)

Pour un atome/ion \( _Z^A X^{n\pm} \) :

• Protons : \( Z \) (numéro atomique, trouvable dans la table périodique).
• Électrons :
• Atome neutre : \( Z \) (même que protons).
• Ion \( X^{+n} \) : \( Z - n \) (perte de \( n \) électrons).
• Ion \( X^{-n} \) : \( Z + n \) (gain de \( n \) électrons).

Exemples :

• \( \boldsymbol{^{35}_{17}\text{Cl}} \) : \( Z = 17 \), atome neutre → électrons = 17.
• \( \boldsymbol{^{27}_{13}\text{Al}^{3+}} \) : \( Z = 13 \), ion \( 3^+ \) → électrons = \( 13 - 3 = 10 \).
• \( \boldsymbol{^{24}_{12}\text{Mg}^{2+}} \) : \( Z = 12 \), ion \( 2^+ \) → électrons = \( 12 - 2 = 10 \).
• \( \boldsymbol{^{18}_8\text{O}} \) : \( Z = 8 \), atome neutre → électrons = 8.
• \( \boldsymbol{^{63}_{29}\text{Cu}} \) : \( Z = 29 \), atome neutre → électrons = 29.

2. Structure électronique (atomes et ions)

• \( \boldsymbol{^{35}_{17}\text{Cl}} \) (atome) : Couches \( K(2) \), \( L(8) \), \( M(7) \) → \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 \).
• \( \boldsymbol{^{27}_{13}\text{Al}^{3+}} \) (ion) : Perte de 3 électrons → couches \( K(2) \), \( L(8) \) → \( 1s^2 2s^2 2p^6 \).
• \( \boldsymbol{^{24}_{12}\text{Mg}^{2+}} \) (ion) : Perte de 2 électrons → couches \( K(2) \), \( L(8) \) → \( 1s^2 2s^2 2p^6 \).
• \( \boldsymbol{^{18}_8\text{O}} \) (atome) : Couches \( K(2) \), \( L(6) \) → \( 1s^2 2s^2 2p^4 \).
• \( \boldsymbol{^{63}_{29}\text{Cu}} \) (atome) : Couches \( K(2) \), \( L(8) \), \( M(18) \), \( N(1) \) → \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1 \) (configuration exceptionnelle de Cu).

3. Structure électronique par sous-couches

Exemple pour \( \boldsymbol{^{35}_{17}\text{Cl}} \) : \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 \) (comme ci - dessus).

4. Représentation de Lewis

Pour \( \boldsymbol{^{35}_{17}\text{Cl}} \) (atome) : 7 électrons de valence (dans \( 3s^2 3p^5 \)) → symbole \( \text{Cl} \) entouré de 7 points (ou croix) : \( \cdot \overset{\cdot \cdot}{\underset{\cdot \cdot}{\text{Cl}}} \cdot \).

Pour \( \boldsymbol{^{27}_{13}\text{Al}^{3+}} \) (ion) : Perte de 3 électrons de valence → ion stable avec 8 électrons dans la couche la plus extérieure (couche \( L \)) → \( [\text{Ne}] \) (ou représentation avec 8 électrons : \( [\overset{\cdot \cdot}{\underset{\cdot \cdot}{{\text{Al}}}}]^{3+} \), mais en réalité, \( \text{Al}^{3+} \) a la configuration de Ne, sans électrons de valence libres).

5. Calculs (masse et charge)

Données : \( m_p = m_n = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \), \( m_e = 9.10 \times 10^{-31}\ \text{kg} \), \( e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C} \).

a. Charge du nuage d’électrons (\( \boldsymbol{^{24}_{12}\text{Mg}} \) et \( \boldsymbol{^{18}_8\text{O}} \))

• Pour \( \boldsymbol{^{24}_{12}\text{Mg}} \) (atome neutre) : Nombre d’électrons = \( Z = 12 \).

Charge du nuage : \( Q = -n \cdot e \) (n = nombre d’électrons, \( e \) la charge de l’électron, négative).
\( Q = -12 \times 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C} = -1.92 \times 10^{-18}\ \text{C} \).

• Pour \( \boldsymbol{^{18}_8\text{O}} \) (atome neutre) : Nombre d’électrons = \( Z = 8 \).

Charge du nuage : \( Q = -8 \times 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C} = -1.28 \times 10^{-18}\ \text{C} \).

b. Masse du noyau de \( \boldsymbol{^{27}_{13}\text{Al}} \)

Le noyau contient \( Z = 13 \) protons et \( A - Z = 27 - 13 = 14 \) neutrons.

Masse du noyau : \( m_{\text{noyau}} = (Z \cdot m_p) + ((A - Z) \cdot m_n) \)
\( m_p = m_n = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \)
\( m_{\text{noyau}} = (13 \times 1.67 \times 10^{-27}) + (14 \times 1.67 \times 10^{-27}) \)
\( = (13 + 14) \times 1.67 \times 10^{-27} \)
\( = 27 \times 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \approx 4.509 \times 10^{-26}\ \text{kg} \).

Réponses Clés (Résumées)

Physique

1. Composantes de \( \vec{F} \) : \( F_x \approx -54.4\ \text{N} \), \( F_y \approx 25.4\ \text{N} \).
2. Résultante des deux forces : \( 15\ \text{N} \).

Chimie

1. Nombre de protons/électrons :

• \( \text{Cl} \) : 17 p, 17 e ; \( \text{Al}^{3+} \) : 13 p, 10 e ; \( \text{Mg}^{2+} \) : 12 p, 10 e ; \( \text{O} \) : 8 p, 8 e ; \( \text{Cu} \) : 29 p, 29 e.

1. Structure électronique (ex: \( \text{Cl} \) : \( 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5 \)).
2. Représentation de Lewis (ex: \( \text{Cl} \) avec 7 électrons de valence).
3. Charge du nuage : \( \text{Mg} \): \( -1.92 \times 10^{-18}\ \text{C} \) ; \( \text{O} \): \( -1.28 \times 10^{-18}\ \text{C} \).
4. Masse du noyau d’\( \text{Al} \): \( \approx 4.51 \times 10^{-26}\ \text{kg} \).