Évaluation — Constitution et transformations de la matière (Seconde)

Consignes

Durée : 1 h. Calculatrice autorisée. Toute réponse doit être justifiée ; un résultat numérique s'écrit avec son unité et un nombre de chiffres significatifs adapté.

Données : \(N_A = 6{,}02\times10^{23}\ \text{mol}^{-1}\) · masse d'un nucléon \(1{,}67\times10^{-27}\ \text{kg}\) (masse des électrons négligeable) · numéros atomiques : C 6 · N 7 · O 8 · Mg 12 · Cl 17.

Compétences évaluées : APP (s'approprier), ANA (analyser), REA (réaliser), VAL (valider), COM (communiquer).

Exercice 1 — L'eau de mer et le marais salant 5 points · APP, REA, ANA

L'eau de mer contient en moyenne 35 g de sels dissous par litre, essentiellement du chlorure de sodium. Dans un marais salant, l'eau s'évapore au soleil jusqu'à ce que le sel se dépose. La solubilité du chlorure de sodium est d'environ 360 g par litre.

(1 pt) L'eau de mer est-elle un corps pur ou un mélange ? Homogène ou hétérogène ? Préciser le solvant et le soluté principal.
(1,5 pt) Calculer la masse de sel contenue dans 2,0 L d'eau de mer.
(1,5 pt) Ces 2,0 L sont placés dans un bassin. Quel volume de solution reste-t-il au moment où le sel commence à se déposer ?
(1 pt) L'évaporation de l'eau est-elle une transformation physique ou chimique ? Justifier.

Questions 1 et 2

Réponse 1

Un mélange homogène (une seule phase visible, plusieurs espèces) : c'est une solution aqueuse ; solvant : l'eau ; soluté principal : le chlorure de sodium. (0,5 + 0,5)

Calcul 2

\(m = c_m \times V = 35 \times 2{,}0 = 70\ \text{g}\) (relation 0,5 ; calcul 0,5 ; unité 0,5)

Question 3

Raisonnement

La masse de sel reste égale à 70 g ; le sel se dépose quand la concentration atteint la solubilité.

\(V = \dfrac{m}{c_{max}} = \dfrac{70}{360}\) \(V = 0{,}19\ \text{L}\)

Résultat

Il reste environ 0,19 L : il faut évaporer environ 90 % de l'eau. (conservation de la masse 0,5 ; calcul 0,5 ; interprétation 0,5)

Question 4

Réponse

Transformation physique (vaporisation) : l'eau change d'état mais reste de l'eau ; aucune espèce nouvelle n'apparaît. (1)

Exercice 2 — Le magnésium, de l'atome à l'échantillon 5 points · APP, REA

Le noyau de l'atome de magnésium le plus abondant s'écrit \({}^{24}_{12}\text{Mg}\).

(1 pt) Donner la composition de cet atome (protons, neutrons, électrons).
(1 pt) Écrire sa configuration électronique. Combien a-t-il d'électrons de valence ?
(1 pt) En déduire l'ion monoatomique formé par le magnésium. Justifier avec la règle de stabilité des gaz nobles.
(2 pts) Calculer la masse d'un atome de magnésium, puis le nombre d'atomes et la quantité de matière contenus dans un ruban de 1,2 g.

Questions 1 à 3

Réponses

1. 12 protons, \(24 - 12 = 12\) neutrons, 12 électrons (atome neutre). (1)

2. \(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\) : 2 électrons de valence. (0,5 + 0,5)

3. En perdant ses 2 électrons de valence, il acquiert la configuration du néon \(1s^2\,2s^2\,2p^6\), stable : il forme l'ion \(\text{Mg}^{2+}\). (1)

Question 4

Calculs

\(m_{atome} = 24 \times 1{,}67\times10^{-27} = 4{,}0\times10^{-26}\ \text{kg}\) \(N = \dfrac{1{,}2\times10^{-3}}{4{,}0\times10^{-26}} = 3{,}0\times10^{22}\) atomes \(n = \dfrac{N}{N_A} = \dfrac{3{,}0\times10^{22}}{6{,}02\times10^{23}} = 5{,}0\times10^{-2}\ \text{mol}\)

Erreur à sanctionner

Laisser 1,2 g sans conversion en kg alors que la masse de l'atome est en kg (résultat 1 000 fois trop grand). (masse 0,5 ; N 0,75 ; n 0,75)

Exercice 3 — La combustion du magnésium 6 points · ANA, REA, VAL

Le ruban de magnésium de l'exercice 2 (0,050 mol) brûle dans un flacon contenant 0,040 mol de dioxygène. Il se forme une poudre blanche d'oxyde de magnésium \(\text{MgO}\), avec une lumière éblouissante et un fort dégagement de chaleur.

(1 pt) Ajuster l'équation : \(\ldots\,\text{Mg} + \ldots\,\text{O}_2 \rightarrow \ldots\,\text{MgO}\).
(2 pts) Déterminer le réactif limitant.
(2 pts) Déterminer la composition de l'état final.
(1 pt) La transformation est-elle exothermique ou endothermique ? Justifier.

Questions 1 et 2

Équation

\(2\,\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{MgO}\) (2 Mg et 2 O de chaque côté). (1)

Réactif limitant

\(\dfrac{n(\text{Mg})}{2} = \dfrac{0{,}050}{2} = 0{,}025\ \text{mol}\) ; \(\dfrac{n(\text{O}_2)}{1} = 0{,}040\ \text{mol}\)

\(0{,}025 < 0{,}040\) : le magnésium est limitant. (quotients 1 ; conclusion 1)

Questions 3 et 4

État final

Le magnésium est entièrement consommé : 0,050 mol de Mg réagissent avec \(0{,}050/2 = 0{,}025\ \text{mol}\) de \(\text{O}_2\) et forment 0,050 mol de \(\text{MgO}\).

État final : \(n(\text{Mg}) = 0\) ; \(n(\text{O}_2) = 0{,}040 - 0{,}025 = 0{,}015\ \text{mol}\) ; \(n(\text{MgO}) = 0{,}050\ \text{mol}\). (2)

Réponse 4

Exothermique : la transformation cède de l'énergie au milieu extérieur (lumière et chaleur). (1)

Exercice 4 — Dater avec le carbone 14 4 points · APP, ANA, COM

Le carbone 14, présent en faible quantité dans les êtres vivants, se désintègre spontanément : \({}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{A}_{Z}\text{N} + {}^{\;\,0}_{-1}\text{e}\).

(1 pt) \({}^{12}_{6}\text{C}\) et \({}^{14}_{6}\text{C}\) sont-ils des isotopes ? Justifier.
(1,5 pt) Déterminer \(A\) et \(Z\) en énonçant les lois utilisées.
(1,5 pt) Rédiger en trois phrases ce qui distingue cette transformation d'une transformation chimique.

Correction

Réponses

1. Oui : même nombre de protons (\(Z = 6\)), nombres de neutrons différents (6 et 8). (1)

2. Conservation du nombre de nucléons : \(14 = A + 0\), donc \(A = 14\). Conservation de la charge : \(6 = Z - 1\), donc \(Z = 7\) (azote). (lois 0,5 ; A 0,5 ; Z 0,5)

3. Dans cette transformation, c'est le noyau qui est modifié, alors qu'une transformation chimique ne réorganise que les électrons. L'élément change (carbone → azote), alors qu'il se conserve dans une transformation chimique. Ce sont le nombre de nucléons et la charge qui se conservent. (COM : 3 idées justes et rédigées, 1,5)

Barème récapitulatif

Exercice	Points	Chapitres
1 — Eau de mer	5	1, 2, 10
2 — Magnésium	5	4, 6, 8
3 — Combustion	6	12
4 — Carbone 14	4	14