| Niveau | 3e année collège |
|---|---|
| Matière | Physique-chimie |
| Semestre | semestre 1 |
| Devoir | Devoir n° 2 |
| Durée | 1 heure |
| Barème | sur 20 |
| Leçons | L'atome et les ions, Solutions acides et solutions basiques (pH), Action des solutions acides sur les métaux, Tests d'identification de quelques ions |
| Programme | MEN : Programmes et orientations pédagogiques de la physique-chimie au cycle secondaire collégial ; avec le Cadre de référence de l'examen régional 2025 – Physique-Chimie (CNEE), qui fixe le programme du semestre 2 de la 3e année : mécanique (mouvement et repos, actions mécaniques, notion de force, équilibre d'un corps soumis à deux forces, poids et masse) et électricité (loi d'Ohm, puissance, énergie) ; les matériaux relèvent donc du semestre 1 |
Devoirs modèles rédigés par l'équipe Wadifa Info, conformes au programme officiel, non officiels.
Énoncé
Exercice 1 : l'atome et les ions (6 pts)
- Répondre par « vrai » ou « faux » :
- L'atome est électriquement neutre.
- La charge de l'électron est positive.
- Un ion positif est un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu un ou plusieurs électrons.
- La masse de l'atome est concentrée essentiellement dans son noyau.
- L'atome d'aluminium Al contient 13 électrons. On donne la charge élémentaire : e = 1,6 × 10−19 C.
- Calculer la charge totale des électrons de l'atome d'aluminium, puis en déduire la charge de son noyau.
- L'atome d'aluminium se transforme en ion Al3+. Expliquer comment cet ion se forme, puis calculer son nombre d'électrons et sa charge.
- L'ion chlorure Cl− contient 18 électrons. Combien d'électrons contient l'atome de chlore Cl ? Justifier.
Exercice 2 : solutions acides et basiques (6 pts)
Des élèves ont mesuré le pH de quelques solutions utilisées à la maison avec un pH-mètre. Voici leurs résultats :
| Solution | Jus de citron | Eau pure | Eau savonneuse | Vinaigre | Solution d'hydroxyde de sodium | Eau salée |
|---|---|---|---|---|---|---|
| pH | 2,5 | 7 | 9,5 | 3 | 13 | 7 |
- Classer ces solutions en solutions acides, basiques et neutres.
- Quelle est la solution la plus acide ? Justifier.
- On ajoute de l'eau pure au vinaigre (dilution). Comment varie son pH ?
- Quels ions sont majoritaires dans les solutions acides ? Et dans les solutions basiques ?
- Citer un autre moyen de mesurer le pH d'une solution.
- Le flacon de solution concentrée d'hydroxyde de sodium porte le pictogramme « corrosif ». Citer deux précautions à prendre lors de son utilisation.
Exercice 3 : action de l'acide chlorhydrique sur le fer (8 pts)
On place des morceaux de fer dans un tube à essai contenant une solution d'acide chlorhydrique (H+ + Cl−). Un gaz se dégage ; quand on approche une allumette enflammée de l'ouverture du tube, on entend une légère détonation. Après la fin de la réaction, on partage la solution obtenue en deux parties :
- dans la première partie, on ajoute quelques gouttes de solution d'hydroxyde de sodium : un précipité vert se forme ;
- dans la deuxième partie, on ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d'argent : un précipité blanc qui noircit à la lumière se forme.
- Quel est le nom du gaz dégagé ? Comment l'a-t-on mis en évidence ?
- Quel ion a été mis en évidence par la solution d'hydroxyde de sodium ? Et par la solution de nitrate d'argent ?
- Préciser les réactifs et les produits, puis écrire l'équation chimique simplifiée de cette réaction.
- On mesure le pH de la solution avant et après la réaction. Comment varie-t-il ? Justifier.
- On refait l'expérience avec du cuivre à la place du fer : aucune réaction n'est observée. Que peut-on conclure ?
- Donner le nom et la formule de la solution obtenue après la réaction.
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Exercice 1 : l'atome et les ions
- (1) Vrai. (2) Faux : la charge de l'électron est négative, égale à −e. (3) Vrai. (4) Vrai : la masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.
- (a) Charge des électrons : q = −13 × e = −13 × 1,6 × 10−19 = −2,08 × 10−18 C. L'atome est électriquement neutre, donc la charge du noyau est +2,08 × 10−18 C.
(b) L'ion Al3+ se forme quand l'atome d'aluminium perd 3 électrons. Nombre d'électrons : 13 − 3 = 10. Charge : q = +3e = 3 × 1,6 × 10−19 = 4,8 × 10−19 C. - L'ion Cl− est un atome de chlore qui a gagné un électron, donc l'atome de chlore contient 18 − 1 = 17 électrons.
Barème : 1) 0,5 par réponse (2 pts) – 2a) 0,75 + 0,5 (1,25 pt) – 2b) 0,5 + 0,5 + 0,75 (1,75 pt) – 3) 1 pt.
Exercice 2 : solutions acides et basiques
- Acides (pH < 7) : jus de citron, vinaigre. Basiques (pH > 7) : eau savonneuse, solution d'hydroxyde de sodium. Neutres (pH = 7) : eau pure, eau salée.
- Le jus de citron, car son pH est le plus petit (2,5) : plus le pH est petit, plus la solution est acide.
- Le pH augmente et se rapproche de 7 sans le dépasser : diluer une solution acide diminue son acidité.
- Solutions acides : ions hydrogène H+ ; solutions basiques : ions hydroxyde HO−.
- Le papier pH (ou les indicateurs colorés).
- Par exemple : porter des lunettes de protection et des gants, ne pas toucher ni respirer la solution, et pour diluer, verser la solution concentrée dans l'eau et non l'inverse.
Barème : 1) 0,25 par solution (1,5 pt) – 2) 1 pt – 3) 1 pt – 4) 0,5 + 0,5 (1 pt) – 5) 0,5 pt – 6) 0,5 par précaution (1 pt).
Exercice 3 : action de l'acide chlorhydrique sur le fer
- Le dihydrogène H2, mis en évidence par la détonation produite à l'approche d'une flamme.
- Le précipité vert avec l'hydroxyde de sodium révèle les ions fer II : Fe2+. Le précipité blanc qui noircit à la lumière avec le nitrate d'argent révèle les ions chlorure Cl−.
- Réactifs : le fer Fe et les ions hydrogène H+. Produits : les ions fer II Fe2+ et le dihydrogène H2 (les ions Cl− ne réagissent pas).
Équation simplifiée : Fe + 2H+ → Fe2+ + H2. - Le pH augmente, car les ions H+ sont consommés pendant la réaction : l'acidité de la solution diminue.
- Le cuivre ne réagit pas avec l'acide chlorhydrique dilué, contrairement au fer.
- Une solution de chlorure de fer II, de formule (Fe2+ + 2Cl−).
Barème : 1) 0,5 + 0,5 (1 pt) – 2) 1 + 1 (2 pts) – 3) réactifs et produits 1 + équation 1 (2 pts) – 4) 1 pt – 5) 1 pt – 6) 1 pt.
Barème
| Exercice 1 : l'atome et les ions | 6 pts |
| Exercice 2 : solutions acides et basiques | 6 pts |
| Exercice 3 : action de l'acide chlorhydrique sur le fer | 8 pts |
| Total | 20 pts |
|---|
Conseils de révision
- L'atome est neutre : le nombre d'électrons est égal au nombre de charges positives du noyau.
- Ion positif = atome qui a perdu des électrons ; ion négatif = atome qui a gagné des électrons.
- pH inférieur à 7 : solution acide ; égal à 7 : neutre ; supérieur à 7 : basique.
- Retiens les tests : Fe²⁺ précipité vert, Fe³⁺ précipité rouille, Cu²⁺ précipité bleu avec l'hydroxyde de sodium ; Cl⁻ précipité blanc qui noircit à la lumière avec le nitrate d'argent.
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