I- Interaction.

 

Un objet de masse m = 100 g est maintenu par l'intermédiaire d'une ficelle (f). On note : , poids de l'objet, , la force exercée par l'objet sur la ficelle et , la force exercée par la ficelle sur l'objet.

Comparer P, F₁ et F₂ et justifier chaque fois la réponse :

1)- L'objet est immobile.

-    L'objet est immobile : Le référentiel d'étude est le référentiel terrestre supposé Galiléen.

-    l'objet est soumis à deux forces : son poids  dû à l'interaction avec la terre et la force  exercée par la ficelle sur l'objet.

-    l'objet étant immobile, il est soumis à des forces dont les effets se compensent (principe de l'inertie) : P = F₂.

-    D'autre part les forces  et sont liées par le principe de l'interaction : F₁ = F₂.

-    En conséquence : P = F₁ = F₂.

2)- L'objet monte d'un mouvement rectiligne accéléré :

-    L'objet monte d'un mouvement rectiligne varié.

-    L'objet n'est plus soumis à des forces dont les effets se compensent : ,

-    Mais F₁ = F₂ d'après le principe de l'interaction :

-    On tire : P ≠ F₂ = F₁.

3)- L'objet descend d'un mouvement rectiligne uniforme.

-    L'objet descend d'un mouvement rectiligne uniforme :

-    l'objet est soumis à des forces dont les effets se compensent (principe de l'inertie) :

-    P = F₂ et les forces   et sont liées par le principe de l'interaction : F₁ = F₂.

-    En conséquence : P = F₁ = F₂.

 

II- Équilibre d'un solide en l'absence de frottements.

 

Deux chariots sont placés sur un banc à coussin d'air incliné d'un angle α = 20° par rapport à l'horizontale.

Sur chaque chariot, on a fixé un aimant.

Le chariot B est immobilisé et le chariot A est en équilibre : m = 536 g et g = 10 N / kg.

1)- Faire le bilan des forces agissant sur le chariot A. Représenter ces forces dans le repère .

-    Bilan des forces : poids du système : , réaction du support  (la réaction est perpendiculaire au support car les frottements sont négligeables) et la force magnétique . On représente les forces dans le repère : .

 

2)- Donner les conditions d'équilibre pour le chariot A.

-    Conditions d'équilibre du chariot A :

-    La somme vectorielle des vecteurs forces appliquées au système est égale au vecteur nul () et les lignes d'action des trois forces sont concourantes et coplanaires.

 

3)- Donner l'expression littérale des coordonnées de chacune des forces dans le repère .

-    Coordonnées de chacune des forces dans le repère .

 

-     

4)- En déduire la valeur de chacune des forces agissant sur le chariot A.

-    Valeur de chacune des forces :

-    Valeur du poids :

-    P = m . g

-    P ≈ 0,536 x 10

-    P ≈ 5,4 N

-    Valeur des autres forces :

-     

III- Action d'un acide sur un métal.

On introduit une masse m = 1,35 g de poudre d'aluminium dans un volume V = 100 mL d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration C = 1,0 mol / L.

1)- Écrire l'équation bilan de la réaction. L'interpréter au sens de l'oxydoréduction.

-    Équation bilan de la réaction :

2 Al   +   6 H⁺   →   2 Al³⁺   +   3 H₂

-    L'aluminium métal a été oxydé et l'ion hydrogène a été réduit.

2)- Calculer le volume de dihydrogène recueilli en fin de réaction (V_m = 24 L / mol dans les conditions de l'expérience). Justifier la réponse.

-    Quantité de matière d'aluminium :

-     

-    Quantité de matière de H⁺ :

-    n (H⁺) = C . V

-    n (H⁺) ≈ 1,0 x 0,100

-     n (H⁺) ≈ 0,10 mol

-    Il faut comparer

-     

-    L'aluminium est en excès et H⁺ limite la réaction

-     

3)- Déterminer la concentration des ions présents dans la solution en fin de réaction.

-    Concentration : H⁺ a disparu car il a totalement réagi.

-    L'ion chlorure est spectateur sa concentration ne varie pas, on considère que le volume de la solution n'a pas varié : [Cl^–] ≈ 1,0 mol / L.

-    Concentration des ions aluminium :

-     

IV- Une pile qui vaut de l'argent. (Une autre solution)

On réalise une pile en associant les deux demi-piles faisant intervenir les couples oxydant / réducteur suivants :

Au³⁺ / Au et Ag⁺ / Ag

1)- Dessiner cette pile, indiquer la polarité des électrodes et déterminer sa f.e.m. Donner son schéma conventionnel.

-    Dessin : l'électrode d'or constitue le pôle plus de la pile et l'électrode d'argent constitue le pôle moins de la pile.

 

 

-    Schéma conventionnel :

 

-    La force électromotrice :

-    e _Ag–Au = E⁰ _{(Au3+ / Au)} –  E⁰ _{(Ag+ / Ag)}

-    e _Ag–Au ≈ 1,50 – 0,80

-    e _Ag–Au ≈ 0,70 V

 

2)- nommer chaque électrode, donner les réactions aux électrodes et indiquer s'il s'agit d'une réduction ou d'une oxydation.

-    à la cathode se produit une réduction :

 Au³⁺  +  3 e^–    →    Au 

-    à l'anode se produit une oxydation :

Ag      →    Ag⁺  +  e^–

3)- Écrire l'équation bilan de la réaction qui s'effectue lorsque la pile débite du courant.

4)- On laisse la pile fonctionner pendant Δt = 3,0 h. On constate que la masse de l'électrode d'or a varié de m = 98 mg.

a)-  La masse de l'électrode d'argent a-t-elle augmenté ou diminué ? Calculer la variation de masse m' de l'électrode d'argent.

-    Au cours de la réaction, de l'argent disparaît, la masse de l'électrode d'argent diminue.

-    D'après de bilan des quantités de matière de l'équation bilan de la réaction :

-     

b)-  Calculer l'intensité supposée constante I du courant qui a circulé.

-    D'après le bilan de quantités de matière de la demi-équation électronique du couple Au³⁺ / Au

-     

-    Données :

-    E⁰ _{(Ag+ / Ag)} = 0,80 V ; E⁰ _{(Au3+ / Au)} = 0,80 V ; N_A = 6,02 × 10 ²³ mol^–1

-    e = 1,60 × 10 ^{– 19} C ; 1 F = 96500 C / mol, M (Ag) = 108 g / mol ; M (Au) = 197 g / mol