Chapitre 8 | Terminale STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Les équations sont équilibrées en atomes et en charges ; les unités et chiffres significatifs sont notés.
Une chaudière domestique brûle du méthane \(\text{CH}_4\). On donne l'énergie molaire de combustion \(E_m=8{,}9\times10^{5}\ \text{J·mol}^{-1}\).
1. Écrire et équilibrer l'équation de la combustion complète du méthane. (1,5 pt)
2. La combustion est-elle exothermique ou endothermique ? Que devient l'énergie libérée ? (1 pt)
3. La chaudière brûle \(n=25\ \text{mol}\) de méthane pour un cycle de chauffage. Calculer l'énergie \(E\) libérée. (1,5 pt)
4. Calculer la quantité de \(\text{CO}_2\) rejetée dans l'atmosphère. Pourquoi ce rejet pose-t-il un problème environnemental ? (2 pts)
1. \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\) (C : 1=1 ; H : 4=4 ; O : 4=2+2). (1,5 pt)
2. Elle est exothermique : elle libère de l'énergie vers le milieu extérieur (chaleur cédée à l'eau du circuit de chauffage). (1 pt)
3. \(E = n\times E_m = 25\times8{,}9\times10^{5}=2{,}2\times10^{7}\ \text{J}\approx22\ \text{MJ}\). (1,5 pt)
4. 1 mol de \(\text{CH}_4\) produit 1 mol de \(\text{CO}_2\), donc \(n(\text{CO}_2)=25\ \text{mol}\). Le \(\text{CO}_2\) est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. (2 pts)
Partie A — accumulateur. Un accumulateur met en jeu le couple \(\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}\) à l'une de ses électrodes.
1. Rappeler la définition d'un oxydant et d'un réducteur. (1 pt)
2. Lors de la décharge, le nickel est oxydé. Écrire la demi-équation électronique correspondante. À quelle borne (+ ou −) se produit-elle ? (1,5 pt)
3. Lors de la charge, la réaction est inversée. Écrire la demi-équation de charge. (1 pt)
4. En décharge, on consomme \(n=0{,}20\ \text{mol}\) de nickel. Combien de moles d'électrons sont libérées ? (1 pt)
Partie B — pile à combustible. Un véhicule utilise une pile \(\text{H}_2/\text{O}_2\).
5. Écrire les deux demi-équations (borne − : \(\text{H}_2\), borne + : \(\text{O}_2\)) puis l'équation globale équilibrée. (2 pts)
6. On consomme \(n(\text{H}_2)=6{,}0\ \text{mol}\). Calculer les quantités de \(\text{O}_2\) consommée et d'eau formée. (1,5 pt)
1. Un réducteur cède un ou plusieurs électrons (il est oxydé) ; un oxydant capte un ou plusieurs électrons (il est réduit). (1 pt)
2. \(\text{Ni} \longrightarrow \text{Ni}^{2+} + 2\,\text{e}^-\). L'oxydation se produit à la borne − (anode). (1,5 pt)
3. Charge (réaction inverse) : \(\text{Ni}^{2+} + 2\,\text{e}^- \longrightarrow \text{Ni}\). (1 pt)
4. Chaque \(\text{Ni}\) libère 2 électrons : \(n(\text{e}^-)=2\times0{,}20=0{,}40\ \text{mol}\). (1 pt)
5. Borne − : \(\text{H}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^-\) ; borne + : \(\text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,\text{e}^- \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\). En multipliant la première par 2 et en additionnant : \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\). (2 pts)
6. \(n(\text{O}_2)=\dfrac{n(\text{H}_2)}{2}=\dfrac{6{,}0}{2}=3{,}0\ \text{mol}\) ; \(n(\text{H}_2\text{O})=n(\text{H}_2)=6{,}0\ \text{mol}\). (1,5 pt)
1. Définir un acide et une base au sens du transfert de proton. (1 pt)
2. Une solution a \([\text{H}_3\text{O}^+]=4{,}0\times10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}\). Calculer son pH. La solution est-elle acide ou basique ? (1,5 pt)
3. On dilue cette solution 10 fois. Prévoir le sens d'évolution du pH et calculer sa nouvelle valeur. (1,5 pt)
4. On donne les couples \(\text{NH}_4^+/\text{NH}_3\) et \(\text{H}_2\text{O}/\text{HO}^-\). Écrire l'équation de la réaction entre l'ion ammonium \(\text{NH}_4^+\) (acide) et l'ion hydroxyde \(\text{HO}^-\) (base). Vérifier les charges. (2 pts)
1. Un acide est un donneur de proton \(\text{H}^+\) ; une base est un accepteur de proton \(\text{H}^+\). (1 pt)
2. \(\text{pH}=-\log(4{,}0\times10^{-3})=2{,}4\). Comme \(\text{pH}\lt 7\), la solution est acide. (1,5 pt)
3. Dilution d'un acide : \([\text{H}_3\text{O}^+]\) diminue (divisée par 10), donc le pH augmente de 1 unité : \(\text{pH}=3{,}4\). (1,5 pt)
4. L'acide \(\text{NH}_4^+\) cède \(\text{H}^+\), la base \(\text{HO}^-\) le capte : \(\text{NH}_4^+ + \text{HO}^- \longrightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}\). Charges : à gauche \((+1)+(-1)=0\), à droite \(0+0=0\) : équilibré. (2 pts)