Ce cours est un chapitre de Physique-Chimie du programme du tronc commun des Bacs Pros.

 

 

Les transports

 

1. Comment protéger un véhicule contre la corrosion ?

 

1.1 La réaction d’oxydoréduction

 

Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle il y a un échange d'électrons entre l’oxydant et le réducteur.

-          L’oxydant est celui qui capte les électrons, on dit qu’il est réduit. Une réduction est un gain d’électrons.

 

-          Le réducteur est celui qui perd les électrons, on dit qu’il est oxydé. Une oxydation est une perte d’électrons.

Exemple : dans la réaction Cu + Cl₂ → CuCl₂ :

-          Cu est un réducteur : Cu → Cu²⁺ + 2 e^-

-          Cl₂ est un oxydant : Cl₂ + 2 e^- → 2 Cl^-

 

1.2 Potentiel d'oxydoréduction

 

Le potentiel d'oxydo-réduction est une grandeur qui mesure le pouvoir oxydant/réducteur des couples redox.

Quand on va dans le sens positif de E :

 

•  Le pouvoir oxydant augmente (l’oxydant est plus fort)
•  Le pourvoir réducteur diminue (le réducteur est plus faible)

 

Par convention, le potentiel standard E° est mesuré par rapport au couple proton/hydrogène (H⁺/ H₂), de potentiel nul. Exemple des couples oxydant-réducteur :

 

Si on compare les deux couples Cu²⁺/Cu et Fe²⁺/Fe :

-          Cu²⁺ est un oxydant plus fort que Fe²⁺

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

Règle de gamma

 

Pour prévoir le sens d'une réaction, on peut utiliser la règle de gamma (cf. Figure ci-contre): l'oxydant le plus fort (ici Ox2) réagira avec le réducteur le plus fort (ici Red1) pour donner un réducteur plus faible (Red2) et un oxydant plus faible (Ox1) :

Ox2 + Red1 → Red2 + Ox1.

 

Exemple : Cu²⁺ + Fe  → Cu + Fe²⁺

 

Classement des métaux selon son pouvoir de réducteur

 

Li > Na > Mg > Ti > Al > Zn > Cr > Fe > Cd > Ni > Sn > Pb > Cu> Ag > Au

 

1.3 La protection contre la corrosion des métaux

 

La corrosion désigne l'altération d'un métal par réaction chimique avec un oxydant. Dans la vie quotidienne, les oxydants les plus rencontrés sont le dioxygène, le cation H⁺ dans l’eau et les ions chlorure dans le sel.

 

Les méthodes pour protéger les métaux contre la corrosion

 

1/ Isoler la pièce de son environnement par les revêtements (peinture, film plastique, revêtement métallique comme le nickelage ou argenture ; l’Argent est un réducteur très faible, il ne réagit quasiment pas avec le dioxygène et donc protège le métal à l’intérieur).

 

2/ Mise en contact avec un métal plus réducteur, par exemple le Zinc ou le Magnésium. Ces métaux se corrodent à la place de la pièce à protéger.

 

3/ Protection cathodique : on relie le métal à protéger au pôle négatif d’un générateur et une anode sacrificielle au pôle positif.

 

2. Pourquoi éteindre ses phares quand le moteur est arrêté?

 

2.1 Quelle est la différence entre une pile et un accumulateur ?

 

Les piles ne sont pas rechargeables, alors que les accumulateurs le sont. En fait, les deux sont basés sur l’échange des électrons entre les couples oxydant-réducteur. Cette échange est irréversible pour les piles et réversible pour les accumulateurs.

 

Principe d’une pile

 

Le fonctionnement d’une pile est basé sur une réaction d'oxydo-réduction entre un réducteur et un oxydant. Ils échangent les électrons et forment ainsi un courant.

 

Comment réaliser une pile ?

 

Une pile du type cation métallique/métal est constitué par :

-          une plaque de métal M plongeant dans une solution de son oxydant conjugué Mⁿ⁺

-          une plaque de métal M’ plongeant dans une solution de son oxydant conjugué M’^p+

-          Pour assurer l'équilibre des charges électriques, il faut relier les deux solutions à l'aide d'un pont salin. Un pont salin est un tube de gel qui permet au courant de passer sans que les deux solutions se mélangent.

Exemple : La pile Daniell est une pile qui fait intervenir deux couples redox : Zn²⁺/Zn et Cu²⁺/Cu :

 

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

-          Zn est un réducteur plus fort que Cu, donc il va céder ses électrons. La barre en Zn devient l’anode : Zn → Zn²⁺ + 2e-

-          Cu²⁺ est un oxydant plus fort que Zn²⁺, donc il va capter les électrons. La barre en Cu devient la cathode : Cu²⁺ + 2e- → Cu

L’équation globale suit bien la règle de gamma : Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺

 

La Force électromotrice E

 

La f.é.m. de la pile est la différence des potentiels d’oxydoréduction entre les deux couples redox. Par exemple pour la pile Daniell :

 

-          Potentiel standard Cu²⁺/Cu : 0.34V

-          Potentiel standard Zn²⁺/Zn : -0.76V

Donc la force électromotrice est : E = 0,34 – (-0,76) = 1,10 V

 

La tension aux bornes d’une pile

 

La tension aux bornes de la pile est égale à la f.é.m. lorsque la pile ne débite pas de courant (tension à vide). Si la pile débite, la tension aux bornes de la pile U_pile est plus petite que la f.e.m :

U_pile = f.e.m - i . R_pile

Avec i le courant [A] et R_pile la résistance de la pile [Ω]

 

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

Principe d’un accumulateur

 

Le fonctionnement d’un accumulateur est basé sur une réaction oxydo-réduction réversible.

-          Lors de la décharge d’un accumulateur, il y a lieu la réaction oxydo-réduction, les électrons viennent de l’anode vers la cathode. La différence de charge entre les deux électrolyses diminue au fur et à mesure.

-          Lors de la charge d’un accumulateur, on force le courant dans le sens inverse.

 

2.2 Comment recharger un accumulateur?

 

Un accumulateur se charge à l’aide d’un courant continu. Le générateur qui charge l’accumulateur doit délivrer une tension supérieure à celle-ci.

Si on utilise un alternateur, il faut redresser le courant, c’est-à-dire de le transformer en un courant électrique continu.

 

Principe de redressement d’un courant alternatif

 

Pour redresser un courant alternatif, on utilise les diodes. Une diode est un composant électrique qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Son symbole est :

 

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

Redressement mono alternance

 

On utilise une seule diode qui permet de supprimer l'alternance négative du courant et conserve l'alternance positive. La courbe du haut représente la tension d'entrée et celle du bas la tension en sortie du redresseur. La tension redressée a la même fréquence que la tension d'entrée.

La tension de sortie obtenue après redressement constamment dans le même sens, mais elle n'est pas continue. Il faut en suite lisser le courant pour obtenir un courant continu.

 

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

3. Comment se déplacer dans un fluide ?

 

3.1 Comment un avion vole-t-il ?

 

L’effet Venturi

 

L'effet Venturi est un phénomène où il y a une dépression dans la zone où les particules de fluides sont accélérées.

 

Exemple : le débit dans un tube est toujours constant. S’il y a un rétrécissement, la section diminue, la vitesse des particules doit augmenter pour garder le même débit. Donc il y a une dépression au rétrécissement du tube. 

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

Applications de l’effet Venturi

 

L’effet Venturi permet de faire voler un avion. L’aile de l’avion est design de manière que l’air en dessus (extrados) soit accéléré et crée donc une dépression. La différence de pression entre l’extrados et l’intrados est responsable de la portance de l’avion.

 

3.2 Pourquoi les hublots des sous-marins sont-ils épais ?                                                                                     

Notions

 

La force  pressante F est une force répartie sur une surface. On appelle cette surface la surface pressée S. La pression P en un point est égale à la force pressante par unité de surface. Son unité dans le SI est le pascal (Pa) :

Si F est en newton (N) et S en mètre carré (m²) alors P en pascal (Pa)

Si F est en newton (N) et S en millimètre carré (mm²) alors P en méga pascal (MPa)

Les autres unités usuelles sont :

-          Le bar : 1 bar = 10⁵ Pa

-          L’atmosphère normale : 1 atm = 101 325 Pa

 

Pression relative et pression absolue

 

La pression absolue est la pression mesurée par rapport au vide absolu, c'est-à-dire à l'absence totale de matière. Elle est toujours positive.

La pression relative (ou pression effective) est définit par rapport à la pression atmosphérique. Cette pression peut donc prendre une valeur positive ou négative : p_abs = p_effective + p_atm

 

Principe fondamental de l’hydrostatique

 

Dans un fluide de masse volumique du ρ, la pression effective du point qui se situe à la profondeur  h est calculée par :

Avec : ρ la masse volumique du fluide [kg/m³],

g l’accélération de la pesanteur [m/s²]

h la profondeur par rapport à la surface [m]

P la pression [Pa]

 

(Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

La pression augmente avec la profondeur.

 

La pression dans un fluide est la même en tout point situé sur un plan horizontal.

La différence de pression entre deux points dans un fluide ne dépend que la différence de hauteur entre deux points :

p_B - p_A = ρgh

 

3.3 Pourquoi un bateau flotte-t-il ?

 

Poussée d’Archimède

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

La poussée d’Archimède est une force qui s’exerce sur tout corps plongé dans un fluide. Elle est toujours verticale, de sens du bas en haut et son intensité est égale au poids du volume de fluide déplacé :

F = ρ g V

Avec : ρ la masse volumique du fluide déplacé [kg/m³], g l’accélération de la pesanteur [m/s²] et
V le volume du fluide déplacé [m³].

 

Quand un corps flotte, la poussée d’Archimède est égale au poids du corps. Pour déterminer expérimentalement la poussée, on mesure le volume du fluide déplacé V et calcule F par la formule F = ρ g V. On vérifie si cette force est bien égale au poids du corps.

Condition de flottabilité d’un matériau

 

Pour un corps donné, on a la poussée maximale F = ρ_fluidegV_t avec V_t le volume total du corps (dans ce cas, le corps est totalement immergé dans le fluide mais il ne coule pas) et son poids
P = ρ_matériau g V_t. Pour que le corps flotte, son poids doit être inférieur à la poussée maximale, et donc sa masse volumique doit être inférieure à la masse volumique du fluide.

Conditions d’équilibre d’un corps flottant

 

L’équilibre d’un corps flottant dépend de la position relative entre le centre de gravité et le centre de poussée du corps :

 

-          Le centre de gravité G est le point d’application du poids.

 

-          Le centre de poussée C est le point d’application de la force de poussée d’Archimède. Il est en fait le centre de gravité du fluide déplacé.

 

1^er cas : Le centre de poussée C se situe au dessus du centre de gravité G

 

Quand le corps subit une perturbation, il est écarté de sa position d’équilibre. Les points C et G ne sont plus alignés verticalement, les efforts créent donc un couple qui tend à ramener le corps dans sa position d’équilibre. L’équilibre est dit stable.

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")

 

2^ème cas : Le centre de poussée C se situe au dessous du centre de gravité G

 

Si le corps est écarté de sa position d’équilibre, les efforts créent un couple qui tend à l’écarter encore plus. Le corps risque d’être renversé, l’équilibre est dit instable.

 (Pour voir les formules et figures correctement, télécharger la fiche complète gratuitement en cliquant sur le bouton "Voir ce document")