Cours de La tension électrique TCS Biof

 La tension électrique

I-    Tension électrique continue :

1-   Tension électrique :

a-    Le concept de tension électrique :

L’écoulement de l’eau du haut vers le bas de la cascade est expliqué par la différence d’altitude, par analogie, la tension électrique est expliquée par la différence de potentiel (V) entre deux points A et B d’un circuit électrique,

b-    Potentiel électrique :

La tension électrique entre deux points A et B notée U_AB est donnée par la relation suivante : U_AB=V_A-V_B, elle s’exprime en Volte (V) tel que V_A : le potentiel électrique du A, et V_B : le potentiel électrique du B

Remarque : On a U_AB=V_A-V_B=-(V_B-V_A)=-U_BA : donc la tension électrique est une grandeur algébrique

 Représentation de la tension électrique

La représentation de la tension  entre deux points A et B d’un dipôle est définie par une flèche dirigée de B vers A,

2-   Mesure de la tension électrique

a-    Expérience : On réalise le montage suivant :

b-    Lecture de la tension :

La valeur de la tension électrique mesurée est donnée par la relation suivante :  tel que :

C : calibre utilisé, n : le nombre de graduation indiqué par l’aiguille et N : le nombre de graduation de l’échelle,

c-    Incertitude de la mesure :

·       L’incertitude absolue est donnée par la relation suivante :  , tel que a : c’est la classe de l’appareil,

·       L’incertitude relative (la précision de mesure de l’appareil) est donnée par la relation suivante : ,

Avec 

II- Les lois des tensions :

1-    Circuit en série :

a-     Expérience : On réalise le montage suivant :

b-    Remarque :

On a U_AC=5V, U_BC=7V, U_AB=12V, alors on remarque U_AB=U_AC+U_CB

c-    Conclusion :

La tension aux bornes d’un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d’eux, c’est la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série 

d-    Etude théorique :

Selon le circuit électrique, on a U_AC+U_CB=(V_A-V_C) + (V_C-V_B) =V_A-V_B=U_AB,

Comme on a V_A=V_P et V_B=V_N alors U_PN=U_AB=U_AC+U_CB

2-   Circuit en parallèle :

a-    Expérience :

On réalise le montage suivant :

b-    Remarque :

On a U_PN=12V, U_AB=12V, U_CD=12V : Alors U_PN=U_AB=U_CD

c-    Conclusion :

La tension aux bornes d’un ensemble de dipôles en parallèles est la même

d-    Etude théorique :

Selon le circuit électrique, on a    avec  donc 

III-        Les tensions variables :

1-    Définition :

·       On appelle tension variable une tension dont la valeur change au cours de temps,

·       On appelle une tension alternative quand elle prend respectivement des valeurs positives et des valeurs négatives

2-   L’oscilloscope :

·       Un oscilloscope permet de visualiser l’évolution de tension au cours de temps,

·       La courbe obtenue est un oscillogramme, avec l’axe vertical est celui des tensions et l’axe horizontal celui des temps,

3-   La tension alternative sinusoïdale

a-    Activité : Sur l’écran d’un oscilloscope, on obtient la courbe suivante :

La sensibilité verticale est S_V=4V/div et la sensibilité horizontale est S_H=5ms/div

b-    Remarque : La tension alternative sinusoïdale est caractérisée par :

·       La période T : c’est le temps minimal au cours duquel la tension se répète identiquement à elle-même.

c-    Conclusion : dans notre cas, la période est : T=S_H.x=5.10^-3×4=20.10^-3s=20ms

·       La fréquence f : on appelle fréquence d’une tension périodique le nombre de période par seconde, elle est donnée par la relation suivante :  , elle s’exprime en Hz

Exemple : dans notre cas :  

·       La tension maximale Umax (Amplitude) : c’est la valeur maximale de la tension variable,

Exemple : dans ce cas Umax= y.Sv=3×4=12V

·       La tension efficace , notée Ue ou Ueff : c’est la valeur indiquée par le voltmètre lorsqu’on l’utilise pour mesurer une tension alternative sinusoïdale, elle est donnée par la relation suivante , dans ce cas, on a  

4-   Autres tensions variables :

a-    Tension rectangulaire :

Soit l’oscillogramme suivant :

On donne la sensibilité verticale Sy=5V/div et la sensibilité horizontale Sx=5ms/div. Alors

L’amplitude : Um=y.Sy=3×5=15V

La période : T=x.Sx=4×5.10^-3s=20.10^-3s=20ms

La fréquence :

b-    Tension triangulaire

Soit l’oscillogramme suivant :

On donne la sensibilité verticale Sy=2V/div et la sensibilité horizontale Sx=10ms/div.

L’amplitude : Um=y.Sy=3×2=6V

La période : T=x.Sx=2×10.10^-3s=20.10^-3s=20ms La fréquence : 

Application :

1-    Compléter les phrases suivantes

a-    L’unité de la tension est le ………. dont le symbole est ……….

b-    On mesure la tension entre deux points avec un ………. monté en ………. entre ces deux points,

c-     La tension aux bornes d’un fil de connexion est ……….

d-    VB-VA représente la ………. entre les points A et B  

2-    Répondre par vrai ou faux :

a-    Dans circuit, la tension aux bornes d’un interrupteur ouvert est nulle,

b-    U_BC=U_AB + U_AC

c-     Un potentiel électrique se mesure en volte,

d-    V_A – V_B=U_BA

3-    On considère le circuit électrique suivant et on donne , ,  :

Représenter puis calculer les grandeurs suivantes : , ,  et V_C-V_F

Concentrations et solutions électrolytiques

 

Concentrations et solutions électrolytiques

I-             Structure d’un corps solide ionique

1-    Définition :

Les corps solides ayant une forme propre difficile à déformer peuvent exister sous deux états différents :

ü  Etat désordonné caractérisé par une structure non ordonnée,

ü  Etat ordonné caractérisé par une structure cristalline ordonnée.

Les solides ioniques cristallins sont électriquement neutres,

2-    Formules des corps ioniques solides :

La formule d’un corps solide ionique indique la nature et le nombre des ions qui le constituent sans préciser la charge que prend chacun des ions.

Exemples : , , , ,….

3-    Les molécules polaires :

a-    Activité :

ü    dans la molécule de chlorure d’hydrogène , le chlore étant beaucoup plus électronégatif que l’hydrogène, le doublet liant de cette molécule va être beaucoup plus proche de l’atome de chlore que l’atome d’hydrogène,

ü     ce qui provoque l’apparition d’une charge partielle négative  sur l’atome de chlore et d’une charge partielle positive  sur l’atome d’hydrogène.

ü  La liaison est dite polarisée et la molécule a un caractère dipolaire.

Exemple : la molécule ,

Donc la molécule d’eau est polaire : est un solvant polaire

b-    Conclusion

ü  Une molécule est dite polaire lorsque les barycentres des charges positives et négatives ne sont pas confondus.

ü  Les molécules polaires ont des propriétés particulières, elles sont notamment solubles dans l’eau.

II-          Les solutions aqueuses électrolytiques :

1-    Rappel

ü  Lorsqu’on dissout une espèce chimique (solide, liquide ou gazeuse), dans un liquide on obtient une solution,

ü  L’espèce chimique dissoute est appelée le soluté,

ü  Le liquide dans lequel on dissout l’espèce chimique est appelé le solvant,

Remarque : 

ü  Si le soluté n’est pas totalement dissout, la solution obtenue est saturée, donc la solution n’est pas homogène,

ü  Si le solvant utilisé est l’eau, on obtient une solution aqueuse

2-    Solutions électrolytiques

Les solutions électrolytiques sont des solutions conductrices du courant électrique, cette conductivité est due aux ions (anions et cations), donc les solutions électrolytiques sont des solutions ioniques.

3-    Dissolution d’un électrolyte dans un solvant polaire

La dissolution d’un électrolyte dans un solvant polaire se fait en trois étapes successives :

ü  La dissociation,

ü  Solvatation (hydratation si le solvant est l’eau),

ü  Dispersion.

4-    Equation de la dissolution

a-    Activité :

Préciser le solvant et le soluté dans chaque exemple :

ü  Equation de dissolution du chlorure de sodium dans l’eau est : 

ü  Equation de dissolution du chlorure d’hydrogène dans l’eau est : 

ü  Equation de dissolution du chlorure de l’acide sulfurique dans l’eau est 

b-    Conclusion :

Les trois solutés successifs sont : Chlorure de sodium (NaCl) ; Chlorure d'hydrogène (HCl) et Acide sulfurique (H₂SO₄) et l’eau est le solvant dans les trois cas.

III-        Concentration molaire

1-    Concentration molaire d’une solution et concentration molaire effective :

2-    Concentration molaire et concentration massique :

a-    La concentration massique :

La concentration massique est une grandeur qui correspond au rapport de la masse  du soluté dissous par le volume total de la solution , est donnée par la relation suivante , elle s’exprime en .

b-    Concentration molaire et concentration massique :

On a déjà et  donc  car 

Finalement  donc 

Application 1 :

1-    On considère une solution (S) de chlorure d'aluminium AlCl₃ dont la concentration molaire est C=0,02mol/L Déterminer les concentrations molaires effectives des espèces présentes dans la solution (S),

2-    La concentration molaire effective des ions chlorure dans la solution de chlorure de zinc est :

[Cl^-]=0,01mol/l :

Déterminer la concentration molaire effective des ions Zn²⁺ dans la même solution et la concentration molaire du soluté utilisé ZnCl₂,

3-    On dissout m = 10,1 g de nitrate de potassium, KNO₃, dans de l'eau pure, et on obtient un volume

V = 500 mL d'une solution (S) de concentration C :

a-    Calculer la quantité de matière de soluté utilisée, puis calculer la concentration molaire C de la solution (S),

b-    Écrire l'équation de dissolution du nitrate de potassium, puis calculer la concentration molaire effective de chaque ion   et , dans la solution, puis calculer leurs quantités de matière

Application 2 :

Pour préparer  d’une solution aqueuse de de sulfate de sodium , on disout une masse

:

1-    Préciser le solvant ansi le soluté dans cette solution,

2-    Rappeler les étapes de dissoltuion d’un élctrolyte,

3-    Calculer la concentration molaire de la solution,

4-    Ecrire l’équation de dissoulution de ,

5-    Calculer les concentration des ions présentes en solution, puis calculer la concentration massique du soluté,

On donne :  ,  et

Exercice 1 :

Partie I : On dissout dans de l'eau pure une masse m = 6,5 g de chlorure de fer III, FeCl₃(s), pour obtenir une solution (S) d'un volume de V = 100 mL :

1-    Préciser les étapes de cette dissoulution,

2-    Etablir l'équation chimique de la dissolution du chlorure de fer III dans l'eau,

3-    Quelle sont les qui présentes dans la solution,

4-    Calculer la concentration molaire en soluté,

5-    Calculez ensuite les concentrations molaires effectives des ions dans la solution (S).

Partie II : Le composé ionique chlorure de baryum est constitué d'ions chlorure, Cl^- et d'ions baryum, Ba²⁺. On dissout une masse m = 53,6 g de ce composé dans 500 ml d'eau, et on obtient une solution de concentration C.

1-    Trouver la formule chimique de ce composé, et écrire l'équation de la solubilité du chlorure de baryum dans l'eau, puis calculer C la concentration de la solution,

2-    Calculer les concentrations effectives  et  dans la solution.

On donne M(Fe)= 56g/moL,  M(Cl)= 35,5 g/moL, M(Ba)=138 g/mol et M(Cl) = 35,5 g/mol

1-    Définition :

Les corps solides ayant une forme propre difficile à déformer peuvent exister sous deux états différents :

ü  Etat désordonné caractérisé par une structure non ordonnée,

ü  Etat ordonné caractérisé par une structure cristalline ordonnée.

Les solides ioniques cristallins sont électriquement neutres,

2-    Formules des corps ioniques solides :

La formule d’un corps solide ionique indique la nature et le nombre des ions qui le constituent sans préciser la charge que prend chacun des ions.

Exemples : , , , ,….

3-    Les molécules polaires :

a-    Activité :

ü    dans la molécule de chlorure d’hydrogène , le chlore étant beaucoup plus électronégatif que l’hydrogène, le doublet liant de cette molécule va être beaucoup plus proche de l’atome de chlore que l’atome d’hydrogène,

ü     ce qui provoque l’apparition d’une charge partielle négative  sur l’atome de chlore et d’une charge partielle positive  sur l’atome d’hydrogène.

ü  La liaison est dite polarisée et la molécule a un caractère dipolaire.

Exemple : la molécule ,

Donc la molécule d’eau est polaire : est un solvant polaire

b-    Conclusion

ü  Une molécule est dite polaire lorsque les barycentres des charges positives et négatives ne sont pas confondus.

ü  Les molécules polaires ont des propriétés particulières, elles sont notamment solubles dans l’eau.

II-          Les solutions aqueuses électrolytiques :

1-    Rappel

ü  Lorsqu’on dissout une espèce chimique (solide, liquide ou gazeuse), dans un liquide on obtient une solution,

ü  L’espèce chimique dissoute est appelée le soluté,

ü  Le liquide dans lequel on dissout l’espèce chimique est appelé le solvant,

Remarque : 

ü  Si le soluté n’est pas totalement dissout, la solution obtenue est saturée, donc la solution n’est pas homogène,

ü  Si le solvant utilisé est l’eau, on obtient une solution aqueuse

2-    Solutions électrolytiques

Les solutions électrolytiques sont des solutions conductrices du courant électrique, cette conductivité est due aux ions (anions et cations), donc les solutions électrolytiques sont des solutions ioniques.

3-    Dissolution d’un électrolyte dans un solvant polaire

La dissolution d’un électrolyte dans un solvant polaire se fait en trois étapes successives :

ü  La dissociation,

ü  Solvatation (hydratation si le solvant est l’eau),

ü  Dispersion.

4-    Equation de la dissolution

a-    Activité :

Préciser le solvant et le soluté dans chaque exemple :

ü  Equation de dissolution du chlorure de sodium dans l’eau est : 

ü  Equation de dissolution du chlorure d’hydrogène dans l’eau est : 

ü  Equation de dissolution du chlorure de l’acide sulfurique dans l’eau est 

b-    Conclusion :

Les trois solutés successifs sont : Chlorure de sodium (NaCl) ; Chlorure d'hydrogène (HCl) et Acide sulfurique (H₂SO₄) et l’eau est le solvant dans les trois cas.

III-        Concentration molaire

1-    Concentration molaire d’une solution et concentration molaire effective :

2-    Concentration molaire et concentration massique :

a-    La concentration massique :

La concentration massique est une grandeur qui correspond au rapport de la masse  du soluté dissous par le volume total de la solution , est donnée par la relation suivante , elle s’exprime en .

b-    Concentration molaire et concentration massique :

On a déjà et  donc  car 

Finalement  donc 

Application 1 :

1-    On considère une solution (S) de chlorure d'aluminium AlCl₃ dont la concentration molaire est C=0,02mol/L Déterminer les concentrations molaires effectives des espèces présentes dans la solution (S),

2-    La concentration molaire effective des ions chlorure dans la solution de chlorure de zinc est :

[Cl^-]=0,01mol/l :

Déterminer la concentration molaire effective des ions Zn²⁺ dans la même solution et la concentration molaire du soluté utilisé ZnCl₂,

3-    On dissout m = 10,1 g de nitrate de potassium, KNO₃, dans de l'eau pure, et on obtient un volume

V = 500 mL d'une solution (S) de concentration C :

a-    Calculer la quantité de matière de soluté utilisée, puis calculer la concentration molaire C de la solution (S),

b-    Écrire l'équation de dissolution du nitrate de potassium, puis calculer la concentration molaire effective de chaque ion   et , dans la solution, puis calculer leurs quantités de matière

Application 2 :

Pour préparer  d’une solution aqueuse de de sulfate de sodium , on disout une masse

:

1-    Préciser le solvant ansi le soluté dans cette solution,

2-    Rappeler les étapes de dissoltuion d’un élctrolyte,

3-    Calculer la concentration molaire de la solution,

4-    Ecrire l’équation de dissoulution de ,

5-    Calculer les concentration des ions présentes en solution, puis calculer la concentration massique du soluté,

On donne :  ,  et

Exercice 1 :

Partie I : On dissout dans de l'eau pure une masse m = 6,5 g de chlorure de fer III, FeCl₃(s), pour obtenir une solution (S) d'un volume de V = 100 mL :

1-    Préciser les étapes de cette dissoulution,

2-    Etablir l'équation chimique de la dissolution du chlorure de fer III dans l'eau,

3-    Quelle sont les qui présentes dans la solution,

4-    Calculer la concentration molaire en soluté,

5-    Calculez ensuite les concentrations molaires effectives des ions dans la solution (S).

Partie II : Le composé ionique chlorure de baryum est constitué d'ions chlorure, Cl^- et d'ions baryum, Ba²⁺. On dissout une masse m = 53,6 g de ce composé dans 500 ml d'eau, et on obtient une solution de concentration C.

1-    Trouver la formule chimique de ce composé, et écrire l'équation de la solubilité du chlorure de baryum dans l'eau, puis calculer C la concentration de la solution,

2-    Calculer les concentrations effectives  et  dans la solution.

On donne M(Fe)= 56g/moL,  M(Cl)= 35,5 g/moL, M(Ba)=138 g/mol et M(Cl) = 35,5 g/mol

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