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Spécialité Physique-Chimie · Classe de Terminale

Structure de la matière et interaction avec la lumière

Spectroscopie, modèle de l'atome et transitions électroniques — programme de Spécialité Physique-Chimie Terminale

À propos de cette page
Cette évaluation sur « Structure de la matière et interaction avec la lumière » en terminale permet de faire le point sur ses connaissances en spécialité physique-chimie, comme lors d'un véritable contrôle. Elle suit le programme officiel de terminale et propose plusieurs exercices notés sur 20, avec un corrigé détaillé. Au programme : Le modèle quantique de l'atome, Niveaux d'énergie et transitions électroniques, Le photon : énergie et relation de Planck-Einstein, Spectres d'émission atomiques. Travaille seul, chronomètre-toi, puis compare tes réponses au corrigé pour identifier les points à revoir. Parfait pour mesurer ses progrès et réviser efficacement. Évaluation gratuite conçue par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale en spécialité physique-chimie.
Évaluation finale · Niveau difficile · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00

Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.

Exercice 1 — Niveaux d'énergie et transitions

/ 4 pts
  1. Rappeler l'expression de l'énergie $E_n$ des niveaux de l'atome d'hydrogène en eV en fonction de $n$. Calculer $E_1$, $E_2$ et $E_3$. (1,5 pt)
  2. Calculer $\Delta E$ (en eV) pour la transition $n=3 \to n=2$. Indiquer si un photon est absorbé ou émis. (1 pt)
  3. Calculer la longueur d'onde $\lambda$ (en nm) du photon correspondant. Données : $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, $c = 3{,}00 \times 10^8$ m/s, $1$ eV $= 1{,}6 \times 10^{-19}$ J. (1,5 pt)

Exercice 2 — Loi de Beer-Lambert et dosage

/ 5 pts
  1. Énoncer la loi de Beer-Lambert et définir chacune des grandeurs. (1 pt)
  2. Une solution de permanganate de potassium KMnO₄ a une absorbance $A = 0{,}80$ mesurée à $\lambda_{max} = 525$ nm avec $l = 1$ cm et $\varepsilon = 2{,}40 \times 10^3$ L·mol⁻¹·cm⁻¹. Calculer la concentration $c$ de la solution. (1,5 pt)
  3. On dilue cette solution d'un facteur 4. Calculer la nouvelle absorbance. (1 pt)
  4. La loi de Beer-Lambert est-elle applicable pour $A = 1{,}8$ ? Justifier. (1,5 pt)

Exercice 3 — Spectroscopie infrarouge

/ 4 pts
  1. Un spectre IR d'une molécule inconnue présente les bandes suivantes : une bande large et intense entre 2500 et 3300 cm⁻¹, une bande fine et intense à 1710 cm⁻¹, et des bandes entre 1000 et 1300 cm⁻¹. Identifier les liaisons correspondantes et proposer un groupe fonctionnel. (2 pt)
  2. La molécule est-elle un alcool, une cétone ou un acide carboxylique ? Justifier à partir des données IR. (1 pt)
  3. Expliquer pourquoi la spectroscopie IR est dite 'empreinte digitale' d'une molécule. (1 pt)

Exercice 4 — Chromophores et UV-visible

/ 4 pts
  1. Définir le terme 'chromophore' et expliquer l'influence de la conjugaison des liaisons π sur $\lambda_{max}$. (1,5 pt)
  2. Le β-carotène (11 doubles liaisons conjuguées) présente $\lambda_{max} \approx 450$ nm. La molécule X (5 doubles liaisons conjuguées) présente $\lambda_{max} \approx 340$ nm. Comparer et interpréter ces résultats. (1,5 pt)
  3. Quelle est la couleur du β-carotène ? Justifier à partir de $\lambda_{max} = 450$ nm. (1 pt)

Exercice 5 — Problème de synthèse — Analyse spectrale d'une solution inconnue

/ 3 pts
  1. On analyse une solution inconnue S. Le spectre UV-visible montre $\lambda_{max} = 510$ nm et $A = 0{,}54$ avec $l = 1$ cm. Le coefficient $\varepsilon = 1{,}8 \times 10^3$ L·mol⁻¹·cm⁻¹. Calculer la concentration de S. (1 pt)
  2. Le spectre IR de S présente une bande à 1715 cm⁻¹ (intense) et une bande vers 2950 cm⁻¹ (C–H), mais aucune bande large O–H ni N–H. Proposer le type de groupe fonctionnel et deux familles chimiques possibles. (1 pt)
  3. Quelle est la couleur de la solution S ? La solution S absorbe à 510 nm (vert). (1 pt)
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — Niveaux d'énergie et transitions
Corrigé :
1. $E_n = -13{,}6/n^2$ eV. $E_1 = -13{,}6$ eV ; $E_2 = -3{,}4$ eV ; $E_3 = -1{,}51$ eV.
2. $\Delta E = E_3 - E_2 = -1{,}51 - (-3{,}4) = 1{,}89$ eV. Transition $3\to2$ : émission (l'électron descend, l'atome émet un photon).
3. $\lambda = hc/\Delta E = (6{,}626\times10^{-34}\times3\times10^8)/(1{,}89\times1{,}6\times10^{-19}) \approx 656$ nm (rouge, raie H$\alpha$).

Exercice 2 — Loi de Beer-Lambert et dosage
Corrigé :
1. $A = \varepsilon \cdot l \cdot c$ : $A$ = absorbance (sans unité), $\varepsilon$ = coefficient d'extinction molaire (L·mol⁻¹·cm⁻¹), $l$ = longueur de cuve (cm), $c$ = concentration molaire (mol/L).
2. $c = A/(\varepsilon \cdot l) = 0{,}80/(2400 \times 1) = 3{,}33 \times 10^{-4}$ mol/L.
3. Dilution d'un facteur 4 : $c' = c/4$ → $A' = 0{,}80/4 = 0{,}20$.
4. Non applicable : $A = 1{,}8$ dépasse le domaine de validité (0,1 à 1 environ). À ces valeurs, seule 1,6% de lumière est transmise (I/I₀ ≈ 1,6%), rendant la mesure imprécise et la relation souvent non linéaire.

Exercice 3 — Spectroscopie infrarouge
Corrigé :
1. Bande large 2500–3300 cm⁻¹ : liaison O–H d'acide carboxylique (caractéristique, très large). Bande à 1710 cm⁻¹ : liaison C=O. Bandes 1000–1300 cm⁻¹ : liaison C–O. Groupe fonctionnel : acide carboxylique –COOH.
2. Acide carboxylique : présence simultanée de O–H (bande très large 2500–3300) et C=O (1710 cm⁻¹). Un alcool n'a pas de C=O ; une cétone n'a pas de O–H large.
3. Chaque molécule possède une combinaison unique de liaisons qui vibrent à des fréquences spécifiques. Le spectre IR est une 'empreinte' car deux molécules différentes ont toujours des spectres IR distincts (notamment dans la région 'empreinte digitale' 500–1500 cm⁻¹).

Exercice 4 — Chromophores et UV-visible
Corrigé :
1. Un chromophore est un groupement d'atomes (C=O, C=C, système π étendu…) responsable de l'absorption de lumière UV ou visible. Plus la conjugaison π est étendue, plus $\lambda_{max}$ est déplacée vers les grandes longueurs d'onde (bathochromisme) : les électrons π sont délocalisés sur un espace plus grand, abaissant l'énergie de la transition HOMO-LUMO.
2. Le β-carotène (11 doubles liaisons conjuguées) a $\lambda_{max}$ plus grande (450 nm) que X (5 doubles liaisons, $\lambda_{max}$ = 340 nm) : plus la conjugaison est étendue, plus $\lambda_{max}$ est grande, ce qui confirme le bathochromisme.
3. λmax ≈ 450 nm correspond à l'absorption dans le bleu-violet. La couleur observée est la complémentaire : le β-carotène est orange.

Exercice 5 — Problème de synthèse — Analyse spectrale d'une solution inconnue
Corrigé :
1. $c = A/(\varepsilon \cdot l) = 0{,}54 / (1800 \times 1) = 3{,}0 \times 10^{-4}$ mol/L.
2. Bande C=O à 1715 cm⁻¹ sans O–H ni N–H → carbonyle sans groupe acide ou amide. Familles possibles : aldéhyde (C=O vers 1720–1740 cm⁻¹ + bande C–H aldéhydique vers 2720 et 2820 cm⁻¹) ou cétone (C=O vers 1705–1725 cm⁻¹, pas de bande C–H aldéhydique).
3. S absorbe dans le vert (510 nm). Sa couleur observée est la couleur complémentaire du vert : rouge/magenta.

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