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Première S Devoir commun Mai 2013 PHYSIQUE-CHIMIE M. GOLESTIN M. TARGY M. LABBÉ Durée de l'épreuve : 3 h L’usage de la calculatrice est autorisé Document autorisé : la classification périodique des éléments (à rendre à la fin de l’épreuve) Ce sujet comporte 12 pages numérotées Chaque partie est évaluée sur 10 points. Les différentes parties sont indépendantes et peuvent être abordées dans l’ordre souhaité, mais chacune doit être traitée. Les réponses aux questions doivent être rédigées.

1ère S – Devoir commun 2013 – Épreuve de Physique-Chimieperso.inforoutes.fr/golestin/physique/exos/DC2013PremS.pdf · Première S Devoir commun Mai 2013 PHYSIQUE-CHIMIE M. GOLESTIN

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  • Premire S

    Devoir communMai 2013

    PHYSIQUE-CHIMIEM. GOLESTIN

    M. TARGYM. LABB

    Dure de l'preuve : 3 hLusage de la calculatrice est autoris

    Document autoris : la classification priodique des lments( rendre la fin de lpreuve)

    Ce sujet comporte 12 pages numrotes

    Chaque partie est value sur 10 points. Les diffrentes parties sontindpendantes et peuvent tre abordes dans lordre souhait, maischacune doit tre traite. Les rponses aux questions doivent trerdiges.

  • DonnesConstantes

    Constante Valeur

    Constante de Planck h=6,626069571034 Js

    Constante de gravitation universelle G=6,6741011Nm 2kg2

    Vitesse de la lumire dans le vide c=2,99792458ms1

    Charge lmentaire e=1,6021019C

    Constante lectrique k=8,988109Nm2C2

    Tableau 1 : Constantes utilises en Physique et Chimie.

    Units

    Grandeur Unit Symbole Dfinition

    Masse Unit de masse atomique unifie

    u 1u=1,6601027kg

    nergie lectron-volt eV 1eV=1,6021019J

    Tableau 2 : Units utilises en physique nuclaire et atomique.

    Formules

    Loi ou formule Expression, les valeurs numriques tant enunits S.I.

    Loi de Coulomb entre une charge q1 etune charge q2 situes la distance d lune de lautre

    F=kq1q2d2

    (1)

    Force de gravitation universelle entre un objet de masse m1 et un objet de masse m2 situs la distance d lun de lautre

    F=Gm1m2

    d2(2)

    nergie dun photon E=h=hc (3)

    Loi du dplacement de Wien maxT=2,90103 (4)

    Tableau 3 : Lois ou formules utilisables dans ce devoir.

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  • Partie A : Leau, un solvant bien particulier !A.1 -Quest-ce que leau ?

    A.1.1) Rappeler la structure lectronique des atomes H et O.

    A.1.2) En dduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome.

    A.1.3) Prvoir la structure et la gomtrie de la molcule deau.

    A.1.4) Les liaisons O H sont-elles polarises ? Si oui, tracer le moment dipolaire dechaque liaison puis le moment dipolaire rsultant.

    Conclure quant la polarit de la molcule deau.

    Aide : on donne les valeurs dlectrongativit suivantes, (H) = 2,2 ; (O) = 3,5.

    A.2 -Premire exprience avec le sel de cuisineDocument A.1 : Structure du cristal de chlorure de sodium

    La distance entre un ion chlorure et un ion sodium dans le cristal NaCl est : d = 282 pm.

    On dissout un peu de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans leau.

    A.2.1) Calculer la force dinteraction lectrique entre un ion Na+ et un ion Cl- dans lecristal NaCl.

    A.2.2) Calculer la force dinteraction gravitationnelle entre un ion Na+ et un ion Cl-.

    On donne les masse atomiques suivantes : m(Na) = 22,9 u et m(Cl) = 35,4 u.

    A.2.3) Comment expliquer la cohsion du cristal ?

    On observe que, ds que les cristaux de chlorure de sodium sont introduits dans leau, lesions Na+ et Cl- se retrouvent hydrats.

    A.2.4) Expliquer en quelques phrases et avec des schmas ce qui sest produit.

    A.3 -Deuxime exprience avec les alcoolsOn tudie maintenant la solubilit de deux alcools dans leau.

    A.3.1) Rappeler ce quest un alcool.

    A.3.2) Les alcools utiliss pour lexprience sont le propan-2-ol et le heptan-1-ol. crireles formules semi-dveloppe et topologique de ces deux molcules.

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  • On constate exprimentalement que l'heptan-1-ol nest pas miscible dans leau tandis quele propan-2-ol lest.

    A.3.3) Rappeler, en saidant de schmas, la nature des interactions entre les molculesdeau et une molcule dalcool puis interprter ces rsultats.

    A.4 -Troisime exprience avec les alginatesA.4.1) Quel type dinteraction existe-t-il entre les ions sodium et les groupes

    carboxylates ?

    A.4.2) Justifier la grande solubilit dans leau de lalginate de sodium.

    A.4.3) Pourquoi lion calcium permet-il la formation de ponts entre deux chanes, ce quene permet pas lion sodium ?

    A.4.4) Pourquoi les alginates de calcium sont-ils trs peu solubles dans leau,contrairement aux alginates de sodium ?

    Document A.2 : Les alginatesLes alginates sont des polysaccharides (molcules constitues dun enchanement desucres) constituant majoritairement les parois cellulaires des algues. Ils sont extraitsdalgues brunes, en particulier, des laminaires (rcolte en Atlantique nord : France,Grande-Bretagne et USA).

    Un alginate trs utilis est lalginate de sodium. Cest un polymre form de deuxmonomres comportant des groupes carboxylates COO- et des ions sodium Na+. Enprsence dions calcium Ca2+, les ions sodium sont remplacs par les ions calcium quipermettent la formation de ponts entre deux chanes. Les chanes dalginate formentalors de longs rubans de moins en moins solubles dans leau, permettant la fabricationde solutions visqueuses ou mme de gels. Cest pourquoi lalginate de sodium est trsprsent dans lindustrie agro-alimentaire pour la fabrication dpaississants ou deglifiants.

    Document A.3 : Formule de l'alginate de sodium

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  • Document A.4 : Formule de lalginate de calcium

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  • Partie B : Soleil et atmosphre terrestreLobjectif de cette partie est dtudier deux phnomnes rsultants de linteraction entre lerayonnement solaire et latmosphre terrestre : la luminescence en haute atmosphre etleffet de serre. Auparavant, une brve tude du fonctionnement de notre toile seramene, et sa dure de vie sera estime.

    B.1 -Fonctionnement du SoleilDocument B.1 : Caractristiques du Soleil

    Masse 1,991030 kg

    Diamtre 1 390 000 km

    ge 4,57 milliard d'annes

    Quantit d'hydrogne consomm par seconde 600 millions de tonnes

    Document B.2 : Schma dune raction nuclaire dans le Soleil

    Document B.3 : Masses de quelques noyaux

    Noyau neutron 1H 2H 3H 3He 4HeMasse (u) 1,0087 1,0073 2,0136 3,0155 3,0149 4,0015

    B.1.1) crire lquation de la raction dcrite sur le Document B.2.

    Montrer que cette quation respecte les lois de conservation en physiquenuclaire.

    B.1.2) Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la ractionnuclaire au sein du soleil fait appel des isotopes.

    B.1.3) Calculer la variation de masse m associe la raction nuclaire tudie.Comment voit-on que cette raction dgage de lnergie ?

    B.1.4) Calculer lnergie libre par la raction.

    Vos calculs sont-ils cohrents avec les valeurs donnes sur le Document B.2 ?

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  • B.1.5) Le deutrium (2H) et le tritium (3H) sont produits partir de noyaux dhydrogne(1H). Combien de noyaux dhydrogne faut-il pour former un noyau dedeutrium ? Et pour le tritium ?

    crire les ractions correspondantes, sachant que des particules prsentes danscertaines dsintgrations radioactives sont galement cres.

    B.1.6) On estime que seul 10 % de lhydrogne contenu dans le Soleil sera transformen hlium. partir des donnes du Document B.3, estimer combien de tempsencore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil ntait constitu quedhydrogne lors de sa cration. Commenter votre rsultat.

    B.2 -Phnomnes de luminescence de latmosphreDocument B.4 : Rayonnements EUV et luminescence

    On appelle ultraviolet extrme (EUV) les rayonnements de longueur dondecomprise entre 10 et 120 nm. Ceux-ci sont arrts par les couches suprieures delatmosphre, ce qui a pour effet de produire des ions, principalement O+, N2+ et O2+.Ces phnomnes dinteraction entre rayonnement et atmosphre sont tudis grce lmission de lumire, appele luminescence, qui suit le retour dans ltat fondamentaldes atomes de latmosphre qui ont t excits. On utilise notamment deux raiesmises dans le visible (400-800 nm) par latome doxygne. Ces deux raies, lune rougeet lautre verte, sont en effet particulirement intenses.

    Daprs la thse de doctorat de Frdric Culot, Universit Joseph Fourier, 2005.

    Document B.5 : Niveaux dnergie de latome doxygne

    Lnergie dionisation de latome doxygne estde 13,6 eV

    Daprs la thse de doctorat de Frdric Culot, Universit Joseph Fourier, 2005.

    B.2.1) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est lion cr par lionisation de latomedoxygne sous laction des rayons EUV ?

    B.2.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possdent une nergieplus grande ou plus petite quun photon du visible.

    Expliquer en quoi la prsence dune atmosphre, indpendamment de sacomposition, a particip lapparition de la vie sur Terre.

    B.2.3) Un photon de longueur donde 10 nm peut-il ioniser un atome doxygne ? Et unphoton de longueur donde 100 nm ?

    B.2.4) partir du Document B.5, identifier les transitions responsables de la raie verteet de la raie rouge qui sont utilises pour ltude des interactions entrerayonnement EUV et atmosphre.

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  • B.3 -Effet de serreDocument B.6 : Extrait de larticle de Wikipedia.org consacr leffet de serre

    Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur deau et sans nuages),et albdo constant, la temprature moyenne sur Terre chuterait -18 C. Mais cettetemprature la glace stendrait sur le globe, lalbdo terrestre augmenterait et latemprature se stabiliserait vraisemblablement en dessous de -50 C

    Document B.7 : Spectres solaires avant et aprs latmosphre [1 micron = 1 m]

    Document B.8 :Rayonnements transmis par latmosphre, en provenance dusoleil, vers la Terre, et en provenance de la Terre vers lespace.

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  • B.3.1) partir du Document B.7, dterminer la temprature de la surface du Soleil.

    B.3.2) La temprature moyenne la surface de la Terre est de 15C. Dterminer laposition de son maximum dmission (rappel : 0C = 273,15 K) et prciser queldomaine optique il appartient.

    B.3.3) partir de vos calculs et des documents fournis, rdiger un paragrapheexpliquant de manire dtaille comment latmosphre terrestre a permislapparition de vie sur Terre, en y maintenant une temprature pour laquelle leause trouve sous forme liquide.

    B.3.4) partir de vos connaissances, dire quel gaz rejet par les activits humaines estimpliqu dans leffet de serre. Quelle est lorigine de ces missions ?

    Partie C : Dosage colorimtrique de laluminiumLe but de cet exercice est dexploiter une analyse par spectrophotomtrie afin de sassurerquun chantillon deau est potable.

    Document C.1 : toxicit de laluminiumLabsorption de laluminium par voie orale est limite et dpendante de trs nombreuxfacteurs (type de compos, solubilit, co-administration avec de leau ou danslalimentation, etc.). Elle est estime 0,1 % lorsque laluminium est prsent danslaliment. Largement distribu travers lorganisme, laluminium peut atteindre lecerveau et franchir la barrire placentaire. Sa demi-vie dlimination trs variable selonles tudes, peut atteindre plusieurs annes lorsquil est administr de faon chronique.Son limination est principalement rnale.

    Les effets chez lHomme (neurotoxicit, atteinte osseuse, anmie) sont connus chez lesinsuffisants rnaux exposs de faon chronique laluminium, ainsi que chez lesprmaturs aliments par voie parentrale. La dose systmique de 5 g daluminiumpar kilogramme de masse corporelle par jour est considre sans risque par la FDA(Food and Drug Administration) pour lutilisation de soluts par voie parentrale pourdeux populations dont la fonction rnale est diminue : les enfants prmaturs et lesinsuffisants rnaux.

    LEFSA (European Food Safety Agency) a considr que les rsultats de gnotoxicitobtenus dans les essais avec laluminium ne sont probablement pas pertinents pourlHomme expos par la voie alimentaire. Les tudes chez lanimal ne mettent pas envidence de potentiel cancrogne. Les donnes pidmiologiques ne permettent pasdtablir un lien concluant entre lexposition cutane laluminium et lapparition duncancer.

    Source : Agence nationale de scurit du mdicament et du produit de sant (ANSM),anciennement Agence franaise de scurit sanitaire des produits de sant

    (AFSSAPS), http://ansm.sante.fr/.

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    http://ansm.sante.fr/

  • Document C.2 : quantit maximale daluminium autorise dans leau destine laconsommation humaine

    Larrt du 11 janvier 2007 relatif aux limites et rfrences de qualit des eaux brutes etdes eaux destines la consommation humaine mentionnes aux articles R. 1321-2, R.1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du code de la sant publique prcise, dans sonannexe, que la teneur maximale en aluminium dune eau potable ne doit pas dpasserla concentration massique Tmax=200 gL

    1 .Source : http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?

    cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=id

    Document C.3 : dosage de laluminium dans leau potableOn prpare 1,00 L dune solution mre de chlorure daluminium AlCl3 solide endissolvant m=1,087g de ce solide. Ce dernier se dissout totalement dans leau enlibrant des ions aluminium (III) Al3+ et des ions chlorure Cl- selon lquation :

    AlCl3 (s)Al(aq)3+ +3Cl(aq)

    .

    On dilue cette solution mre 100 fois afin dobtenir afin dobtenir 100,0 mL dune solutionqui sera appele par la suite S0.

    Les ions aluminium (III) sont incolores en solution aqueuse. Pour pouvoir les observer,on ajoute un colorant appel aluminon (voir le Document C.4) en large excs lors de laprparation de lchelle de teintes. Une nouvelle espce chimique colore est ainsiobtenue par une transformation chimique suppose totale.

    Lchelle de teintes est prpare de la faon suivante : il faut placer dans une fiolejauge de 50,0 mL, 5 mL dune solution daluminon, 20 mL dune solution tamponpermettant de maintenir le pH 4,8, un certain volume de solution S0 prcis dans letableau plac la suite de lexercice et complter jusquau trait de jauge avec de leaudistille. Aprs homognisation et un temps dattente de 15 minutes, les chantillonssont analyss au spectrophotomtre.

    Labsorbance est par la suite mesure 525 nm.

    Labsorbance dun chantillon deau du robinet donne une valeur de 0,12.

    Document C.4 : Formule topologique de laluminon. Source : Wikipdia.

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    http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=idhttp://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=id

  • Document C.5 : Absorbance dune solution daluminium avec aluminon selon lalongueur donde (wavelength en anglais) de la lumire qui traverse la solution.

    Source : Truman State University, Missouri, USA.

    Document C.6 : Mesures dabsorbance de diffrentes solution selon leurconcentration en ion aluminium.

    Solution Volume de S0 utilis(en mL)

    Concentration molaire enlment aluminium (mmol.L-1)

    Absorbance mesure

    S1 0,0 0,00 0,000

    S2 1,0 0,16102 0,012

    S3 3,0 0,48102 0,037

    S4 6,0 0,96102 0,072

    S5 12,0 2,0102 0,150

    S6 15,0 2,4102 0,190

    S7 20,0 3,3102 0,250

    Source : exercice donn au baccalaurat (spcialit, 2011, Amrique du Sud)

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  • Document C.7 :Absorbance de la solution daluminium avec aluminon en fonctionde sa concentration molaire en lment aluminium.

    Source : auteur partir des donnes du Document C.6.

    C.1 -Prparation de la solution-mreC.1.1) Quelle type de liaison est casse lors de cette dissolution ?

    C.1.2) tablir un tableau davancement pour cette raction.

    C.1.3) En noubliant pas que la dissolution est totale dans les conditions du dosage,quel est le ractif limitant ? En dduire les quantits de matire ltat final.

    C.1.4) Calculer la concentration C en solut apport.C.1.5) En dduire les concentrations effectives en ions chlorure et en ions aluminium

    (III).

    C.2 -Dosage de laluminiumC.2.1) Quel est le rle de la solution S1 qui apparat dans le Document C.6 ?

    C.2.2) Vrifier que cette solution vrifie la loi de Beer-Lambert.

    C.2.3) Leau analyse est-elle potable ?

    C.3 -Retour sur la physique de labsorptionC.3.1) Expliquer pourquoi laluminon (Document C.4) absorbe la lumire dans le visible.

    C.3.2) Quelle sera la couleur de laluminon ? Quelles seront les lumires coloresabsorbes ?

    C.3.3) Pourquoi lion aluminium (III) est-il stable ?

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    DonnesPartie A : Leau, un solvant bien particulier!A.1 - Quest-ce que leau?A.1.1) Rappeler la structure lectronique des atomes H et O.A.1.2) En dduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome.A.1.3) Prvoir la structure et la gomtrie de la molcule deau.A.1.4) Les liaisons O H sont-elles polarises? Si oui, tracer le moment dipolaire de chaque liaison puis le moment dipolaire rsultant.Conclure quant la polarit de la molcule deau.Aide: on donne les valeurs dlectrongativit suivantes, c(H)=2,2; c(O)=3,5.

    A.2 - Premire exprience avec le sel de cuisineA.2.1) Calculer la force dinteraction lectrique entre un ion Na+ et un ion Cl- dans le cristal NaCl.A.2.2) Calculer la force dinteraction gravitationnelle entre un ion Na+ et un ion Cl-.On donne les masse atomiques suivantes: m(Na)=22,9u et m(Cl)=35,4u.A.2.3) Comment expliquer la cohsion du cristal?A.2.4) Expliquer en quelques phrases et avec des schmas ce qui sest produit.

    A.3 - Deuxime exprience avec les alcoolsA.3.1) Rappeler ce quest un alcool.A.3.2) Les alcools utiliss pour lexprience sont le propan-2-ol et le heptan-1-ol. crire les formules semi-dveloppe et topologique de ces deux molcules.A.3.3) Rappeler, en saidant de schmas, la nature des interactions entre les molcules deau et une molcule dalcool puis interprter ces rsultats.

    A.4 - Troisime exprience avec les alginatesA.4.1) Quel type dinteraction existe-t-il entre les ions sodium et les groupes carboxylates?A.4.2) Justifier la grande solubilit dans leau de lalginate de sodium.A.4.3) Pourquoi lion calcium permet-il la formation de ponts entre deux chanes, ce que ne permet pas lion sodium?A.4.4) Pourquoi les alginates de calcium sont-ils trs peu solubles dans leau, contrairement aux alginates de sodium?

    Partie B : Soleil et atmosphre terrestreB.1 - Fonctionnement du SoleilB.1.1) crire lquation de la raction dcrite sur le Document B.2.Montrer que cette quation respecte les lois de conservation en physique nuclaire.B.1.2) Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la raction nuclaire au sein du soleil fait appel des isotopes.B.1.3) Calculer la variation de masse m associe la raction nuclaire tudie.Comment voit-on que cette raction dgage de lnergie?B.1.4) Calculer lnergie libre par la raction.Vos calculs sont-ils cohrents avec les valeurs donnes sur le Document B.2?B.1.5) Le deutrium (2H) et le tritium (3H) sont produits partir de noyaux dhydrogne (1H). Combien de noyaux dhydrogne faut-il pour former un noyau de deutrium? Et pour le tritium?crire les ractions correspondantes, sachant que des particules prsentes dans certaines dsintgrations radioactives sont galement cres.B.1.6) On estime que seul 10% de lhydrogne contenu dans le Soleil sera transform en hlium. partir des donnes du Document B.3, estimer combien de temps encore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil ntait constitu que dhydrogne lors de sa cration. Commenter votre rsultat.

    B.2 - Phnomnes de luminescence de latmosphreB.2.1) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est lion cr par lionisation de latome doxygne sous laction des rayons EUV?B.2.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possdent une nergie plus grande ou plus petite quun photon du visible.Expliquer en quoi la prsence dune atmosphre, indpendamment de sa composition, a particip lapparition de la vie sur Terre.B.2.3) Un photon de longueur donde 10nm peut-il ioniser un atome doxygne? Et un photon de longueur donde 100nm?B.2.4) partir du Document B.5, identifier les transitions responsables de la raie verte et de la raie rouge qui sont utilises pour ltude des interactions entre rayonnement EUV et atmosphre.

    B.3 - Effet de serreB.3.1) partir du Document B.7, dterminer la temprature de la surface du Soleil.B.3.2) La temprature moyenne la surface de la Terre est de 15C. Dterminer la position de son maximum dmission (rappel: 0C=273,15K) et prciser quel domaine optique il appartient.B.3.3) partir de vos calculs et des documents fournis, rdiger un paragraphe expliquant de manire dtaille comment latmosphre terrestre a permis lapparition de vie sur Terre, en y maintenant une temprature pour laquelle leau se trouve sous forme liquide.B.3.4) partir de vos connaissances, dire quel gaz rejet par les activits humaines est impliqu dans leffet de serre. Quelle est lorigine de ces missions?

    Partie C : Dosage colorimtrique de laluminiumC.1 - Prparation de la solution-mreC.1.1) Quelle type de liaison est casse lors de cette dissolution?C.1.2) tablir un tableau davancement pour cette raction.C.1.3) En noubliant pas que la dissolution est totale dans les conditions du dosage, quel est le ractif limitant? En dduire les quantits de matire ltat final.C.1.4) Calculer la concentration C en solut apport.C.1.5) En dduire les concentrations effectives en ions chlorure et en ions aluminium (III).

    C.2 - Dosage de laluminiumC.2.1) Quel est le rle de la solution S1 qui apparat dans le Document C.6?C.2.2) Vrifier que cette solution vrifie la loi de Beer-Lambert.C.2.3) Leau analyse est-elle potable?

    C.3 - Retour sur la physique de labsorptionC.3.1) Expliquer pourquoi laluminon (Document C.4) absorbe la lumire dans le visible.C.3.2) Quelle sera la couleur de laluminon? Quelles seront les lumires colores absorbes?C.3.3) Pourquoi lion aluminium (III) est-il stable?