Am. du Sud - Sujet de bac : Annales, sujets et corrig©s ... Le sujet comporte trois exercices pr©sent©s

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    BACCALAURAT GNRAL

    SESSION 2015

    PHYSIQUE-CHIMIE

    Srie S

    Dure de lpreuve : 3 heures 30 Coefficient : 6

    Lusage de la calculatrice est autoris

    Ce sujet ne ncessite pas de feuille de papier millimtr

    Le sujet comporte trois exercices prsents sur 12 pages numrotes de 1/12 12/12, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indpendants les uns des autres.

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    EXERCICE I. LE SAUT DE FLIX BAUMGARTNER (5 points)

    Le dimanche 14 octobre 2012, Flix Baumgartner est entr dans lhistoire en slanant de la stratosphre plus de 39 000 m daltitude. Flix Baumgartner a saut depuis la nacelle dun ballon avec une vitesse initiale nulle. Au cours de la premire phase de sa chute qui a dur quatre minutes et vingt secondes, il a atteint une vitesse de pointe de 1342 km.h-1, soit MACH 1,24 ! Dans une seconde phase, il a ouvert son parachute. Au total, son saut depuis la stratosphre a dur neuf minutes et trois secondes.

    Avec ce saut, trois records du monde ont t battus : - la chute la plus rapide : il a atteint une vitesse maximale de 1342 km.h-1 ; - le saut le plus haut : 39 045 m (ancien record : 31 333 m) ; - le plus haut voyage en ballon dun homme : 39 045 m (ancien record : 34 668 m).

    Dans cet exercice, on cherche valuer la pertinence dun modle de chute.

    Description de latmosphre terrestre

    zone de latmosphre

    troposphre stratosphre msosphre thermosphre

    altitude (en km) de 0 10 de 10 50 de 50 80 plus de 80

    masse volumique moyenne de lair

    (en kg.m-3) entre 1 et 0,1 entre 0,1 et 103 entre 103 et 105 Moins de 105

    Donnes :

    La chute d'un objet est dite libre si lobjet nest soumis qu laction de la Terre, et si on peut ngliger laction de lair. Lorsque laction de lair nest pas ngligeable, leffet de lair est dautant plus important que la vitesse de chute est grande.

    Masse de Flix Baumgartner et de son quipement : m = 120 kg ;

    constante de gravitation universelle G = 6,67 x 10-11 m3.kg-1.s-2 ;

    masse de la Terre : MT = 5,98 x 1024 kg ;

    rayon de la Terre : RT = 6380 km.

    1. Attraction gravitationnelle lors du saut 1.1. Donner, en fonction de G, RT, H, m et MT, lexpression de la force dattraction gravitationnelle exerce par la Terre sur Flix Baumgartner lorsquil slance dans le vide laltitude H.

    1.2. En assimilant le poids P cette force dattraction, dduire lexpression de lintensit de la pesanteur g. Lintensit de la pesanteur g reste-t-elle constante au cours de la chute ? Justifier quantitativement.

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    2. tude de la premire phase du saut de Flix Baumgartner avec le modle de la chute libre

    Dans un rfrentiel terrestre suppos galilen, le repre choisi possde un axe Oy vertical. Dans cette premire phase, on admet que lacclration de la pesanteur g est gale 9,71 m.s-2.

    2.1. tablir lexpression de lacclration ay de Flix Baumgartner. De quel type de mouvement sagit-il ?

    2.2. tablir lquation horaire de son mouvement y = f(t).

    2.3. En dduire la date t1 correspondant au record de vitesse de Flix Baumgartner.

    2.4. Quelle distance Flix Baumgartner a-t-il parcouru lorsquil atteint cette vitesse maximale ? Quelle est alors son altitude H1 ?

    3. Dans la stratosphre, le modle choisi de la chute libre est-il pertinent ?

    3.1. Proposer un argument qui justifie lutilisation prcdente du modle de chute libre.

    3.2. En ralit, la distance parcourue par Flix Baumgartner lorsquil atteint sa vitesse maximale est suprieure celle calcule la question 2.4. Proposer un autre argument qui permette dinvalider le modle de la chute libre.

    4. Analyse des transferts dnergie lors de la premire phase du saut

    Lors de la premire phase de la chute, lnergie mcanique se conserve-t-elle ? Argumenter votre rponse en identifiant les formes dnergie mises en jeu et leurs variations.

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    OH

    OH

    OH

    NH

    EXERCICE II. LADRNALINE CONTRE LES PIQRES DE GUPES (10 points)

    Certaines personnes souffrent dallergies aux piqres de gupes ou dautres insectes. Dans certains cas de ractions allergiques exacerbes, on parle de choc anaphylactique, syndrome clinique grave, qui met en jeu le pronostic vital. Le principal traitement du choc anaphylactique est ladrnaline qui est administre par voie intramusculaire laide de dispositifs auto-injectables. Ladrnaline, reprsente ci-dessous, est une hormone scrte par le systme nerveux central et par les glandes surrnales qui entrainent notamment une acclration du rythme cardiaque. Elle produit cet effet en se fixant sur les rcepteurs cibles, comme une cl dans une serrure.

    Donnes : - masse molaire molculaire de ladrnaline : 183 g.mol-1 ; - lectrongativits de quelques lments chimiques (chelle de Pauling) :

    lment chimique Hydrogne (H) Carbone (C) Azote (N) Oxygne (O) Chlore (Cl) lectrongativit 2,20 2,55 3,04 3,44 3,16

    Les auto-injecteurs dadrnaline Principe actif : Adrnaline Indication : Traitement durgence des symptmes du choc anaphylactique provoqu entre autres par les piqres dinsectes Posologie : Le produit doit tre administr par voie intramusculaire uniquement. Lauto-injecteur est destin lauto-administration immdiate par une personne ayant un antcdent de raction anaphylactique. Il est conu pour dlivrer une dose unique de 0,30 mL de solution contenant 1,64 mol dadrnaline. Chez certains patients, une nouvelle dose peut-tre injecte aprs 10 15 minutes. La dose habituellement efficace est de lordre de 0,010 mg dadrnaline par kilogramme de masse corporelle, mais des doses suprieures peuvent tre ncessaires dans certains cas.

    daprs la Haute Autorit de Sant, 27 mai 2009

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    Description dune synthse de ladrnaline L'adrnaline peut tre synthtise partir du catchol (1). Celui-ci ragit avec le chlorure de chloroactyle (2), pour donner la 3,4-dihydroxychloractophnone (3). La molcule (3) ragit avec la mthylamine pour donner l'adrnalone (4). La molcule (4) est ensuite rduite par dihydrognation en prsence de palladium et conduit un mlange racmique d'adrnaline (5). Un des deux stroisomres de ladrnaline tant douze fois plus actif dun point de vue biologique que lautre, il est ncessaire de sparer les stroisomres obtenus. On rappelle quun catalyseur est dit stroslectif si son usage privilgie la formation dun des stroisomres.

    Raction 1

    Raction 2

    Raction 3

    Sparation dun mlange racmique par formation de diastroisomres Une mthode gnrale de sparation dun mlange racmique consiste effectuer une raction entre les deux nantiomres du mlange et une molcule chirale afin de former des diastroisomres dont les proprits physico-chimiques sont diffrentes. Lorsque les nantiomres possdent une fonction basique au sens de Brnsted, on utilise une molcule chirale acide au sens de Brnsted et rciproquement pour former des sels diastroisomres ; enfin, un traitement de ces sels de diastroisomres spars permet de reformer sparment chacun des deux nantiomres du mlange racmique initial.

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    NH

    OH

    OH

    OH

    NH

    OH

    OH

    OH

    OH

    OH

    H

    H

    COOH

    COOH

    OH

    OHH

    H

    OOC

    COOH

    NH2+

    OH

    OH

    OH

    -

    OH

    OHH

    H

    OOC

    COOH

    NH2+

    OH

    OH

    OH

    -

    +

    A B

    acide tartrique

    A (peu soluble dans leau)

    H2O + sparation par filtration

    B (soluble dans leau)

    carbonate de potassium (base)

    A B

    Sparation des stroisomres de ladrnaline

    A B

    +

    +

    On part du mlange racmique de A et B :

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    Donnes spectrales (IR et RMN) du produit obtenu lors de la synthse

    Spectre IR

    Spectre RMN du proton

    Transmittance %

    Nombre donde cm-1

    Signal agrandi

    Groupement Liaison Nombre dondes (cm-1) Intensit Alcools et phnols O-H libre 3600 Variable et fine Alcools et phnols O-H associ 3200 - 3400 Forte et large

    Acides O-H associ 2500 - 3300 Forte et large Amines N-H 3300 - 3500 Moyenne

    Aromatiques C-H 3030 - 3080 Variable Alcanes CH3 C-H 2900 Forte Aldhydes C-H 1700 Forte Ctones C=O 1680 - 1700 Moyenne Esters C-O 1050 1300 Forte Alcools C-O 1000 1200 Variable

    Tableau de donnes pour la spectroscopie infrarouge

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    1. La synthse chimique de la molcule dadrnaline 1.1. quelle catgorie de raction appartient chacune des ractions intervenant dans la synthse de ladrnaline ? Justifier. 1.2. Le mcanisme ractionnel de la raction 2 de la synthse est modlis par deux tapes successives se droulant au niveau microscopique. La premire est reprsente ci-dessous :

    1.2.1. Recopier cette premire tape du mcanisme. Identifier, en les entourant, le ou les sites donneurs de doublets dlectrons et le ou les sites accepteurs de doublets dlectrons impliqus dans cette tape du mcanisme. Justifier. 1.2.2. Reprsenter les flches courbes qui rendent compte de cette tape. 1.2.3. crire la seconde tape du mcanisme de la raction 2 et identifier sa catgorie de raction. 1.3. Dans le cas de la synthse de ladrnaline, peut-on dire que le palladium Pd est un catalyseur stroslectif ? Expliciter votre raisonnement. 1.4. Le spectre IR du produit obtenu nous permet-il de vrifier que la transformation de ladrnalone en adrnaline a bien eu lieu ? Argumenter votre rponse. 1.5. partir du spectre RMN du produit obtenu, est-il possible dattribuer un proton ou un groupe de protons de la chaine carbone de ladrnaline le signal agrandi ? Jus