BACCALAURÉAT SÉRIE S. Épreuve de PHYSIQUE CHIMIE Évaluation des Compétences Expérimentales. Sommaire

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1 BACCALAURÉAT SÉRIE S Épreuve de PHYSIQUE CHIMIE Évaluation des Compétences Expérimentales Sommaire I. DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX ÉVALUATEURS... 2 II. LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX ÉVALUATEURS ET AUX PERSONNELS DE LABORATOIRE... 3 III. ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT Formulation d un protocole expérimental (20 minutes conseillées) Mise en œuvre du protocole expérimental (30 minutes conseillées) Réponse à la problématique (10 minutes conseillées)... 8 Page 1 sur 8

2 I. DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX ÉVALUATEURS Tâches à réaliser par le candidat Compétences évaluées Coefficients respectifs Préparation du poste de travail Déroulement de l épreuve. Gestion des différents appels. Remarques Dans ce sujet, le candidat doit : repérer l anode et la cathode d un électrolyseur ; réaliser une électrolyse ; déterminer par un calcul une valeur de durée. s Approprier (APP) : coefficient 2 Réaliser (RÉA) : coefficient 2 Valider (VAL) : coefficient 2 Avant le début des épreuves Le générateur de courant est branché au secteur et réglé à 1,0 A. Entre les prestations de deux candidats Remplacer la pièce de cinq centimes d euro. Vérifier que le montage d électrolyse est défait. Vérifier que la cuve servant d électrolyseur a été vidée. Remplacer la solution de sulfate de zinc. Vérifier que le générateur est toujours réglé sur 1,0 A. Prévoir aussi : une pièce de cinq centimes déjà décuivrée dont la masse initiale sera communiquée au candidat si l électrolyse ne peut pas être menée à son terme durant l épreuve. Minutage conseillé Proposition d une technique permettant de vérifier la teneur en cuivre d une pièce de monnaie (20 minutes) Réalisation de l électrolyse (30 minutes) Vérification de la cohérence de la teneur en cuivre obtenue (10 minutes) Il est prévu 2 appels obligatoires et un appel facultatif de la part du candidat. Lors de l appel 1, l évaluateur vérifie que la méthode proposée est satisfaisante. Lors de l appel 2, l évaluateur vérifie le décuivrage de la pièce. Lors de l appel facultatif, l évaluateur vérifie la proposition du candidat. Le reste du temps, l évaluateur observe le candidat en continu. Les fiches II et III sont à adapter en fonction du matériel utilisé par les candidats au cours de l année. La durée expérimentale est supérieure à la durée théorique du fait de la présence de surtensions aux électrodes et de l existence de l électrolyse de l eau comme réaction parasite. Autres remarques éventuelles Le sujet peut être adapté pour des pièces de 1 ou 2 centimes. Dans ce cas, il faut modifier les informations du document 1 : Pièce de 1 centime masse de l ordre de 2,3 g teneur en cuivre : de l ordre de 6 % diamètre : 16,25 mm épaisseur : 1,67 mm Pièce de 2 centimes masse de l ordre de 3 g teneur en cuivre : de l ordre de 6 % diamètre : 18,75 mm épaisseur : 1,67 mm Page 2 sur 8

3 II. LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX ÉVALUATEURS ET AUX PERSONNELS DE LABORATOIRE La version modifiable de l ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT jointe à la version.pdf vous permettra d adapter le sujet à votre matériel. Cette adaptation ne devra entraîner EN AUCUN CAS de modifications dans le déroulement de l évaluation Paillasse candidats une calculatrice type «collège» ou un ordinateur avec fonction «calculatrice» un flacon contenant 200 ml de solution de sulfate de zinc de concentration 1,0 mol.l 1 un bécher de 150 ml une pièce de cinq centimes d euros un générateur électrique de courant trois fils de connexion deux potences munies chacune d une pince : l une maintenant la pince crocodile maintenant la pièce l autre tenant le bâton de graphite deux pinces crocodiles un ampèremètre une électrode de graphite un chronomètre une balance au centigramme quelques feuilles d essuie-tout Paillasse professeur une pièce de cinq centimes d euros «décuivrée» (la masse de la pièce avant «décuivrage» sera indiquée au candidat) Documents mis à disposition des candidats une notice d utilisation simplifiée de l ampèremètre une notice d utilisation simplifiée du générateur de courant Page 3 sur 8

4 III. ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT NOM : Prénom : Centre d examen : n d inscription : Ce sujet comporte cinq pages sur lesquelles le candidat doit consigner ses réponses. Le candidat doit restituer ce document avant de sortir de la salle d'examen. Le candidat doit agir en autonomie et faire preuve d initiative tout au long de l épreuve. En cas de difficulté, le candidat peut solliciter l examinateur afin de lui permettre de continuer la tâche. L examinateur peut intervenir à tout moment, s il le juge utile. L'utilisation d'une calculatrice ou d'un ordinateur autres que ceux fournis n'est pas autorisée. CONTEXTE DU SUJET Une pièce de cinq centimes d euro est composée d un cœur en acier (alliage de fer et de carbone) recouvert de cuivre métallique. Sa teneur en cuivre est de l ordre de 6 %. Le but de cette épreuve est de vérifier la teneur en cuivre d une pièce de cinq centimes d euro. Page 4 sur 8

5 DOCUMENTS MIS À DISPOSITION DU CANDIDAT Document 1 : Pièce de cinq centimes d euro Composition : Acier (alliage de fer et de carbone) plaqué cuivre Diamètre : 21,25 mm Épaisseur 1,67 mm Teneur en cuivre : de l ordre de 6 % Masse : de l ordre de 3,9 g Tranche : lisse D après Wikipédia Document 2 : Teneur en cuivre On appelle teneur en cuivre de la pièce le pourcentage en masse de cuivre contenue dans cette pièce. %Cu = m Cu m pièce 100 m Cu est la masse de cuivre présent dans la pièce et m pièce est la masse de la pièce. Document 3 : Élimination du cuivre par électrolyse On cherche à retirer de la pièce de monnaie la couche de cuivre métallique Cu en la transformant en ion Cu 2+. Pour cela, on peut utiliser un montage similaire à celui schématisé ci-dessous. G A Pièce de monnaie Électrode de graphite Solution de sulfate de zinc Pour décuivrer une pièce de cinq centimes d euros en une quinzaine de minutes, l intensité I du courant débité par le générateur doit être de 1,0 A. À la surface immergée de l élément relié à la borne positive du générateur, il se produit une oxydation. À la surface immergée de l élément relié à la borne négative, il se produit une réduction. La masse m de cuivre métallique Cu transformé en ion Cu 2+ a pour expression : m = I t M(Cu) 2 F F = C.mol 1 M(Cu) = 63,5 g mol 1 Δt est la durée de l électrolyse (en secondes) I est l intensité du courant (en ampères) m est la masse (en gramme) Page 5 sur 8

6 Données : Couples oxydant / réducteur Ion cuivre (II) / cuivre métallique : Cu 2+ (aq) / Cu (s) Ion hydrogène / dihydrogène : H + (aq) / H 2 (g) Ion zinc / zinc métallique Zn 2+ (aq) / Zn (s) Dioxygène / eau : O 2 (g) / H 2 O (l) Document 4 : Spectre d absorption d une solution aqueuse contenant des ions Cu 2+ Spectre obtenu avec une solution aqueuse d ions Cu 2+ de concentration 7, mol L 1 Matériel mis à disposition du candidat une calculatrice type «collège» ou un ordinateur avec fonction «calculatrice» un flacon contenant 200 ml de solution de sulfate de zinc un bécher de 150 ml une pièce de cinq centimes d euros un générateur électrique une électrode de graphite trois fils de connexions deux pinces crocodiles deux potences munies chacune d une pince : l une pour tenir la pince crocodile maintenant la pièce l autre pour tenir le bâton de graphite un ampèremètre un chronomètre une balance quelques feuilles d essuie-tout Page 6 sur 8

7 TRAVAIL À EFFECTUER 1. Formulation d un protocole expérimental (20 minutes conseillées) Proposer une méthode permettant de vérifier la teneur en cuivre d une pièce de cinq centimes d euros. APPEL n 1 Appeler le professeur pour la validation de la méthode proposée ou en cas de difficulté 2. Mise en œuvre du protocole expérimental (30 minutes conseillées) Mettre en œuvre la méthode validée précédemment. Vérifier visuellement que la pièce est bien décuivrée. (Si ce n est pas le cas, appeler le professeur). Pendant la durée de l électrolyse, répondre aux questions suivantes : Calculer la valeur théorique de la durée nécessaire pour décuivrer par électrolyse une pièce de cinq centimes. La valeur proposée dans le document 3 est-elle suffisante? Page 7 sur 8

8 Justifier l évolution de couleur de la solution au cours de l électrolyse. Interpréter la formation du solide à la surface de l électrode de graphite. APPEL n 2 Appeler le professeur pour lui présenter le résultat expérimental ou en cas de difficulté 3. Réponse à la problématique (10 minutes conseillées) La teneur en cuivre obtenue est-elle cohérente? Commenter un éventuel écart. APPEL FACULTATIF Appeler le professeur en cas de difficulté Défaire le montage et ranger la paillasse avant de quitter la salle. Page 8 sur 8