1èreS DS de physique 19/11/12

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1 1èreS DS de physique 19/11/12 Durée : 2h Calculatrice autorisée Exercice n 1 COLORANTS ALIMENTAIRES ( points) L étiquette d un sirop de menthe d un sirop de menthe indique qu il contient deux colorants alimentaires :E102 (tartrazine) et E131. Mais l étiquette n indique pas leurs concentrations. Des élèves décident de les déterminer en utilisant le spectrophotomètre de leur lycée. Avant tout, les élèves réalisent le spectre (d absorption) de chaque colorant alimentaire. Ils obtiennent les graphes suivants : E102 E131 m ) 1.Après avoir déterminé, à l aide du spectre, la longueur d onde d absorption maximale de chaque colorant alimentaire, préciser la couleur de chacun. Le spectre d absorption du colorant tartrazine présente un maximum d absorbance à 425 nm environ, dans le domaine des radiations bleues. Il sera donc de la couleur complémentaire du bleu, c est-à-dire jaune. Le spectre d absorption du colorant E131 présente un maximum d absorbance à 640 nm environ, dans le domaine des radiations rouges. Il sera donc de la couleur complémentaire du rouge, c est-à-dire cyan. 2.Montrer qu il est possible d étudier la concentration de chaque colorant alimentaire, indépendamment de l autre. Pour pouvoir étudier la concentration de chaque colorant alimentaire indépendamment de l autre, il faut que, pour la longueur d onde du pic d absorption de l un, l absorbance de l autre soit nulle. Pour chaque colorant alimentaire, les élèves réalisent une échelle de teintes avec un ensemble de six solutions de concentrations différentes. Ils mesurent alors l absorbance de chaque solution : -à la longueur d onde λ 1 = 450 nm pour le colorant E102

2 Numéro de la solution Concentration (mg.l -1 ) , Absorbance A 0,26 0,41 0,5 0,61 0,83 1,00 -à la longueur d onde λ 2 = 630 nm pour le colorant E131 Numéro de la solution Concentration (mg.l -1 ) 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 Absorbance A 0,38 0,58 0,74 0,88 1,08 1,41 3.Justifier les longueurs d ondes utilisées pour réaliser les mesures d absorbance de chaque colorant. Pour une meilleure précision, on choisit comme longueur d onde de travail, celle du maximum d absorption. Mais à la longueur d onde 425 nm, l absorbance du colorant E131 n est pas nulle. En réglant le spectrophotomètre sur 450 nm, valeur très proche du pic d absorbance de la tartrazine, l absorbance due au colorant E131 est nulle ; seule l absorbance due à la tartrazine est mesurée. En réglant le spectrophotomètre sur 640 nm, l absorbance due à la tartrazine est nulle ; seule l absorbance due au colorant E131 est mesurée. 4.Pour préparer les différentes solutions du colorant E131, les élèves disposent d une solution mère à c 0 = 5,00x10-2 g.l -1. Calculer le volume V 0 de la solution mère à prélever pour préparer un volume V = 100mL de solution n 1. Préciser la verrerie nécessaire. Décrire le protocole. Lors de la dilution, la quantité de matière du colorant reste constante. D où : c 0 V 0 = c 1 V V 0 = c 1 V/c 0 Application numérique : 3 2, 0x10 x100x10 V 0 = 2 5, 00x10 3 = 4,0x10-3 L V 0 = 4,0 ml Pour effectuer cette dilution, il faut : -une pipette graduée de 5 ml ; -une fiole jaugée de 100 ml. Prélevons 4,0 ml de solution-mère, à l aide d une pipette graduée de 5 ml munie d une poire à pipeter. Versons-les dans une fiole jaugée de 100 ml. Complétons jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée. Bouchons ; agitons pour homogénéiser le mélange.

3 5.Sur le même graphe, dessiner la courbe de l absorbance en fonction de la concentration pour chaque colorant alimentaire. Echelle : concentration : 1,0 cm pour 1,0 mg.l -1 ; Absorbance : 1,0 cm pour 0,1. L étalonnage est maintenant réalisé et peut être utilisé pour établir la concentration de chaque colorant alimentaire dans le sirop de menthe. Pour cela, le sirop est dilué dix fois et un échantillon est placé dans la cuve du spectrophotomètre. A la longueur d onde λ 1 = 450 nm, l absorbance A 1 est égale à 0,51 et, à la longueur d onde λ 2 = 630 nm, l absorbance A 1 est égale à 0,91. 6.En déduire les concentrations massiques t 1 et t 2 des deux colorants alimentaires dans l échantillon mesuré (on fera apparaître clairement les constructions), puis les concentrations t 1 et t 2 dans le sirop de menthe. La concentration massique t 1 en tartrazine dans l échantillon mesuré est l abscisse du point de la courbe d étalonnage concernant la tartrazine dont l ordonnée est A 1 = 0,51. Graphiquement, on lit : t 1 12,4 mg.l -1 De même, la concentration massique t 2 en colorant E131 dans l échantillon mesuré est lue sur la courbe concernant le colorant E131 : t 2 6,5 mg.l -1 Le sirop de menthe ayant été dilué dix fois : t 1 = 10 t 1 numériquement : t mg.l -1 t 2 = 10 t 2 numériquement : t 2 65 mg.l -1 2.La dose maximale admissible de colorant E131 ingérable par un être humain est de 2,50 mg par kg de masse corporelle et par jour. Quel volume de sirop de menthe un enfant de 35 kg peut-il ingérer par jour? Soit V 2 ce volume. Soit m la masse que l enfant peut ingérer par jour.

4 t 2 = m/v 2 Par suite : V 2 = m/t 2 Application numérique : V 2 = (2,50x35)/65 V 2 = 1,35 L Exercice n 2 DOSAGE D UN VIN BLANC ( points) Pour éviter l oxydation d un vin, les viticulteurs ajoutent du dioxyde de soufre (SO 2 ) au moût de raisin ou au vin. La teneur en dioxyde de soufre est limitée par la loi à 210 mg.l -1. Pour vérifier la conformité de la concentration massique C m2 en dioxyde de soufre dans un vin, il existe un mode opératoire officiel. Celui-ci impose l utilisation d une solution de diiode I 2(aq), de couleur jaune orangé, de concentration C 1 = 7,81x10-3 mol.l -1. On introduit dans un bécher un volume V 2 = 25,0 ml de vin blanc, auquel on ajoute de l acide sulfurique. A l aide d une burette graduée, on verse ensuite progressivement la solution de diiode. Pour un volume V 1 = 6,2 ml, il y a persistance de la coloration jaune orangé du diiode. L état final de la transformation est alors atteint. Le diiode est la seule espèce chimique colorée du système chimique étudié. L équation de la réaction est la suivante : I 2(aq) + SO 2(aq) + 2 H 2 O (liq) SO 4 2- (aq) + 4 H + (aq) + 2 I - (aq) 1.Compléter le tableau d avancement suivant: Equation I 2(aq) + SO 2(aq) + 2 H 2 O (liq) SO 4 2- (aq) + 4 H + (aq) + 2 I - (aq) Etat Avancement Quantités de matière (mol) Initial 0 n(i 2 ) i = n 1 n(so 2 ) i = n 2 Excès 0 Excès 0 En cours x n 1 -x n(so 2 ) i -x Excès x Excès 2x Final x max n 1 -x max 0 n 2 -x max 0 Excès x max Excès 2x max 2.a. Exprimer puis calculer la quantité de matière n 1 de diiode versée. Par définition : n 1 = C 1 V 1 Numériquement : n 1 = 7,81x10-3 x 6,2x10-3 = 4,8x10-5 mol

5 b. Soit C 2 la concentration molaire du dioxyde de soufre, SO 2(aq), dans le vin blanc dosé. Exprimer la quantité de matière de dioxyde de soufre initialement présent dans le bécher. Soit n 2 cette quantité de matière. n 2 = C 2 V 2 3.Que peut-on dire des quantités de matière des réactifs à l état final? A l état final, les réactifs ont été entièrement consommés. Leurs quantités de matière sont alors nulles. Par suite : n(i 2 ) f = 0 et n(so 2 ) f = 0 4.En déduire la concentration molaire C 2, puis la concentration massique C m2 en dioxyde de soufre. Cette concentration est-elle en accord avec la loi? D après le tableau d avancement : n 1 -x max = 0 x max = n 1 n 2 -x max = 0 x max = n 2 D où : n 1 = n 2 C 1 V 1 = C 2 V 2 C 2 = C 1 V 1 / V 2 Application numérique : C 2 = (7,81x10-3 x 6,2x10-3 ) / 25x10-3 C 2 = 1,94x10-3 mol.l -1 Par suite: C m2 = C 2 M(SO 2 ) C m2 = 124 mg.l -1 Nous remarquons que : C m2 < 210 mg.l -1 Cette concentration est donc en accord avec la loi. Donnée : masse molaire du dioxyde de soufre : M(SO 2 ) = 64,1 g.mol -1. Exercice n 3 SEANCE DE TRAVAUX PRATIQUES ( points) Au cours d une séance de travaux pratiques, 8 groupes d élèves étudient l influence des proportions initiales des réactifs sur la valeur de l avancement à l état final. Chaque groupe mélange 50 ml de solution contenant des ions cuivre II, Cu 2+ (aq), de concentration c 1 = 1,0x10-1 mol.l -1 et un volume V i de solution contenant des ions hydroxyde, HO - (aq), de concentration c 2 = 2,0 mol.l -1. Les valeurs de V i, différentes pour chaque groupe, sont données ci-dessous : Groupe i V i (ml) 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Dans chaque mélange, les élèves observent la formation d un précipité bleu d hydroxyde de cuivre II.

6 Les 8 mélanges sont filtrés et chaque groupe introduit quelques millitres de filtrat dans deux tubes à essais. Des ions hydroxyde HO - (aq) sont ajoutés dans le premier tube, et des ions cuivre II, Cu 2+ (aq), dans le second. Les résultats de ces tests sont représentés sur les photos ci-dessous a. Interpréter le résultat des tests pour indiquer la nature du réactif limitant dans chaque mélange. Si,dans un tube à essais, après ajout d ions hydroxyde HO -, il apparaît un précipité bleu, cela signifie qu il restait des ions Cu 2+. Dans ce cas, le réactif limitant est l ion hydroxyde HO -. C est le cas des tubes 1,2 et 3. Si, dans un tube à essais, après ajout d ions Cu 2+, il apparaît un précipité bleu, cela signifie qu il restait des ions HO -. Dans ce cas, le réactif limitant est l ion Cu 2+. C est le cas des tubes 5,6,7 et 8. b. Quel groupe a mélangé les réactifs dans les proportions stoechiométriques? Dans le tube n 4, il n apparaît pas de précipité, ni après ajout d ions HO -, ni après ajout d ions Cu 2+. Il ne restait donc, après réaction, ni ions Cu 2+, ni ion HO -. Le groupe 4 a mélangé les réactifs dans les proportions stoechiométriques. 2 )a. Ecrire l équation de la réaction. Cu 2+ (aq) + 2 HO - (aq) Cu(OH) 2 (s) b. Calculer les quantités de matière initiales introduites dans chaque mélange en les regroupant dans un tableau. Calculons les quantités de matière initiales concernant le groupe n 1 : n(cu 2+ ) 0 = c 1 V n(cu 2+ ) 0 = 1,0x10-1 x50x10-3 = 5,0x10-3 mol n(cu 2+ ) 0 = 5,0 mmol n(ho - ) 0 = c 2 V 1 n(ho - ) 0 = 2,0x10-3 x2,0x10-3 = 4,0x10-3 mol n(ho - ) 0 = 4,0 mmol De même pour les autres groupes. D où le tableau : Groupe i n(cu 2+ ) 0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 (mmol) n(ho - ) 0 4,0 6,0 8, (mmol) c. Vérifier la réponse à la question 1. en utilisant les quantités de matière initiales. Nous remarquons que, pour le groupe 4 : n(ho - ) 0 = 2 n(cu 2+ ) 0 Ces proportions sont bien les proportions stoechiométriques.

7 Exercice n 4 VITAMINE ET VISION ( 3 points) Vitamine et vision Une molécule très importante dans le mécanisme de la vision est le rétinol appelé également vitamine A. Elle est consommée lors des réactions à l origine de l influx nerveux transmis au cerveau par le nerf optique. Un apport en vitamine A par l alimentation est donc indispensable à une bonne vision! On la trouve dans les aliments d origine animale mais aussi dans de nombreux végétaux sous forme de provitamine A. Rétinol : - Forme active, directement assimilable par le corps - Source alimentaire : Uniquement dans les aliments d origine animale. Dans la viande, le poisson (essentiellement le foie) et dans le jaune d oeuf. Molécule de rétinol : Provitamine A : - C est un précurseur. Elle est transformée par l intestin en rétinol utilisable par le corps. Le bêta carotène est une provitamine A. - Source alimentaire de β-carotène : fruits et légumes colorés (carottes, abricots, tomates, persil, ) Molécule de β-carotène : 1. Le β-carotène est une espèce colorée. Qu est ce qui le justifie dans la structure de la molécule? Le faire apparaître en rouge sur le schéma de la molécule. Le β-carotène comporte plusieurs doubles liaisons conjuguées (plus de 7). Ce sont des groupes chromophores. Ceci justifie le fait qu elle soit colorée. 2. Combien de doubles liaisons conjuguées possède la molécule de β-carotène? Elle possède 11 doubles liaisons conjuguées. 3. Comment passe-t-on du bêta-carotène au rétinol? Dans l organisme, la molécule de β-carotène se scinde en deux molécules de vitamine A, par hydrolyse (action de l eau) en présence d une enzyme d origine hépatique : la caroténase. 4. Quelle est la formule brute du rétinol? C 20 H 30 O 5. Quel est le groupe caractéristique de la molécule de rétinol? L entourer en rouge. Justifier la terminaison en ol de «rétinol». Le groupe caractéristique est le groupe hydroxyle «OH». Ce groupe est caractéristique de la fonction «alcool», d où la terminaison en «ol» du «rétinol».

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