BACCALAURÉAT SÉRIE S. Épreuve de PHYSIQUE CHIMIE Évaluation des compétences expérimentales. Sommaire

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1 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 BACCALAURÉAT SÉRIE S Épreuve de PHYSIQUE CHIMIE Évlution des compétences expérimentles Sommire I. DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX PROFESSEURS Détermintion du type de titrge le plus pproprié (0 min mximum) ;.... Rélistion du protocole (30 min mximum) ; Exploittion des résultts (10 min mximum).... II. LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU PERSONNEL DE LABORATOIRE Pour chque poste Prticulrités du sujet, conseils de mise en œuvre... 4 III. ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT Détermintion du type de titrge le plus pproprié (0 min mximum) Rélistion du protocole (30 min mximum) Exploittion des résultts (10 min mximum)...11 IV. REPÈRES POUR L ÉVALUATION Détermintion du type de titrge le plus pproprié Rélistion du protocole Exploittion des résultts...14 V. GRILLE D ÉVALUATION /11/01 Pge 1 sur 16

2 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 I. DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX PROFESSEURS Tâches à réliser pr le cndidt Compétences évluées Coefficients respectifs Préprtion du poste de trvil Dns ce sujet on demnde u cndidt de : déterminer, à prtir de grphiques et d'une liste de mtériel, l méthode de titrge l plus ppropriée pour répondre u problème posé ; suivre un protocole en ccord vec le choix précédent et exploiter les résultts obtenus. Cette épreuve permet d'évluer les compétences : S'Approprier (APP) ; coefficient ; Réliser (RÉA) ; coefficient 3 ; Vlider (VAL) ; coefficient 1. Précution de sécurité : tous les ppreils qui doivent être connectés u secteur le sont vnt l'rrivée du cndidt. Prévoir de bien étiqueter les flcons pour éviter toute confusion. Le cndidt doit effectuer un choix entre un titrge dont l'équivlence est repérée pr du BBT, et un titrge pr conductimétrie. Afin de ne ps influencer ce choix, il serit donc judicieux de plcer le cndidt dns l'environnement qui u cours de l'nnée lui été présenté pour réliser un titrge pr conductimétrie et qui diffère selon les étblissements (titrge vec conductimètre et trcé sur ppier millimétré, titrge à l'ide d'une console d'cquisition et trcé utomtisé pr exemple). Minutge des différentes prties de l épreuve : 1. Détermintion du type de titrge le plus pproprié (0 min mximum) ;. Rélistion du protocole (30 min mximum) ; 3. Exploittion des résultts (10 min mximum). Déroulement de l épreuve. Gestion des différents ppels. Il est prévu deux ppels de l prt du cndidt. Avnt le premier ppel et lors de ce dernier (évlution du domine de compétences S'Approprier), le professeur vérifie en continu, et ssez rpidement, les réponses ux questions de cette première prtie (identifiction des deux méthodes de titrge, et détermintion de l'équivlence sur chque grphique, en tennt compte des brres d'incertitude). Le professeur ne doit ps lisser un cndidt bloquer trop longtemps. Si u bout de 10 min le cndidt ne démrre ps, le professeur doit intervenir pour vérifier que le cndidt compris ce qui lui est demndé, en lui posnt des questions ouvertes dptées et en lui donnnt des réponses prtielles le cs échént. Si près 30 min, mlgré les interventions du professeur et les réponses prtielles, le cndidt ne prvient toujours ps à déterminer l méthode l plus précise et son incertitude sur l détermintion du volume versé à l'équivlence, le professeur lui donne l solution totle. Avnt le deuxième ppel, le professeur observe le cndidt mnipuler en continu pour évluer le domine de compétence Réliser. Le professeur peut intervenir à tout instnt pour ider le cndidt, ou en cs de problème lié à l sécurité. Lors du deuxième ppel (évlution du domine de compétences Vlider), le professeur vérifie que le cndidt réussit à exploiter son expérience, et prvient à clculer l'incertitude reltive sur l grndeur recherchée. De l même fçon, le professeur ne doit ps lisser un cndidt bloquer, et doit intervenir ssez rpidement vnt l fin de l'épreuve. 08/11/01 Pge sur 16

3 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Remrques Si l'incertitude de l pipette jugée ne correspond ps à celle du tbleu du document, entrer l vleur inscrite sur l pipette dns le tbleu, et corriger les solutions prtielle et totle du ème ppel. Le protocole de titrge, présent en pge 11, est fourni u cndidt seulement près le 1 er ppel, sinon le choix entre les deux méthodes de titrge risque d'être influencé. 08/11/01 Pge 3 sur 16

4 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 II. LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU PERSONNEL DE LABORATOIRE L version.rtf de l ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT jointe à l version.pdf vous permet d dpter le sujet à votre mtériel. Cette dpttion ne doit entrîner EN AUCUN CAS de modifictions dns le déroulement de l évlution. 1. Pour chque poste Une feuille de ppier millimétré Une burette grduée de 5 ml Une potence pour mintenir l burette et éventuellement l sonde conductimétrique Une pipette jugée de 10 ml de clsse A Une propipette Un gitteur mgnétique vec turbulent Un conductimètre déjà étlonné et s sonde 100 ml de soude à c b = 0,100 mol L 1 50 ml d'une solution d'cide chlorhydrique à environ 0,1 mol L 1 que les élèves doivent titrer Un flcon compte-gouttes de bleu de bromothymol Un becher de 50 ml Un becher de 00 ml Un becher pour trnsvsement (pipetge de l solution titrée) Pissette d'eu distillée Chiffon et éponge Gnts et lunette de sécurité. Prticulrités du sujet, conseils de mise en œuvre Bien étiqueter les flcons. Seul le dispositif de titrge vec repérge de l'équivlence grâce u BBT est utilisé, cependnt le nécessire u titrge pr conductimétrie doit être présent pour être envisgé pr le cndidt. 08/11/01 Pge 4 sur 16

5 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 III. ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT NOM : Prénom : Centre d exmen : N d inscription : Ce sujet comporte 7 feuilles individuelles sur lesquelles le cndidt doit consigner ses réponses. Le cndidt doit restituer ce document vnt de sortir de l slle d'exmen. Le cndidt doit gir en utonomie et fire preuve d inititive tout u long de l épreuve. En cs de difficulté, le cndidt peut solliciter l exminteur fin de lui permettre de continuer l tâche. L exminteur peut intervenir à tout moment sur le montge, s il le juge utile. CONTEXTE DU SUJET Une entreprise demnde à un lbortoire d'nlyses de contrôler le plus précisément possible l concentrtion d'une solution d'cide chlorhydrique qu'elle utilise. Elle vut environ 0,1 mol L 1. Le but de l'épreuve est comprer l précision des deux possibilités offertes pour réliser ce titrge, et de le mettre en œuvre fin de déterminer l concentrtion c recherchée le plus précisément possible. 08/11/01 Pge 5 sur 16

6 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 DOCUMENTS MIS À DISPOSITION DU CANDIDAT Document 1 : mtériel et solutions à disposition un conductimètre et s sonde, étlonné en deux points (1413 µs cm 1 et 1,9 ms cm 1 ), dont l notice indique une précision de ± (1,5 % + 1 digit) ; une solution d'hydroxyde de sodium (soude) de concentrtion c b = 0,100 mol L 1 préprée à 0,5 % près ; une solution de bleu de bromothymol (BBT) dont l zone de virge est comprise entre ph = 6,0 et ph = 7,6 ; une burette grduée de 5 ml de clsse A ; une pipette jugée de 10 ml de clsse A ; un gitteur mgnétique vec turbulent ; divers bechers. Document : précision du mtériel à disposition Pour l verrerie, l clsse correspond à l'incertitude bsolue sur le volume lu. pipette jugée 10 ml grduée 10 ml clsse A 0,0 ml 0,04 ml clsse B 0,04 ml 0,06 ml Pour une burette de 5 ml de clsse A, l'incertitude bsolue vut 0,03 ml. Ainsi pour un volume lu V = 1,0 ml, on en fit V = 1,00 ml ± 0,03 ml. Pour le conductimètre, l'indiction ± (1,5 % + 1 digit) signifie que pour une vleur lue = 1,50 ms cm 1, l'incertitude Δ est donnée pr Δ = 1,50 0, ,01 = 0,0 ms cm 1. Ainsi, = 1,50 ms cm 1 ± 0,0 ms cm 1. Notes à propos des documents 3, 4 et 5 1- Ces trois grphiques représentent les résultts de titrges de solution d'cide chlorhydrique pr de l soude rélisés vec le mtériel à disposition, dns les conditions expérimentles suivntes : volume de solution titrée : V = 10,0 ml ; concentrtion de l solution titrée : environ 0,1 mol L 1 ; concentrtion de l solution titrnte : c b = 0,100 mol L 1 à 0,5 % près ; pour le titrge conductimétrique, un volume d'eu V eu = 0,0 ml été jouté u réctif titré ; le ph-mètre utilisé, non fourni ici, été étlonné en trois points (4,01, 7,00 et 10,01), s notice indique une précision de 0, %. - Significtion des brres (ppelées brres d'incertitude) sur les grphes : Ces brres sont centrées sur les vleurs expérimentles lues. Leur tille relte l'incertitude liée à l mesure. L'ordonnée d'un point expérimentl pprtient donc à toute l longueur de l brre dont le centre correspond à l vleur lue. Sur chque grphe, et pour chque mesure, l'incertitude liée à l lecture du volume est suffismment fible (0,03 ml) pour ne ps l représenter. 08/11/01 Pge 6 sur 16

7 ph Titrge ph-métrique d une solution d cide chlorhydrique pr de l soude V b (ml) SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Document 3 08/11/01 Pge 7 sur 16

8 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Document 4 (ms/cm) Titrge conductimétrique d une solution d cide chlorhydrique pr de l soude V b (ml) 08/11/01 Pge 8 sur 16

9 V totl (ml ms/cm) Titrge conductimétrique d une solution d cide chlorhydrique pr de l soude V b (ml) SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Document 5 08/11/01 Pge 9 sur 16

10 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Soient x, y et z trois grndeurs de vleur positive. Document 6 : notions sur les clculs d'incertitude Incertitude bsolue, incertitude reltive et nottion Si z 3,0 m vec une incertitude bsolue z 0,08 m, lors on note z 3,0 m 0,08 m. L'incertitude reltive sur z vut lors z 0,08,5 %. z 3,0 Clcul d'incertitude Si z x y ou z x y, lors Si z x y ou b Ainsi, si u, lors c x z, lors y u u z z z x y x x y y b b c c TRAVAIL À EFFECTUER 1. Détermintion du type de titrge le plus pproprié (0 min mximum) Quelles sont les deux méthodes permettnt de titrer l solution d'cide chlorhydrique vec le mtériel à disposition?... En exploitnt les grphes des documents 3, 4 et 5, déterminer l méthode de titrge, prmi les deux citées dns l réponse précédente, qui permet d'obtenir le volume à l'équivlence V be vec le plus de précision (déterminer grphiquement l'intervlle uquel il pprtient). APPEL N 1 Appeler le professeur fin de lui présenter les résultts de votre étude, ou en cs de difficulté. 08/11/01 Pge 10 sur 16

11 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013. Rélistion du protocole (30 min mximum) Mettre en œuvre le protocole expérimentl fourni pr le professeur. 3. Exploittion des résultts (10 min mximum) Déduire du titrge rélisé l concentrtion de l solution tirée, insi que l'incertitude reltive sur le résultt obtenu. On pourr considérer que l'incertitude bsolue sur le volume à l'équivlence est l même que celle lue sur le grphe du même type prmi les documents 3, 4 et APPEL N Appeler le professeur fin de lui présenter vos résultts. Défire le montge et rnger l pillsse vnt de quitter l slle. 08/11/01 Pge 11 sur 16

12 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Annexe : protocole de titrge, fourni près le 1 er ppel uniquement. Protocole à mettre en œuvre : prélever 10 ml de solution à titrer vec l pipette jugée de 10 ml ; les verser dns un becher de 50 ml ; y jouter 5 gouttes de BBT ; plcer le becher sur gittion mgnétique ; remplir l burette grduée vec l solution titrnte de soude ; effectuer un titrge rpide pour repérer l'équivlence (volume versé mélnge réctionnel ; 1 reprendre les étpes précédentes et verser un volume be ml goutte à goutte jusqu'u chngement de couleur (volume versé V be ). 1 V be ) pr chngement de couleur du V de l solution titrnte, puis verser 08/11/01 Pge 1 sur 16

13 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 IV. REPÈRES POUR L ÉVALUATION Le cndidt est en sitution d évlution, l exminteur ne doit ps fournir d explicittion des erreurs ni de l démrche à conduire. Ses interventions sont précises, elles servent de relnce pour fire régir le cndidt ou bien pour lui permettre d vncer pour être évlué sur d utres compétences. Les erreurs détectées pr le professeur en continu ou lors d un ppel sont forcément suivies d un questionnement ou d un pport de solution si ces erreurs conduisent l élève à une impsse. 1. Détermintion du type de titrge le plus pproprié Réponses ttendues à l 1 ère question : titrge pr de l soude vec le BBT comme indicteur de fin de réction ; titrge conductimétrique pr de l soude. Réponses ttendues à l ème question : courbe 3 : l détermintion de l "zone d'équivlence" pr trcé de l'intersection de l zone de virge du min mx BBT vec l courbe donne ; 9,55 ; 9,65 VbE V be, soit V be 0,05 ml ; courbe 4 : le réctif titrnt dilue trop fortement le mélnge réctionnel pour permettre une détermintion précise de l'équivlence sur cette courbe ; courbe 5 : le trcé des symptotes pssnt pr le "bs" ou le "hut" des brres d'incertitudes, permet de min mx déterminer ; 9,5 ; 9,7 VbE V be, soit V be 0,10 ml. L méthode l plus précise pour déterminer l'équivlence ici est donc le titrge vec le BBT comme indicteur de fin de réction. Évlution de l compétence S'Approprier Avnt le 1 er ppel et lors de ce dernier, le professeur évlue l compétence S'Approprier. Le critère retenu pour son évlution est le suivnt : rechercher, extrire et orgniser l informtion en lien vec une sitution. Tout u long de cette phse, le professeur est ttentif à l'vncée du cndidt. Il veille à ce que celui-ci comprenne bien ce qui lui est demndé. Si le cndidt se trouve en difficulté, le professeur doit intervenir en lui posnt des questions ouvertes. Exemples de questions ouvertes Pour un cndidt qui déterminerit l'équivlence vec l méthode des tngentes : D'près l liste du mtériel, on ne dispose ps de ph-mètre. Comment peut-on ici repérer l'équivlence sns voir à trcer une courbe? Pour l'exploittion du document 5 : Avnt l'équivlence, peut-on plcer vec exctitude l'symptote à l courbe? Exemples de solutions prtielles Solution prtielle 1 Sur le document 3, pour déterminer l'incertitude sur le volume à l'équivlence, il fut trcer l zone de virge du B.B.T. Solution prtielle Sur le document 5, l grndeur mesurée pprtient à toute l brre d'incertitude. Donc, il est possible de trcer plusieurs symptotes vnt ou près l'équivlence, pour déterminer différentes vleurs du volume à l'équivlence. 08/11/01 Pge 13 sur 16

14 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Exemple de solution totle L méthode l plus précise pour déterminer l'équivlence ici est le titrge vec le BBT comme indicteur de fin de réction. Le volume à l'équivlence est déterminé vec une incertitude bsolue V 0,05 ml. be Le professeur ttend que le cndidt sche corriger seul une mldresse, ou pporte seul une réponse à un questionnement ouvert. Si certines réponses sont floues, le professeur pourr les fire préciser u cndidt à l'ide de questions ouvertes. Le cndidt n'est lors ps pénlisé. Si le cndidt prvient à déterminer l méthode l plus précise et l'incertitude sur le volume V be sns solution prtielle, le niveu cquis pour APP est le niveu A. Si une solution prtielle est nécessire, le niveu cquis est le niveu B. Si deux solutions prtielles sont nécessires, le niveu cquis est le niveu C. Si mlgré les solutions prtielles fournies, le cndidt est toujours en échec, l solution totle lui est fournie et le niveu tteint est le niveu D.. Rélistion du protocole Lors de l mise en œuvre du protocole, le professeur observe le cndidt en continu, fin d'évluer l compétence Réliser. Les critères retenus pour son évlution sont les suivnts : évoluer vec isnce dns l environnement du lbortoire ; suivre un protocole ; respecter les règles de sécurité ; utiliser le mtériel de mnière dptée ; orgniser son poste de trvil ; effectuer des mesures vec précision. Le cndidt doit être cpble de : suivre le protocole fourni ; rincer l verrerie vec l solution dptée ; utiliser correctement l verrerie de précision (contrôle des trits de juge ou du "zéro" de l burette) ; contrôler l'bsence de bulle d'ir dns l prtie inférieure de l burette ; relever précisément le volume versé à l'équivlence (contrôlé pr le professeur). Le professeur peut intervenir à tout instnt pour "débloquer" le cndidt, à l'ide de questions ouvertes (non pénlisntes), ou d'ide plus précise (le niveu cquis pour RÉA est lors le niveu B, C ou D suivnt le type d'ide donnée). Si le cndidt respecte les points précédents sns intervention du professeur, le niveu cquis pour RÉA est le niveu A. Si un seul des points précédents est ml rélisé, le niveu cquis est le niveu B. Si deux des points précédents sont ml rélisés, le niveu cquis est le niveu C. Si u moins trois des points précédents ne sont ps respectés, le niveu cquis est le niveu D. Si le cndidt ne prvient ps à déterminer l'équivlence, le professeur lui donne lors le volume recherché. 3. Exploittion des résultts Lors du ème ppel, le professeur évlue l compétence Vlider. Les critères retenus pour son évlution sont les suivnts : exploiter et interpréter des mesures ; nlyser des résultts de fçon critique ; utiliser du vocbulire de l métrologie. 08/11/01 Pge 14 sur 16

15 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 Réponse ttendue : Si V be = 9,8 ml, lors on obtient c c V L'incertitude est déterminée pr c c 0,05 0,0 3 0,5.10 7,4.10 9,8 Ainsi, l'exploittion du titrge donne 0,100 9,8 b be 9,8 10 mol L 1 V 10,0 10,0. c c 9,8 10 mol L 1 c cb b c à 0,7 % près. V V be be. V V, soit ici Le professeur doit intervenir ssez rpidement si le cndidt "bloque", de mnière à pouvoir l'évluer correctement. Exemples de solutions prtielles Solution prtielle 1 L'incertitude reltive sur c se clcule ici pr c c c cb b V V be be V V. Solution prtielle L'incertitude reltive sur l concentrtion c b vut 0,5 % et l'incertitude bsolue sur le volume titré V vut 0,0 ml. Exemple de solution totle c c 3 L'incertitude reltive sur c se clcule ici pr 0,5.10 0,05 9,8 0,0 10,0 7,4.10. Si le cndidt prvient u résultt finl (vleur de l concentrtion et incertitude reltive) sns ide, le niveu cquis pour VAL est le niveu A (même si le résultt comporte un chiffre significtif en trop). Si une ou deux solutions prtielles sont fournies, ou si le résultt finl comporte trop de chiffres significtifs, le niveu cquis est le niveu B. Si mlgré les solutions prtielles, le cndidt reste en échec, le niveu cquis est le niveu C, l solution totle lui est lors donnée. Si mlgré l solution totle, le cndidt exprime le résultt vec l'incertitude bsolue, ou se trompe en effectunt l "conversion" en pourcentge, ou note le résultt finl vec trop de chiffres significtifs, le niveu cquis est le niveu D. 08/11/01 Pge 15 sur 16

16 SUJET n XX TITRAGES ET PRÉCISION SESSION 013 V. GRILLE D ÉVALUATION ECE SUJET N TITRE compétence Coefficient S'pproprier Anlyser 0 Réliser 3 Vlider 1 Communiquer 0 Note / 0 Nom : Nom : Nom : Nom : Prénom : Prénom : Prénom : Prénom : Niveu vlidé Niveu vlidé Niveu vlidé Niveu du domine de compétences A B C D A B C D A B C D A B C D Remrques 08/11/01 Pge 16 sur 16