CORRIGE EPREUVE PHYSIQUE-CHIMIE Série S France métropolitaine

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1 CORRIGE EPREUVE PHYSIQUE-CHIMIE Série S France métropolitaine EXERCICE I : un catalyseur enzymatique, l uréase D après l énoncé, les réactifs sont l urée et l eau et les produits sont l ammoniac et le dioxyde de carbone. D où l équation de la réaction : NH 2 -CO-NH 2 H 2 O 2 NH 3 CO Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l avancement de la réaction est égal à la moitié de l avancement final : x(t 1/2 ) = x f / En absence d uréase, la transformation est très lente (t 1/2 60 ans), alors qu en présence d uréase, la transformation est quasi-intantanée (t 1/2 = s). Donc l uréase accélère la transformation, sans figurer dans l équation-bilan : c est un catalyseur En général, quand la température augmente, la réaction chimique devient plus rapide En utilisant le document 1, on peut distinguer deux domaines de températures : 30 C 60 C : quand la température augmente, l activité relative de l uréase augmente, donc la réaction devient plus rapide ; 60 C 80 C : quand la température augmente, l activité relative de l uréase diminue, donc la réaction devient moins rapide D après le texte introductif, l effet différent de celui observé en général pour des températures comprises entre 60 et 80 C est dû au fait que les liaisons hydrogène reliant les différentes parties de la molécule d uréase se forment plus ou moins facilement suivant la température. Or la formation de ces liaisons est à l origine des replis que présente la molécule d uréase, au sein desquels se produit la réaction chimique. L activité de l uréase varie donc avec la température et la cinétique de la réaction aussi Calcul du ph d une solution d acide fort : ph = - log C avec C = 1, mol.l -1 d où ph = 2, Diagramme de prédominance pour le couple acido-basique NH 4 (aq) / NH 3 (aq) : NH 4 prédominant NH 3 prédominant ph 0 pk a = 9,2 14 2,0 Pour un ph = 2,0, c est donc l acide du couple, NH 4 qui prédomine en solution Cette réaction consomme des ions oxonium H 3 O donc la concentration en ions oxonium H 3 O va diminuer donc ph = - log [H 3 O ] va augmenter Dans l estomac, le ph vaut 2,0. D après le document 2, pour un ph = 2,0, l activité de l uréase est nulle. Donc l uréase seule ne peut pas agir dans l estomac. en partenariat avec epicureweb.fr 1

2 EXERCICE II: principe de fonctionnement d un GPS 1. Echelle utilisée sur la carte fournie en annexe : Réalité 1,15/100 Echelle 100 km 1,15 cm Lyon 240 km 2,7 cm Nancy 340 km 3,9 cm Sur le document fourni en annexe, on trace deux cercles : - un centré sur Lyon et de rayon 2,7 cm (cercle C 1 ) ; - un centré sur Nancy et de rayon 3,9 cm (cercle C 2 ). Annexe en taille réduite par rapport au document fourni On obtient deux intersections, dont une seule correspond à une ville française : Bourges. 2. Système : satellite de masse m Référentiel : géocentrique galiléen Force extérieure : force gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite FT/S = G mmt n avec n : vecteur unitaire dirigé du satellite vers la Terre (RT h) 2 RT h : rayon de l'orbite circulaire du satellite Expression de l accélération dans le cas général : a = dv t dt RT h n avec t : vecteur unitaire tangent à la trajectoire Expression de l accélération dans le cas d une orbite circulaire : a = RT h n D où, nécessairement, dv/dt = 0 donc v = constante donc le mouvement est uniforme D après la question 2.1 : a = RT h n D après la deuxième loi de NEWTON : en partenariat avec epicureweb.fr 2

3 m a = FT/S = G mmt n d'où a = G MT (RT h) 2 (RT h) 2 n En égalisant les deux expressions de la valeur de l accélération, il vient : RT h = (RT h) 2 d'où v = RT h Application numérique (A.N.) : v = 3, m.s La période de révolution est la durée que met le satellite pour faire un tour complet autour de la Terre sur son orbite circulaire. v = 2π (RT h) T d'où T = 2π (RT h) v = 2π (RT h) 3 AN : T 4, s 12 h Or 1 jour = 24 h = 2 12 h donc le satellite GPS fait 2 révolutions par jour Durée correspondant à une distance de 10 m : c = d/t donc t = d/c avec d = 10 m et c = 3, m.s -1 AN : t 3, s, soit t 33 ns 3.2. Pour un aller-retour surface de la Terre/satellite GPS : c = 2h /t Donc la durée de l aller-retour a pour expression : t = 2h/c avec h = 2, km = 2, m AN : t = 0,133 s Incertitude absolue sur la mesure de la durée de trajet du signal GPS : 33 ns = s Incertitude relative sur la mesure de la durée de trajet du signal GPS (qui vaut 0,133 s) : / 0,133 = 2, = 2, % 3.3. D après le document fourni, si on ne tenait pas compte des effets relativistes, le décalage temporel entre les horloges terrestres et celle du satellite GPS serait de 38 µs par jour, soit ns par jour. Donc les horloges terrestres et celle du satellite GPS seraient désynchronisées au bout de : 30/ , j 0,019 h 68 s Donc les horloges seraient significativement désynchronisées au bout de 1 minute et 8 secondes Taille du message GPS : 4,5 ko = 4500 octets = bits = bits. D après le document fourni, débit = 50 bits/s. D où la durée nécessaire à l envoi du message : / 50 = 720 s = 12 min. Cette durée est très grande! Mais, d après le document fourni, le GPS garde en mémoire les paramètres du calcul de position reçus avant son dernier arrêt et les reprend par défaut, ce qui permet un gain de temps D après le document fourni, il faut inverser les 0 et les 1 lorsque le bit du message vaut 1 et ne pas les inverser lorsqu il vaut zéro. D où la superposition «message code» obtenue : en partenariat avec epicureweb.fr 3

4 EXERCICE III: saveur sucrée 1. Dans les documents proposés, trois catégories d espèces sucrantes sont présentées : les «sucres» ou oses, les polyols et les édulcorants. On peut comparer ces différentes catégories selon : - les groupes caractéristiques présents dans les molécules correspondantes, - leur origine, - leur pouvoir sucrant, - leur apport énergétique, - leurs effets sur la santé. Ces comparaisons sont regroupées dans le tableau ci-dessous (à organiser et à présenter dans une synthèse claire, argumentée et rédigée dans un français correct) : Catégorie d espèces «Sucres» ou oses Polyols Edulcorants sucrantes Exemples Saccharose, glucose, Xylitol, sorbitol Aspartame, acésulfame fructose Groupes caractéristiques 1 groupe carbonyle plusieurs groupes Uniquement des groupes hydroxyles Fonctions amides, entre autres présents hydroxyles Origine Naturelle Naturelle Synthétique Pouvoir sucrant Proche de 1,0 (càd celui du saccharose) Egal ou inférieur à 1 : il faut donc utiliser une quantité plus importante pour obtenir un pouvoir sucrant identique à celui du saccharose Apport énergétique 17 kj/g Légèrement inférieur à celui des oses Effets sur la santé Surpoids/obésité Ne présentent pas les Caries inconvénients des oses, mais tous les effets ne sont pas encore connus 2.1. Groupes a et c : groupes carboxyles (ou fonctions acides carboxyliques) Groupe b : fonction amine Groupe d : fonction amide Très supérieur à 1 (200) : il faut donc utiliser une quantité très faible pour obtenir un pouvoir sucrant identique à celui du saccharose Très inférieur à celui des oses (voire nul) Ne présentent pas les inconvénients des oses, mais tous les effets ne sont pas encore connus 2.2. Présence d un carbone asymétrique (carbone lié à 4 atomes ou groupes d atomes différents) : HOOC CH2 CH * COOH NH2 2 énantiomères : en partenariat avec epicureweb.fr 4

5 H H HOOC-H2C C COOH NH2 HOOC H2N C CH2-COOH 2.3. La fonction acide carboxylique a doit être protégée pour ne pas réagir avec la fonction amine de l ester. La fonction amine b doit être protégée par ne pas réagir avec les fonctions acides d autres molécules d aspartame. en partenariat avec epicureweb.fr 5