- CALCULATRICE AUTORISÉE -

Transcription

1 Sciences-Physiques Examen Blanc 1 - Toutes vos réponses devront être rédigées avec le plus grand soin - - Attention aux unités et aux chiffres significatifs - - Respectez la notation imposée par l'énonce - - Evitez les calculs intermédiaires inutiles - - Pensez a utiliser la mémoire de votre calculatrice - - CALCULATRICE AUTORISÉE - - Gérez votre temps - - durée : 3h30 ; coefficient 6 - Physique 1S 1 / 7

2 Les parties sont toutes indépendantes. Partie A : lampe à vapeur de mercure (sur 16/70 points) James Bond est poursuivi à travers la forêt, il aperçoit une grotte et utilise sa lampe afin de lire un message codé. Il se dit qu'il a besoin de ton aide. Lampe à vapeur de Mercure : Les atomes du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s'ioniser lorsqu'ils sont soumis à la différence de potentiel créée entre les électrodes situées de chaque côté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par l'électrode positive nommée anode et les ions positifs par l'autre, nommée cathode. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule. Lors du passage de ce flux, se produisent de nombreuses collisions entre les électrons circulants et ceux présents dans le gaz de la lampe. Lors de ces collisions, les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon, dont la longueur d'onde dépend de l'énergie qu'il contient. Les électrons peuvent également se libérer complètement de l'atome qui les contient, et ainsi accroître le courant d'électrons circulants. C'est ainsi qu'un phénomène d'amorçage se produit à la mise sous tension de la lampe : le courant initialement très faible explose littéralement pour atteindre la puissance maximale donnée par le générateur électrique. Données : 1 ev = 1,6 x J ; Célérité de la lumière : c = 3, m.s -1 ; constante de Planck : h = 6, J.s 1. Expliquer les termes: «Les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon». 2. Expliquer les termes: «Les électrons peuvent également se libérer complètement de l'atome qui les contient» 3. Le spectre obtenu est un spectre sur fond noir avec des raies colorées. Comment appelle t- on ce type de spectre? 4. D'après le diagramme ci contre, Que représente le niveau E 0 = -10,44 ev? Physique 1S 2 / 7

3 5. Que représente les niveaux E 1, E 2, E 3, E 4? L'une des radiations émises par la lampe à vapeur de mercure correspond à la transition du niveau E 2 vers le niveau d'énergie E Déterminer l énergie en ev des photons associés à cette transition. 7. Convertir cette énergie en joule. 8. Déterminer la longueur d'onde associée à cette radiation. 9. Dans quel domaine se trouve cette longueur d onde? 10. Déterminer la valeur de la fréquence γ de la radiation correspondant à la transition du niveau E 2 vers le niveau E 0. On considère la raie bleu-vert du mercure de longueur d onde λ = 490 nm environ. 11. Calculer l énergie (en joule puis en ev) correspondant à l émission de cette radiation. Partie B : Préparation d'une boisson énergétique (sur 10/70 points) Moneypenny, très attachée à James Bond, lui avait préparé une bouteille de boisson énergétique. Elle a suivi la recette suivante : «Mettre dans une bouteille de contenance V=0,60 L : une pincée de chlorure de sodium NaCl (m 1 = 1,0 g) 3 cuillerées de sirop de fructose C 6 H 12 O 6 (V 2 = 15 ml) de concentration molaire C 2 = 1,0 mol.l -1 le jus de deux citrons pressés (V 3 = 150 ml), Compléter la bouteille avec de l'eau et bien agiter.» Données : Les citrons sont utilisés pour le goût et pour l'apport en vitamine C de formule C 6 H 8 O 6. (C m,vit = 1,5x10-1 g.l -1 ) Masses molaires atomiques en g.mol -1 : M(H) = 1,0 ; M(C) = 12,0 ; M(O) = 16,0 ; M(Na) = 23,0 : M(Cl) = 35, Déterminer la concentration molaire C 1 en chlorure de sodium dans la bouteille. 13. Déterminer la concentration molaire C bouteille en fructose dans la bouteille. 14. La masse volumique du jus de citron est ρ 3 = 1,1 g.ml -1. Quelle est la masse m 3 de jus de citron utilisée pour préparer la boisson énergétique? 15. Calculer la masse molaire moléculaire M vit de la vitamine C. 16. En déduire la concentration molaire C vit en vitamine C de la boisson obtenue. Physique 1S 3 / 7

4 Vous faites partis de la section analyse et recherche pour la police scientifique. Un crime a été commis, plusieurs indices peuvent aider les enquêteurs. Tout d'abord, de nombreuses bouteilles ont été retrouvées notamment une qui contiendrait du liquide vert sur le lieu du crime et une poudre orangée. Vos trois missions sont d'extraire cette poudre, d'étudier la solution verte et de faire une analyse du taux d'alcoolémie dans le sang d'un suspect. Données: Spectre de la lumière blanche: violet bleu vert jaune orange rouge Partie C : Extraction de la curcumine (E 100) ( 10 /70points) La curcumine est la principale espèce chimique colorée du curcuma, une épice largement utilisée en cuisine réunionnaise ou indienne. Une fois isolée, elle est utilisée en tant que colorant alimentaire (E 100). Elle peut être extraite de la façon suivante : - Dans un erlenmeyer, introduire une pointe de spatule de curcuma et 10 ml d éthanol. - Agiter quelques minutes puis filtrer le contenu de l erlenmeyer. Le filtrat jaune ambré est la solution de curcumine. La courbe spectrale du filtrat est donnée ci-contre (figure 2) : 1- À quoi sert la filtration? Quantité de lumière absorbée 2- La curcumine est-elle un colorant ou un pigment λ dans ces conditions? Justifier (nm) 3- Quel est le rôle de l éthanol? 4- Quelle partie de la courbe spectrale de la figure 2 correspond à une plage d absorption de la lumière visible? 5- En déduire la couleur de la lumière après la traversée de la solution? 6- Pourquoi cette couleur résulte-t-elle d une synthèse soustractive? 7- Comment apparaîtrait la solution si la lumière blanche était remplacée par de la lumière bleue (ne contenant que des radiations de longueurs d onde comprises entre 420 nm et 480 nm)? justifier. 8- Comment vérifier expérimentalement qu une solution de curcumine a effectivement été obtenue? Physique 1S 4 / 7

5 Partie D : Etude de la solution liquide verte: sirop de menthe? (16/70 points) Dans l industrie alimentaire, la couleur verte peut être obtenue par l utilisation d un colorant coloran vert ou d un mélange de colorants. Document 1 : Indications présentes sur l étiquette d une bouteille de sirop de menthe. COMPOSITION : Sucre, eau, sirop de glucose-fructose, arôme de menthe, colorants : E102 E131 Document 2 : Tableau valeurs rs expérimentales -1) (Cm en mgl 3 A de la tartrazine (Cm en mgl-1) 0.10 (Cm en mgl-1) Absorbance du bleu de patenté Document 3 : Spectre d absorption (épaisseur de la cuve L = 1,0 cm) du liquide vert dilué 10 fois Document 4 : Spectre d absorption d une solution de tartrazine (E102) et d une solution de bleu patenté V (E131) (épaisseur de la cuve L = 1,0 cm) violet bleu vert jaune orange rouge 1. Relier les spectres es d'absorption de la tartrazine et du bleu patenté V à leurs couleurs. 2. Expliquer la couleur du liquide vert à partir de son spectre d'absorption. 3. Justifier le choix des longueurs d'onde de travail retenues (450 (4 0 nm et 640 nm) pour le dosage spectrophotométrique photométrique de la tartrazine et du bleu patenté V contenus dans le liquide vert obtenu. 4. Donner les valeurs de l absorbance du liquide vert dilué à ces longueurs d onde. 5. Déterminer les concentrations massiques de tartrazine (CT' ) et de bleu patenté patent V (CB' ) dans le liquide vert dilué. Pour cela tracer les courbes sur la feuille annexe à joindre avec votre copie. 6. En déduire les concentrations massiques de la tartrazine, CT, et du bleu patenté V, CB, dans le liquide vert. Physique 1S 5/7

6 Partie E: taux d'alcoolémie (18/70 points) Pour mesurer la quantité d alcool dans le sang, on réalise un prélèvement puis, par un procédé non indiqué ici, on décolore le sang. On dose alors la quantité d alcool présente dans le sang à partir de la réaction chimique suivante : 3 CH 3 CH 2 OH (aq) + 2 Cr 2 O 7 2 (aq) + 16 H + (aq) 3 CH 3 COOH (aq) + 4 Cr 3+ (aq) + 11 H 2 O (l). Données : Masse molaire moléculaire de l éthanol : 46,0 g.mol -1. Couleurs des espèces chimiques en présence : Espèces chimiques CH 3 CH 2 OH Cr 2 O 7 2 Cr 3+ CH 3 COOH Couleur en solution aqueuse incolore jaune orangé vert incolore 1. Expliquer en analysant les données, pourquoi on peut suivre l'évolution du système par spectrophotométrie. 2. On mélange un volume V 1 = 2,0 ml de sang avec un volume V 2 = 10,0 ml d'une solution aqueuse acidifiée de dichromate de potassium (2K +, Cr 2 O 7 2 ) de concentration molaire C 2 = 2, mol.l -1. Le volume total du mélange réactionnel est : V = V 1 +V 2 = 12,0 ml On agite et on place rapidement un prélèvement du mélange réactionnel dans une cuve du spectrophotomètre. Construire un tableau d'avancement en notant n 0 la quantité de matière initiale d'alcool présent dans les 2,0 ml de sang et n 2 la quantité de matière initiale en ions dichromate introduits dans le mélange réactionnel et n H+ pour les ions H Calculer n 2 4. Calculer l'avancement maximal x max en supposant que Cr 2 O 7 2 est le réactif limitant. 5. Quelle relation existe entre l'avancement x de la réaction, la concentration en ions dichromate C' Cr2O72 dans le mélange, le volume V du mélange réactionnel et la quantité de matière n 2? 6. L'absorbance A 420 est liée à la concentration C' Cr2O72 en mol.l -1 par la relation: =150 (pour la longueur d'onde λ = 420 nm) Déduire de la relation établie en 5.que l'avancement est lié à l'absorbance A 420 par la relation: = La valeur de l'absorbance à l'état final est de 2,39. Calculer l'avancement maximal. 8. En déduire que le réactif limitant est l'éthanol. 9. Calculer la quantité de matière d'éthanol, puis la masse d'éthanol présent dans 2,0mL du conducteur. 10. Le taux autorisé d alcool est de 0,5 g dans 1 L de sang. Le conducteur est-il en infraction? Physique 1S 6 / 7

7 Nom : (annexe à rendre avec votre copie) Physique 1S 7 / 7