Exercice 1 : Concentration et glycémie (4 points)

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1 EPREUVE COMMUNE DE PHYSIQUE-CHIMIE CLASSES DE 2 ANNEE 2011 Durée : 2 h. Le sujet comporte 4 exercices et une feuille annexe à rendre avec la copie. L usage de la calculatrice est autorisé. Vous pouvez traiter les exercices dans l ordre souhaité. Veillez à rappeler le titre et à respecter la numérotation des questions pour chaque exercice. Exercice 1 : Concentration et glycémie (4 points) Différents types de poches de perfusions contenant du glucose sont utilisées à l'hôpital pour hydrater le patient, maintenir ou élever sa glycémie. Le taux de glucose contenu dans ces poches est indiqué en pourcentage et s'échelonne de 5% à 50% de glucose pour les perfusions les plus concentrées. Les 4 questions de cet exercice peuvent être traitées indépendamment les unes des autres. Une perfusion de glucose est étiquetée «glucose à 20%». Le pourcentage correspond à la masse de glucose (exprimée en grammes) présente dans 100mL de solution. Calculer la concentration massique Cm en glucose de cette solution. On souhaite préparer au laboratoire de chimie une solution aqueuse de volume V = 200 ml de concentration massique en glucose Cm = 200 g.l -1 à partir de glucose solide. 2.a. Quelle masse m de glucose faut-il utiliser? 2.b. Décrire le protocole de préparation de cette solution en indiquant clairement la verrerie utilisée. La masse volumique d'une solution de glucose augmente avec sa concentration. Il est indiqué dans la littérature scientifique que la masse volumique µ d'une solution de glucose de concentration Cm = 200 g.l - 1 est égale à µ = 1072 g.l c. Quelle devrait être la masse finale m f de la solution si elle est correctement préparée? On dispose également au laboratoire d'un litre de solution S' de glucose de concentration massique C m = 500 g.l -1. Calculer le volume V de solution S' qu'il faut prélever pour préparer une solution aqueuse S de glucose de volume V = 200 ml et de concentration égale à Cm = 200 g.l -1.

2 Exercice 2 : La benzocaïne (8 points) La benzocaïne est le principe actif de médicaments pouvant soulager la douleur. Par exemple, elle est présente dans une pommade qui traite les symptômes de lésions cutanées (brûlures superficielles, érythèmes solaires). Données : Espèces chimiques acide 4-aminobenzoïque benzocaïne éthanol Solubilité dans l éther grande très faible grande Densité de l éther : d =0,79 Densité de la benzocaïne : d =1,17 La benzocaïne peut être préparée en faisant réagir de l'acide 4-aminobenzoïque qui est un solide constitué de cristaux blancs, avec de l éthanol qui est un composé liquide à température ambiante. Première étape: la synthèse chimique. Le protocole de préparation est le suivant : Dans un ballon, introduire une masse m = 1,30 g d acide 4-aminobenzoïque et un volume V = 17,5 ml d'éthanol. Agiter doucement dans un bain de glace et ajouter peu à peu 2 ml d'acide sulfurique concentré. Chauffer à reflux pendant une heure, puis laisser revenir le mélange à température ambiante. 1.a. Le schéma du montage utilisé pour réaliser la synthèse est donné en annexe. Légender ce schéma. 1.b. Pourquoi doit-on chauffer le mélange réactionnel? Quel est l intérêt du chauffage à reflux? Préciser le principe de son fonctionnement. Deuxième étape: Séparation et identification du produit synthétisé. On prélève dans le ballon précédent une goutte du liquide obtenu lorsque la synthèse est terminée. Puis on analyse ce liquide par chromatographie. Le chromatogramme obtenu après révélation est fourni ci-contre. - Dépôt 1: acide 4-aminobenzoïque - Dépôt 2: benzocaïne pure. - Dépôt 3 : échantillon du liquide après synthèse. 2.a. Quelles informations sur ce liquide peut-on tirer du chromatogramme? 2.b. Rappeler la définition du rapport frontal et le calculer pour la benzocaïne pure. 2.c. Pourquoi a-t-on procédé à la révélation de ce chromatogramme? Afin de purifier le produit synthétisé, on verse le contenu liquide du ballon dans une ampoule à décanter et on y ajoute 15 ml d éther. Après agitation puis décantation, on observe deux phases non miscibles. 3.a. Schématiser l ampoule à décanter. 3.b. Indiquer ce que contient chacune des phases et justifier la position de chacune d elles dans l ampoule à décanter.

3 Exercice 3 : Échographie d'un fœtus (4 points) L'échographie est une technique d'imagerie médicale utilisant la technique de l'écho. Une sonde, posée sur le ventre de la mère envoie des ultrasons vers le fœtus, ceux-ci vont être réfléchis vers la sonde à chaque fois qu'ils rencontrent un changement de milieu (liquide amniotique/fœtus ou fœtus/liquide amniotique). La durée d'un aller-retour des ultrasons va permettre de construire une image du fœtus. On admet que la célérité des ondes ultrasonores dans le corps humain est égale à v = 1540 m/s. On rappelle que 1µs = s. Les ultrasons font-ils partie des ondes mécaniques ou des ondes électromagnétiques? Quelle différence y a t-il entre une onde ultrasonore et une onde sonore? Préciser votre réponse. On note t 1 et t 2 les dates auxquelles le capteur de la sonde reçoit le premier et le second écho. Pourquoi observe-t-on deux échos? Déduire de ce qui précède l'expression littérale de la distance d 1 entre la sonde et le fœtus en fonction de la célérité v des ultrasons et de la durée t 1. Calculer la valeur de d 1. Question 4 : On note d 2 la taille du fœtus. Exprimer en fonction de d 1 et d 2 la distance parcourue par l onde pendant la durée t 2. En déduire la valeur de d 2.

4 Exercice 4 : Réfraction de la lumière (4 points) Pour identifier un liquide transparent, une possibilité est de déterminer son indice de réfraction. Le tableau suivant donne les indices de réfraction pour une radiation de 580 nm de trois liquides (l huile essentielle de vétiver de La Réunion, l éthanol et l acétone) ainsi que l indice de réfraction de l air. milieux transparents indices de réfraction huile essentielle de vétiver éthanol acétone air 1,530 1,362 1,360 1,000 Une cuve demi-cylindrique (placée dans l air) est remplie d un de ces trois liquides. Elle est disposée sur un système de mesure d angles. Le schéma ci-contre montre le dispositif expérimental vu de dessus. Faire apparaître clairement, sur le schéma de ce dispositif reproduit en annexe, l angle d incidence i et l angle de réfraction r. On rappelle la loi de Snell-Descartes mettant en relation l angle d incidence i et l angle de réfraction r : n 1. sin(i) = n 2. sin(r) où n 1 et n 2 sont les indices de réfraction respectivement du premier et du second milieu traversé par la lumière. 2.a. Montrer que sin(r) est proportionnel à sin(i) c est-à-dire que le rapport est constant : pour cela, exprimer le coefficient de proportionnalité en fonction de n 1 et n 2. On modifie la valeur de l angle d incidence i et on relève sur le tableau ci-dessous les valeurs mesurées de l angle de réfraction r. i ( ) r ( ) sin (i) 0,00 0,17 0,26 0,34 0,42 0,50 0,57 0,64 sin(r) 0,00 0,26 0,40 0,53 0,65 0,79 0,88 0,98 Sur le graphique donné en annexe, les valeurs de sin(i) ont été portées sur l axe des abscisses et les valeurs de sin(r) sur l axe des ordonnées. 2.b. Tracer la droite moyenne relative à ce relevé représentant sin(r) en fonction de sin(i). 2.c. Faire les constructions permettant de déterminer son coefficient directeur a puis calculer a. On rappelle que le coefficient directeur d une droite est obtenu en calculant le rapport a = y B y A x B x A A et B étant deux points de la droite dont les coordonnées sont A(x A, y A ) et B(x B, y B ). 2.d. En déduire l indice de réfraction du liquide placé dans la cuve demi-cylindrique. 2.e. Lequel des liquides a été placé dans cette cuve?

5 EPREUVE COMMUNE DE PHYSIQUE-CHIMIE CLASSES DE 2 ANNEE 2011 ANNEXE NOM.PRENOM :. Classe :.. Exercice 2 : La benzocaïne Question 1.a. : Schéma du montage utilisé pour réaliser la synthèse, à légender : Exercice 4 : Réfraction de la lumière sin(r) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 sin(i)