Physique-Chimie DEVOIR SUR TABLE N 4

Transcription

1 CLASSE DE TERMINALE S Physique-Chimie Le : 21 janvier 2015 Durée : 3 h 30 DEVOIR SUR TABLE N 4 L épreuve a été conçue pour être traitée sans calculatrice. L usage des calculatrices est rigoureusement interdit. TOUT DOCUMENT INTERDIT. Les résultats numériques doivent être précédés d un calcul littéral. La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation. L épreuve est notée sur 16 points auxquels s ajouteront les points d épreuve pratique sur 4 points. I ] EXERCICE 1 : sur 6,5 points. ÉTHANOL DANS LE VIN 1. Spectroscopie. On se propose d'étudier la structure et les fonctions organiques de ces molécules par spectroscopie. Document 2a : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR1.... /...

2 Document 2b : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR Le Document 1 évoque les molécules d'éthanol et d'éthanal : représenter, en formules semi-développées, ces deux molécules et encadrer leurs groupes caractéristiques. Nommer ces groupes À quelles familles appartiennent ces molécules? 1.3. En utilisant les données spectroscopiques du Document 2, associer chaque spectre infrarouge (IR1 et IR2) à la molécule correspondante en justifiant Le Document 3 présente le spectre R.M.N. de l'éthanol. En utilisant la courbe d'intégration, calculer les rapports h 1 / h 2 et h 3 / h Utiliser les rapports calculés pour associer aux trois massifs du spectre, les groupes de protons équivalents de l'éthanol Le massif de pics situé au déplacement chimique 1,25 ppm se présente sous la forme d'un triplet. Justifier cette multiplicité. 2. Métabolisation des alcools. Après étude de la structure de ces molécules, nous allons étudier le mécanisme biochimique expliquant leur transformation dans l'organisme. La métabolisation des alcools implique leur oxydation en composés carbonylés. Dans les systèmes biologiques, l'éthanol est transformé en éthanal grâce à un oxydant noté NAD +. La réaction est catalysée par une enzyme appelée alcool-déshydrogénase. En substituant un atome d'hydrogène par un atome de deutérium D, on peut mettre en évidence le rôle énantiosélectif de cette enzyme..../ p. 3

3 Terminale S D.S.T. N 4 Page 3 En soumettant les deux énantiomères du 1-deutérioéthanol à l'action de l'enzyme, on a pu établir que l'oxydation biochimique était stéréospécifique, le NAD + arrachant uniquement l'hydrogène marqué ci-dessous par une pointe de flèche noire. D désigne l'isotope 2 de l'hydrogène, 2 1 H, appelé deutérium Quel est le nom de la représentation chimique utilisée dans les équations ci-dessus pour l'alcool? 2.2. En vous basant sur cette représentation, développer complètement la molécule de 1-deutérioéthanol en faisant apparaitre toutes les liaisons La dégradation de l'alcool dans l'organisme est une réaction catalysée. Donner la définition d'un catalyseur. Quel type de catalyse est présenté ici? 3. Contrôle de qualité d'un vin : dosage par spectrophotométrie de l'éthanol. On peut lire, depuis juin 2000, dans le «Code de la santé publique» : «Catégorie Vins doux : vins, apéritifs à base de vin ne titrant pas plus de 18 degrés». On se propose de vérifier en laboratoire si un vin obéit à cette législation. Définition : Le titre alcoométrique, exprimé en degré, est égal au nombre de litres d'éthanol pur contenus dans 100 litres de vin. Données : M(éthanol) = 46 g.mol 1 ; µ(éthanol) = 0,80 g.ml 1. Afin de procéder au contrôle, on réalise le titrage par spectrophotométrie du vin en suivant le protocole suivant. Première étape : On recueille l'éthanol du vin par distillation. Deuxième étape : L'éthanol est oxydé par la NAD + dans une réaction catalysée par une enzyme spécifique similaire à celle évoquée dans la partie 2. La réaction produit de la nicotinamide-adénine-dinucléotide réduite (NADH) en quantité de matière égale à celle de l'éthanol dosé selon l'équation : Éthanol + NAD + Éthanal + NADH + H +. Troisième étape : La NADH absorbant dans le domaine U.V., on mesure son absorbance par spectrophotométrie. L'étalonnage du spectrophotomètre, avec différentes solutions d'éthanol, permet de vérifier la loi de Beer-Lambert : A = k.c m avec : k = 1, L.mg -1 et C m la concentration massique d'éthanol dans l'échantillon. Réalisation de la mesure. On distille 10 ml de vin ; le distillat est ensuite ajusté à 100 ml avec de l'eau distillée pour obtenir une solution appelée S. On prépare l'échantillon à doser par spectrophotométrie en introduisant dans une fiole jaugée de 100 ml : 1,0 ml de solution S, le catalyseur, NAD + en excès. On complète avec de l'eau distillée. L'absorbance mesurée pour cet échantillon vaut : A e = 0, Déterminer à partir de l'absorbance mesurée A e, la concentration massique C m en éthanol de l'échantillon étudié En tenant compte des deux dilutions successives, calculer les concentrations massiques en éthanol suivantes : C S dans la solution S C V dans le vin Quelle est la valeur du titre alcoométrique, exprimé en degrés, du vin? 3.4. Ce vin est-il conforme au code de la santé publique? II ] EXERCICE 2 : sur 4,0 points. A C T I V I T É D U N E E N Z Y M E... /...

4 L objectif de cet exercice est l étude du rôle de l uréase et de l influence de certains paramètres sur son activité. Données : couples acide / base : H 3 O + (aq) / H 2 O (liq) ; NH 4 + (aq) / NH 3 (aq) ; pk a du couple NH 4 +(aq) / NH 3 (aq) = 9,2. 1. Activité enzymatique de l uréase. L urée (NH 2 CO NH 2 ) réagit avec l eau pour former de l ammoniac NH 3 et du dioxyde de carbone. Au laboratoire, on réalise deux expériences. On dissout de l urée dans de l eau. Aucune réaction ne semble avoir lieu. Le temps de demi-réaction est estimé à 60 ans. On dissout de l urée dans de l eau en présence d uréase. Il se forme quasi-immédiatement les produits attendus. Le temps de demi-réaction vaut 2, s L uréase, un catalyseur Écrire l équation de la réaction chimique entre l urée et l eau Rappeler la définition du temps de demi-réaction En quoi les résultats des expériences permettent-ils de considérer l uréase comme un catalyseur? 1.2. Effet de la température sur l activité enzymatique Quelle est en général l influence de la température sur la cinétique d une réaction chimique? En utilisant le Document 1, décrire l influence de la température sur la cinétique de la réaction catalysée À l aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général (question ) et celui décrit à la question ? 2. L uréase dans le milieu stomacal Le contenu de l estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d acide chlorhydrique de concentration 1, mol.l -1. Calculer le ph de ce milieu À ce ph, quelle espèce chimique du couple NH 4 +(aq) / NH 3 (aq) prédomine? Justifier la réponse La bactérie utilise son uréase pour catalyser la réaction de l urée avec l eau, ainsi elle sécrète de l ammoniac dans son environnement proche. Dans l estomac, l ammoniac réagit avec les ions H 3 O + (aq) selon l équation chimique : NH 3 (aq) + H 3 O + (aq) NH 4 +(aq) + H 2 O (liq). Quelle est la conséquence de la sécrétion d ammoniac par la bactérie sur le ph de la solution autour d elle? 2.4. L enzyme sécrétée par la bactérie H.pylori n est pas l uréase seule mais une association de l uréase avec d autres entités chimiques. En quoi le Document 2 illustre-t-il le fait que l uréase seule ne peut pas agir dans l estomac?.../ p. 5

5 III ] EXERCICE 3 : sur 5,5 points. DISTANCE DE FREINAGE Terminale S D.S.T. N 4 Page 5 Afin de comprendre l'intérêt des limitations de vitesse à 30 km.h -1 (8,5 m.s -1 ) en zone urbaine et notamment à proximité d'écoles, l'association de la prévention routière a mis en place sur son site Internet ( une application «moduloroute». Le module «distance d arrêt» indique qu à 50 km.h -1 (14 m.s -1 ), il faut 26,2 m et 2,8 s pour s arrêter et qu au bout d une distance d arrêt de 20 m, un véhicule a encore une vitesse de 35 km.h -1 (9,7 m.s -1 ). On assimilera le véhicule automobile à son centre de gravité G. 1. Quel est le référentiel d'étude choisi ici pour étudier le mouvement de G? Calculer la coordonnée de l'accélération de G, notée a G, pour que la voiture passe de 50 km.h -1 à 0,0 km.h -1 dans les conditions de la simulation. On précisera le repère d espace choisi Comment est le vecteur accélération de G par rapport à son vecteur vitesse? Justifier En déduire le type de mouvement de G. Justifier Exprimer, à l'aide de l'accélération a G, les équations horaires donnant l'évolution de la vitesse v G (t) et de l'abscisse x G (t) de G au cours du temps. On précisera les repères d espace et de temps choisis Au bout de 20 m parcourus, trouve-t-on une vitesse de 35 km.h -1? En réalité, la distance d'arrêt totale de 26,2 m, toujours effectuée en 2,8 s, se décompose en deux parties : la distance parcourue pendant le temps de réaction, qui est d'une seconde (pour un conducteur en pleine possession de ses moyens) ; la distance de freinage pur, qui correspond à la distance nécessaire au véhicule pour s'arrêter Calculer la distance parcourue par G pendant le temps de réaction En déduire la distance de freinage pur et la durée t de cette phase Déterminer la nouvelle coordonnée de l'accélération de G, notée a G, sur cette nouvelle durée de freinage pur Donner, à l'aide de l'accélération a G, les nouvelles équations horaires donnant l'évolution de la vitesse v G (t) et de l'abscisse x G (t) de G au cours du temps. On précisera les nouveaux repères d espace et de temps choisis Retrouve-t-on maintenant une vitesse de 35 km.h -1 au bout de 20 m parcourus? 0,74 Aide au calcul : 0,86 = = 0,86 ; 1,8 1 0,55 1,2 7, 7 = = ; 0,55 = =. 14 7,8 4,3 3,9x0,55 14