L usage de la calculatrice est autorisé.

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1 Nom et prénom : Classe : DEVOIR COMMUN DE PHYSIQUE CHIMIE Durée : 2h 10 mai 2017 Le sujet comporte 6 pages comprenant : Deux exercices de physique Exercice 1 : Déflexion électrostatique d un faisceau d électrons dans un tube cathodique (durée conseillée 30 min) Exercice 2 : Météorite (durée conseillée 25 min) Deux exercices de chimie Exercice 3 : Préparation d une solution de permanganate (durée conseillée 10 min) Exercice 4 : Synthèse d un arôme : la menthone (durée conseillée 45 min) Le sujet en ENTIER est à rendre avec la copie. L usage de la calculatrice est autorisé. Le candidat doit traiter les quatre exercices qui sont indépendants les uns des autres. 1/6

2 Exercice 1 : Déflexion électrostatique d un faisceau d électrons dans un tube cathodique Dans cet exercice, on va s intéresser à la force exercée par un champ électrostatique sur des charges électriques. Pour cela, on va utiliser le montage ci-dessous représentant un tube cathodique. a m pou l e s ou s v i d e + Ud ( H T ) - d O + 0 A C F 6 V Ua ( H T ) d é f l e x i on d e s é l ec t r on s ca non à é l ec t r on s Le montage se compose d une ampoule de verre dans laquelle regne un vide pousse. À l inte rieur de cette ampoule, on trouve : un canon a e lectrons, place dans le culot et permettant d obtenir a sa sortie des e lectrons de vitesse v 0 horizontale. Ce canon est constitue d une cathode me tallique C qui, chauffe e par un filament F, e met des e lectrons avec une vitesse conside re e comme ne gligeable. Ces e lectrons sont acce le re s par le champ e lectrique cre e par une tension applique e entre la cathode C et une anode A troue e en son centre. deux plaques me talliques paralleles distantes de d=5,00cm et aux bornes desquelles est applique e une tension U d =2,80 kv cre ant un champ e lectrostatique uniforme E entre les plaques. Données : - charge élémentaire e=1, C ; - masse de l électron m=9, kg ; - intensité de la pesanteur g=9,81n kg 1. On se place dans la zone de déflexion des électrons pour l étude suivante. 1. Calculer la valeur E du champ électrique entre les plaques (on néglige les effets de bord). 2. Tracer le vecteur champ électrique E en un point au choix entre les deux plaques sans soucis d échelle. 3. Donner les 4 caractéristiques de la force électrique F élec exercée sur un électron arrivant entre les plaques au point O (on néglige les effets de bord). 4. Tracer F élec exercée sur l électron arrivant entre les plaques au point O. On prendra comme échelle 1mm pour N. 5. Comparer les ordres de grandeurs des intensités de la force électrique exercée sur l électron et du poids de l électron. Que peut-on en déduire? 6. Décrire qualitativement le mouvement de l électron entre les plaques. 7. Comment dévier l électron vers le bas? 2/6

3 Exercice 2 : Météorite Document 1 : La météorite Tcheliabinsk Le 15 Février 2013, vers 9h20, dans la région de Tcheliabinsk en Russie, une météorite* est entrée dans l atmosphère avec une vitesse estimée à 19,2 km.s 1. Elle a traversé l atmosphère avec un éclat aveuglant, autant que le Soleil et visible jusqu à 100 km de distance. Il a été observé sur une vaste zone de la région et dans les républiques voisines. L énergie véhiculée par la météorite est estimée à environ 30 fois la bombe atomique d Hiroshima. Elle a explosé à une altitude d environ 30 km, en générant un éclat très lumineux et de nombreux petits fragments de météorite, ainsi qu une onde de choc très puissante qui a causé de nombreux dégâts matériels et plus d un millier de blessés. Avec une masse initiale estimée à tonnes lors de son entrée dans l atmosphère et un diamètre d environ 20 mètres, c'est le plus grand objet naturel connu pour être entré dans l atmosphère terrestre depuis l'événement Toungouska de 1918, qui a détruit une zone large, éloignée, boisée et très peu peuplée de la Sibérie. La météorite Tcheliabinsk est également la seule météorite reconnue à avoir entraîné un grand nombre de blessés. *Une météorite est un objet solide se déplaçant dans l espace interplanétaire à très grande vitesse. Document 2 : Données On considérera que l atmosphère a une altitude maximale de 100 km. On considérera que le champ de pesanteur a une valeur constante g de l ordre de 9,81 m.s 1. 1 tonne équivaut à kg. On choisira la surface de la Terre comme référence des altitudes (z = 0), et comme référence pour l énergie potentielle de pesanteur. Document 3 : Représentation graphique de l évolution des énergies en fonction du temps Graphique représentant l évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique en fonction du temps. 1. Extraire du document 1, la valeur v de la vitesse de la météorite lors de son entrée dans l atmosphère, ainsi que sa masse m. 2. Exprimer, puis calculer l énergie cinétique de la météorite à l entrée dans l atmosphère. 3. Exprimer, puis calculer l énergie potentielle de pesanteur de la météorite à l entrée dans l atmosphère. 4. Identifier, en le justifiant, chaque courbe du document D après le document 3, l énergie mécanique de la météorite se conserve-t-elle? Justifier. A quoi cela peut-il être dû? 6. En supposant que l énergie mécanique de la météorite se conserve lors de sa traversée dans l atmosphère, déterminer l expression de la vitesse qu aurait la météorite à 30,0 km d altitude avant son explosion. Calculer la valeur de cette vitesse. 3/6

4 Exercice 3 : Préparation d une solution de permanganate En vue de l utilisation dans une synthèse, Jean (élève de première S) doit préparer un volume V = 100 ml de solution S de permanganate de potassium de concentration en soluté apporté C = 0,800 mol.l 1. Il s adresse au préparateur de chimie. Ce dernier se rend au labo et revient avec une solution de permanganate de potassium à 1,6 mol.l -1. Il dit à Jean qu il n a pas la solution qu il désire, mais qu il n a qu à faire une dilution, et s en va Jean est un peu perdu, aidez-le à mettre au point le protocole pour préparer les 100 ml de la solution S dont il a besoin à partir de la solution que le préparateur lui a apportée. 1. Détailler les calculs nécessaires à l élaboration de ce protocole. 2. Dresser la liste du matériel que Jean devra utiliser. Exercice 4 : Synthèse d un arôme : la menthone La menthone est un des constituants de certaines espèces de menthe. Son odeur et sa saveur, analogue à celles de la menthe, en font un arôme très utilisé dans les produits alimentaires. Ce produit naturel peut être synthétisé à partir du menthol. Données : Nom Menthol Menthone Formule brute C 9 H 18 CHOH C 9 H 18 CO Formule topologique Masse molaire 156 g.mol g.mol 1 Température d ébullition 215 C 209 C Température de fusion 43 C 6,5 C Couples : MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) et C 9 H 18 CO (l) / C 9 H 18 CHOH (l). Les ions permanganate MnO 4 (aq) sont violets. Les questions 1 à 7 sont indépendantes. 1. a. Quelle est la classe du menthol? b. Quel est le groupe caractéristique de la menthone? À quelle famille appartient-elle? 2. Sous quel état physique se présentent le menthol et la menthone à 20 C. 4/6

5 Protocole de fabrication de la menthone Etape 1 : Dans un ballon, introduire un volume V 2 = 100 ml de solution acidifiée de permanganate de potassium de concentration en ion permanganate C 2 = 0,80 mol.l 1, puis une masse m 1 = 15,6 g de menthol. Puis chauffer à reflux pendant 1h. Etape 2 : Après refroidissement, le contenu du ballon est transvasé dans une ampoule à décanter et du cyclohexane y est ajouté. Après agitation et décantation, deux phases se séparent. Etape 3 : On récupère la phase contenant la menthone en solution dans le cyclohexane et on la transvase dans un nouveau ballon afin de procéder à une distillation. On obtient m exp (menthone) = 11,2 g de menthone. Etude de l étape 1 3. Le menthol réagit avec l ion permanganate MnO 4 (aq) en milieu acide pour donner la menthone. a. Ecrire les deux demi-équations redox. b. Comment appelle-t-on la transformation que subit le menthol pour donner la menthone? Justifier. c. Montrer que l on obtient alors l équation globale suivante en milieu acide : 5 C 9 H 18 CHOH (l) + 2 MnO 4 (aq) + 6 H + (aq) 5 C 9 H 18 CO (l) + 2 Mn 2+ (aq) + 8 H 2 O (l) 4. a. L oxydation du menthol se déroule à une température voisine de 55 C. Justifier la nécessité d atteindre cette température? b. Annoter le schéma du montage de chauffage à reflux ci-après. Montage du chauffage à reflux c. Quel est l intérêt du chauffage à reflux? 5/6

6 5. a. Montrer que l on a introduit n 1 = 0,10 mol de menthol et n 2 = 8, mol d ions permanganate. b. Déterminer le réactif limitant. On complétera littéralement le tableau d avancement ci-dessous : Equation de la réaction 5 C 9 H 18 CHOH (l) + 2 MnO 4 (aq) + 6 H + (aq) 5 C 9 H 18 CO (l) + 2 Mn 2+ (aq) + 8 H 2 O (l) Etat du système Avancement n(menthol) n(mno 4 ) n(h + ) n(menthone) n(mn 2+ ) n(eau) Etat initial Etat final E x c é s E x c é s c. Quelle est la couleur du mélange réactionnel à l état final. Justifier. d. Déterminer la quantité de menthone maximale attendue. e. Calculer le rendement de la synthèse. Etude de l étape 2 Données : Cyclohexane Ethanol Eau Température d ébullition 81 C 78 C 100 C Densité 0,78 0,79 1,0 Solubilité de la menthone soluble soluble insoluble Miscibilité avec l eau non oui oui Pictogramme de sécurité - 6. Justifier le choix du cyclohexane, plutôt que celui de l éthanol, dans ce protocole. 7. (BONUS) Donner les noms des 3 grandes étapes de la fabrication d une espèce chimique. Préciser pour chacune la technique expérimentale mise en œuvre dans le cas de la fabrication de la menthone. 6/6