BACCALAUREAT BLANC SESSION 2016 PHYSIQUE-CHIMIE. Série S. DUREE DE L EPREUVE : 3h30 coefficient : 6. L usage des calculatrices est autorisé.

Transcription

1 BAALAUREAT BLAN SESSIN 2016 PHYSIQUE-HIMIE Série S DUREE DE L EPREUVE : 3h30 coefficient : 6 L usage des calculatrices est autorisé. e sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré. e sujet comporte trois exercices présentés sur 12 pages numérotées de 1 à 12, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres. La feuille ANNEXE (page 12) EST A RENDRE AVE LA PIE Page 1 sur 12

2 Exercice I : Aspirine et prévention cardiovasculaire (8,5 points) L une des propriétés pharmacologiques de l aspirine est d être un fluidifiant du sang. est pourquoi l aspirine peut être utilisée de manière préventive pour diminuer le risque de formation de caillots sanguins responsables des accidents vasculaires cérébraux (AV). L aspirine est alors prescrite à faible dose : 75 à 150 mg/jour. Données : Nom Formule de la molécule Propriétés Anhydride éthanoïque (ou acétique) Acide salicylique Aspirine Les parties 1, 2, 3, 4 de l exercice sont indépendantes. 1. Synthèse de l aspirine H 3 H H H H 3 Masse molaire : 102 g.mol -1 Masse volumique : = 1,082 kg.l -1 Liquide incolore d odeur piquante Température d ébullition sous pression normale : 136,4 Soluble dans l eau et l éthanol Masse molaire : 138 g.mol -1 Solide blanc Température de fusion 159 Peu soluble dans l eau à froid, soluble à chaud. Très soluble dans l alcool et l éther. Masse molaire : 180 g.mol -1 Solide blanc, se décompose à la chaleur à partir de 128 Solubilité dans l eau : 3,3 g.l -1 à 25 Très soluble dans l éthanol L aspirine peut être synthétisée à partir d acide salicylique et d anhydride éthanoïque. L équation de la réaction est : H 3 H H H 4 2 H 3 H 3 H H 3 Protocole : Préparer un bain marie à la température de 70 ; Dans un erlenmeyer, bien sec, sous hotte, introduire : - 10,0 g d acide salicylique ; - 14,0 ml d anhydride éthanoïque ; - quelques grains de pierre ponce. Adapter un réfrigérant à air sur l erlenmeyer ; À la date t = 0, placer l erlenmeyer dans le bain-marie ; Laisser réagir pendant une vingtaine de minutes tout en réalisant quatre nouveaux prélèvements du milieu réactionnel toutes les quatre minutes. Page 2 sur 12

3 1.1. Montrer que l anhydride éthanoïque est introduit en excès Si la réaction était totale, quelle serait la masse d aspirine obtenue lors de cette synthèse? Le candidat pourra s aider d un tableau d avancement. 2. Analyse spectrale des espèces chimiques intervenant dans la synthèse de l aspirine 2.1. Spectre RMN de la molécule d aspirine Recopier la formule de la molécule d aspirine et identifier les deux groupes caractéristiques dans cette molécule. Les nommer Deux carbones particuliers sont repérés par les lettres «a» et «b» dans la formule de la molécule d aspirine reproduite ci-dessous : carbone «b» H 3 carbone «a» H Expliquer pourquoi les atomes d hydrogène liés au carbone «a» correspondent au singulet du spectre RMN de la molécule d aspirine reproduit dans le document 2 ci-après. Justifier de même que le doublet de ce spectre RMN correspond à l atome d hydrogène lié au carbone «b». Document 2 : spectre RMN de la molécule d aspirine 2.2. Spectre IR de la molécule d acide éthanoïque. L autre produit issu de la synthèse de l aspirine est l acide éthanoïque de formule brute 2 H Donner la formule semi-développée de l acide éthanoïque et du méthanoate de méthyle qui est un isomère de l acide éthanoïque. Page 3 sur 12

4 Les spectres infrarouges de ces deux espèces chimiques sont regroupés dans le document 3 ci-dessous. Une table de données de spectroscopie infrarouge est également fournie (document 4). Identifier celui qui appartient à l acide éthanoïque en justifiant. Document 3 : spectres IR de l acide éthanoïque et du méthanoate de méthyle. Document 4 : table de données pour la spectroscopie IR. famille liaison nombres d onde (cm -1 ) cétone = aldéhyde tri H = acide carboxylique H = ester = alcool H lié H libre Page 4 sur 12

5 3. Dosage d un sachet d aspirine L étiquette d un sachet d aspirine prescrit au titre de la prévention des AV porte la mention : «Teneur en aspirine : 100 mg» Un élève se propose de vérifier la teneur en aspirine, notée HA, de ce sachet. Pour cela, il prépare une solution S en introduisant l aspirine contenue dans le sachet dans une fiole jaugée, puis en ajoutant de l eau distillée pour obtenir une solution de volume 500,0 ml. Il prélève ensuite un volume V A = (100,0 0,1) ml de cette solution S qu il dose avec une solution aqueuse d hydroxyde de sodium (Na + (aq) + H (aq)) de concentration molaire c B = (1,00 0,02) 10 2 mol.l -1 en présence de phénolphtaléine. Le volume V E de solution aqueuse d hydroxyde de sodium versé pour atteindre l équivalence est V E = 10,7 0,1 ml Écrire l équation de la réaction acido-basique support de ce dosage Déterminer la masse m exp d aspirine ainsi déterminée. Δmexp 3.3. Déterminer l incertitude relative dont on admet que, dans les conditions de m l expérience, la valeur est donnée par la relation : exp Δm exp ΔV E Δc B = + m exp VE cb En déduire un encadrement de la masse m exp obtenue par l élève L encadrement obtenu à la question précédente est-il en accord avec la mention portée sur le sachet d aspirine? Proposer une explication à l écart éventuellement observé. 4. Autre forme de l aspirine, moins agressive pour l estomac L aspirine ou (acide acétylsalicylique) possède une base conjuguée, l ion acétylsalicylate. Le pka du couple acide/base ainsi constitué est égal à 3, Lors de la digestion, le ph de l estomac est voisin de 2. Quelle est la forme prédominante du couple aspirine/ion acétylsalicylate dans l estomac? Justifier Quand l aspirine reste trop longtemps sous cette forme prédominante dans l estomac, elle y provoque des lésions gastriques. est pourquoi on trouve dans le commerce des formulations différentes, moins agressives pour la paroi de l estomac, comme la catalgine. atalgine (acétylsalicylate de sodium) - Le médicament est soluble dans l eau et l ingestion est facilitée. - Dans l estomac, dont le ph est très acide, les ions acétylsalicylate réagissent avec les ions H 3 + pour redonner de l aspirine moléculaire qui précipite. e précipité, obtenu sous forme de grains microscopiques, est plus facilement assimilable Écrire la formule semi-développée de l ion acétylsalicylate Donner l équation de la réaction se produisant dans l estomac après ingestion de la catalgine. Page 5 sur 12

6 Exercice II : asque audio à réduction de bruit (6,5 points) Une enquête réalisée en 2010 a révélé que les jeunes de 12 à 25 ans passent en moyenne 1h38 par jour à écouter leur baladeur numérique. Dans les transports en commun notamment, nombreux sont ceux qui s isolent de l environnement sonore extérieur en écoutant de la musique. Les casques audio offrent tous une réduction dite «passive» des bruits ambiants en isolant le système auditif par la seule application des oreillettes. Mais il existe aujourd hui des casques audio qui présentent, en plus de la réduction passive, un dispositif dit «actif» qui tend à supprimer les bruits résiduels à l intérieur des oreillettes. L exercice traite de ces dispositifs. Document 1. Extrait de la notice d un casque audio à réduction de bruit La technologie consiste à placer un micro miniature, dans chaque oreillette, destiné à capter le bruit ambiant (trafic, installations de ventilation, climatiseur, etc.) et à la supprimer par un signal anti-bruit adapté. aractéristiques techniques * Un interrupteur disposé sur l oreillette gauche permet d allumer ou d éteindre le dispositif actif. 1. aractéristiques du casque et oreille humaine La «réponse en fréquence» du casque est-elle adaptée à l audition humaine? 2. Efficacité du dispositif de réduction de bruit Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place. Une enceinte acoustique émet un signal sonore de fréquence f et d intensité I toutes deux réglables. Le capteur d un premier sonomètre est placé entre les deux oreillettes du casque. Les oreillettes sont en outre maintenues plaquées l une contre l autre de manière à enfermer le mieux possible le capteur. e sonomètre mesure ainsi le niveau d intensité sonore L entre les oreillettes. asque et sonomètre sont placés face à l enceinte. Un deuxième sonomètre mesure le niveau d intensité sonore à proximité immédiate du casque. Page 6 sur 12

7 Les niveaux d intensité sonore mesurés en fonction de la fréquence sont représentés ci-dessous : - niveau d intensité sonore ambiant à proximité immédiate du casque (cas n 1) ; - niveau d intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif est éteint et que les oreillettes interviennent seules (cas n 2) ; - niveau d intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif fonctionne (cas n 3) Identifier approximativement les domaines de fréquence pour lesquels : - seules les oreillettes sont efficaces pour la réduction de bruit ambiant ; - seul le dispositif actif est efficace pour la réduction du bruit ambiant ; - les deux dispositifs participent à la réduction du bruit ambiant. n pourra présenter les résultats dans un tableau en portant la mention efficace ou la mention inefficace oncernant la réduction de bruit, les mesures ayant permis la construction graphique ci-dessus sont-elles conformes à la performance annoncée dans l extrait de la notice présente dans le document n 1? Justifier. Le casque à réduction de bruit est ensuite testé dans deux environnements sonores différents ; à l intérieur d un train orail et dans une pièce où deux personnes discutent. Les deux environnements sonores ont par ailleurs été enregistrés et les documents 2 et 3 présentent les spectres associés. es sons n étant pas périodiques mais particulièrement complexes, leurs spectres ne sont pas des spectres de raies comme celui d une note jouée par un instrument de musique mais des spectres continus. L amplitude relative en ordonnée montre la contribution de chaque fréquence émise au niveau d intensité sonore global. Document 2. Spectre de l environnement sonore dans un train orail Page 7 sur 12

8 Document 3. Spectre de l environnement sonore créé par une discussion dans une pièce 2.3. Exploiter l ensemble des trois graphes afin de prévoir dans lequel des deux environnements sonores le dispositif actif est susceptible d intervenir le plus efficacement. Justifier. 3. Simulation du dispositif actif D après la notice, la réduction active du bruit consiste à émettre un signal dit «anti-bruit». Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place. Le bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdale de fréquence f B = 132 Hz émise par l enceinte acoustique B. Le signal anti-bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdales de fréquence f A émise par une deuxième enceinte acoustique A accolée à la première. Un logiciel contrôle la fréquence et l intensité de chaque signal ainsi que le déphasage entre les signaux. À une distance de deux mètres face aux enceintes, le niveau d intensité sonore du son émis par chaque enceinte, seule, est systématiquement ajusté à L A = L B = 50 db. e dispositif permet ainsi de mesurer l influence de la fréquence de chaque signal et du déphasage entre les signaux sur le niveau d intensité sonore L face aux deux enceintes à une distance de deux mètres. Les résultats de trois expériences sont regroupés dans le document 4 ci-après. Document 4. Résultats des expériences Expérience Fréquence f B (Hz) Fréquence f A (Hz) Déphasage à l émission des signaux produits par en phase en opposition de phase les enceintes A et B L (db) 53±1 56±1 44±1 Remarque : Les incertitudes affichées dans ce document sont associées à des niveaux de confiance de 95%. Page 8 sur 12

9 3.1. Les intervalles de confiance associés aux mesures des niveaux d intensité sonores lors des expériences 1,2 et 3 permettent-ils de conclure que les valeurs mesurées sont significativement différentes? Justifier n note I l intensité sonore associée au niveau d intensité sonore L. Pour quelle expérience l intensité I du son est-elle la somme des intensités des sons issus de chaque enceinte prise séparément? n justifiera la réponse par un calcul omme les ondes électromagnétiques, les ondes sonores peuvent donner lieu aux phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction, interférences, etc Par comparaison avec les propriétés des ondes électromagnétiques monochromatiques, indiquer quel phénomène physique est responsable de la variation du niveau d intensité sonore observée d une expérience à l autre dans le document 4. n apportera les précisions nécessaires permettant de justifier l évolution du niveau d intensité sonore Quelle expérience modélise le dispositif actif de réduction de bruit? Justifier votre réponse. Exercice III : effet Doppler et astrophysique (5 points) L effet Doppler constitue un moyen d investigation utilisé en astrophysique Il permet de déterminer la vitesse des astres à partir de l analyse spectrale de la lumière que ceux-ci émettent. et exercice s intéresse à deux applications distinctes, à savoir le modèle d Univers en expansion et la détection d une étoile double «spectroscopique». Les parties 1 et 2 sont indépendantes. Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en fin d exercice. Donnée : 1 Å = 0,1 nm 1. Preuve de l expansion de l Univers 1.1. En utilisant le document 3, déterminer la longueur d onde médiane du doublet de a 2+ dans le spectre de la galaxie nommée : NG 691. Sachant que la longueur d onde médiane 0 de ce doublet mesurée sur Terre pour une source au repos est de 5268 Å, calculer le «redshift» z caractérisant le décalage vers le rouge de cette galaxie, défini dans le document alculer la vitesse d éloignement de la galaxie NG 691 par rapport à la Terre À l aide des documents 1 et 2, établir la relation entre la vitesse d éloignement V de la galaxie et sa distance d à la Terre, montrant que V est proportionnelle à d. 2. Détection d une étoile double «spectroscopique». n appelle «étoile double» un système stellaire composé de deux étoiles proches en orbite autour du même point (ce point étant le centre d inertie G du système). Une étoile double «spectroscopique» est constituée de deux astres trop proches pour être séparés par un télescope optique et ne peut être détectée que par l étude de son spectre à haute résolution. Le mouvement des deux étoiles provoque en effet un léger déplacement des raies d absorption du spectre par effet Doppler. Dans les questions suivantes, on suppose que les deux étoiles A et B décrivent des orbites circulaires de même rayon R, avec la même vitesse V = V A = V B. La période de rotation commune aux deux étoiles A et B est notée T : c est la période de l étoile double. Page 9 sur 12

10 2.1. Expliquer pourquoi, dans la situation décrite sur le document 4, on A > B Sachant que l effet Doppler ne se manifeste pas lorsque le vecteur vitesse de la source est perpendiculaire à la direction de visée, compléter en justifiant le tableau de l ANNEXE À RENDRE AVE LA PIE. Schématiser sans souci d échelle le spectre correspondant à chaque configuration et montrer que l évolution temporelle de ces spectres est périodique de période T/ En utilisant les spectres du document 5 qui montrent l évolution temporelle de la position de la raie H dans le spectre de l étoile double HD 80715, vérifier que la période T de celle-ci est voisine de 3,8 jours. Document 1 : principe de l effet Doppler DUMENTS DE L EXERIE III n note 0 la longueur d onde de référence de la raie étudiée dans le spectre (source immobile par rapport à l observateur) et la longueur d onde de la radiation émise par la source en mouvement. Lorsqu une étoile s éloigne de la Terre, on observe un décalage vers les grandes longueurs d onde appelé 0 «redshift» et caractérisé par le nombre z = 0 La formule de Doppler donne la vitesse d éloignement V de la source lumineuse par rapport à l observateur terrestre: 0 V = c c est la célérité de la lumière dans le vide (c = 2, m.s -1 ) 0 Document 2 : Décalage vers le rouge En 1930, Edwin HUBBLE avait constaté expérimentalement que plus les galaxies étaient lointaines, plus leur spectre présentait un décalage vers le rouge important. Le «décalage vers le rouge», qui sera appelé «redshift» apparaît, quand il est petit, comme proportionnel à la distance : z = Hd 0 c où H 0 est une constante appelée constante de Hubble. e décalage est traditionnellement interprété comme étant dû à la vitesse d éloignement des galaxies. ette interprétation, si elle est vraie pour les «redshifts» petits est en fait fondamentalement erronée dans une perspective de relativité générale. Les «redshifts» observés vont d une fraction de l unité pour la plupart des galaxies, à 4 ou 5 pour les objets plus lointains, quasars, ou certaines autres galaxies. D après «osmologie : Des fondements théoriques aux observations» Francis Bernardeau (NRS Éditions EDP sciences) Page 10 sur 12

11 Document 3 : Extrait du spectre NG 691 Doublet de a Longueurs d onde en Å Source : observatoire de Haute Provence, logiciel libre SalsaJ. Document 4 : Effet du mouvement des deux composantes d une étoile double sur une raie d absorption si l axe reliant les deux étoiles est perpendiculaire à l axe de visée. a) onfiguration : b) Spectre observé (extrait) : n note : A la longueur d onde de la raie provenant du spectre de l étoile A et B la longueur d onde de la raie provenant du spectre de l étoile B. Document 5 : Évolution temporelle de la position de la raie H dans le spectre de l étoile HD rédit : «bservatoire de Paris / U.F.E.» Page 11 sur 12

12 Question 2.2. ANNEXE DE l EXERIE III À RENDRE AVE LA PIE Pour chaque proposition, indiquer la (les) configurations correcte(s). Relation entre A et B A = B A > B A < B onfiguration(s) Sur ces schémas, l observateur n est pas représenté car il est à une très grande distance. Page 12 sur 12