DEVOIR DE SYNTHESE N 2. Les solutions tampons

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1 MINESTERE DE L EDUCATION DIRECTION REGIONALE DE NABEUL LYCÉE TAIEB MEHIRI MENZEL TEMIME PROPOSÉ PAR : MOHAMED CHERIF, AHMED RAIES, SALWA RJEB. EPREUVE : SCIENCES PHYSIQUES NIVEAU: 4 EME SECTION : SC.EXPERIMENTALES DEVOIR DE SYNTHESE N DATE : 9 MARS 01 DUREE : 3 h COEF : 4 L épreuve comporte deux exercices de chimie et deux exercices de physique répartis sur cinq pages numérotées de 1/5 à 5/5. Les pages -4/5- et -5/5- de la feuille annexe est à compléter et à remettre avec la copie. L'usage d'une calculatrice non programmable est autorisé. CHIMIE : (9 points) Exercice n 1(3 points) : Les solutions tampons Une solution tampon est une solution qui maintient le ph relativement stable dans une certaine zone malgré l ajout de base ou d acide. Elle est composée d un couple acide-base, soit d un acide et de sa base conjuguée ou l inverse, dans des concentrations assez proches. Les solutions tampons jouent un rôle vital dans l organisme humain. En effet, sans la présence de solutions tampons dans le sang et la salive, l ingestion d une substance dont le ph diffère légèrement du ph habituel pourrait entraîner de graves problèmes de santé, voir la mort. En effet, l activité cellulaire rejette du CO dans le sang, mais aussi des ions H +, qui sont assez nombreux pour faire descendre le ph à des valeurs où les cellules ne peuvent pas survivre. En effet, le ph sanguin d un humain doit être maintenu environ entre 7,35 et 7,45. Notre sang contient plusieurs couples tampons, qui stabilisent le ph et rendent la vie possible. Un couple important est celui du CO, produit par l activité cellulaire, et de l eau. Le couple H CO 3 et HCO 3 - est alors formé.. «Encyclopédie Wikipédia» Questions : 1) Relever du texte la définition d une solution tampon ainsi que sa propriété. ) a- D où proviennent les ions H + dans le sang? b- Pourquoi ces ions peuvent-être la cause de graves problèmes de santé? 3) a- Quelle réaction chimique peut former le couple H CO 3 /HCO 3 -? b- Pourquoi ce couple est qualifié de tampon? Exercice n (6 points) : A la température 5 C, on dose un échantillon de volume V A = 0 ml d une solution aqueuse (S A ) d acide éthanoïque CH 3 COOH, de concentration C A par une solution aqueuse (S b ) de soude de concentration C B = 0,1 mol.l -1. À l aide d un ph-mètre, on suit l évolution du ph du mélange réactionnel, en fonction du volume V B de la solution (S B ) ajoutée. On obtient la courbe de la figure-- de la feuille annexe (page-4/5-) à compléter et à remettre avec la copie. On donne : à 5 C, K e = ) Le montage expérimental qui a permis de faire ce dosage acido-basique est représenté sur la figure-1- de la feuille annexe (page-4/5-). Annoter la figure-1- par la légende convenable. ) a- Déterminer graphiquement la valeur de la concentration C A de la solution (S A ) et le pk a du couple CH 3 COOH / CH 3 COO -. b- A l aide de la valeur du ph initial, montrer que l acide éthanoïque est un acide faible. -Devoir de synthèse n - 4 èmes Sc.Exp.- 9 Mars 01- -page 1/5-

2 3) a- Ecrire l équation bilan de la réaction de ce dosage. b- Exprimer la constante d équilibre K de cette réaction en fonction de K a et K e. c- Calculer K et commenter sa valeur. 4) a- Déterminer, graphiquement, les coordonnées du point d équivalence E. b- En déduire le caractère du mélange à l équivalence acido-basique. c- Justifier qualitativement ce caractère. 5) On dilue 10 fois la solution initiale (S A ) et la solution (S B ) et on refait l expérience en dosant un échantillon de même volume V A = 0 ml de la solution diluée. a- Montrer qualitativement que la valeur du ph à l équivalence diminue. b- Vérifier par le calcul que la nouvelle valeur du ph à l équivalence devient ph E = 8,5. c- Représenter sur la figure-- la nouvelle allure de la courbe ph=f(v b ) tout en précisant les points particuliers. PHYSIQUE : (11 points) Exercice n 1 :(6,5 points) Un solide (S) de centre d inertie G, de masse m et pouvant glisser sur un plan horizontal, est lié à l extrémité d un ressort horizontal (R) de masse négligeable, de raideur k = 40 N.m -1 et dont l autre extrémité est fixe. Lorsque (S) est dans sa position d équilibre, G occupe l origine du repère (O, (R) (S) i ) d axe Ox horizontal (figure-3-). Un excitateur approprié exerce sur le solide (S) une force F= Fm sin( t) i où l amplitude F m est constante et la pulsation est réglable. Ce solide est introduit dans O i un liquide amortisseur où il subit une force de frottement visqueux f = -h. v avec h un coefficient positif et v est la vitesse de G. En régime permanent, l équation horaire du mouvement de G est de type x(t) = X m sin ( t + x ). 1) Pour un circuit RLC série alimenté par un générateur délivrant une tension sinusoïdale u(t) = U m sin( t), l amplitude Q m de la charge q du condensateur est donné par : Q m = b- Dire, en le justifiant, quel risque peut courir le système {solide, ressort}, si ce coefficient prend une -Devoir de synthèse n - 4 èmes Sc.Exp.- 9 Mars 01- -page /5- U m R + L 1 C Montrer que l amplitude Q m est maximale pour une valeur 1 = 1 LC R L de la pulsation. ) Par analogie électrique-mécanique, donner les expressions de: a- l amplitude X m des oscillations du centre d inertie G du solide (S) ; b- la pulsation r pour laquelle l amplitude X m est maximale. 3) On mesure l amplitude X m pour différentes valeurs de la pulsation ω de la force excitatrice, ce qui a permis de tracer la courbe X m = f(ω) et d en déduire la courbe V m = g(ω) qui traduit les variations de l amplitude V m de la vitesse instantanée v(t) du centre d inertie G du solide (S). On obtient les courbes (a) et (b) de la figure-4- de la feuille annexe (page-5/5-). a- Montrer que la courbe (a) correspond à l évolution de X m = f(ω). b- Expliquer comment peut-on obtenir la courbe (b) à partir des mesures qui ont permis de tracer la courbe (a). 4) Déterminer graphiquement : a- La valeur de la pulsation propre ω 0 du système {solide, ressort}. En déduire la valeur de la masse m du solide. b- la valeur de la pulsation ω r ; c- l amplitude X mr à la résonnance d élongation ; d- l amplitude V mr à la résonnance de vitesse. 5) a- Montrer que la valeur maximale de la force excitatrice est F m = 4N. b- Par analogie électrique- mécanique, exprimer à la résonance de vitesse, l amplitude F m en fonction de h et V mr. c- En déduire la valeur du coefficient de frottement visqueux h. 6) a- Calculer, à la résonnance de vitesse, le coefficient Q = KX m F m. Figure-3- x

3 valeur assez grande. c- Donner par analogie électrique-mécanique, l expression de ce coefficient dans le cas du circuit RLC série alimenté par la tension u(t). Que représente ce coefficient? Exercice n (4,5 points) Une corde élastique, de longueur L = 40 cm, tendue horizontalement et reliée par l une de ses extrémités S à un vibreur électrique qui lui impose des vibrations rectilignes sinusoïdales d amplitude a = mm et de fréquence N= 50Hz. La célérité des ondes le long de la corde est v = 5 m.s -1. 1) Décrire ce que l on observe en lumière stroboscopique pour une fréquence des éclairs : a- N e = 5 Hz. b- N e = 49 Hz. ) Définir la longueur d onde puis la calculer. 3) Ecrire l équation horaire du mouvement de la source S sachant qu à l instant t = 0 s, elle débute son mouvement vers le bas. 4) Montrer que l équation horaire du mouvement d un point M de la corde d abscisse x = SM s écrit : y M (t) =.10-3 sin (100 t - x + ) pour tout t x v. 5) a- Ecrire l équation du mouvement d un point M 1 de la corde d abscisse x 1 = SM 1 = 17,5 cm. b- Représenter sur la figure-5- de la feuille annexe (page-5/5-) les diagrammes du mouvement de la source S et du point M 1. Comparer les mouvements des points S et M 1. 6) a- Représenter sur la figure-6- de la feuille annexe (page-5/5-), l aspect de la corde à l instant t 1 =0,035 s. b- Déterminer, graphiquement les abscisses des points de la corde qui ont à l instant t 1 une élongation nulle en se déplaçant dans le sens négatif. Représenter ces points sur la figure-6-. -Devoir de synthèse n - 4 èmes Sc.Exp.- 9 Mars 01- -page 3/5-

4 FEUILLE ANNEXE Nom :..Prénom :.Classe :.N :.. CHIMIE : (exercice n ).. solution. ph-mètre.90 Solution... Agitateur magnétique Figure-1-.à C =..mol.l ph ,8 4, Figure-- V B (ml) L -Devoir de synthèse n - 4 èmes Sc.Exp.- 9 Mars 01- -page 4/5-

5 PHYSIQUE : Exercice n 1 : 75 5,5 Figure-4- Exercice n : y(mm) 0 1 t(10 - s) - Figure-5- y(mm) x(cm) Figure-6- -Devoir de synthèse n - 4 èmes Sc.Exp.- 9 Mars 01- -page 5/5-