PHYSIQUE-CHIMIE. Durée de l'épreuve : 3 heures. Coefficient : 5

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1 Première S DEVOIR COMMUN Session 2015 PHYSIQUE-CHIMIE Durée de l'épreuve : 3 heures Coefficient : 5 L usage de la calculatrice électronique est autorisé. Document autorisé : la classification périodique des éléments. Ce sujet comporte 4 parties présentées sur 11 pages numérotées de 1 à 11, y compris celle-ci. L annexe (page 11 ) est à rendre avec la copie. DevCom1 Page 1/11

2 Le candidat doit traiter les quatre parties qui sont indépendantes les unes des autres : Partie A Alcools à brûler! (4 points) Partie B Soleil et atmosphère terrestre (5 points) Partie C Dosage colorimétrique de l aluminium (5 points) Partie D Modélisation d un microscope (6 points) Partie A Alcools à brûler! (4 points) Le but de cet exercice est d étudier les alcools et leur structure. A.1 La combustion de l éthanol En cuisine, l éthanol des alcools de consommation peut servir à flamber les aliments. La base de la flamme obtenue est de couleur bleue. L analyse du spectre de cette lumière donne un maximum d intensité pour une radiation à λmax = 457 nm. A.1.1) La loi de Wien s écrit θ = 2,89 x 106 λ max 273 avec la température θ de surface du corps noir en C et la longueur d onde λmax en nm. Calculer la température de la flamme en utilisant la loi de Wien. A.1.2) La température de la flamme, mesurée avec un thermomètre pour haute température, vaut θ = 390 C. D après vos connaissances, comment est-ce possible que cette source de lumière colorée, ait une température aussi différente de celle prévue par la loi de Wien? A.1.3) L équation de la réaction équilibrée de combustion de l éthanol est la suivante : C2H5OH(l) + 3 O2 (g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g) On réalise la combustion de l éthanol avec les quantités initiales : n0(c2h5oh) = 2,5 mol ; n0(o2) = 6,5 mol Établir un tableau d avancement pour cette réaction. A.1.4) Quel est le réactif limitant? En déduire les quantités de matière à l état final. A.2 - Etude de la structure des alcools Voici les formules semi-développées de l éthanol et du propan-2-ol : éthanol A.2.1) Ces espèces chimiques sont-elles des espèces organiques? Justifier propan-2-ol A.2.2) L éthanol et le propan-2-ol sont-elles des molécules colorées? Justifier votre réponse. A.2.3) En analysant les formules de l éthanol et du propan-2-ol, donner le groupe qui distingue les alcools des autres composés organiques. DevCom1 Page 2/11

3 Partie B : Soleil et atmosphère terrestre (5 points) L objectif de cette partie est d étudier deux phénomènes résultants de l interaction entre le rayonnement solaire et l atmosphère terrestre : la luminescence en haute atmosphère et l effet de serre. Auparavant, une brève étude du fonctionnement de notre étoile sera menée, et sa durée de vie sera estimée. DONNEES : Constante de Planck : h = 6,62 x J.s. Vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 x 10 8 m.s -1. Conversion d un électronvolt en Joule : 1 ev = 1,602 x J. B.1 -Phénomènes de luminescence de l atmosphère Document B.1 : Rayonnements EUV et luminescence On appelle «ultraviolet extrême» (EUV) les rayonnements de longueur d onde comprise entre 10 et 120 nm. Ceux-ci sont arrêtés par les couches supérieures de + l atmosphère, ce qui a pour effet de produire des ions, principalement O 2+, N 2 et O +. Ces phénomènes d interaction entre rayonnement et atmosphère sont étudiés grâce à l émission de lumière, appelée luminescence, qui suit le retour dans l état fondamental des atomes de l atmosphère qui ont été excités. On utilise notamment deux raies émises dans le visible ( nm) par l atome d oxygène. Ces deux raies, l une rouge et l autre verte, sont en effet particulièrement intenses. Document B.2 : Niveaux d énergie de l atome d oxygène (sans l état ionisé) L énergie d ionisation de l atome d oxygène est de 13,6 ev D après la thèse de doctorat de Frédéric Culot, Université Joseph Fourier, B.1.1) Expliquer ce que signifie ionisation en s aidant du document B.1 et de la racine du mot. Quel est l ion créé par l ionisation de l atome d oxygène sous l action des rayons EUV? B.1.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possèdent une énergie plus grande ou plus petite qu un photon du visible. Expliquer en quoi la présence d une atmosphère, indépendamment de sa composition, a participé à l apparition de la vie sur Terre. B.1.3) Un photon de longueur d onde 10 nm peut-il ioniser un atome d oxygène? Et un photon de longueur d onde 100 nm? B.1.4) À partir du Document B.2, identifier les transitions responsables de la raie verte et de la raie rouge qui sont utilisées pour l étude des interactions entre rayonnement EUV et atmosphère. DevCom1 Page 3/11

4 B.2 -Effet de serre Document B.3 : Extrait de l article de Wikipedia.org consacré à l effet de serre «Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d eau et sans nuages), et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à -18 C. Mais à cette température la glace s étendrait sur le globe, l albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de -50 C» Document B.4 : Spectres solaires avant et après l atmosphère [1 micron = 1 μm =10-6 m] Document B.5 : Rayonnements transmis par l atmosphère, en provenance du Soleil vers la Terre, et en provenance de la Terre vers l espace. DevCom1 Page 4/11

5 B.2.1) À partir du Document B.4, déterminer la température de la surface du Soleil. B.2.2) La température moyenne à la surface de la Terre est de 15 C. Déterminer la position de son maximum d émission (rappel : 0 C = 273,15 K) et préciser à quel domaine optique il appartient. B.2.3) À partir de vos calculs et des documents fournis, rédiger un paragraphe expliquant de manière détaillée comment l atmosphère terrestre a permis l apparition de vie sur Terre, en y maintenant une température pour laquelle l eau se trouve sous forme liquide. B.2.4) À partir de vos connaissances, dire quel gaz rejeté par les activités humaines est impliqué dans l effet de serre. Quelle est l origine de ces émissions? Partie C : Dosage colorimétrique de l aluminium (5 points) Le but de cet exercice est d exploiter une analyse par spectrophotométrie afin de s assurer qu un échantillon d eau est potable. Document C.1 : toxicité de l aluminium L absorption de l aluminium par voie orale est limitée et dépendante de très nombreux facteurs (type de composé, solubilité, co-administration avec de l eau ou dans l alimentation, etc.). Elle est estimée à 0,1 % lorsque l aluminium est présent dans l aliment. Largement distribué à travers l organisme, l aluminium peut atteindre le cerveau et franchir la barrière placentaire. Sa demi-vie d élimination très variable selon les études, peut atteindre plusieurs années lorsqu il est administré de façon chronique. Son élimination est principalement rénale. Les effets chez l Homme (neurotoxicité, atteinte osseuse, anémie) sont connus chez les insuffisants rénaux exposés de façon chronique à l aluminium, ainsi que chez les prématurés alimentés par voie parentérale. La dose systémique de 5 μg d aluminium par kilogramme de masse corporelle par jour est considérée sans risque par la FDA (Food and Drug Administration) pour l utilisation de solutés par voie parentérale pour deux populations dont la fonction rénale est diminuée : les enfants prématurés et les insuffisants rénaux. L EFSA (European Food Safety Agency) a considéré que les résultats de génotoxicité obtenus dans les essais avec l aluminium ne sont probablement pas pertinents pour l Homme exposé par la voie alimentaire. Les études chez l animal ne mettent pas en évidence de potentiel cancérogène. Les données épidémiologiques ne permettent pas d établir un lien concluant entre l exposition cutanée à l aluminium et l apparition d un cancer. Source : Agence nationale de sécurité du médicament et du produit de santé (ANSM), anciennement Agence française de sécurité sanitaire des produits de santé (AFSSAPS), DevCom1 Page 5/11

6 Document C.2 : quantité maximale d aluminium autorisée dans l eau destinée à la consommation humaine L arrêté du 11 janvier 2007 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine mentionnées aux articles R , R , R et R du code de la santé publique précise, dans son annexe, que la teneur maximale en aluminium d une eau potable ne doit pas dépasser la concentration massique T max = 200 μ g L -1. Source : cidtexte=jorftext &datetexte=&categorielien=id Document C.3 : dosage de l aluminium dans l eau potable On prépare 1,00 L d une solution mère de chlorure d aluminium AlCl 3 solide en dissolvant m = 1,087 g de ce solide. Ce dernier se dissout totalement dans l eau en libérant des ions aluminium (III) Al 3+ et des ions chlorure Cl - selon l équation : AlCl3(s) Al 3+ (aq) + 3 Cl - (aq). On dilue cette solution mère 100 fois afin d obtenir afin d obtenir 100,0 ml d une solution qui sera appelée par la suite S0. Les ions aluminium (III) sont incolores en solution aqueuse. Pour pouvoir les observer, on ajoute un colorant appelé aluminon (voir le Document C.4) en large excès lors de la préparation de l échelle de teintes. Une nouvelle espèce chimique colorée est ainsi obtenue par une transformation chimique supposée totale. L échelle de teintes est préparée de la façon suivante : il faut placer dans une fiole jaugée de 50,0 ml, 5 ml d une solution d aluminon, 20 ml d une solution tampon permettant de maintenir le ph à 4,8, un certain volume de solution S0 précisé dans le tableau placé à la suite de l exercice et compléter jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée. Après homogénéisation et un temps d attente de 15 minutes, les échantillons sont analysés au spectrophotomètre. L absorbance est par la suite mesurée à 525 nm. L absorbance d un échantillon d eau du robinet donne une valeur de 0,12. Document C.4 : Formule topologique de l aluminon. Source : DevCom1 Page 6/11

7 Document C.5 : Absorbance d une solution d aluminium avec aluminon selon la longueur d onde (wavelength en anglais) de la lumière qui traverse la solution. Document C.6 : Mesures d absorbance de différentes solutions selon leur concentration en ion aluminium. Solution Volume de S 0 utilisé Concentration molaire en élément Absorbance mesurée (en ml) aluminium (mmol.l -1 ) S 1 0,0 0,00 0,000 S 2 1,0 0, ,012 S 3 3,0 0, ,037 S 4 6,0 0, ,072 S 5 12,0 2, ,150 S 6 15,0 2, ,190 S 7 20,0 3, ,250 Source : exercice donné au baccalauréat (spécialité, 2011, Amérique du Sud) DevCom1 Page 7/11

8 Document C.7 : Absorbance de la solution d aluminium avec aluminon en fonction de sa concentration molaire en élément aluminium, Source : auteur à partir des données du Document C.6. C.1 sécurité et masse molaire du trichlorure d aluminium Données : Numéros atomiques des éléments chlore et aluminium : Z(Al) = 13 ; Z(Cl) = 17 C.1.1) Sur l étiquette du flacon contenant le trichlorure d aluminium, on trouve l étiquette suivante : Que signifie le pictogramme de cette étiquette? Danger H314 Quelle(s) précaution(s) doit-on prendre avant de manipuler ce produit en toute sécurité? C.1.2) Calculer la masse molaire du trichlorure d aluminium. C.1.3) La solubilité du trichlorure d aluminium dans l eau à 20 C vaut 4.1 mol.l -1, ce qui veut dire que l on peut dissoudre au maximum 4,1 mol dans un litre d eau. Vérifier par le calcul que la masse de chlorure d aluminium introduite pour préparer la solution mère se dissout totalement dans l eau. DevCom1 Page 8/11

9 C.2 - Préparation de la solution-mère C.2.1) En vous appuyant sur les documents C.3 et C.6, expliquer l intérêt de préparer une échelle de teinte. C.2.2) Établir un tableau d avancement pour cette réaction équilibrée : AlCl3(s) Al 3+ (aq) + 3 Cl - (aq) C.2.3) En n oubliant pas que la dissolution est totale dans les conditions du dosage, quel est le réactif limitant? En déduire les quantités de matière à l état final. C.2.4) Calculer la concentration C en soluté apporté. (c est-à-dire la concentration du solide en imaginant qu il se soit dissous sans former Al 3+ ni Cl -, donc la concentration en AlCl3 dans l eau à l état initial) C.2.5) En déduire les concentrations en ions chlorure et en ions aluminium (III). C.3 - Dosage de l aluminium C.3.1) D après le document C.3 : «L absorbance est par la suite mesurée à 525 nm». Pourquoi ne doit-on garder une longueur d onde à 525 nm pour effectuer l ensemble de nos mesures? C.3.2) Sur le document C.7, l ensemble des points peut être modélisé par une droite passant par l origine : on admet que l absorbance de la solution d aluminium en aluminon en fonction de sa concentration molaire en élément aluminium est une droite passant par l origine (fonction affine) Comment avoir accès à la concentration molaire en aluminium, lorsqu on connaît l absorbance de cette solution? C.3.3) Que vaut l absorbance d un échantillon d eau du robinet? En déduire sa concentration molaire. Quelle est la concentration massique à ne pas dépasser en aluminium dans l eau? C.3.4) D après les résultats précédents, l eau analysée est-elle potable? Justifier C.4 - Retour sur la physique de l absorption C.4.1) Expliquer pourquoi l aluminon (Document C.4) absorbe la lumière dans le visible. C.4.2) Quelle sera la couleur de l aluminon? Quelles seront les lumières colorées absorbées? DevCom1 Page 9/11

10 Extrait du bac 2007 Asie Partie D : MODELISATION D UN MICROSCOPE (6 points) Au cours d une séance de travaux pratiques, le professeur propose à un groupe d élèves de modéliser un microscope sur un banc d optique. Les élèves disposent du matériel suivant : - un banc d optique horizontal gradué au millimètre ; - un écran ; - deux lentilles convergentes de 8,0 cm de diamètre ; l une L 1, de centre optique O 1, de distance focale f 1 = 10,0 cm qui servira d objectif, l'autre L 2 de centre optique O 2, de distance focale f 2 = 15,0 cm qui servira d oculaire ; - un objet, modélisé par une flèche AB de 0,50 cm de hauteur (pointe tournée vers le haut) dessinée sur du papier calque et placée verticalement devant une source de lumière. L origine A de la flèche sera située sur l axe optique commun des deux lentilles. Dans les consignes données aux élèves, le professeur précise que l'intervalle optique du microscope modélisé est = F 1F 2 = 40,0 cm avec F 1 foyer image de la lentille L 1 et F 2 foyer objet de la lentille L 2. D.1. Image intermédiaire A 1B 1. Voici un extrait du protocole proposé aux élèves : «Placer l objet AB à 12,5 cm en avant de la lentille L 1. Déplacer l écran entre L 1 et L 2. Repérer la position de l écran qui permet d obtenir une image nette, noter la distance O 1A 1. Mesurer la hauteur de cette image A 1B 1. Noter son sens par rapport à l objet.» Sur le compte rendu d un groupe d élèves, le professeur trouve les résultats suivants : O 1A 1 = 50,3 cm ; A 1B 1 =2,1 cm ; sur l écran, la flèche est orientée vers le bas. Les questions suivantes vont permettre de vérifier l'exactitude de ces résultats. D.1.1) Placer sur le schéma 1 DE L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, en utilisant les échelles suivantes : verticalement, échelle 1/1 ; horizontalement, échelle 1/10 ; les points A et B, puis tracer la marche de trois rayons lumineux issus de B. Tracer alors l image A 1B 1 et mesurer la distance A 1B 1 : conclure D.1.2) En appliquant la relation de conjugaison à la lentille L 1, déterminer la position de l'image intermédiaire A 1B 1. Avec quel point particulier pour la lentille L 2, le point A 1 est-il confondu? On choisira les sens positifs suivants : verticalement, le sens de l objet AB ; horizontalement, le sens de propagation de la lumière. D.1.3) Déterminer le grandissement théorique de l objectif 1. D.1.4) Calculer la hauteur de l image A 1B 1. D.1.5) Quel est le sens de cette image? Conclure. D.2. L image définitive A'B'. Dans cette sous-partie, l image A 1B 1 pour la lentille L 1 devient un objet pour la lentille L 2. A 1B 1 sera considéré comme un objet. D.1.3) Déterminer le grandissement théorique de l oculaire 2. Sur le schéma 2 DE L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, figurent le point A 1 et la lentille L 2 qui sert d oculaire. II est réalisé en utilisant les échelles suivantes : verticalement, échelle 1/1 ; horizontalement, échelle 1/10. D.2.1) Placer sur le schéma 2 DE L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, le point B 1, puis tracer la marche de deux rayons lumineux issus de B 1. D.2.2) Quelle est la position de l image définitive A B? Mesurer A B. D.3. Utilisation du microscope. On appelle grandissement final du microscope le rapport f = A B / AB. D.3.1) Calculer le grandissement final f. D.3.2) En exprimant A B en fonction de 2 et A 1B 1 d une part ; AB en fonction de 1 et A 1B 1 d autre part, exprimer f en fonction de 1 et 2. Calculer 2. D.3.3) Conclure sur l utilité d un microscope. En admettant que pour un objet donné, le grandissement d une lentille varie dans le même sens que sa focale, conclure sur le choix de l oculaire et de l objectif pour avoir un grandissement final maximal. D.4.4) L œil humain peut observer un objet sans se fatiguer seulement s il est situé à une grande distance : on dit alors que l objet est à l infini et ses rayons sont parallèles. Dans le cas de notre microscope, A B va devenir un objet pour notre œil. Dans quel cas un rayon émerge-t-il d une lentille parallèle à l axe optique? Conclure sur l endroit particulier où doit se trouver A 1B 1 pour obtenir des rayons parallèles à l axe optique. DevCom1 Page 10/11

11 ANNEXE DE LA PARTIE D À RENDRE AVEC LA COPIE Schéma 1 + L 1 L 2 + O 1 O 2 Schéma 2 + L 2 + A 1 O 2 DevCom1 Page 11/11