DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES TLE S La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l orthographe et à l expression écrite. Chaque partie est indépendante! EXERCICE I : QUAND L ALUMINIUM NOUS EMPOISONNE (8 points) Compétences : Exploiter des spectres UV-Visible L aluminium est reconnu pour ses effets néfastes à haute dose sur le système nerveux. Les cellules du cerveau des patients atteints d Alzheimer contiennent de 10 à 30 fois plus d aluminium que la normale. L institut de la Veille sanitaire a réalisé en 2003 une étude poussée qui montre le manque de données suffisantes pour confirmer ou infirmer les conséquences de l aluminium sur la santé. Les études ont porté surtout sur la qualité des eaux utilisées pour la boisson, mais pas sur les effets des emballages en aluminium. D après un article de Wikipédia Document 1. Arrêté fixant la teneur maximale en aluminium d une eau potable 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. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du code de la santé publique précise, dans son annexe, que les normes actuelles tolèrent une concentration maximale en aluminium de 7,4 µmol.l 1 pour l eau potable. Document 2. Simulation du spectre d absorption d une solution d aluminium avec aluminon Cercle chromatique Le but de cet exercice est d exploiter une analyse par spectrophotométrie afin de s assurer qu un échantillon d eau vérifie ce critère. 1 / 8
PARTIE 1 : Préparation de la solution S 0 On prépare 1,00 L d une solution mère de concentration 8,15 mmol.l 1 en élément aluminium à partir de chlorure d aluminium hexahydraté AlCl 3, 6H 2O solide (il libère des ions aluminium III Al 3+ lors de sa dissolution en solution aqueuse). On prélève un volume qui est dilué 100 fois afin d obtenir 100,0 ml d une solution qui sera appelée par la suite S 0. 1.1. Retrouver* qu il faut peser 1,97 g de chlorure d aluminium hexahydraté de masse molaire M = 241,5 g.mol 1 pour préparer un litre de solution à une concentration de 8,15 mmol.l 1 en élément aluminium. * cela signifie «calculer la masse.. et vérifier qu on trouve bien 1,97 g» 1.2. Quel est le volume de solution mère à prélever pour préparer la solution S 0? Justifier la réponse. PARTIE 2 : Préparations des étalons et dosage de la teneur en aluminium de l échantillon On fait réagir les ions aluminium III, contenus dans une solution incolore, avec un colorant appelé aluminon présent en large excès. Une nouvelle espèce chimique colorée est ainsi obtenue par une transformation chimique supposée totale. À partir de la solution S 0, on prépare sept solutions de concentrations différentes en ions aluminium III, auxquelles on ajoute 5 ml d aluminon. Puis, on mesure leur absorbance à l aide d un spectrophotomètre réglé à la longueur d onde = 530 nm. Les points de mesure de l absorbance pour différentes concentrations en ion aluminium III sont représentés sur le document annexe. 2.1. Quelle est la couleur de la solution d aluminium avec aluminon? Justifier la réponse. 2.2. Pour quelle raison choisit-on de se placer à la longueur d onde 530 nm pour réaliser le dosage par étalonnage de la solution d aluminium? 2.3. Quelle est la verrerie, parmi la liste suivante, qui permet de prélever un volume de 5 ml, sans recherche de précision? Bécher de 100 ml Éprouvette graduée de 10 ml Pipette jaugée de 5 ml Pipette graduée de 10 ml. 2.4. L absorbance de l échantillon d eau à analyser donne une valeur de 0,12. 2.4.1. En déduire la concentration molaire en élément aluminium pour cette eau (rédiger la réponse avec précision). 2.4.2. Cette eau respecte-t-elle le critère de potabilité pour l élément aluminium? 2 / 8
EXERCICE II : La chimie et l agriculture (12 points) Compétences : Utiliser la représentation topologique Connaître les groupes caractéristiques et les règles de nomenclature Exploiter des spectres IR Savoir ce qu est le déplacement chimique en RMN Identifier les protons équivalents et relier la multiplicité du signal au nombre de voisins Utiliser l intégration d un signal et relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée La production de foin sec peut être rendue difficile quand les pluies sont fréquentes et que le foin est conditionné encore humide. L'acide propionique peut servir d'agent de conservation en protégeant le foin de la moisissure quand il est mis en balles à des teneurs en eau trop élevées. C est un fongicide inhibant la croissance des micro-organismes aérobies qui peuvent provoquer l'échauffement et la moisissure. On pulvérise sur le foin une solution contenant de l'acide propionique à son entrée dans la presse à foin, avant la mise en forme des balles. Conseil d utilisation : pulvériser la quantité d'acide adaptée à la teneur en eau pour que le traitement soit efficace. Attention, la concentration en acide propionique diffère selon le conditionnement. D après : http://www.omafra.gov.on.ca Le stockage à même le sol induit des remontées d eau par capillarité : le foin, moisi, peut devenir impropre à la consommation. L.Marnay Données : Masse molaire moléculaire de l acide propionique : M = 74,0 g/mol Masse molaire atomique : M(H) = 1,0 g/mol ; M (C) = 12,0 g/mol ; M(O) = 16,0 g/mol. 1 tonne (ou 1t) correspond à 10 3 kg. 1 hectare (ou 1ha) correspond à 10 4 m 2 Moyennes conseillées d application de l acide propionique : Taux d humidité du foin Masse d acide par tonne de foin (en kg.t 1 ) Entre 20% et 25% 5 Entre 25% et 30% 7 Table de données pour la spectroscopie IR Famille Liaison Nombres d onde (cm -1 ) Largeur de bandes d absorption cétone C = O 1705-1725 fine aldéhyde C H C = O 2700-2900 1720-1740 fine fine acide carboxylique O H C = O 2500-3200 1700-1730 large fine ester C = O 1730-1750 fine alcool O H 3200-3450 large 3 / 8
PARTIE 1 : Identification de l acide propionique à l aide des spectres IR et RMN Document 1 : Spectre IR de l acide propionique Document 2 : Spectre simulé de RMN du proton de l acide propionique 1.1. À partir du spectre IR, identifier à quelle famille appartient l acide propionique en justifiant clairement votre réponse. 1.2. Combien de groupes d atomes d hydrogène équivalents y a-t-il dans l acide propionique? Justifier votre réponse. 1.3. Combien y a-t-il de voisins pour chaque groupe d atomes d hydrogène équivalent dans l acide propionique? Justifier votre réponse. 1.4. Combien y a-t-il d atomes d hydrogènes dans la molécule d acide propionique. Justifier votre réponse. 4 / 8
1.5. Identifier, en justifiant la réponse, la molécule d acide propionique parmi les molécules suivantes : 1.6. Donner le nom de l acide propionique dans la nomenclature officielle et donner sa représentation topologique. 1.7. La valeur de la masse molaire moléculaire de l acide propionique est-elle compatible avec votre choix à la question précédente? Justifier brièvement. PARTIE 2 : Utilisation d un fongicide pour la conservation du foin Une agricultrice rentre le foin produit sur une de ses parcelles rectangulaires de 100 m sur 500 m. Elle doit le traiter à l acide propionique car son taux d humidité est de 23%. Elle dispose en réserve d un volume de 150 L de solution concentrée d acide propionique. On suppose que l utilisation de cette solution ne modifie pas le degré d humidité du foin. Pour savoir quelle quantité de solution pulvériser, il est nécessaire de connaître la concentration de cette dernière en acide propionique. L étiquette du récipient étant devenue illisible, l agricultrice demande à son fils de déterminer celle-ci dans son lycée. Celui-ci remplit un petit flacon propre d acide concentré et il dilue celui-ci 100 fois. Il réalise ensuite 8 dosages successifs et obtient les valeurs suivantes pour la concentration de l acide dilué : c A en mol/l 0,1072 0,1085 0,1082 0,1077 0,1088 0,1074 0,1084 0,1082 Document 3 : Mesures et incertitudes U X représente l incertitude d une mesure X. On rappelle les différentes formules intervenant dans la détermination de l incertitude sur le résultat du mesurage d un ensemble de n valeurs {X 1, X 2 X n} : Écart-type expérimental : n 1 n i 1 ( X X) i n 1 2 U X Incertitude de répétabilité : 1 Le résultat est donc X U X ou X U X X X U X. 2,37 n (pour n=8 mesures) n 2.1. Calculer la valeur moyenne des concentrations obtenues expérimentalement ainsi que l incertitude de répétabilité correspondante. 5 / 8
2.2. Calculer l incertitude relative (en %) sur la valeur moyenne de c A. Commenter la précision obtenue pour la détermination de la concentration de l acide dilué. 2.3. Déterminer la concentration massique en acide propionique de la solution pulvérisée en explicitant la démarche suivie. 2.4. Le rendement de production du foin est de 7 tonnes par hectare. L agricultrice a-t-elle assez de solution pour traiter le foin produit par cette parcelle? Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n a pas abouti. La démarche suivie est évaluée et nécessite d'être correctement présentée. 6 / 8
NOM : ANNEXE EXERCICE I : A en fonction de la concentration d une solution d aluminium et d aluminon 7 / 8
Aide calculatrice : Accès au mode statistique : Entrée des données : Affichage des résultats : On peut lire : La moyenne x Et l écart type utilisé en Physique Chimie, L écart type Sx 8 / 8