Spécialité TS EVALUATION N 7 (1h30) Toutes les réponses doivent être rédigées et justifiées!! Pour préparer une mayonnaise on peut mélanger un jaune d'œuf, une cuillère à café de moutarde, une pincée de sel, puis agiter énergiquement le mélange obtenu en y ajoutant de l'huile. La lécithine est un composé tensioactif représentant 25 % des lipides du jaune d œuf. Lorsqu on agite énergiquement le mélange huile-jaune d œuf on disperse les gouttelettes d huile dans l eau: les têtes hydrophiles des molécules de tensioactifs se lient avec l eau tandis que leurs queues hydrophobes se lient avec les gouttelettes d huile. La mayonnaise est donc une émulsion stable d huile dans l eau (photo document 1) 0,1 mm Document 1 : Emulsion d huile dans l eau Document 2 : Différents types d émulsion que l on distingue selon différents critères Document 3 : Composition, en gramme, en nutriments dans 100 g de blanc d œuf, 100 g de jaune ou 100 g d'œuf entier.
A. Autour de la lécithine Q1. D où provient l eau présente dans la mayonnaise? Q2. Quel est l intérêt de mélanger énergiquement? Q3. De quel type d émulsion fait partie la mayonnaise? Donner deux arguments. La lécithine est un phospholipide, dont la formule est donnée ci-dessous : Q4. Identifier et nommer sur votre copie les groupes caractéristiques que vous reconnaissez dans cette molécule. Q5. Entourer les deux parties caractéristiques d un tensioactif sur le schéma et les nommer. Q6. Schématiser une gouttelette d huile entourée de molécules tensioactives. Q7. Déterminer la masse de lécithine dans un jaune d œuf de 20 g. Q8. En admettant pour simplifier que la lécithine est le seul tensioactif présent dans le jaune d œuf et que son pourcentage massique dans la mayonnaise est de 0,10 %, quelle masse de mayonnaise peut-on obtenir avec un jaune d œuf? B. Une mayonnaise avec des blancs d'œuf? Quand on fouette des blancs d œufs on obtient des blancs en neige composés d'air dispersé dans l eau des blancs grâce à la principale protéine du blanc d œuf: l ovalbumine. Q9. Les blancs en neige sont-ils une mousse ou une émulsion? Pourquoi? Q10. Que peut-on en déduire sur l ovalbumine? Expliquer. Q11. Conclure quant à la possibilité de réaliser une mayonnaise avec des blancs d œufs. C. Une mayonnaise sans œuf? Le célèbre aïoli est préparé uniquement à partir d ail broyé au mortier et d'huile d olive. Les cellules végétales contiennent de l'eau et des molécules tensioactives variées: protéines, phospholipides. Q12. L'œuf est-il indispensable pour préparer une mayonnaise? Q13. Pourquoi faut-il broyer l ail. Q14. Est-il possible de réaliser un «oignon-oli» ou une «échalote-oli»?
Document 1 : Panneaux photovoltaïques Un constructeur donne la caractéristique intensité-tension d'un module photovoltaïque au silicium de surface S = 1500 cm², pour deux éclairements : 500 W.m -2 et 1000 W.m -2. Pour un éclairement donné, la puissance électrique fournie par un photogénérateur délivrant un courant d'intensité I avec une tension électrique U entre ses bornes est P = U.I (U en V, I en A et P en W). La puissance fournie par un module photovoltaïque est généralement insuffisante pour les applications industrielles ou domestiques. De ce fait, les générateurs photovoltaïques sont réalisés par association d'un grand nombre de modules photovoltaïques. Le rendement d'un générateur photovoltaïque est le quotient de la puissance électrique maximale, P max, fournie par le générateur, par la puissance lumineuse P Lum reçue : = La puissance lumineuse reçue par une surface S sous un éclairement E est : P Lum = E.S (E en W.m -2, S en m² et P Lum en W). On admet que le rendement d'un générateur photovoltaïque est le même que celui des modules le constituant. Document 2 : Centrale nucléaire Une centrale nucléaire génère de l'électricité grâce à la fission des noyaux atomiques. La chaleur produite lors de la fission sert à vaporiser l'eau, cette vapeur entraînant la rotation d'une turbine qui produit de l'électricité. Un réacteur classique fournit une puissance électrique de l'ordre de 900 MW.
Document 3 : Influence de la couverture nuageuse sur le rayonnement reçu par 1m² de sol, toutes longueurs d onde confondues Document 4 : Carte d'ensoleillement annuel de la France Questions : Q1. Pour un éclairement de 1000 W.m -2, faire apparaître I CC (courant de court-circuit, la tension est alors nulle) et U CO (tension en circuit ouvert, l intensité est alors nulle) sur la courbe du document 1. Q2. Pour un éclairement de 1000 W.m -2 et à l'aide de la courbe du document 1, calculer les puissances électriques pour les points A, B, C. Que valent les puissances correspondant à I CC et U CO? Q3. En déduire en quel point la puissance, délivrée par le module, est maximale P max, (toujours pour un éclairement de 1000 W.m -2 ). Q4. Calculer alors le rendement du module. Problème : Q5. Toujours pour un éclairement de 1000 W.m -2, déterminer la surface d'un générateur photovoltaïque qui fournirait la même puissance électrique que celle d'une centrale nucléaire, et le nombre de modules photovoltaïques nécessaires. Q6. Commenter la valeur de la surface obtenue. Q7. Analyse critique : En vous aidant de l'ensemble des documents fournis, et de vos connaissances, donner deux arguments permettant d'expliquer s'il faut revoir cette surface calculée à la baisse, ou à la hausse.
CORRECTION Exercice 1 : Une histoire de mayonnaise. A. 1) L eau présente dans la mayonnaise provient du jaune d œuf et de la moutarde. 2) Il faut agiter énergiquement pour disperser les molécules d huile dans l eau. 3) D après la photographie, la taille des gouttelettes d huile est comprise entre 1 et 10 mm, donc d après le tableau la mayonnaise est une macro-émulsion. Ceci est en accord avec le fait que la mayonnaise est opaque et préparée par une agitation mécanique vigoureuse. 4) On reconnait les groupe ester : C O et l atome N des amines. O 5) Queue hydrophobe tête hydrophile 6) Micelle d huile dans l eau : 7). D après le tableau Composition pour 100 g, un jaune d œuf est constitue de 34,4 % de lipides, parmi lesquels 25 % sont de la lécithine d après l énoncé. Donc un jaune d œuf de 20 g contient : m leci = m oeuf 34,4 100 25 34,4 = 20 100 100 25 = 1,7 g de lécithine. 100 8) Puisqu un jaune d œuf contient environ 1,7 g de lécithine, et que le pourcentage de tensioactif dans la mayonnaise est p = 0,10 % : m mayo = m lécithine = 1,7 = 1,7 kg p 0,10 100 B. 1. Les blancs en neige étant constitués d air dispersé dans un liquide, ils constituent une mousse. 2. On en déduit que l ovalbumine est un tensioactif car il permet la stabilité des bulles d air de la mousse. 3. Les blancs d œufs contiennent un tensioactif, donc ils peuvent être utilises pour obtenir une émulsion : il est donc possible d obtenir une mayonnaise à partir de blancs d œufs. C. 1. Il est possible de réaliser une mayonnaise sans œuf. Dans le cas de l aïoli, les tensioactifs nécessaires à l émulsion sont apportés par l ail. 2. Le mortier permet de broyer les cellules d ail pour qu elles libèrent les molécules tensioactives qu elles contiennent. 3. Les cellules d oignon et d échalote contiennent aussi des protéines et phospholipides ayant des propriétés tensioactives : il est donc tout a fait possible de realiser une mayonnaise à base d oignon ou d échalote.
Exercice 2 : Générateur photovoltaïque versus centrale nucléaire 1) I CC est obtenu pour U = 0V et U CO est obtenu pour I=0A, d'où la position sur la courbe. 2) P A = U A I A 7,51,4 10 W P B = 17.51,25 22 W P C = 22.50.40 9 W Les puissances correspondantes à I CC et U CO sont nulles puisque U CC = 0V et I CO = 0A 3) La puissance maximale est donc évaluée à 22 W. 4) = = = = 0,015 = 15 % Puisque S = 1500 cm² = 0,1500 m². 5) Problème : a) La puissance délivrée par une centrale nucléaire est de 900 MW d'après le doc 2 En utilisant la relation =, on en déduit que S = En prenant le rendement de 15 %, un éclairement de 1000 W.m -2, et une puissance de 900 MW, on calcule : S tot = = 6,0.10 6 m² = 6,0 km² Le nombre de module photovoltaïques correspondant vaut donc : N = S tot = 6,0.106 S 0,150 = 4,0.107 (40 millions!!) OU BIEN P nuclé = 900 MW et P module = 22 W donc nombre de module N = P nuclé P = 900.106 = 4,1.10 7 module 22 D où un surface totale: S tot = N S = 4,1.10 7 0,15 = 6,1.10 6 m² = 6,1 km² b) Cette surface paraît très importante (champ de panneaux solaires de 2 km de large sur 3 km de long!) c) Malgré tout, cette surface est sous estimée : L ensoleillement n étant effectif que pendant le jour, il faudrait probablement multiplier par deux cette surface pour être équivalent à une centrale qui fonctionne jour et nuit. Le document 3 montre qu'un éclairement de 1000 W/m² est obtenu par ciel complètement dégagé. En réalité l'éclairement moyen est bien plus faible, donc le rendement est plus faible Le document 4 montre que l'ensoleillement annuel en France est bien inférieur à la durée de jour annuelle, même pour les régions les plus ensoleillées.