NOM :... Prénom :... Classe : TS Le 13/12/2013 Page : 1 / 7 Devoir type Bac (3h30min) T ale S CALCULATRICE AUTORISEE Durée : 3h30min Les portables seront éteints et placés dans le sac ou cartable Le sac sera déposé aux extrémités de la salle CONTENU : Titre Points Enoncé Annexe pages pages I L ibuprofène 7 2-3 6-7 II L écholocalisation des chauves-souris 8 4 6-7 III Solution de Lugol 5 5 7 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 1/7
I. L ibuprofène (7 points) L ibuprofène est une espèce chimique utilisée pour ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique. Elle constitue le principe actif de divers médicaments (voir doc.1). Sa synthèse a fait l objet de nombreux procédés, dont nous allons étudier deux d entre eux. Doc.1 : Etiquette d un médicament à base d ibuprofène Doc.2 : formule semi-développée de la molécule Données : M(C) = 12,0 g.mol -1 ; M(H) = 1,0 g.mol -1 ; M(O) = 16,0 g.mol -1 ; Constante d Avogadro : N A = 6,02 10 23 mol -1 1. La molécule d ibuprofène 1.1. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe page 7, entourer le groupe caractéristique. A quelle famille de molécules organiques appartient-elle? 1.2. Donner la formule brute de l ibuprofène. 1.3. Calculer la masse molaire moléculaire M de l ibuprofène. 1.4. Combien de molécules d ibuprofène contient une capsule du médicament du doc.1 ci-dessus? 2. Synthèse de l ibuprofène par le procédé BOOTS Le procédé BOOTS met en jeu six étapes successives, dont la première a pour équation bilan : 2.1. À partir de cette équation, vérifier que la molécule A peut correspondre à l acide éthanoïque. 2.2. Ecrire la formule développée de l acide éthanoïque. 2.3. Un autre produit possible serait le méthanoate de méthyle. Comment nomme-t-on ces deux molécules? 2.4. Les deux spectres infrarouges ci-dessous sont ceux de ces deux molécules. Identifier celui de l acide éthanoïque en expliquant le choix. (Voir aussi le Doc.4 page 6) 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 2/7
3. Etude du produit de synthèse par le procédé BOOTS Le produit de synthèse est obtenu après 5 autres étapes. Afin de vérifier la nature du produit synthétisé, on réalise son spectre IR (infrarouge), puis son spectre RMN (résonance magnétique nucléaire) du proton. 3.1. En utilisant le Doc.3 page 6 et le Doc.4 page 6, expliquer si la molécule d ibuprofène peut absorber la radiation de longueur d onde λ = 5,80 µm. 3.2. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe page 7, flécher le(ou les) atome(s) d hydrogène associé(s) au signal (g) du spectre RMN. Justifier la réponse à l aide du Doc.6 ci-dessous. 3.3. Expliquer pourquoi le signal (g) est un singulet. 3.4. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe page 7, flécher le(ou les) atome(s) d hydrogène associé(s) au signal (a) du spectre RMN. Justifier la réponse à l aide de la courbe d intégration. 3.5. Expliquer la multiplicité du signal (a). Doc.5 : Spectre RMN de l ibuprofène La courbe d intégration du signal (a) est six fois plus grande que celle du signal (g). Doc.6 : Déplacements chimiques en ppm (partie par million) 4. Synthèse de l ibuprofène par le procédé BHC Un deuxième procédé (noté BHC) ne met en jeu que 3 étapes, grâce à l utilisation de catalyseurs. La première étape reste identique à celle décrite dans le procédé BOOTS. Les deux suivantes sont : Etape (2) : C 12 H 16 O (l) + H 2(g) C 12 H 18 O (l). La réaction est catalysée par du nickel en poudre Etape (3) : C 12 H 18 O (l) + CO (g) ibuprofène (l). La réaction est catalysée par du palladium en poudre 4.1. Donner deux intérêts d utiliser des catalyseurs. 4.2. De quel type de catalyse s agit-il? 4.3. Citer deux autres types de catalyse. 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 3/7
II. L écholocalisation des chauves-souris (8 points) Doc.7 : L écholocalisation des chauves-souris Les cris - On classe les cris ultrasonores des chauves-souris en trois groupes : les émissions de fréquence constante (FC), les émissions de fréquence modulée décroissante (FM) et les émissions mixtes (FC-FM). En général, ces ultrasons ne sont pas purs mais composés d une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques Pour qu une proie soit détectable, elle doit avoir une dimension supérieure à la longueur d onde du signal ultrasonore. Détection des distances - Pour estimer la distance à un objet (obstacle fixe, proie ), les organes sensoriels de la chauve-souris enregistrent le retard de l écho par rapport à l émission du signal. Détection de la vitesse La chauve-souris perçoit sa vitesse relative par rapport à un objet grâce au décalage de fréquence du signal réfléchi dû à l effet Doppler. Les battements d aile d une proie produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant qui se superposent au décalage général engendré par les obstacles fixes environnants. Chez certaines espèces, pour faciliter la détection de ces oscillations, il existe un système de compensation : ces espèces modifient la fréquence d émission pour que la fréquence du signal réfléchi par les obstacles fixes soit ramenée à une fréquence de référence, celle qui est émise lorsque la chauve-souris est immobile, et pour laquelle la sensibilité est maximale. Donnée : Vitesse du son (ou des ultrasons) dans l air : v son = 340 m.s -1 1) a) Qu appelle-t-on «cris ultrasonores»? b) Est-ce une onde longitudinale ou transversale? Justifier. 2) a) À partir du Doc.8 page 7, déterminer la période T des signaux émis par les chauves-souris. Faire apparaitre sur le document votre mesure pour déterminer T. b) En déduire la fréquence fondamentale f des signaux émis par les chauves-souris. Conclure. c) Quelle est la fréquence de ses deux harmoniques les plus proches? 3) a) Nommer le phénomène qui perturbe la détection d un écho pour que la proie soit détectable (Doc.7 ci-dessus). b) Calculer la dimension minimale d une proie pour qu elle soit détectable. 4) a) Réaliser un schéma qui modélise la détection des distances d une chauve-souris qui se rapproche d un obstacle fixe. Y faire apparaitre le parcours du signal émis se rapprochant de l obstacle, puis expliquer comment la chauve-souris peut ainsi estimer les distances. b) En utilisant le Doc.9 page 6, calculer la distance séparant la chauve-souris du mur. 5) a) Expliquer pourquoi «Les battements d aile d un insecte produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant». b) Donner un exemple d utilisation de l effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques. c) Lorsque la chauve-souris se rapproche d un mur, l écho perçu a-t-il une fréquence plus grande, identique ou plus faible que celle du signal émis? Justifier simplement. 6) On propose deux relations pour l expression de la fréquence perçue f R par une chauve-souris se dirigeant vers un mur à la vitesse de v = 20 km.h -1. On note f 0 la fréquence du signal émis. f R = v son v v son + v f 0 f R = v son + v v son - v f 0 v = v son 2f 0 a) Laquelle des relations ou est utilisable dans le cas décrit? Justifier. b) Calculer la fréquence f R de l écho reçu lorsque le signal émis a pour fréquence 62 khz. c) En utilisant une des expressions précédentes, calculer la vitesse v d une proie par rapport à la chauve-souris, lorsque celle-ci perçoit un décalage de fréquence Δf = 880 Hz pour un ultrason émis à la fréquence f 0 = 93 khz. d) Combien de temps va mettre la chauve-souris pour rattraper sa proie, supposée située à 8,5 m d elle en ligne droite? f 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 4/7
III. Solution de Lugol (5 points) A partir des documents ci-dessous, rédiger une synthèse d environ 30 lignes permettant d étudier la réactivité du diiode contenu dans une solution de Lugol. Pour cela, on s attachera à vérifier la masse de diiode contenu dans la solution commerciale, puis à expliquer les paramètres influençant la cinétique de la réaction étudiée et l intérêt de son suivi par spectrophotométrie. La démonstration se fera par l établissement de l équation bilan, le calcul de la masse de diiode ayant réagi avec le zinc et par l exploitation de la courbe de l avancement de la réaction au cours du temps. Doc. 10 : La solution de Lugol On vend en pharmacie, sous le nom de Lugol, un antiseptique à base de diiode de couleur brune. La solution commerciale de «Lugol à 1%» contient 1 g de diiode pour 100 ml de solution. Elle est chimiquement stable. Cependant, au contact de certains métaux (aluminium, fer, zinc ) ou exposée à la lumière, la solution perd de son efficacité bactéricide. Doc. 12 : Catalyseur Un catalyseur est une espèce chimique qui augmente la vitesse d'une réaction possible. Il participe à la réaction mais est régénéré à la fin de la réaction ; il n intervient donc pas dans l équation bilan. Doc. 11 : Protocole expérimental Principe du suivi cinétique Le diiode réagit lentement au contact du zinc solide avec décoloration progressive de la solution. Selon les conditions expérimentales, on peut accélérer ou ralentir cette réaction. Les demi-équations d oxydoréduction mises en jeu sont : I 2 (aq) + 2 e - 2 I - (aq) et Zn 2+ (aq) + 2 e - Zn (s) Première expérience à 20 C On verse 2,0 ml de la solution commerciale de Lugol dans une fiole jaugée de 100,0 ml, qu on complète jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée. On bouche et on homogénéise la solution diluée S. On relie le spectrophotomètre à la carte d acquisition de l ordinateur. On réalise le «blanc» avec de l eau distillée à la longueur d onde d étude la plus précise. À l instant t = 0, on verse la solution S dans un bécher contenant une lame de zinc. Puis le spectrophotomètre mesure l absorbance de la solution à différentes dates t (voir le tableau ci-dessous) ce qui permet de tracer les courbes données en annexe. A la fin de la réaction, la solution est incolore et il reste du zinc solide. t (s) 0 30 60 100 200 300 400 600 800 1000 1200 1400 2000 2500 3000 A 1,20 0,88 0,77 0,67 0,52 0,42 0,35 0,24 0,17 0,12 0,09 0,07 0,03 0,00 0,00 Seconde expérience à 20 C et éclairage lumineux On réalise la même expérience que précédemment, mais cette fois-ci, le mélange réactionnel est éclairé par une lampe UV. Une fois la réaction achevée, on mesure le temps de demi-réaction t 1/2 = 105 s. Doc. 13 : Données concernant le diiode I 2 Masse molaire moléculaire : M(I 2 ) = 254 g.mol -1 ; Coefficient d absorption molaire : ε 470 = 1,5 10 3 L.cm -1.mol -1 Absorbance d une solution de diiode I 2 en fonction de la longueur d onde. 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 5/7
Doc.3 : Spectre IR de l ibuprofène synthétisé Doc.4 : Bandes d absorption IR de quelques liaisons chimiques Type de liaison Nombre d onde σ (en cm -1 ) Intensité 3 200-3 650 Forte alcène aldéhyde 3 000-3 100 Moyenne 2 700-2 900 Moyenne 2 800-3 000 Forte 1 650-1 750 Forte 1 625-1 685 Moyenne 1 415-1 470 Forte 1 050-1 450 fine 1 000-1 250 Forte Doc.9 : Représentation graphique des signaux émis et reçu par la chauve-souris après réflexion sur un obstacle fixe. 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 6/7
NOM :... Prénom :... Classe :... ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE Exercice I : Formule semi-développée de l ibuprofène. Exercice II : Doc.8 : Représentation graphique des cris émis par les chauves-souris. Exercice III : Courbe de l absorbance A et de l avancement x en fonction du temps. 15/12/2013 Devoir_commun2013_1.doc 7/7