Première S Devoir commun Mai 2013 PHYSIQUE-CHIMIE M. GOLESTIN M. TARGY M. LABBÉ Durée de l'épreuve : 3 h L usage de la calculatrice est autorisé Document autorisé : la classification périodique des éléments (à rendre à la fin de l épreuve) Ce sujet comporte 12 pages numérotées Chaque partie est évaluée sur 10 points. Les différentes parties sont indépendantes et peuvent être abordées dans l ordre souhaité, mais chacune doit être traitée. Les réponses aux questions doivent être rédigées.
Données Constantes Constante Constante de Planck Constante de gravitation universelle Vitesse de la lumière dans le vide Charge élémentaire Constante électrique Valeur h=6,62606957 10 34 J s G=6,674 10 11 N m 2 kg 2 c=2,997 924 58m s 1 e=1,602 10 19 C k=8,988 10 9 N m 2 C 2 Tableau 1 : Constantes utilisées en Physique et Chimie. Unités Grandeur Unité Symbole Définition Masse Unité de masse atomique unifiée u 1u=1,660 10 27 kg Énergie Électron-volt ev 1eV=1,602 10 19 J Tableau 2 : Unités utilisées en physique nucléaire et atomique. Formules Loi ou formule Loi de Coulomb entre une charge q 1 et une charge q 2 situées à la distance d l une de l autre Force de gravitation universelle entre un objet de masse m 1 et un objet de masse m 2 situés à la distance d l un de l autre Expression, les valeurs numériques étant en unités S.I. F=k q 1 q 2 d 2 (1) F=G m 1 m 2 d 2 (2) Énergie d un photon E=h ν=h c λ (3) Loi du déplacement de Wien λ max T =2,90 10 3 (4) Tableau 3 : Lois ou formules utilisables dans ce devoir. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 2/12
Partie A : L eau, un solvant bien particulier! A.1 -Qu est-ce que l eau? A.1.1) Rappeler la structure électronique des atomes H et O. A.1.2) A.1.3) A.1.4) En déduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome. Prévoir la structure et la géométrie de la molécule d eau. Les liaisons O H sont-elles polarisées? Si oui, tracer le moment dipolaire de chaque liaison puis le moment dipolaire résultant. Conclure quant à la polarité de la molécule d eau. Aide : on donne les valeurs d électronégativité suivantes, (H) = 2,2 ; (O) = 3,5. A.2 -Première expérience avec le sel de cuisine Document A.1 : Structure du cristal de chlorure de sodium La distance entre un ion chlorure et un ion sodium dans le cristal NaCl est : d = 282 pm. On dissout un peu de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans l eau. A.2.1) Calculer la force d interaction électrique entre un ion Na + et un ion Cl - dans le cristal NaCl. A.2.2) Calculer la force d interaction gravitationnelle entre un ion Na + et un ion Cl -. On donne les masse atomiques suivantes : m(na) = 22,9 u et m(cl) = 35,4 u. A.2.3) Comment expliquer la cohésion du cristal? On observe que, dès que les cristaux de chlorure de sodium sont introduits dans l eau, les ions Na + et Cl - se retrouvent hydratés. A.2.4) Expliquer en quelques phrases et avec des schémas ce qui s est produit. A.3 - Deuxième expérience avec les alcools On étudie maintenant la solubilité de deux alcools dans l eau. A.3.1) A.3.2) Rappeler ce qu est un alcool. Les alcools utilisés pour l expérience sont le propan-2-ol et le heptan-1-ol. Écrire les formules semi-développée et topologique de ces deux molécules. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 3/12
On constate expérimentalement que l'heptan-1-ol n est pas miscible dans l eau tandis que le propan-2-ol l est. A.3.3) Rappeler, en s aidant de schémas, la nature des interactions entre les molécules d eau et une molécule d alcool puis interpréter ces résultats. A.4 - Troisième expérience avec les alginates A.4.1) A.4.2) A.4.3) A.4.4) Quel type d interaction existe-t-il entre les ions sodium et les groupes carboxylates? Justifier la grande solubilité dans l eau de l alginate de sodium. Pourquoi l ion calcium permet-il la formation de ponts entre deux chaînes, ce que ne permet pas l ion sodium? Pourquoi les alginates de calcium sont-ils très peu solubles dans l eau, contrairement aux alginates de sodium? Document A.2 : Les alginates Les alginates sont des polysaccharides (molécules constituées d un enchaînement de sucres) constituant majoritairement les parois cellulaires des algues. Ils sont extraits d algues brunes, en particulier, des laminaires (récolte en Atlantique nord : France, Grande-Bretagne et USA). Un alginate très utilisé est l alginate de sodium. C est un polymère formé de deux monomères comportant des groupes carboxylates COO - et des ions sodium Na +. En présence d ions calcium Ca 2+, les ions sodium sont remplacés par les ions calcium qui permettent la formation de ponts entre deux chaînes. Les chaînes d alginate forment alors de longs rubans de moins en moins solubles dans l eau, permettant la fabrication de solutions visqueuses ou même de gels. C est pourquoi l alginate de sodium est très présent dans l industrie agro-alimentaire pour la fabrication d épaississants ou de gélifiants. Document A.3 : Formule de l'alginate de sodium 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 4/12
Document A.4 : Formule de l alginate de calcium 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 5/12
Partie B : Soleil et atmosphère terrestre 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. B.1 - Fonctionnement du Soleil Document B.1 : Caractéristiques du Soleil Masse Diamètre Âge Quantité d'hydrogène consommé par seconde 1,99 10 30 kg 1 390 000 km 4,57 milliard d'années 600 millions de tonnes Document B.2 : Schéma d une réaction nucléaire dans le Soleil Noyau neutron Document B.3 : Masses de quelques noyaux 1 H 2 H 3 H 3 He 4 He Masse (u) 1,0087 1,0073 2,0136 3,0155 3,0149 4,0015 B.1.1) B.1.2) B.1.3) B.1.4) Écrire l équation de la réaction décrite sur le Document B.2. Montrer que cette équation respecte les lois de conservation en physique nucléaire. Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la réaction nucléaire au sein du soleil fait appel à des isotopes. Calculer la variation de masse m associée à la réaction nucléaire étudiée. Comment voit-on que cette réaction dégage de l énergie? Calculer l énergie libérée par la réaction. Vos calculs sont-ils cohérents avec les valeurs données sur le Document B.2? 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 6/12
B.1.5) B.1.6) Le deutérium ( 2 H) et le tritium ( 3 H) sont produits à partir de noyaux d hydrogène ( 1 H). Combien de noyaux d hydrogène faut-il pour former un noyau de deutérium? Et pour le tritium? Écrire les réactions correspondantes, sachant que des particules présentes dans certaines désintégrations radioactives sont également créées. On estime que seul 10 % de l hydrogène contenu dans le Soleil sera transformé en hélium. À partir des données du Document B.3, estimer combien de temps encore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil n était constitué que d hydrogène lors de sa création. Commenter votre résultat. B.2 - Phénomènes de luminescence de l atmosphère Document B.4 : 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 +, N 2 + et O 2+. 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 (400-800 nm) par l atome d oxygène. Ces deux raies, l une rouge et l autre verte, sont en effet particulièrement intenses. D après la thèse de doctorat de Frédéric Culot, Université Joseph Fourier, 2005. Document B.5 : Niveaux d énergie de l atome d oxygène 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, 2005. B.2.1) B.2.2) B.2.3) B.2.4) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est l ion créé par l ionisation de l atome d oxygène sous l action des rayons EUV? 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. Un photon de longueur d onde 10 nm peut-il ioniser un atome d oxygène? Et un photon de longueur d onde 100 nm? À partir du Document B.5, 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. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 7/12
B.3 - Effet de serre Document B.6 : 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.7 : Spectres solaires avant et après l atmosphère [1 micron = 1 m] Document B.8 :Rayonnements transmis par l atmosphère, en provenance du soleil, vers la Terre, et en provenance de la Terre vers l espace. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 8/12
B.3.1) B.3.2) B.3.3) B.3.4) À partir du Document B.7, déterminer la température de la surface du Soleil. 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. 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. 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 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), http://ansm.sante.fr/. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 9/12
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. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 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 : http://www.legifrance.gouv.fr/affichtexte.do? cidtexte=jorftext000000465574&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 : AlCl 3(s) Al 3+ (aq) +3Cl (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 S 0. 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 S 0 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 : Wikipédia. 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 10/12
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. Source : Truman State University, Missouri, USA. Document C.6 : Mesures d absorbance de différentes solution selon leur concentration en ion aluminium. Solution Volume de S 0 utilisé (en ml) Concentration molaire en élément aluminium (mmol.l -1 ) Absorbance mesurée S 1 0,0 0,00 0,000 S 2 1,0 0,16 10 2 0,012 S 3 3,0 0,48 10 2 0,037 S 4 6,0 0,96 10 2 0,072 S 5 12,0 2,0 10 2 0,150 S 6 15,0 2,4 10 2 0,190 S 7 20,0 3,3 10 2 0,250 Source : exercice donné au baccalauréat (spécialité, 2011, Amérique du Sud) 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 11/12
Document C.7 :Absorbance de la solution d aluminium avec aluminon en fonction de sa concentration molaire en élément aluminium. C.1 - Préparation de la solution-mère Source : auteur à partir des données du Document C.6. C.1.1) Quelle type de liaison est cassée lors de cette dissolution? C.1.2) C.1.3) C.1.4) C.1.5) Établir un tableau d avancement pour cette réaction. 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. Calculer la concentration C en soluté apporté. En déduire les concentrations effectives en ions chlorure et en ions aluminium (III). C.2 - Dosage de l aluminium C.2.1) Quel est le rôle de la solution S 1 qui apparaît dans le Document C.6? C.2.2) Vérifier que cette solution vérifie la loi de Beer-Lambert. C.2.3) L eau analysée est-elle potable? C.3 - Retour sur la physique de l absorption C.3.1) C.3.2) Expliquer pourquoi l aluminon (Document C.4) absorbe la lumière dans le visible. Quelle sera la couleur de l aluminon? Quelles seront les lumières colorées absorbées? C.3.3) Pourquoi l ion aluminium (III) est-il stable? 1ère S Devoir commun 2013 Épreuve de Physique-Chimie 12/12