Devoir février 2017 Physique Chimie Terminale S Correction disponible en format PDF jeudi soir sur le site : http://asc-spc-jr.jimdo.com Terminale -> DM PHYSIQUE Exercice 1 Cet exercice est un questionnaire à réponses ouvertes courtes. A chaque question peuvent correspondre aucune, une ou plusieurs propositions exactes. Pour chacune des questions, plusieurs réponses ou affirmations sont proposées. Inscrire en toutes lettres «vrai» ou «faux» dans la case correspondante du tableau figurant dans L ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE. Donner une justification ou une explication dans la case prévue à cet effet pour chaque réponse si besoin. Une réponse fausse ou une absence de réponse sera évaluée de la même façon. Les parties 1, 2, 3, 4 et 5 sont indépendantes et peuvent être traitées séparément. 1. Ondes infrasonores. Les éléphants émettent des infrasons (dont la fréquence est inférieure à 20 Hz). Cela leur permet de communiquer sur de longues distances et de se rassembler. Un éléphant est sur le bord d une étendue d eau et désire indiquer à d autres éléphants sa présence. Pour cela, il émet un infrason. Un autre éléphant, situé à une distance L = 24,0 km, reçoit l onde au bout d une durée t = 70,6 s. La valeur de la célérité de l infrason dans l air v est : 1.1. v = 34,0 km.s -1 ; 1.2. v = 340 km.s -1 ; 1.3. v = 340 m.s -1. 2. Ondes à la surface de l eau Au laboratoire, on dispose d une cuve à onde contenant de l eau immobile à la surface de laquelle flotte un petit morceau de polystyrène. On laisse tomber une goutte d eau au-dessus de la cuve, à l écart du morceau de polystyrène. Une onde se propage à la surface de l eau. 2.1. Ceci correspond : 2.1.1. à une onde mécanique ; 2.1.2. à une onde longitudinale ; 2.1.3. à une onde transversale? 2.2. L onde atteint le morceau de polystyrène. 2.2.1. Celui-ci se déplace parallèlement à la direction de propagation de l onde ; 2.2.2. Celui-ci se déplace perpendiculairement à la direction de propagation de l onde ; 2.2.3. Celui-ci monte et descend verticalement ; 2.2.4. Celui-ci reste immobile.
3. Ondes le long d une corde L extrémité gauche d une corde est reliée à un vibreur effectuant des oscillations sinusoïdales entretenues à partir d un instant de date t 0 = 0 s. Les graphiques 1 et 2 représentent l état de la corde à une date donnée. Les élongations y et les abscisses x sont graduées en cm. On néglige tout amortissement dans la totalité des questions de cette partie 3.. 3.1. Le graphique 2 ci-dessus permet de déterminer la valeur numérique de la longueur d onde. On trouve : 3.1.1. = 20 cm ; 3.1.2. = 30 cm ; 3.1.3. = 46 cm. 3.2. À partir des graphiques 1 et 2, déterminer la valeur de la période temporelle T : 3.2.1. T = 30 ms ; 3.2.2. T = 60 ms ; 3.2.3. T = 18 ms. 3.3. La célérité de l onde dans la corde est : 3.3.1. v = 5,0 m.s -1 ; 3.3.2. v = 10,0 m.s -1 ; 3.3.3. v = 15,0 m.s -1. 3.4. Dans la même expérience, parmi les graphes 3, 4, 5 et 6 ci-dessous, celui représentant l aspect de la corde à l instant de date t = 180 ms est le : 3.4.1. graphe 3 ; 3.4.2. graphe 4 ; 3.4.3. graphe 5 ; 3.4.4. graphe 6.
4. Ondes lumineuses La lumière rouge : 4.1. correspond à des longueurs d onde plus grandes que celles de la lumière bleue ; 4.2. se situe dans un domaine de fréquences plus petites que celles du domaine de l infrarouge ; 4.3. est moins énergétique que la lumière bleue. 5. ondes progressives circulaires à la surface de l'eau On produit des ondes progressives circulaires à la surface de l'eau en utilisant une cuve à ondes. La célérité c de l'onde est mesurée et vaut c = 40cm.s 1. Le point source S de la surface du liquide contenu dans la cuve à ondes est animé d'un mouvement vertical sinusoïdal de fréquence f = 20Hz et d'amplitude a supposée constante a = 2mm (on néglige l'amortissement dû aux forces de frottement). La longueur d'onde de l'onde progressive vaut : 5.1 = 2 cm 5.2 = 50 cm 5.3 = 2 m Exercice 2 On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium à très faible pression. Cette vapeur est excitée par un faisceau d électrons qui traverse le tube. Les atomes de sodium absorbent l énergie des électrons. L énergie est restituée lors du retour à l état fondamental sous forme de radiations lumineuses. Les lampes à vapeur de sodium émettent surtout de la lumière jaune. Données : h = 6,62 10-34 J.s c = 3,00 10 8 m.s -1 e = 1,60 10-19 C 1. L analyse du spectre d émission d une lampe à vapeur de sodium révèle la présence de raies de longueur d onde bien définie. Spectre d émission d une lampe à vapeurs de sodium 330,3 nm 568,8 nm 615,4 nm 819,5 nm 1138,2 nm doublet 589,0 / 589,6 1.1. Quelles sont les longueurs d onde des raies appartenant au domaine du visible? au domaine des ultraviolets? au domaine de l infrarouge? 1.2. S agit-il d une lumière polychromatique ou monochromatique? Justifier votre réponse. 1.3. Quelle est la valeur de la fréquence de la raie de longueur d onde = 589,0 nm? 1.4. Parmi les données présentées en début de l exercice, que représentent les grandeurs h et e?
2. On donne en ANNEXE 2 à remettre avec la copie le diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de sodium. 2.1. Indiquer sur le diagramme en annexe à rendre avec la copie, l état fondamental et les états excités. 2.2. En quoi ce diagramme en annexe permet-il de justifier la discontinuité du spectre d émission d une lampe à vapeur de sodium? 2.3. On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d onde = 589,0 nm. 2.3.1. Calculer l énergie E (en ev) qui correspond à l émission de cette radiation. (On donnera le résultat avec le nombre de chiffres significatifs adapté aux données). 2.3.2. Sans justifier, indiquer par une flèche notée 1 sur le diagramme des niveaux d énergie en annexe à remettre avec la copie la transition correspondante. 3. L atome de sodium, considéré maintenant à l état E 1, reçoit une radiation lumineuse dont le quantum d énergie E a pour valeur 1,09 ev. 3.1. Cette radiation lumineuse peut-elle interagir avec l atome de sodium à l état E 1? Justifier. 3.2. Représenter sur le diagramme en annexe à rendre avec la copie la transition correspondante par une flèche notée 2. La raie associée à cette transition est-elle une raie d émission ou une raie d absorption? Justifier votre réponse. 4. Diffraction de la lumière jaune-orangé Les élèves décident d'utiliser le phénomène de diffraction pour vérifier la valeur de la longueur d'onde de la radiation jaune-orangé. Pour cela ils disposent une fente fine verticale sur le trajet de la lumière. 4.1. Les élèves ont à leur disposition trois fentes de largeur a différente. Quel doit être leur choix afin que le phénomène de diffraction soit le plus marqué possible? 4.2. Le phénomène de diffraction existe-t-il dans d'autres domaines que celui de la lumière? Si oui, donner un exemple avec un schéma explicatif. 4.3. Derrière la fente, à une distance D = 85 cm, les élèves disposent un écran perpendiculairement à la direction de propagation de la lumière. Dessiner l'allure de ce qu'on observe sur l'écran sur l'annexe à rendre avec la copie. 4.4. Dans la pratique, la figure de diffraction est peu lumineuse. La distance L, entre les deux extinctions de part et d'autre de la tache centrale, a néanmoins pu être mesurée à l'aide d'une lunette de visée. La valeur obtenue est L = 2,0 cm. Montrer que la longueur d'onde peut s'exprimer par = al 2D. Faire l'application numérique sachant que la fente a une largeur a = 50 µm. Conclure.
Exercice 3 L objectif de cet exercice est de déterminer la vitesse du son fourni par une flûte. Pour déterminer la célérité de l'onde sonore un élève aligne trois microphones M1, M2 et M3 de telle manière que les distances M 1 M 2 et M 2 M 3 valent respectivement 2,00 m et 3,00 m. Les signaux électriques correspondant aux sons reçus par les microphones sont enregistrés grâce à un ordinateur. Il souffle dans une flûte devant le premier micro M 1, puis lance immédiatement l'enregistrement. 5. Déterminer la célérité de l'onde avec la plus grande précision possible. Expliquer votre méthode. 6. Comparer votre résultat avec la valeur théorique ( V( air à 20 ) = 340 m/s) et conclure ( sources d erreurs etc.)
Exercice 4
ANNEXE 1 Proposition Répondre vrai ou faux Justification ou explication 1.1. 1.2. 1.3. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. PAS DE JUSTIFICATION 2.2.4. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3.
3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. PAS DE JUSTIFICATION 3.4.4. 4.1. 4.2 4.3 5.1. 5.2. 5.3 ANNEXE 2 (à rendre avec la copie) Diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de sodium E ( en ev ) 0 E 5 = - 0,85 E 4 = - 1,38 E 3 = - 1,52 E 2 = - 1,94 E 1 = - 3,03 E 0 = - 5,14
CHIMIE Exercice 1 Document 1 Acide faible Lorsqu'un acide faible AH est mis en présence d eau, l équation de la réaction qui a lieu est : AH H O ( ) H O avec AH l acide et A - sa base conjuguée. ( aq) 2 ( l) A aq 3 Document 2 L acide phosphorique L acide phosphorique (ou orthophosphorique) est un triacide de formule H 3 PO 4 capable de céder trois protons en formant successivement trois nouvelles espèces : le dihydrogénophosphate H 2 PO 4 -, l hydrogénophosphate HPO 4 2-, et l orthophosphate PO 4 3- selon les trois réactions suivantes : (1) H 3 PO 4 (aq) + H 2 O (l) H 2 PO 4 (aq) + H 3 O + (aq) (2) H 2 PO 4 (aq) + H 2 O (l) HPO 4 2 (aq) + H 3 O + (aq) (3) HPO 4 2 (aq) + H 2 O (l) PO 4 3 (aq) + H 3 O + (aq) Les espèces H 3 PO 4, H 2 PO 4 -, HPO 4 2- et PO 4 3- seront nommées «espèces phosphatées» dans la suite de l exercice. Diagramme de distribution des espèces phosphatées en fonction du ph Document 3 Les sodas au cola L acidité des sodas au cola est due en grande partie à l acide phosphorique H 3 PO 4 dont le code alimentaire est E338. Si certaines recettes de sodas au cola restent secrètes, on sait que la quantité d acide phosphorique introduit dans une bouteille de cola de 50,0 cl d une des marques les plus connues est de 2,8 mmol. Document 4 Les espèces phosphatées dans le sang humain Le sang est constitué d un liquide plasmatique (contenant entre autres les globules et les plaquettes) qui peut être assimilé à une solution aqueuse ionique dont le ph «normal» vaut 7,4. Le plasma sanguin est un milieu tamponné notamment par le couple H 2 PO 4 (aq)/hpo 4 2 (aq) dont la constante d acidité vaut K A2 = 6,31.10-8. La concentration totale en espèces phosphatées y est égale à 0,45 mol.l -1 et seules les deux espèces phosphatées du couple H 2 PO 4 (aq)/hpo 4 2 (aq) y sont en quantité non négligeable. Données : masses molaires en g.mol -1 : M(P) = 31,0 M(O) = 16,0 M(H) = 1,0 1. Acide faible 1.1. Quelle est la différence entre un acide faible et un acide fort? (1 pt) 1.2. Donner l expression littérale de la constante d acidité K A du couple AH/A -. (0,5 pt)
1.3. Montrer que le ph de la solution peut s écrire ph [ A ] f pk A log (3 pts) [ AH ] f 2. L acide phosphorique 2.1. La réaction (1) 2.1.1. Avec quelle espèce phosphatée l acide phosphorique H 3 PO 4 forme-t-il le couple acide/base qui participe à la réaction (1)? (0,5 pt) 2.1.2. Donner la formule littérale de la constante d acidité K A1 de ce couple. (0,5 pt) 2.1.3. Calculer pk A1 sachant que K A1 = 7,25 10 3. (1 pt) 2.2. Le diagramme de distribution des espèces phosphatées en fonction du ph 2.2.1. Que représentent les courbes tracées dans un diagramme de distribution? (1 pt) 2.2.2. Associer chacune des quatre courbes du diagramme de distribution à une espèce phosphatée. (2 pts) 2.2.3. Comment vérifier graphiquement la valeur du pk A1 calculée à la question 1-3? Expliquer votre raisonnement. (2 pts) 2.2.4. Donner les deux couples acide/base d espèces phosphatées qui participent respectivement aux réactions (2) et (3). (1 pt) 2.2.5. Déterminer graphiquement la valeur du pk A2 associé au couple acide/base d espèces phosphatées qui participe à la réaction (2), puis la valeur du pk A3 associé au couple acide/base d espèces phosphatées qui participe à la réaction (3). (2 pts) 2.2.6. Tracer le diagramme de prédominance des espèces phosphatées en fonction du ph. (2 pts) 3. Les sodas au cola 3.1. La législation impose de ne pas apporter plus de 0,60 g.l -1 d acide phosphorique dans les boissons au cola. Cette boisson est-elle conforme à la législation? (3 pts) 3.2. On mesure le ph de cette boisson au cola et on obtient ph = 2,4. Quelles sont les deux espèces phosphatées effectivement présentes en quantités non négligeables dans cette boisson au cola? En quelles proportions? (2 pts) 3.3. Lorsqu on dilue un volume donné de cette boisson au cola, son ph augmente. La réaction (2) n est alors plus négligeable. Exprimer littéralement la constante d acidité K A2 liée à cette réaction (2). (0,5 pt) 3.4. L espèce H 2 PO 4 (aq) est un ampholyte. Expliquer. (2 pts) 3.5. A force de dilution, la solution de cola atteint une valeur de ph particulière pour laquelle on a 2 [ H PO ] [ HPO ]. 3 4 4 3.5.1. En utilisant les expressions littérales trouvées pour K A1 et K A2, montrer qu on a alors : pk A 1 pk A2 ph (2 pts bonus) 2 3.5.2. Calculer la valeur de ce ph particulier. (1 pt) 4. Les espèces phosphatées dans le sang humain 4.1. Montrer, par le calcul, que les concentrations molaires respectives de chacune des deux espèces dans le plasma sanguin lorsque le ph est égal à 7,4 sont [H 2 PO 4 (aq)] 1 = 0,174 mol.l -1 et [HPO 4 2 (aq)] 1 = 0,276 mol.l -1. (1 pt bonus) 4.2. Une réaction enzymatique conduit à libérer 5,0.10 2 mol d ions H 3 O + par litre de plasma. Ces ions 2 2 réagissent totalement avec les ions HPO 4 (aq) selon l équation : HPO 4 (aq) + H 3 O + (aq) H 2 PO 4 (aq) + H 2 O (l) 4.2.1. Déterminer les nouvelles concentrations molaires [H 2 PO 4 (aq)] 2 et [HPO 4 2 (aq)] 2 en fin de réaction. (1 pt) 4.2.2. En déduire la valeur du ph plasmatique en fin de réaction. (1 pt bonus) 4.2.3. Si la réaction enzymatique libérant 5,0.10 2 mol d ions H 3 O + par litre s était déroulée dans de l eau pure, quel aurait été le ph de la solution finale? (1 pt) 4.2.4. Expliquer l expression «Le plasma sanguin est un milieu tamponné notamment par le couple H 2 PO 4 (aq)/hpo 4 2 (aq)». (2 pts)
Exercice 2 Le fruit de la rose ou de l églantier est nommé cynorhodon. Il est très utilisé en phytothérapie pour prévenir la fatigue et renforcer les défenses immunitaires. Il contient des tanins, les vitamines A et B et il est aussi très riche en vitamine C ou acide ascorbique. On trouve en pharmacie de l extrait de cynorhodon sous forme de gélules. La formule de l acide ascorbique est : HOH 2 C CHOH H C HO C O C C OH O Dans la suite de l exercice, on notera l acide ascorbique sous la forme AH, acide du couple AH/A. On désire comparer l apport en vitamine C d une gélule de cynorhodon, produit naturel, avec celui d un comprimé de type Laroscorbine 500, produit de synthèse. Pour cela, on détermine par titrage, la quantité d acide ascorbique présente dans une gélule. Protocole expérimental On dissout dans l eau, le contenu d une gélule de cynorhodon dans une fiole jaugée de 100,0 ml. Puis, on réalise le titrage ph-métrique du contenu de la fiole à l aide d une solution aqueuse d hydroxyde de sodium de concentration molaire C b = 0,10 mol.l 1. Données Masses molaires atomiques : M H = 1,0 g.mol 1 ; M C = 12,0 g.mol 1 ; M O = 16,0 g.mol 1. Questions 1. Calculer la masse molaire moléculaire de l acide ascorbique notée M AH. 2. Écrire l équation de la réaction support du titrage. 3. L équivalence acido-basique. 3.1. Définir par une phrase l équivalence acido-basique. 3.2. Donner la relation entre les quantités de matière des réactifs introduits à l équivalence. 4. Le suivi du titrage permet le tracé de la courbe fournie en annexe. 4.1. En précisant la méthode employée, déterminer les coordonnées du point d équivalence de ce titrage. 4.2. En déduire la quantité de matière en acide ascorbique n AH contenue dans une gélule de cynorhodon. 4.3. En déduire la masse m AH d acide ascorbique présente dans une gélule. 4.4. Un comprimé de Laroscorbine 500 contient 500 mg d acide ascorbique. Quel est, entre la gélule de cynorhodon et le comprimé de Laroscorbine, le composant le plus riche en vitamine C?
Exercice 3 Le bleu de bromothymol est un indicateur coloré obtenu par synthèse. Il permet la mesure de ph des eaux de piscine ou d aquarium. C est un couple acide / base, noté HInd / Ind, la forme acide est jaune, la forme basique bleue. La teinte sensible est verte. Son pk a est 6,8. 1. Étude spectrophotométrique Les courbes ci-dessous représentent l absorbance de l espèce HInd et celle de l espèce Ind en fonction de la longueur d onde. +450 +500 + 550 +600 +650 +700 +750 (nm) 1.1. Pour quelle longueur d onde 1 l absorbance de la forme HInd est-elle maximale? Justifier la teinte jaune de la forme acide. 1.2. Avec quel appareil mesure-t-on l absorbance? Quelle est la relation entre l absorbance d une espèce chimique en solution et sa concentration molaire? 1.3. L appareil est réglé sur = 600 nm. Quel est l intérêt de ce réglage? 2. Zone de virage. 2.1. Écrire l équation de la réaction du bleu de bromothymol avec l eau. Utiliser les notations HInd et Ind. 2.2. Donner l expression de la constante d acidité K a. 2.3. La zone de virage de l indicateur coloré correspond à l intervalle de ph : pk a 1 < ph < pk a + 1 2.3.1. Tracer le diagramme de prédominance du bleu de bromothymol en fonction du ph. Indiquer, sur ce même tracé, les trois couleurs du bleu de bromothymol. 2.3.2. Exprimer le ph en fonction de pk a, [HInd] et [Ind ]. Calculer le ph pour HInd teinte du bleu de bromothymol. Ind =100. En déduire la
ANNEXE Évolution du ph en fonction du volume de solution d hydroxyde de sodium ajouté
Exercice 4 : Nom Formule brute Formule topologique Notation simplifiée Géraniol (B) C 10 H 18 O C 10 H 17 OH OH Éthanoate de géranyle (E) C 12 H 20 O 2 O C 9 H 15 CH 2 O CO CH 3 O Écrire les formules semi-développées du géraniol (B) et de l éthanoate de géranyle (E). Entourer et nommer les groupes caractéristiques présents dans ces molécules.