Première S

Devoir communMai 2013

PHYSIQUE-CHIMIEM. GOLESTIN

M. TARGYM. LABBÉ

Durée de l'épreuve : 3 hL’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 sontindépendantes et peuvent être abordées dans l’ordre souhaité, maischacune doit être traitée. Les réponses aux questions doivent êtrerédigées.

Données

Constantes

Constante Valeur

Constante de Planck h=6,62606957×10−34 J⋅s

Constante de gravitation universelle G=6,674×10−11N⋅m 2⋅kg−2

Vitesse de la lumière dans le vide c=2,99792458m⋅s−1

Charge élémentaire e=1,602×10−19C

Constante électrique k=8,988×109N⋅m2⋅C−2

Tableau 1 : Constantes utilisées en Physique et Chimie.

Unités

Grandeur Unité Symbole Définition

Masse Unité de masse atomique unifiée

u 1u=1,660×10−27kg

Énergie Électron-volt eV 1eV=1,602×10−19J

Tableau 2 : Unités utilisées en physique nucléaire et atomique.

Formules

Loi ou formule Expression, les valeurs numériques étant enunités S.I.

Loi de Coulomb entre une charge q1 etune charge q2 situées à la distance d l’une de l’autre

F=k⋅q1⋅q2d2

(1)

Force de gravitation universelle entre un objet de masse m1 et un objet de masse m2 situés à la distance d l’un de l’autre

F=G⋅m1⋅m2

d2(2)

Énergie d’un photon E=h⋅ν=h⋅cλ

(3)

Loi du déplacement de Wien λmax×T=2,90⋅10−3 (4)

Tableau 3 : Lois ou formules utilisables dans ce devoir.

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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) En déduire le nombre de doublets liants et non liants de chaque atome.

A.1.3) Prévoir la structure et la géométrie de la molécule d’eau.

A.1.4) Les liaisons O – H sont-elles polarisées ? Si oui, tracer le moment dipolaire dechaque 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 lecristal 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, lesions 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 alcoolsOn étudie maintenant la solubilité de deux alcools dans l’eau.

A.3.1) Rappeler ce qu’est un alcool.

A.3.2) Les alcools utilisés pour l’expérience sont le propan-2-ol et le heptan-1-ol. Écrireles formules semi-développée et topologique de ces deux molécules.

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On constate expérimentalement que l'heptan-1-ol n’est pas miscible dans l’eau tandis quele propan-2-ol l’est.

A.3.3) Rappeler, en s’aidant de schémas, la nature des interactions entre les moléculesd’eau et une molécule d’alcool puis interpréter ces résultats.

A.4 -Troisième expérience avec les alginatesA.4.1) Quel type d’interaction existe-t-il entre les ions sodium et les groupes

carboxylates ?

A.4.2) Justifier la grande solubilité dans l’eau de l’alginate de sodium.

A.4.3) Pourquoi l’ion calcium permet-il la formation de ponts entre deux chaînes, ce quene permet pas l’ion sodium ?

A.4.4) 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 desucres) constituant majoritairement les parois cellulaires des algues. Ils sont extraitsd’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 deuxmonomères comportant des groupes carboxylates COO- et des ions sodium Na+. Enprésence d’ions calcium Ca2+, les ions sodium sont remplacés par les ions calcium quipermettent la formation de ponts entre deux chaînes. Les chaînes d’alginate formentalors de longs rubans de moins en moins solubles dans l’eau, permettant la fabricationde solutions visqueuses ou même de gels. C’est pourquoi l’alginate de sodium est trèsprésent dans l’industrie agro-alimentaire pour la fabrication d’épaississants ou degélifiants.

Document A.3 : Formule de l'alginate de sodium

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Document A.4 : Formule de l’alginate de calcium

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Partie B : Soleil et atmosphère terrestreL’objectif de cette partie est d’étudier deux phénomènes résultants de l’interaction entre lerayonnement solaire et l’atmosphère terrestre : la luminescence en haute atmosphère etl’effet de serre. Auparavant, une brève étude du fonctionnement de notre étoile seramenée, et sa durée de vie sera estimée.

B.1 -Fonctionnement du Soleil

Document B.1 : Caractéristiques du Soleil

Masse 1,99×1030 kg

Diamètre 1 390 000 km

Âge 4,57 milliard d'années

Quantité d'hydrogène consommé par seconde 600 millions de tonnes

Document B.2 : Schéma d’une réaction nucléaire dans le Soleil

Document B.3 : Masses de quelques noyaux

Noyau neutron 1H 2H 3H 3He 4He

Masse (u) 1,0087 1,0073 2,0136 3,0155 3,0149 4,0015

B.1.1) Écrire l’équation de la réaction décrite sur le Document B.2.

Montrer que cette équation respecte les lois de conservation en physiquenucléaire.

B.1.2) Rappeler ce que signifie que deux noyaux sont isotopes et dire si la réactionnucléaire au sein du soleil fait appel à des isotopes.

B.1.3) Calculer la variation de masse m associée à la réaction nucléaire étudiée.

Comment voit-on que cette réaction dégage de l’énergie ?

B.1.4) Calculer l’énergie libérée par la réaction.

Vos calculs sont-ils cohérents avec les valeurs données sur le Document B.2 ?

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B.1.5) Le deutérium (2H) et le tritium (3H) sont produits à partir de noyaux d’hydrogène(1H). Combien de noyaux d’hydrogène faut-il pour former un noyau dedeutérium ? Et pour le tritium ?

Écrire les réactions correspondantes, sachant que des particules présentes danscertaines désintégrations radioactives sont également créées.

B.1.6) On estime que seul 10 % de l’hydrogène contenu dans le Soleil sera transforméen hélium. À partir des données du Document B.3, estimer combien de tempsencore le Soleil brillera. On supposera que le Soleil n’était constitué qued’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’ondecomprise entre 10 et 120 nm. Ceux-ci sont arrêtés par les couches supérieures del’atmosphère, ce qui a pour effet de produire des ions, principalement O+, N2

+ et O2+.

Ces phénomènes d’interaction entre rayonnement et atmosphère sont étudiés grâce àl’émission de lumière, appelée luminescence, qui suit le retour dans l’état fondamentaldes atomes de l’atmosphère qui ont été excités. On utilise notamment deux raiesémises dans le visible (400-800 nm) par l’atome d’oxygène. Ces deux raies, l’une rougeet 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 estde 13,6 eV

D’après la thèse de doctorat de Frédéric Culot, Université Joseph Fourier, 2005.

B.2.1) Rappeler ce que signifie ionisation. Quel est l’ion créé par l’ionisation de l’atomed’oxygène sous l’action des rayons EUV ?

B.2.2) Dire sans calcul, mais en justifiant, si les photons EUV possèdent une énergieplus grande ou plus petite qu’un photon du visible.

Expliquer en quoi la présence d’une atmosphère, indépendamment de sacomposition, a participé à l’apparition de la vie sur Terre.

B.2.3) Un photon de longueur d’onde 10 nm peut-il ioniser un atome d’oxygène ? Et unphoton de longueur d’onde 100 nm ?

B.2.4) À partir du Document B.5, identifier les transitions responsables de la raie verteet de la raie rouge qui sont utilisées pour l’étude des interactions entrerayonnement EUV et atmosphère.

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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 cettetempérature la glace s’étendrait sur le globe, l’albédo terrestre augmenterait et latempérature 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 dusoleil, vers la Terre, et en provenance de la Terre vers l’espace.

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B.3.1) À partir du Document B.7, déterminer la température de la surface du Soleil.

B.3.2) La température moyenne à la surface de la Terre est de 15°C. Déterminer laposition de son maximum d’émission (rappel : 0°C = 273,15 K) et préciser à queldomaine optique il appartient.

B.3.3) À partir de vos calculs et des documents fournis, rédiger un paragrapheexpliquant de manière détaillée comment l’atmosphère terrestre a permisl’apparition de vie sur Terre, en y maintenant une température pour laquelle l’eause trouve sous forme liquide.

B.3.4) À partir de vos connaissances, dire quel gaz rejeté par les activités humaines estimpliqué dans l’effet de serre. Quelle est l’origine de ces émissions ?

Partie C : Dosage colorimétrique de l’aluminiumLe but de cet exercice est d’exploiter une analyse par spectrophotométrie afin de s’assurerqu’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 nombreuxfacteurs (type de composé, solubilité, co-administration avec de l’eau ou dansl’alimentation, etc.). Elle est estimée à 0,1 % lorsque l’aluminium est présent dansl’aliment. Largement distribué à travers l’organisme, l’aluminium peut atteindre lecerveau et franchir la barrière placentaire. Sa demi-vie d’élimination très variable selonles 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 lesinsuffisants rénaux exposés de façon chronique à l’aluminium, ainsi que chez lesprématurés alimentés par voie parentérale. La dose systémique de 5 μg d’aluminiumpar 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 pourdeux populations dont la fonction rénale est diminuée : les enfants prématurés et lesinsuffisants rénaux.

L’EFSA (European Food Safety Agency) a considéré que les résultats de génotoxicitéobtenus dans les essais avec l’aluminium ne sont probablement pas pertinents pourl’Homme exposé par la voie alimentaire. Les études chez l’animal ne mettent pas enévidence de potentiel cancérogène. Les données épidémiologiques ne permettent pasd’établir un lien concluant entre l’exposition cutanée à l’aluminium et l’apparition d’uncancer.

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/.

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Document C.2 : quantité maximale d’aluminium autorisée dans l’eau destinée à laconsommation humaine

L’arrêté du 11 janvier 2007 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes etdes 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 sonannexe, que la teneur maximale en aluminium d’une eau potable ne doit pas dépasserla concentration massique Tmax=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 AlCl3 solide endissolvant m=1,087g de ce solide. Ce dernier se dissout totalement dans l’eau enlibérant des ions aluminium (III) Al3+ et des ions chlorure Cl- selon l’équation :

AlCl3 (s)→Al(aq)3+

+3Cl(aq)− .

On dilue cette solution mère 100 fois afin d’obtenir afin d’obtenir 100,0 mL d’une solutionqui sera appelée par la suite S0.

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 lapréparation de l’échelle de teintes. Une nouvelle espèce chimique colorée est ainsiobtenue par une transformation chimique supposée totale.

L’échelle de teintes est préparée de la façon suivante : il faut placer dans une fiolejaugée de 50,0 mL, 5 mL d’une solution d’aluminon, 20 mL d’une solution tamponpermettant de maintenir le pH à 4,8, un certain volume de solution S0 précisé dans letableau placé à la suite de l’exercice et compléter jusqu’au trait de jauge avec de l’eaudistillée. Après homogénéisation et un temps d’attente de 15 minutes, les échantillonssont 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.

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Document C.5 : Absorbance d’une solution d’aluminium avec aluminon selon lalongueur 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 leurconcentration en ion aluminium.

Solution Volume de S0 utilisé(en mL)

Concentration molaire enélément aluminium (mmol.L-1)

Absorbance mesurée

S1 0,0 0,00 0,000

S2 1,0 0,16×10–2 0,012

S3 3,0 0,48×10–2 0,037

S4 6,0 0,96×10–2 0,072

S5 12,0 2,0×10–2 0,150

S6 15,0 2,4×10–2 0,190

S7 20,0 3,3×10–2 0,250

Source : exercice donné au baccalauréat (spécialité, 2011, Amérique du Sud)

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Document C.7 :Absorbance de la solution d’aluminium avec aluminon en fonctionde sa concentration molaire en élément aluminium.

Source : auteur à partir des données du Document C.6.

C.1 -Préparation de la solution-mèreC.1.1) Quelle type de liaison est cassée lors de cette dissolution ?

C.1.2) Établir un tableau d’avancement pour cette réaction.

C.1.3) 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.

C.1.4) Calculer la concentration C en soluté apporté.

C.1.5) En déduire les concentrations effectives en ions chlorure et en ions aluminium(III).

C.2 -Dosage de l’aluminiumC.2.1) Quel est le rôle de la solution S1 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’absorptionC.3.1) Expliquer pourquoi l’aluminon (Document C.4) absorbe la lumière dans le visible.

C.3.2) Quelle sera la couleur de l’aluminon ? Quelles seront les lumières coloréesabsorbées ?

C.3.3) Pourquoi l’ion aluminium (III) est-il stable ?

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