EXERCICE II De la Tere à la Lune 5,5...

BACCALAURÉAT BLANC

Session 2018______

PHYSIQUE-CHIMIESérie S____

DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 6______

L’usage d’une calculatrice EST autorisé

Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré

Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 14 pages numérotées de 1 à 14.

Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres.

Il est impératif de changer de copie à chaque exercice.

18PYCHSO Page : 1 /14

EXERCICE I : RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES (6 points)

1. Identification d'un indicateur coloré

On dispose d'un flacon d'indicateur coloré avec comme seule indication sa concentration molaire :

C0 = 2,90.10-4 mol.L-1

On mesure son pH : 4,2.

Le couple acide/base présent dans cet indicateur coloré sera noté HInd/Ind–.

La solution d'indicateur coloré a été préparée à partir de la forme acide de l'indicateur.

1.1. Écrire l’équation de la réaction de la forme acide de l’indicateur coloré avec l’eau.1.2. Donner l'expression littérale de la constante d'acidité KA du couple HInd/Ind–.1.3. Calculer la concentration molaire en ions oxonium [H3O+] dans la solution d’indicateur coloré.1.4. Sachant que [Ind–] = 30% [HInd], calculer la constante d’acidité KA du couple HInd/Ind-.1.5. En déduire le pKA du couple HInd/Ind– et identifier l’indicateur coloré (ANNEXE 1).

2. Dosage d'une solution d'acide chlorhydrique concentrée

Dans le laboratoire d'un lycée, on dispose d'un flacon d'une solution d'acide chlorhydrique concentrée sur lequel est notée l’indication suivante :

33% minimum en masse d'acide chlorhydrique

On appellera cette solution S0 dont on veut connaître la concentration molaire C0.

Première étape :

On dilue 1000 fois la solution S0 . On obtient alors une solution S1 de concentration C1.

Deuxième étape :

On prélève précisément un volume V1 = 100,0 mL de solution S1 que l’on dose par conductimétrie avec une solution titrante d'hydroxyde de sodium de concentration CB = 1,00.10–1 mol.L–1.

La représentation graphique de la conductance de la solution en fonction du volume V de solution titrante versé est donnée dans l’ANNEXE 2.

2.1. Écrire la réaction support du dosage.

2.2. Déterminer graphiquement, en faisant apparaitre le(s) tracé(s) sur le document de l’ANNEXE 2 A RENDRE AVEC LA COPIE, le volume d’hydroxyde de sodium VE versé à l’équivalence.

2.3. Établir la relation existant entre C1, CB, VE et V1 à l’équivalence puis calculer la concentration molaire C1

de la solution d'acide chlorhydrique diluée S1.

2.4. En déduire la concentration molaire C0 de la solution d'acide chlorhydrique concentrée S0.

2.5. Calculer la masse m0 d'acide chlorhydrique (H3O+(aq) + Cl–

(aq)) dissous dans un litre de solution. On donne la masse molaire de l'acide chlorhydrique M = 36,5 g.mol-1.

La solution S0 a une masse volumique ρ0 = 1160 g.L-1.Le pourcentage massique de la solution S0 représente la masse d'acide chlorhydrique dissous dans 100 g de solution.

2.6. Calculer le pourcentage massique p de la solution S0. L'indication de l'étiquette du flacon de solution d'acide chlorhydrique concentrée est-elle correcte ?


Une simulation du dosage par suivi pH–métrique de la solution S1 est donnée dans l’ANNEXE 3 A RENDRE AVEC LA COPIE.

2.7. Sur ce document, indiquer les domaines de prédominance ainsi que la zone de virage de l’indicateur coloré étudié dans la partie 1 et, dans chaque domaine, la couleur de la solution et l’espèce chimique prédominante.

2.8. Dans la liste donnée dans l’ANNEXE 1, y-a-t-il un indicateur coloré plus adapté pour repérer l'équivalence du dosage ? Justifier la réponse.


EXERCICE II : DRÔLES DE PETITES BÊTES (9 points)

Cet exercice traite des moyens que les abeilles et les araignées ont développés pour communiquer ou se nourrir. Il est ainsi composé de quatre parties indépendantes.

Les illustrations sont d’Antoon Krings, chez Gallimard Jeunesse.

A. La communication chez les abeilles

L’absence de détection des sons, le peu de sensibilité au toucher, et la déficience de la vue dans l’obscurité de la ruche sont remplacés chez l’abeille par des émissions chimiques comme les phéromones. Ces substances sont produites par tous les individus d’une ruche. La transmission du message chimique induit un changement de comportement des abeilles qui le perçoivent.

A.1. La phéromone mandibulaire de la reine

Cette phéromone est composée d’un mélange de 5 espèces chimiques. Une de ces espèces identifiée chez l’abeille domestique, et notamment chez la reine, est l’acide (2E)-9-oxodéc-2-ènoïque dont la formule semi-développée est représentée ci-dessous. Elle assure la cohésion de la colonie en commandant aux ouvrières de nourrir la reine, de la toiletter.

Acide 9-oxodéc-2-ènoïque

A.1.1. Recopier la molécule de l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque, encadrer les groupes caractéristiques présents et nommer les familles des fonctions correspondantes.

A.1.2. La molécule d’acide 9-oxodéc-2-ènoïque possède deux stéréoisomères de configuration. Les représenter.

Une autre de ces espèces chimiques, l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque, de formule relativement semblable à la précédente, est émise lors du vol nuptial par la reine pour attirer les mâles.

A.1.3. Le groupe caractéristique hydroxy étant OH, représenter l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque par analogie avec l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque.

A.1.4. La molécule d’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque présente deux types de stéréoisoméries de configuration. Justifier.

A.2. Phéromone d’alarme et phéromone d’attaque

Une des phéromones d’alarme est l’heptan-2-one. Elle est émise, entre autres, quand un intrus s’approche de la ruche ou qu’une abeille est agressée. La réaction d’alerte est immédiate dans la colonie, mais de courte durée.

heptan-2-one

La phéromone d’attaque est l’éthanoate d’isoamyle. C’est une espèce chimique volatile qui est produite par des cellules bordant la poche à venin. C’est pourquoi, si une abeille pique, les glandes sécrétant cette phéromone restent avec le dard et continuent à émettre le signal d’attaque.

éthanoate d’isoamyle

Pour distinguer ces deux phéromones, on peut avoir recours à la spectroscopie infrarouge.18PYCHSO Page : 4 /14

Spectre IR n°1

Spectre IR n°2

Bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques

Liaison OH Entre 3100 et 3500 cm-1 Bande forte et large

Liaison OH des acides carboxyliques Entre 2500 et 3300 cm-1 Bande forte et large

Liaison CH Entre 2900 et 3100 cm-1 Bande moyenne à forte

Liaison CH de CHO Entre 2650 et 2800 cm-1 Double bande moyenne

Liaison C=O Entre 1700 et 1800 cm-1 Bande forte

Liaison CO Entre 1200 et 1300 cm-1 Bande forte

Ces spectres ne peuvent être distingués que grâce aux bandes d’absorption dont le nombre d’onde est compris entre 500 et 1500 cm-1.

A.2.1. Attribuer à chaque spectre la molécule de phéromone correspondante, en expliquant votre choix.18PYCHSO Page : 5 /14

Le spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle est représenté ci-dessous. Il comporte :

- Un doublet à 0,9 ppm- Un quadruplet à 1,5 ppm- Un nonuplet (9 pics) à 1,8 ppm- Un singulet à 2,2 ppm- Un triplet à 4,1 ppm

A.2.2. Recopier la molécule d’éthanoate d’isoamyle sur votre copie puis repérer et numéroter les groupes de protons équivalents de la molécule, comme débuté ci-dessous avec l’exemple du groupe n°1.

Justifier que ce spectre correspond bien à la phéromone d’attaque.

Spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle :

B. Synthèse de l’éthanoate d’isoamyle

Phéromone produite par les abeilles, l’éthanoate d’isoamyle peut être également synthétisé en laboratoire en réalisant une estérification : réaction d’un acide carboxylique avec un alcool pour donner un ester et de l’eau.

B.1. Écrire, avec les formules semi-développées, l’équation chimique de la réaction entre l’acide éthanoïque et le 3-méthylbutan-1-ol (appelé alcool isoamylique).

B.2. On mélange 11,5 mL d’acide éthanoïque avec 21,8 mL de 3-méthylbutan-1-ol en présence de 1,0 mL d’acide sulfurique dans un ballon. On chauffe à reflux pendant 30 minutes. À l’aide du tableau de données ci-après, calculer les quantités de matière initiales de chacun des réactifs.

B.3. Si l’on suppose la réaction totale, quelle est la quantité de matière d’éthanoate d’isoamyle que l’on s’attend à obtenir ? Un tableau d’avancement pourra être utilisé.

B.4. En réalité, dans ces conditions, la réaction d’estérification n’est pas totale mais limitée à cause de l’hydrolyse de l’ester qui se produit dans le même temps. Le rendement de cette réaction équilibrée est alors de 67 %.Définir le rendement de cette synthèse.Déterminer le volume d’éthanoate d’isoamyle que l’on peut obtenir au mieux dans ces conditions.

Substance Acide éthanoïque 3-méthylbutan-1-ol Éthanoate d’isoamyleMasse molaire (g.mol−1) 60,0 88,1 130,2


Densité 1,05 0,81 0,87Miscibilité à l’eau oui non non

Précautions d’emploi

Masse volumique de l’eau : ρeau = 1,0 g.mL−1

C. La composition de la soie d’araignée

La soie que produisent les araignées pour tisser leurs toiles ou envelopper leurs proies possèdent des propriétés physico-chimiques si exceptionnelles (finesse, régularité, élasticité, solidité, imputrescibilité, etc...) qu’elle est devenue un sujet d’étude pour de nombreux scientifiques.

La soie d’araignée est essentiellement composée de fibroïne, une molécule constituée de plusieurs centaines d’acides aminés reliés les uns aux autres par des liaisons peptidiques. Les deux principaux acides aminés présents dans la fibroïne sont la glycine (40 % environ) et l'alanine (25-30 % environ) dont les formules semi-développées sont indiquées ci-dessous.

Glycine Alanine

Selon l’enchaînement des différents acides aminés au sein de la macromolécule de fibroïne, cette protéine peut adopter deux structures géométriques tridimensionnelles différentes : soit une structure semi-cristalline en feuillets bien ordonnés, soit une structure amorphe inorganisée.

La soie d’araignée est donc un matériau dont les propriétés mécaniques découlent de l’organisation structurale particulière de la molécule de fibroïne : des régions cristallines expliquent la résistance élevée de la soie d'araignée tandis que des régions amorphes sont responsables de son importante élasticité.

1. Pourquoi les molécules de glycine et d’alanine appartiennent-elles à la famille des acides aminés ?

2. La molécule d’alanine compte deux stéréoisomères. Donner la représentation de Cram de ces deux stéréoisomères, puis justifier le type de relation de stéréoisomérie qui les lie.

D. Détermination du diamètre d’un fil de soie d’araignée

Un fil d’araignée, de diamètre inconnu noté a, est maintenu en position verticale et éclairé au moyen d’une source laser rouge de longueur d'onde = 615 nm. Le fil est placé à quelques centimètres de la source laser et à une distance D assez éloignée d'un écran vertical. La figure de diffraction obtenue à l‘écran est caractérisée par une tache centrale de largeur L et un angle de diffraction noté .

Schéma de l'expérience en vue de profil

Schéma de l’expérience en vue de dessus, sans souci d’échelle


D.1. Quel caractère de la lumière est mis en évidence par l’apparition d’une figure de diffraction ?

D.2. Rappeler l’expression qui lie les grandeurs a, et .

D.3. Sachant que tan = pour les faibles valeurs de en radian, démontrer que la largeur L de la tache centrale de diffraction admet pour expression littérale :

D.4. Calculer, en m puis en µm, le diamètre a du fil d’araignée analysé sachant que D = 2,00 0,01 m et L = 18,8 0,4 cm.

D.5. La source lumineuse étant un laser, on fera l’hypothèse que l’incertitude sur la longueur d’onde peut être négligée par rapport aux autres incertitudes. L’incertitude absolue U(a) associée à la mesure du diamètre a du fil d'araignée dépend uniquement des incertitudes absolues U(D) et U(L) associées aux distances D et L selon la relation suivante :

Exprimer le résultat de la mesure expérimentale du diamètre a du fil d’araignée sous la forme d‘un encadrement.

D.6. Le même fil d’araignée que celui étudié dans la partie précédente est maintenant observé et photographie à l’aide d‘un microscope optique équipé d’un appareil photo numérique. Voici le cliché obtenu :

Déterminer le diamètre a du fil à partir du cliché ci-dessus et donner le résultat assorti de l’incertitude absolue U(a) associée à cette valeur. Dans cette mesure, on considère que :


(avec d la valeur mesurée sur la photographie et U(d) l’incertitude absolue associée)

D.7. La mesure par diffraction du diamètre du fil d'araignée réalisée dans la partie précédente est-elle cohérente avec la mesure effectuée au microscope optique ? Détailler la réponse.

D.8. Quelle méthode est-il préférable d'utiliser pour réaliser cette mesure ? Justifier votre réponse.

EXERCICE III : SON ET EFFET DOPPLER (5 points)


Partie 1 : L'ENREGISTREMENT EN STUDIO D'UN GROUPE DE MUSIQUEUn groupe de musique composé d'un chanteur, de deux guitaristes, d'un violoniste, d'un bassiste et d'un batteur se prépare à un enregistrement en studio.

Lors de la « balance » (moment préalable à un enregistrement ou à un concert) l'ingénieur du son réalise séparément pour chaque instrument des enregistrements à l'aide de micros reliés à un système informatisé.

La tension électrique notée UAM en mV, détectée au niveau de l'interface informatique, est proportionnelle à la pression acoustique du son ou encore à l'intensité sonore. Cette tension en fonction du temps est représentée ci-dessous.

Préambule : compte tenu de l'imprécision des graphiques, une certaine incertitude sera acceptée pour les résultats. Une différence de un à deux hertz ne doit pas être comptabilisée comme un écart significatif lors d'une comparaison de fréquences par exemple.

Document 1 : enregistrement numérique d'un son de la guitare.

Document 2 : enregistrement numérique d'un son de la basse.

Document 3 : enregistrement numérique d'un son du violon


uAM(mV)

uAM(mV)

Document 4 : spectres de fréquences d’un son de violon.

1. Caractéristiques des sonorités instrumentales

1.1. L'enregistrement informatisé d'une note jouée par l'une des guitares du groupe est représenté par le document 1 ci-dessus.

1.1.1. Le son joué par la guitare comporte-t-il des harmoniques ? Justifier.1.1.2. À partir du document 1, déterminer la période de la note jouée par la guitare. En déduire sa

fréquence.

1.2. Un son de basse a été enregistré dans les mêmes conditions que celui de la guitare.

1.2.1. Le son émis par la guitare (document 1) et celui émis par la basse (document 2) ont-ils approximativement la même hauteur ? Justifier.

1.2.2. A quoi reconnaît-on sur les documents que ces deux instruments n'ont pas le même timbre ?

1.3. La note émise par le violon (document 3) est-elle plus ou moins aiguë que celle émise par la guitare ? Justifier.

2. Analyse et synthèse des sons


uAM(mV)

2.1. On a mesuré la fréquence f1 d'une note émise par le violon : f1 = 220 Hz.

Parmi les fréquences suivantes, indiquer les fréquences qui correspondent à des « harmoniques » de la note émise par le violon :

f2 = 110 Hz f3 = 330 Hz f4 = 440 Hz f6 = 660 Hz

2.2. L'analyse spectrale d'une autre note émise par le violon donne le spectre du document 4.

2.1.1. Quelle est la fréquence du fondamental ?2.1.2. Quelles sont les fréquences des harmoniques présentes dans ce spectre ?

3. Niveau sonore des instruments

On rappelle que le niveau sonore L est lié à l'intensité sonore l par la relation :

L = 10 log avec l0 = 10-12 W.m-2 (log désigne la fonction logarithme décimal)

3.1. À quoi correspond l'intensité l0 ?3.2. La première guitare joue un premier thème. On enregistre son niveau sonore moyen LG qui est de 60

dBA (décibel acoustique). La deuxième guitare se joint à la première pour jouer à l'unisson (c'est à dire strictement le même enchaînement de notes) avec le même niveau sonore (60 dBA).

Quel niveau sonore moyen, noté L2G, mesure-t-on lors de la prise de son lorsque les deux guitares jouent simultanément, sachant que l'intensité sonore totale est la somme des intensités sonores des deux instruments ?

Partie 2 : MESURE DE VITESSE À L'AIDE D'UN CINÉMOMÈTRE DOPPLER

Ce type d’appareil utilise une onde électromagnétique monochromatique. Il comprend essentiellement : un émetteur qui génère une onde de fréquence f0 = 24,125 GHz, un récepteur qui reçoit cette onde après réflexion sur la " cible " et une chaine de traitement électronique qui compare le signal émis et le signal reçu.Si la " cible " visée a une vitesse non nulle par rapport au cinémomètre, l’appareil produit un signal périodique dont la fréquence, appelée « fréquence Doppler », est proportionnelle à la vitesse de la " cible ".

Données :

Relation, en première approximation, entre la « fréquence Doppler » et la vitesse de la " cible " :

Célérité des ondes électromagnétiques dans le vide ou dans l’air :

c = 3,00 × 108 m.s-1

1. Les cinémomètres Doppler utilisent l’effet Doppler. Expliquer en quelques lignes en quoi consiste ce phénomène.


Un cinémomètre Doppler immobile est utilisé pour mesurer la vitesse d’une " cible " qui s’approche de lui. Les ondes électromagnétiques émises sont réfléchies par la « cible » avant de revenir au cinémomètre.

2. La figure ci-contre modélise de manière très simplifiée l’allure des ondes réfléchies par cette " cible ", notée C.

Déterminer, en explicitant le raisonnement suivi, si le cinémomètre Doppler est situé au point A ou au point B.

3. Un cinémomètre Doppler est utilisé pour mesurer la vitesse des balles de tennis lors des principaux tournois internationaux comme celui de Roland Garros. Au cours de ce tournoi, lors d’un service, l’appareil mesure une fréquence Doppler de valeur fD = 7416 Hz.

3.1. Calculer la valeur de la vitesse de cette balle.

3.2. Ce résultat est-il cohérent avec celui affiché sur la photographie ci-dessous, prise lors de ce service ?


Nom : Prénom : Classe :

ANNEXES POUR L’EXERCICE I (À RENDRE AVEC LA COPIE)

Annexe 1 : Indicateurs colorés

Indicateur Couleur acide Zone de virage Couleur basique pKA

Hélianthine Jaune orangé 3,1 – 4,4 Rouge 3,7

Vert de Bromocrésol jaune 3,8 – 5,4 Bleu 4,7

Bleu de Bromothymol jaune 6,0 – 7,6 Bleu 7,0

Phénolphtaléine incolore 8,2 – 10,0 Fuschia 9,4

Annexe 2 : Dosage de la solution S1 par conductimétrie

Annexe 3 : Simulation du dosage de la solution S1 par pH–métrie


Conductance (µS)

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