Phy Chi Polynesie 2013

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    BAccALAUnnr crunnlSession 2013

    PHYSIQUE-CHIMIE

    Srie SEnseignement Obl igatoi re

    Dure de l'preuve : 3 heures 30 - Coefficient : 6

    L'usage des calculatrices est autoris.ce sujet ne ncessite pas de feuille de papier millimtr.ce sujet comporte 11 pages numrotes de 1111 11t11

    LA feuille d'annexe (pugg 11t111EST RENDRE AGRAFE m cpre

    l3PYSCOPOl

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    EXERCICE I : GOMPOSITION D'UN VIN ntsLa teneur maximale en dioxyde de soufre d'Ltn vin esf imposerglementation europenne. Celle-ci prcise galement la notion d'aciditlien avec la prsence d'acide taftrique dans le vin.Dans cet exercice, on s'intresse la dtermination de ces deux grandeurs.Les parties 1 et 2 sont indpendantes'Les documents utiles la rsolution sont rassembls en fin d'exercice.Donnes :. Masses molaires atomiques :

    par unetotale en

    Elment H C o N SM (o/mol) 1,00 12.0 16,0 14.0 32,1Masse molaire de l'acide tartrique, not HzA:M(HzA) = 150 g.mol-l

    Couples acide/base, valeurs de PKa :Couples du dioxyde de soufre :pKa 1SOz, HzO IHSO3J = 1,9 ; pKa (HSO.- /SO32-; = 7,2Couples du dioxyde de carbone :pKa (COz, HzO IHCO3) = 6,4 ; pKa (HCOo- / COo2-) = 10,3Couples de I'acide tartrique not HzA :PKa (H2AJHA-) = 3,0 ; PKa (HA-/A'') = 4,4En prsence d'empois d'amidon, le diiode donne une solution aqueuse uneteinte violet fonc.Les ions iodure l-, les ions sulfate SO+'- et le dioxyde de soufre en solutionsont incolores.

    1. Dosage du dioxyde de soufre dans un vin.Un laboratoire dpartemental d'analyse doit dterminer la concentration de dioxydede soufre SOz(rq) dans un vin blanc. Un technicien dose ce dernier l'aide d'unesolution de diiode aqueux l21uoy.Pour cela, il introduit dans un erlenmeyer, un volume V1 = (20,00 + 0,05) mL de vinblanc limpide trs peu color en vert ple, 4 mL d'acide sulfurique incolore et 1 mLd'empois d'amidon galement incolore.La solution titrante, de concentration en diiode C2= (1,00 t 0,01) x 10-2 mol.L-1 estensuite ajoute jusqu' l'quivalence repre par le changement de couleur dumilieu ractionnel.L'quivalence est obtenue aprs avoir vers un volume V6 = (6,28 + 0,05) mL desolution de diiode.L'quation support du dosage est :

    lz(aq) + SOz(aq) + 2 HzOtrl ) 2 l-1aq)+ SO+'-("q) + 4 H*("q)Page 2 sur 11

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    1.1. Prciser, en justifiant, le changement de couleur qui permet de reprerl'quivalence.1.2. Dterminer la concentration molaire Cr n dioxyde de soufre de ce vin et endduire que sa concentration massique C*""0 en dioxyde de soufre est gale 0,201 g.L 1.1.3. Dterminer l'incertitude relative *.- dont on admet que, dans lesC- "*o (nc- - )' ( lv- )' ( lc. )'conditions de l'exprience, elle satisfait : I -:---r::L I = |' | + 1 --------' 1fc_..'J Ivr, \.c,,En dduire un encadrement de la concentration massique Cmexp obtenue parle technicien.1.4. Cette concentration est-elle conforme la rglementation europenne ?Justifler.Acidit < totale >> d'un vin et acide tartrique.2.1. Molcule d'acide tartrique.2.1.1.crire la formule semi-dveloppe de la molcule d'acide tartrique, puisidentifier dans cette formule les groupes fonctionnels prsents.Z.1.2.Recopier la reprsentation de Cram de l'acide tartrique naturel puis, enjustifiant, reprer le(s) carbone(s) asymtrique(s) prsents s'ils existent'2.2. P r oprits acido-basiq u es de l' acide tartriq u e.On ajoute une solution d'acide tartrique une solution d'hydroxyde desodium Na*1aq; + HO-(aq) jusqu' ce que le pH du mlange soit gal 7.2.Z.1.Justifir, qu' pH = 7, I'espce chimique prdominante dans le mlangeest la forme A'-.2.Z.Z.Choisir alors parmi les deux propositions suivantes l'quation de laraction qui se produit dans ces conditions entre l'acide tartrique et lesions HO-. Justifier.HzA + HO- ) HA- + HzO (1)H2A+2HO-) A2-+ZHzO (2)2.3.Acidit totale d'un vin blanc.pour dterminer l'acidit totale d'un vin blanc d'appellation protge, onintroduit 20,0 mL de ce vin dans une fiole vide et on procde au dgazagedu vin. On doit alors ajouter un volume V = 15,5 mL d'une solutiond'hydroxyde de sodium de concentration molaire C = 0,100 mol'L-1 cetchantillon pour obtenir un mlange de pH = 7.

    2.3.1.Quel est I'intrt du dgazage du vin ?2.3.Z.Calculer la quantit de matire nno- d'ions HO- correspondante puis lamasse d'acide tartrique pouvant ragir avec cette quantit d'ions HO-.En dduire

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    Oo"ument 1 : Extrait de la rglementation sur le vin'Rqlementation euroPenne :... < La concentrati,cffiassique en dioxyde de soufre ne doit pas dpasser210 mg.L-1 dans un vin blanc >...

    Document 3 : Acidit totale d'un vin.L'acidit totale du vin se mesure en g/L quivalent d'acide tartrique. Sa dterminationse fait en amenant le pH du vin 7,0 par addition d'une solution d'hydroxyde desodium Na*1"q; + HO-trol sur un chantillon de vin dont on a extrait le gazcarbonique. ie votume solution d'hydroxyde de sodium ajout permettrait de faireragir une masse d'acide tartrique qui correspond l'acidit totale du vin.

    Document 2 : L'acide tartrique.L,acide tartrique est I'acide majoritaire dans le vin. Parmi les acides faibles que peutcontenir le vin, on trouve galment deux gaz dissous dans I'eau dont la prsencecontribue apporter de l'cidit au vin : le dioxyde de soufre et le dioxyde decarbone.L'acide tartrique a jou un rle important dans la dcouverte de la chiralit chimique.Louis pasteur a pursuivi cette recherche en 1847 en tudiant la morphologie descristaux de tartrate double de sodium et d'ammonium'L'acide tartrique naturel est chiral, ce qui signifie qu'il est constitu de molcules dontl'image dans un miroir ne lui est pas superposable'

    r-r- 8H H'.h E .l-,^LlH'i--.- {-i--j\HOOC cooHD'aprs le site www.societech imiquedefrance.fr

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    ffiPPLER ETASTRoPHYSIQUE (6 points)L'effet Doppter constitue un moyen d'investigation utitis en astrophysique' ll permetde dterminer la yifesse des ajfres paftir de l'analyse spectrale de la lumire queceux-ci mettent.cet exercice s'intre.sse deux applications distinctes, savoir le modle d'universen expansion et ta dtection d'une toite double '

    Les parties 1 et 2 sont indpendantes'

    Les documents utiles Ia rsolution sont rassembls en fin d'exercice'

    Donne:14=0,1 nm

    1. Preuve de l'expansion de I'Univers1.1. En utilisant le document 3, dterminer la longueur d'onde mdiane du doublet

    de ca* dans le spectre de la galaxie nomme : NGC 691.Sachant que la longueur d'onde mdiane o de ce doublet mesure sur Terrepour une source au repos est de 5268 A, calculer le < redshift > zcaractrisant le dcalage vers le rouge de cette galaxie, dfini dans ledocument 1.1.2.Calculer la vitesse d'loignement de la galaxie NGC 691 par rapport laTerre.1.3. I'aide des documents 1 et 2, tablir dans le cas non relativiste, la relationentre la vitesse d'loignement V de la galaxie et sa distance d la Terre,montrant que V est proportionnelle d'1.4. partir des valeurs du nombre z donnes dans le document 2, montrer queI'eipression utilise pour calculer la vitesse d'loignement des galaxiesdonne dans le document 1 n'est pas applicable dans tous les cas'

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    l3PYSGOPOl2. Dtection d'une toile double .On appelle < toile double > un systme stellaire compos de deux toites prochesen orbite autour du mme point (ce point tant le centre d'inertie G du sysf me). Unetoile double a.2.2.Sachant que I'effet Doppler ne se manifeste pas lorsque le vecteur vitesse dela source est perpendiculaire la direction de vise, complter en justifiant letableau de I'ANNEXE RENDRE AVEC LA coPlE. SchmatiserLans soucid'chelle le spectre correspondant chaque configuration et montrer quel'volution temporelle de ces spectres est priodique, de priode T/2.2.3. En utilisant les spectres du document 5 qui montrent l'volution temporelle dela position de la raie Hcxdans le spectre de l'toile double HD 80715, vrifierque la priode T de celle-ci est voisine de 3,8 jours.

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    Document 1 : Principe de l'effet Doppler.On note 1,6 la longueur d'onde de rfrence de la raie tudie dans le spectre(source immobile pr rapport I'observateur) et l" la longueur d'onde de la radiationmise par la source en mouvement.Lorsqu:une toile s'loigne de la Terre, on observe un dcalage vers les grandest-r"longueurs d'onde appel < redschift >> et caractris par le nombre t= -

    Source enmouvement Ia::nY;";. *I'observateurLa formule de Doppler donne la vitesse d'loignement V de la source lumineuse parrapport I'observateur terrestre dans le cas non relativiste :V = c\ft

    o

    +it?*mobservateurObservateur

    cest la clrit de la lumire dans le vide (c= 2,99792 x108 m.s-l).Document 2 : Dcalage vers le rouge.En 1g30, Edwin HUBBLE avait constat exprimentalement que plus les galaxiestaient lointaines, plus leur spectre prsentait un dcalage vers le rouge important.Le < dcalage vers le rouge ), qui sera appel < redshift > apparat, quand il estpetit, comme proportionnel la distance : z = ry o Ho est une constante appelecconstante de Hubble.Ce dcalage est traditionnellement interprt comme d la vitesse d'loignementdes galaxis. Cette interprtation, si elle est vraie pour les < redshifts > petits est enfait fondamentalement errone dans une perspective de relativit gnrale. Les< redshifts > observs vont d'une fraction de I'unit pour la plupart des galaxies, 4ou 5 pour les objets les plus lointains, quasars, ou certaines autres galaxies.

    D'aprs < Cosmologie : Des fondements thoriques aux observations >>' Francis Bernardeau (CNRS Editions - EDP sciences)

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    D""r*e"t 3 : Extrait du spectre de NGC 691'

    5400Source : observatoire de Haute Prqvenc", logi"i"l lffi

    Do"ut"nt 4 : Effet du mouvement des Gux composantes d'une toile double surdeux toiles est perpendiculaire l'axe deune raie d'absorption si l'axe reliant lesvise. a) Configuration : b) Spectre observ (extrait) :

    +GDirection Ide l'a,xe delu"'" von note : n la longueur d'onde de la raie provenant du spectre delongueur d'onde Ou-fu t"iu ptou"n"nt I l'toile A et e la

    Document 5 : volution temPorellel'toile HD 80715. de la position de-\,1,1 1-,','Lif 1 .88sI ,-!r!/ i lrr\{ 2$$8*\f" 2.14s,T'fT" 2&21

    t\-r r'rr*-v u 2a5sl.zT I1",

    la raie Ho dans le sPectre de-_^tf./--'r liilII.-_"\ t-t f 'lrj

    I)6-l dtg*{tJ34't .01g1 .15tr.&$s

    T iir"''ir*"v1'"*'\r-l*rl*.145s55St.t54s,s?Tl_rr

    5st} 654$ 5550IlVauelength tAngstrtmsi 65jul S55{l

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    EXERCICE lll : TRANSMISSION D'INFORMATION PAR FIBRE OPTIQUE(5 points)Les fibres optiques constituent un lment essenfie/ de la rvolution destlcommunications: c'esf par ce moyen que circule plus de 80 % des informationsdu trafic mandial longue distance.Les documents ncessaires la rsolution sont regroups en fin d'exercice.

    1. Rappeler une proprit d'un faisceau laser en montrant que celle-ci justifieI'usage de ce type de rayonnement lectromagntique pour la transmissiond'information par fibre optique.2. En utilisant le document 3, choisir une valeur de longueur d'onde privilgierpour une bonne transmission du signal.3. Le dbit disponible pour ce dispositif de transmission a une valeur moyenne de100 Mbit.s 1.3.1. Evaluer le temps de transfert d'un fichier de 50 Mo.3.2.On souhaite pouvoir recevoir un film vido noir et blanc de 25 images parseconde. Ces images sont constitues de 600 x 450 pixels, le codage deI'image est de 24 bits par pixel. La transmission peut-elle tre assure dansde bonnes conditions ?4. Un prestataire de service installe un rseau dans une petite ville. ll utilise de lafibre optique en silice. La longueur maximale de fibre qu'il doit utiliser pourdesservirtous ses clients a pourvaleur L = 10,0 km.La longueur d'onde du rayonnement mis par le laser utilis est gale 850 nm.On admet que le signal de sortie est exploitable tant que sa puissance Ps6rt;g stsuprieure 1% de la puissanc Pentre du signal entrant.

    l'aide des documents fournis, dire en justifiant si tous les clients bnficient desig naux satisfaisa nts sa ns amplification optiq ue intermd iaire.

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    Document 1 : Quelques donnes :' L'attnuation en dcibel d'un signal de puissance P travers une chane detransmission estr An, = l0l"g|,&r"=]"[ P'"'" J' Pour une fibre optique de longueur L, on dfinit le coefficient d'attnuation endB/kmpar:s=4-L' 1 Tbit (trabit) = 1012 bits.. l octet=8 bits;1 Mo(mgaoctel)=220 octets.Document 2 : Transmission de la lumire dans une fibre saut d'indice.

    iIlr.l

    Document 3 : Coefficient d'attnuation cx (dB/km) des fibres en matriau silice.Attenuation(dB/km) 6

    ol :a.7 0.8 1.'1 1.5 1.6Wavelength (pm)

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    ' ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE INNEXE A RENDRE AVEC LA COPIEEXERCICE 2 : EFFET DOPPLER ET ASTROPHYSIQUE

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    Question 2.2.Pour chaque proposition, indiquer la (les) configurations correcte(s).Relation entre l,n et l"e ln=e Ln>Le n