Physique Chimie Spec

7/31/2019 Physique Chimie Spec

1/13

12PYSCSAN1Page 1/13

BACCALAURAT GNRAL

Session 2012

PHYSIQUE-CHIMIE

Srie S

Enseignement de Spcialit

Dure de lpreuve : 3 heures 30 Coefficient : 8

Lusage des calculatrices est autoris.

Ce sujet ne ncessite pas de feuille de papier millimtr.

Ce sujet comporte 13 pages numrotes de 1/13 13/13

Les feuilles dannexes (pages 11/13, 12/13 et 13/13)SONT RENDRE AGRAFES LA COPIE


2/13

12PYSCSAN1Page 2/13

EXERCICE I : RUPTION DE LA MONTAGNE PELE EN 1902 (5 points)

Il sagit dans cet exercice de chercher lordre de grandeur des vitesses djection deblocs de matire mis lors de cette ruption volcanique et de dterminer laltitudemaximale atteinte par un bloc dans une situation donne.

On considre, dans le rfrentiel terrestre suppos galilen, un bloc de matire demasse m. Ce bloc est assimil un point matriel.

Le repre dtude (O, i

,k

) est choisi de telle sorte que le vecteur vitesse initiale 0v

soit dans le plan xOz , inclin dun angle par rapport laxe (Ox).Lorigine des dates est linstant o le bloc quitte le point O.

Dans tout lexercice, on nglige la pousse dArchimde et les forces de frottementdues lair. La valeur de lintensit de la pesanteur g est prise gale 9,8 m.s-2.

1. quations horaires du mouvement

1.1. Pourquoi peut-on dire que le bloc est en chute libre ?

Lruption de la Montagne Pele en1902 dtruisit entirement la ville deSaint-Pierre, alors prfecture de laMartinique.

Daprs 3mats.net

z

xO

g

i

k

0v


3/13

12PYSCSAN1Page 3/13

1.2. En appliquant la seconde loi de Newton, tablir la relation entre le vecteuracclration a

du centre dinertie du bloc et le vecteur champ de pesanteur g

puis donner lexpression des composantes ax(t) et az(t) dans le repredtude.

1.3. En dduire les expressions littrales vx(t) et vz(t) des composantes horizontaleet verticale du vecteur vitesse du bloc.

1.4. Montrer que les expressions des quations horaires du mouvement x(t) et z(t)sont :

x(t) = (vo . cos ) . t

z(t) = -21

. g . t2 + (vo . sin ) . t

2. Bloc ject du cratre avec une vitesse initiale verticale

v01

Texte 1 : Les observations les plus directes concernent la hauteur h atteinte par degros blocs lancs verticalement lors de lruption. De cette hauteur h, on tire la

vitesse h.g.2 .Lpouvantable ruption de la Montagne Pele na russi lancer des pierres devolume un peu considrable qu 400 m.

Daprs le Journal des Observateurs (Janvier 1940)

Dans cette situation, le vecteur vitesse initiale, not

v01 , est dirig verticalement versle haut. La trajectoire du bloc est rectiligne.

2.1. partir des rponses aux questions 1.3 et 1.4, prciser les expressions devx(t), vz(t), x(t) et z(t) dans la situation tudie.

2.2. partir de lexpression de vz(t), dterminer lexpression littrale de la date tS laquelle laltitude maximale h, mesure partir du point O, est atteinte.

2.3. En dduire que lexpression de la vitesse initiale est vo1 = h.g.2 , commeindiqu dans le texte 1.

2.4. Calculer la valeur vo1 de la vitesse initiale djection si h = 400 m.

3. Bloc ject du cratre avec une vitesse initiale oblique

v02

Texte 2 : Nous avons, pour cette ruption, un cas observ le 7 mai 1902, o latrajectoire parabolique dnormes roches nettement visibles peut, daprs lesdonnes notes par un tmoin oculaire, tre grossirement calcule.La vitesse initiale tait denviron 110 m.s-1 et elle tait incline sur lhorizon de 43.

Daprs le Journal des Observateurs (Janvier 1940)


4/13

12PYSCSAN1Page 4/13

Dans cette situation, le bloc est ject au niveau du point O avec une vitesse initialeoblique

v02 faisant un angle = 43avec lhorizontale.Son point dimpact A est situ sur le flanc du volcan 800 m plus bas que le point O.Le bloc a parcouru horizontalement une distance environ gale 1,8 km.

3.1. Dtermination de la valeur de la vitesse initiale

v02 .3.1.1. laide des expressions de la question 1.4, tablir lquation de la

trajectoire.3.1.2. En dduire lexpression littrale de la valeur v02 de la vitesse djection

du bloc. Calculer sa valeur et la comparer celle indique dans letexte 2.

3.2. Dtermination de laltitude maximale atteinte par le bloc jectOn suppose que lnergie mcanique du systme se conserve. La masse mdu bloc tudi est gale 500 kg. La valeur v02 de la vitesse initiale est gale 110 m.s-1.3.2.1. Exprimer littralement puis calculer les valeurs initiales des nergies

cintique, potentielle et mcanique du bloc. On choisit une nergiepotentielle gale 0 J pour z = 0 m.

3.2.2. Dterminer les valeurs de lnergie cintique et de lnergie potentielledu bloc au point le plus lev de la trajectoire not C.

3.2.3. En dduire laltitude maximale h atteinte par le bloc, mesure partirdu point O.

3.2.4. Identifier les courbes x(t) et z(t), obtenues laide dun logiciel desimulation, qui sont reprsentes sur lANNEXE 1 rendre avec la

copie.

Dterminer graphiquement la distance xc parcourue horizontalementpar le bloc lorsquil a atteint son altitude maximale h.


5/13

12PYSCSAN1Page 5/13

EXERCICE II : PANACES ? (7 points)

De tous temps, certaines substances sont considres comme des remdes contretous les maux, des panaces.Deux dentre elles sont tudies dans cet exercice.

Les parties A et B sont indpendantes

Partie A : Une potion radioactive

Donnes :

Noyau Radium226

Radium228

Actinium228

Radon222

Hlium4

Symbole 22688Ra22888Ra

22889Ac

22286Rn

42He

Noyau Radium226

Radon222

Hlium4

Masse enu

225,977 0 221,970 3 4,001 5

Unit de masse atomique : 1 u = 1,660 54 10 27 kgClrit de la lumire dans le vide : c = 3,00 108 m.s-1Constante dAvogadro : NA = 6,02 10

23 mol-1Masse molaire du 22688Ra : M = 226 g.mol

-1

Au dbut du XXme sicle, le Radithor, sortede potion magique , tait cens soigner plus dunecentaine de maladies.Un cancrologue amricain a trouv chez un antiquaire

plusieurs bouteilles de Radithor. Bien que vides depuis10 ans de leur contenu, les bouteilles se sont avrestre encore dangereusement radioactives. Chacuneavait vraisemblablement contenu environ un microcurie*de radium 226 et de radium 228.

Daprs Pour la science octobre 96 (Hors-srie)

* 1 microcurie correspond 3,7104Bq.


6/13

12PYSCSAN1Page 6/13

1. Le radium 226 et le msothorium

Sur ltiquette du flacon de Radithor est mentionne la prsence de msothorium,ancienne dnomination du radium 228. Cette eau certifie radioactive contenaitgalement du radium 226.

1.1. Les noyaux de radium 228 et de radium 226 sont des isotopes. Expliquer.

1.2. Le radium 228 se dsintgre pour donner lisotope 228 de lactinium Ac etune particule note X.

22888Ra

22889Ac +

AZ X

Complter lquation de dsintgration en citant les lois utilises puisidentifier X. De quel type de radioactivit sagit-il ?

Dans la suite de lexercice, on nglige la prsence du radium 228 dans le Radithor.On suppose que lactivit radioactive du flacon est uniquement due la prsence delisotope 226 du radium. Celui-ci se dsintgre spontanment selon lquationsuivante :

22688

Ra22286

Rn+ 42He

2. Constante radioactive du radium 226

Lactivit A(t) dun chantillon de noyaux de radium 226 suit la loi de dcroissanceexponentielle A(t) = A0 . exp(- . t) avec A0, lactivit de lchantillon t = 0 s.

2.1. Rappeler la dfinition de la demi-vie t1/2 dun chantillon radioactif.Vrifier sur la courbe donnant lvolution de lactivit de lchantillon enfonction du temps reprsente dans le document 1 de lANNEXE 2 rendreavec la copie que la demi-vie du radium 226 est gale 1,60 103 ans.

2.2. tablir la relation entre la demi-vie et la constante radioactive puis calculerla valeur de en s-1.

3. Masse de radium 226

3.1. Donner la relation liant lactivit A(t) dun chantillon radioactif au nombre N(t)de noyaux radioactifs prsents.

3.2. Calculer N0, le nombre de noyaux de radium 226 initialement prsents dansle flacon de Radithor.

3.3. Vrifier que le flacon contenait alors une masse m0 = 1,0 g de radium 226.


7/13

12PYSCSAN1Page 7/13

4. nergie libre par le radium 226

4.1. Dterminer la variation de masse associe la raction de dsintgrationdun noyau de radium 226.

4.2. En dduire lnergie E libre lors de la dsintgration dun noyau de radium226.

4.3. Calculer lnergie totale que peut librer le radium 226 initialement contenudans un flacon de Radithor.

Partie B : La vitamine C

Depuis sa dcouverte, la vitamine C a t considre comme une panace

universelle par certains partisans enthousiastes.L'acide ascorbique ou vitamine C intervient dans de grandes fonctions del'organisme : dfense contre les infections virales et bactriennes, protection de laparoi des vaisseaux sanguins, assimilation du fer, action antioxydante, cicatrisation.L. Pauling, disparu en 1994 (Prix Nobel de Chimie) lui attribuait des fonctionsanticancreuses.

Sur lemballage, on lit la composition en substances actives dun comprim de Vitamine C UPSA :

Acide ascorbique : 250 mgAscorbate de sodium : 285 mgQuantit correspondante en acide ascorbique : 500 mg pour un comprim croquer.

Il sagit dans cette partie de lexercice de dterminer, au moyen dun dosageconductimtrique, la masse dacide ascorbique contenue dans un comprim puis devrifier lindication Quantit correspondante en acide ascorbique : 500 mg pour uncomprim croquer .

Lacide ascorbique, de formule brute C6H8O6, sera not HA. Sa base conjugue, lion

ascorbate, sera note A-.

Mode opratoire :On crase un comprim. La poudre obtenue est dissoute dans de leau distille afindobtenir un volume de 200,0 mL de solution SA.On prlve un volume VA = 100,0 mL de la solution SA que lon dose par une solutionaqueuse dhydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO

-(aq)) de concentration molaire en solut

apport CB = 8,0 10-2 mol.L-1.

La courbe exprimentale reprsentant la conductivit de la solution en fonction duvolume VB de solution titrante vers est donne sur le document 2 de lANNEXE 2 rendre avec la copie.


8/13

12PYSCSAN1Page 8/13

Donnes :- pKA(HA / A

-) = 4,1 25C- Produit ionique de leau 25C : K e = 1,0 10

-14- Masses molaires molculaires :

M(acide ascorbique) = 176 g.mol-1

M(ascorbate de sodium) = 198 g.mol-1

- Conductivits molaires ioniques 25C :(Na+) = 5,01 mS.m2.mol-1; (HO-) = 19,9 mS.m2.mol-1; (A-) = 3,42 mS.m2.mol-1

1. Raction de dosage

1.1. crire lquation de la raction de dosage de lacide ascorbique, not HA,par la solution dhydroxyde de sodium.

1.2. tablir lexpression littrale de la constante dquilibre K associe cettequation de la raction en fonction de Ke et KA, puis calculer la valeur de K.

2. quivalence du dosage

2.1. Dfinir lquivalence du dosage.2.2. Dterminer graphiquement le volume VE de solution dhydroxyde de sodium

vers lquivalence sur le document 2 de lANNEXE 2 rendre avec lacopie.

2.3. Calculer la valeur de la concentration molaire en solut apport CA en acideascorbique de la solution SA.

2.4. En dduire la masse mA

dacide ascorbique contenue dans le comprim.Comparer cette valeur lindication du fabricant.

3. Explication de lallure de la courbe

Interprter lvolution de la conductivit du mlange avant lquivalence.

4. On souhaite expliquer pourquoi il est crit sur lemballage Quantitcorrespondante en acide ascorbique : 500 mg .

4.1. Pralablement, calculer la quantit de matire dascorbate de sodiumcontenue dans le comprim.

4.2. Dans lestomac le pH est environ gal 1,5. Les ions ascorbate, ingrs lorsde la prise du comprim, se transforment alors en acide ascorbique.Justifier cela laide dun diagramme de prdominance.

4.3. Justifier lindication de ltiquette : Quantit correspondante en acide ascorbique : 500 mg .


9/13

12PYSCSAN1Page 9/13

EXERCICE III : ANODISATION DE LALUMINIUM (4 points)

Un amateur daromodlisme souhaite protger des rayures les pices en aluminiumprsentes dans son modle rduit davion. Pour cela, il utilise un traitement de

surface qui consiste anodiser laluminium afin de le durcir.En effet, une couche dalumine (Al2O3) de trs faible paisseur recouvrenaturellement laluminium mais cette couche fine est sujette la dtrioration.Lanodisation consiste oxyder en surface la pice en aluminium ; la couchedalumine ainsi forme est plus paisse et garantit une plus grande duret.

Donnes :Couples oxydant/rducteur : Al2O3(s) / Al(s) ; O2(g) / H2O(l) ; H

+(aq) / H2(g).

Constante dAvogadro : NA = 6,02 1023 mol1 ;

Charge lectrique lmentaire : e = 1,6 1019 C ;

Masse molaire de lalumine : M(Al2O3) = 102 g.mol-1

Masse volumique de lalumine : (Al2O3) = 4,0 g.cm-3

1. Principe de lanodisation

La pice daluminium propre est utilise comme anode lors de llectrolyse dunesolution aqueuse dacide sulfurique (2H+(aq) + SO4

2-(aq)) de concentration molaire en

solut apport C = 2,0 mol.L-1. La cathode est constitue dun bton de graphite. Onutilise un gnrateur de tension continue et un ampremtre.

1.1. Indiquer le sens conventionnel du courant lectrique et le sens de circulationdes lectrons sur le document 1 de lANNEXE 3 rendre avec la copie.

1.2. Un dgagement gazeux se produit la cathode. crire la demi-quation (1)doxydo-rduction expliquant cette observation en utilisant lun des couplescits dans les donnes prcdentes. Justifier le choix du couple.

1.3. Sachant que la pice en aluminium doit tre oxyde, indiquer sur ledocument 1 de lANNEXE page 3 rendre avec la copie lemplacement dubton de graphite et celui de la pice.

1.4. crire la demi-quation (2) associe au couple Al2O3(s) / Al(s).

1.5. En dduire que lquation doxydo-rduction de la raction dlectrolysescrit :

2 Al(s) + 3 H2O(l) = Al2O3(s) + 3 H2(g)

1.6. Sagit-il dune transformation spontane ou force ? Justifier.


10/13

12PYSCSAN1Page 10/13

2. tude quantitative de llectrolyse

La surface de la pice anodiser est S = 9,0 cm2. Lintensit I du courant dlivrepar le gnrateur est maintenue 120 mA pendant la dure t = 18 min dellectrolyse.

2.1. Exprimer la quantit de matire dlectrons change, note n(e -), pendantllectrolyse en fonction de I, NA, t et e.

2.2. Quelle relation existe-t-il entre la quantit de matire dalumine forme, noten(Al2O3), et la quantit de matire dlectrons change, n(e

-) ?

2.3. Montrer que la masse maximale mmax dalumine pouvant tre forme auniveau de la pice a pour expression :

mmax =I t

6 NA e M(Al2O3)

Calculer sa valeur.

2.4. Le rendement r de llectrolyse est de 90 %. En dduire la masse m(Al2O3)dalumine rellement forme.

2.5. Lamateur daromodlisme souhaite obtenir une couche dalumine dunepaisseur minimale d = 7,0 m sur toute la surface de la pice.2.5.1. Calculer le volume V(Al2O3) dalumine minimal dposer.2.5.2. Dterminer la masse m(Al2O3) correspondante.2.5.3. Lpaisseur minimale dalumine souhaite nest pas obtenue. Quels

paramtres de llectrolyse peut-il modifier pour augmenter la quantitdalumine dpose ?


11/13


ANNEXE 1 rendre avec la copie

Exercice I : ruption de la montagne pele en 1902

Question 3.2.4

2000

x (m), z (m)

1000

-1000

0t (s)2015105


12/13



Exercice II : Panaces ?

Partie A, question 2.1 :

Document 1 : activit dun chantillon de radium 226 en fonction du temps

Partie B, question 2.2Document 2 : suivi de la conductivit au cours du dosage de la vitamine C

A (Bq)

30000

20000

10000

0

t (an)2000 4000

Conductivit (mS.cm- )

1

0,5

VB (mL)0 5 10 15


13/13



Exercice III : Anodisation de laluminium

Questions 1.1 et 1.3

+

A

lectrode 1..

lectrode 2.

Solution dacidesulfurique

Physique Chimie Spec

Documents

Transcript of Physique Chimie Spec