BACCALAUREAT « BLANC »

CLASSE DE TS2 SESSION 2013

PHYSIQUE-CHIMIE

Série S

DUREE DE L’EPREUVE 3h30. – COEFFICIENT : 6

L’usage de la calculatrice est autorisé.

Le candidat doit traiter tous les exercices qui sont indépendants les uns des autres : - Etude de l'acide valérique - Ondes dans un liquide - Mouvements dans les champs

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Exercice de chimie: Etude de l'acide valérique et de ses dérivés.(9 points)

Document 1:L'acide valérique est présent dans la plante valériane abondante dans le Massif-Central. Les racines de valériane recèlent des vertus capables d'améliorerla qualité du sommeil en réduisant le temps d'endormissement et en augmentant la durée du sommeil. Son utilisation n'entraine pas d'accoutumance ni certains effets secondaires au réveil comme peuvent le faire les somnifères.D'autres vertus sont attribuées à la valériane comme celle de diminuer la fréquence des crises d'épilepsie lorsqu'elle accompagne un traitement anti-épileptique. La valériane est couramment utilisée dans le sevrage tabagique.L'absorption quotidienne de gélules d'extraits secs de racines de valériane a la particularité de donner un mauvais goût à la cigarette.La valériane officinale s'appelle aussi "herbe aux chats" car ces animaux sont attirés par son odeur : elle provoquerait chez eux un état proche de l'euphorie éthylique ou cannabique …

Document 2:Oxydation des alcools.L'oxydation ménagée d'un alcool primaire donne un aldéhyde. Si l'oxydant est en excès, on obtient un acide carboxylique.L'oxydation ménagée d'un alcool secondaire donne une cétone.On identifie un aldéhyde par un test positif à la DNPH (dinitrophénylhydrazine) et par un test positif à la liqueur de Fehling. Une cétone donne une test positif à la DNPH et un test négatif à la liqueur de Fehling.

Document 3 :Acide valérique et ses dérivés étudiés.●Acide valérique.

Propriétés chimiques:A 20 °C, sa solubilité dans l'eau est 33 g / L. Température de fusion: θf = - 32 °C .Température d'ébullition: θeb = 186°C . Densité à 20°C : d = 0,93.L'acide valérique est corrosif. M(acide valérique) =102g.mol-1.Odeur forte de sueur et de transpiration.

●Acide isovalérique.

C'est un acide organique présent dans diverses plantes telles que valériane, angélique, houblon, tabac, dans le fromage en décomposition, dans la transpiration des pieds (odeur de très vieille chaussette sale…) et dans l’urine au cours de certaines maladies comme la variole ou le typhus.Présent dans les urines du chat, ce composé sert au marquage du territoire de l'animal.

●Acide valérique "actif ".

Liquide clair avec l'odeur piquante semblable au fromage de roquefort âcre, mais il a un goût fruité plaisant lorsqu'il est dilué.

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●Acide pivalique.

C'est un solide à température ambiante de densité d=0,91.

●Norvaline.

Possède 2 valeurs de pKA : 2,36 et 9,76.

1-Recherches d'isomères de l'acide valérique.On dispose de 4 flacons A,B,C et D contenant un acide pur parmi les acides valérique, valérique "active", isovalérique et pivalique.Pour chaque flacon, on procède à des analyses afin d'identifier la substance.Voici les 4 spectres de RMN correspondant aux 4 composés (le signal du proton H de COOH n'est pas représenté):

Flacon A

Flacon B

3

Flacon C

Flacon D

a- Ecrire les formules semi-développées de l'acide valérique et de ses 3 isomères. Donner les noms de ces 4 molécules dans la nomenclature officielle.b-Associer à chaque spectre une molécule. On justifiera clairement les réponses données.

2-Stéréoisomérie et synthèse.Parmi les isomères de l'acide valérique, un acide possède 2 stéréoisomères de configuration. a1-Dessiner ces 2 stéréoisomères en représentation de Cram (bien mettre en évidence leur différence) . a2-Comment nomme-t-on de façon générale de tels isomères?

b-Quel alcool donne par oxydation l'acide valérique ? Ecrire la formule et donner le nom de cet alcool.

3-Recherche de la pureté en acide valérique.Dans un des flacons précédents, on prélève précisément un volume V0 = 2,00 mL d'acide valérique HA supposé pur que l'on verse dans une fiole jaugée de 1000 mL. On complète avec de l'eau distillée puis on agite afin de préparer une solution S1.Un volume V1= 10,0 mL de S1 est pipeté et versé dans un bécher B1.Afin d'immerger les électrodes d'un pH-mètre, on rajoute environ 20 mL d'eau dans ce bécher B1.On titre ensuite la solution d'acide valérique par une solution d'hydroxyde de sodium (soude) à la concentration molaire c2= 2,0.10-2 mol.L-1.

Courbe de titrage obtenue avec les pourcentages des espèces :

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a- Faire un schéma annoté du montage.b- Ecrire l'équation de la réaction servant de support au titrage.c1-Rappeler la définition de l'équivalence pour un titrage acido-basique.c2- Déterminer graphiquement le volume équivalent Véq.d-Calculer la quantité n1 d'acide titré.e-En déduire la quantité n2 d'acide présente dans toute la solution S1.f-Quelle serait la quantité n0 d'acide valérique si tout l'acide contenu dans V0 était pur?g- Calculer le degré d de pureté de cet acidité en % telle que :

Est-ce que l'acide valérique dans le flacon est pur ?

i- Déterminer la valeur du pKA du couple de l'acide valérique. Justifier la méthode choisie.j- Est-ce que l'affirmation suivante est exacte ici : "A la demi-équivalence, le pH est égal au pKA" ?

4-La norvaline.a-Ecrire la formule semi-développée de la norvaline et préciser les groupes caractéristiques. b- A quelle famille appartient cette molécule?c- Ecrire les 3 formules semi-développées des espèces qui prédominent selon la valeur du pH. L'une de ces molécules est appelées "amphion" ou "zwitterion". Préciser laquelle et indiquer l'origine de ces mots.d-Tracer le diagramme de prédominance de la norvaline.e- Quelle est l'espèce prédominante lorsque pH= 10?

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d=n2

n0x 100

II-Ondes dans un liquide.(6 points).A-Ondes à la surface de l'eau. 1-Onde seule.On laisse tomber verticalement un caillou en un point S : une onde circulaire apparaît se déplaçant sur toute la surface de l'eau. On filme cette onde vue du dessus avec une caméra enregistrant à 20 images par seconde.On dispose de 2 images consécutives de cette même onde:

y y

x

Echelle: 1cm 1cmfeuille réel

a-Est-ce que l'onde se propageant est transversale ou longitudinale ? Justifier par un schéma.b-Calculer la célérité v de l'onde.c-En réalité, plusieurs ondes suivent l'onde étudiée précédemment. Expliquer ce phénomène.

2-Ondes périodiques.On crée avec une pointe des ondes à la surface de l'eau et on enregistre au cours du temps les altitudes de 2 flotteurs (1) et (2).

(1)

Echelle : 6,0 cm

(2)

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y1: altitude de (1) y2: altitude de (2) a- Est-ce que 2 flotteurs sont en phase? Justifier. b1-Définir la longueur d'onde λ. b2-Calculer sa valeur. c1-Définir la période T de l'onde. c2-Calculer sa valeur. d- Calculer la célérité de l'onde. B-2 ondes se rencontrant à la surface de l'eau.Deux sources synchrones S1 et S2 produisent simultanément des ondes à la surface de l'eau de même amplitude, de longueur d'onde λ et de période T= 0,20s.

Superposition des 2 ondesen A.Onde en A provenant de S1. C'est aussi l'onde en A provenantde S2. AS1A=d1 et S2A=d2

S1S2=40 mm. S1 S2Pour cette photo en A, on a larelation:

Ligne blanche Ligne noire

1- Comment s'appellent ces lignes noires et ces lignes blanches en forme d'hyperbole?2- A quoi correspond une ligne blanche? 3- Quelle est la relation entre d1-d2 et la longueur d'onde λ de façon générale pour une ligne blanche?4-Calculer λ en s'aidant du cliché et en tenant compte des distances et de l'échelle. 5-En déduire la célérité v de l'onde.6-En un autre point B de la surface de l'eau, on enregistre les 3 courbes suivantes:

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d1 -d2

λ=1 ,00

Amplitude

(2)

(3) t

(1)

(1): Onde provenant de S1 (2): Onde provenant de S2 (3): Onde résultante.

a- Où se situe B?b- Quelle est alors la relation entre d1-d2 et la longueur d'onde λ?

C-Célérité d'une onde dans un fluide.Dans un fluide, à 1 mètre de profondeur, les ondes sonores se propageant sont longitudinales.On place dans le liquide un émetteur à ultrasons E émettant horizontalement et périodiquement des ultrasons à la fréquence f.On positionne côte à côte 2 récepteurs à ultrasons R1 et R2 à la même profondeur que l'émetteur , recevant simultanément la même onde ultrasonore. Avec un système d'acquisition, on observe alors 2 signaux électriques en phase.Tout en maintenant E et R1 fixes, on déplace horizontalement R2 sur une distance d = 3,00 cm par rapport à R1 : on observe 2 signaux en phase.Par contre, lorsqu'on déplace R2 tel que d'= 3,75 cm, on observe 2 signaux en opposition de phase. Même constatation si l'on a d"= 5,25 cm.Un enregistrement du signal émis par E donne la courbe suivante: u(V)

1- Déterminer la fréquence f des ultrasons.2-Trouver λ. On expliquera le raisonnement.3-Calculer la célérité v des ultrasons dans le liquide.

Mouvements dans les champs. (5 points)

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Document 1:Caractéristiques générales d'un point P d'une trajectoire.Repère d'espace d'axes Ox horizontal et Oy vertical.Accélération de la pesanteur g = cste = 9,8m.s-2.Vecteur position: x: abscisse d'un point P quelconque de la trajectoire. y: ordonnée d'un point quelconque de la trajectoire. Vecteur vitesse en un point P de la trajectoire:vx: composante de la vitesse selon l'axe Ox.vy: composante de la vitesse selon Oy.Vecteur accélération en un point P de la trajectoire:ax: composante de l'accélération selon l'axe Ox.ay: composante de l'accélération selon Oy.

Document 2 :Force électrique et champ électrique uniforme.Un ion possède une charge électrique totale q = + ne, e étant la charge élémentaire telle que e =1,60.10-19 C.Une particule de charge algébrique q placée dans un champ électrique uniforme est soumise à une force électrique telle que .Entre 2 plaques de charges opposées formant un condensateur, le vecteur champ électrique est orienté de l'armature chargée positivement vers l'armature chargée négativement.

A- On lance horizontalement d'une hauteur y0= 5,0 m avec une vitesse v0 =12m.s-1, un objet de masse m=1,5 kg, l'abscisse x0 du point de lancement P0 étant nulle.L'objet n'étant soumis qu'à son poids, il tombe en un point I sur le sol matérialisé par un axe Ox. y(m)

P0

O x(m)

Lois horaires proposées:x(t) = -9,8 t2 +12t ; x(t) = 12t ; x(t) = -12t ; x(t) = - 4,9 t2 + 5 ; x(t) = 4,9 t2 + 5; x(t) = 12t +5; x(t) = 9,8 t2 +5; x(t) = 6 t2 ; x(t) = 4,9 t2 ; x(t) = 9,8 t2 ; x(t) = 6 t2 +5t ; x(t) = - 9,8 t2 y(t) = -9,8 t2 +12t ; y(t) = 12t ; y(t) = -12t ; y(t) = - 4,9 t2 + 5 ; y(t) = 4,9 t2 + 5; y(t) = 12t +5; y(t) = 9,8 t2 +5 ; y(t) = 6 t2 ; y(t) = 4,9 t2 ; y(t) = 9,8 t2 ; y(t) = 6 t2 +5t ; y(t) = - 9,8 t2

vx(t) = 0 m.s-1; vx(t) = -v0 ; vx=12m.s-1; vx(t) =12t ; vx(t) = -9,8 t +12; vx(t) = 9,8 t +12;vx(t) = -9,8 t ; vx(t) = 9,8 t ; vx(t) = - 4,9 t +12 ; vx(t) = 12t +5; vx(t) = 5t +12; vx(t) = 5t vy(t) = 0 m.s-1; vy(t) = -v0 ; vy=12m.s-1; vy(t) =12t ; vy(t) = -9,8 t +12; vy(t) = 9,8 t +12;vy(t) = -9,8 t ; vy(t) = 9,8 t ; vy(t) = - 4,9 t +12 ; vy(t) = 12t +5; vy(t) = 5t +12; vy(t) = 5t ax(t) = 0 m.s-2; ax(t) = -v0t ; ax=12m.s-2; ax(t) =12t ; ax(t) = -9,8 t +12 ; ax(t) = -4,9 t +12 ax(t) = 4,9 t +12; ax(t) = 12t +5; ax= - 4,9t ; ax= -9,8m.s-2 ;ax= 9,8 m.s-2; ax(t) = 5t +12; ax(t) = 5t ay(t) = 0 m.s-2; ay(t) = -v0t ; ay=12m.s-2; ay(t) =12t ; ay(t) = -9,8 t +12 ; ay(t) = -4,9 t +12 ay(t) = 4,9 t +12; ay(t) = 12t +5; ay= - 4,9t ; ay= -9,8m.s-2 ; ay = 9,8 m.s-2; ay(t) = 5t +12; ay(t) = 5t

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O⃗P =x { i+y { j⃗ ¿¿

v⃗P=v x i+v y j⃗

a⃗P=ax i+ay j⃗

X n+

E⃗F⃗e=q E⃗F⃗e

v⃗0

j⃗i⃗

1-En utilisant la 2ème loi de Newton et en expliquant clairement les raisonnements, trouver les 6 lois horaires exactes.2-Montrer que la trajectoire y en fonction de x est une parabole de sommet P0 .3-Déterminer l'abscisse du point d'impact I.4-Quelle durée t1 met l'objet pour aller de P0 à I?5- Où se situerait le point d'impact si la masse de l'objet était 2 fois plus grande? Justifier la réponse.

B-Mouvement dans un champ électrique.Un ion chlorure Cℓ- de masse m= 5,81.10-26 kg et de charge q est lancé verticalement vers le bas avec une vitesse v1=5,00.103 m.s-1 dans un champ électrique horizontale constant E= 12,5.103 V.m-1.Cet ion est soumis à 2 forces mais on néglige le poids.

- O + y

- + - +

- + - +

- + - +

- + x

1- Reproduire l'espace entre les armatures et indiquer, en un point quelconque de la trajectoire, l'orientation du vecteur champ électrique et celle du vecteur force électrique . En déduire le tracé du vecteur accélération de la particule.

2- Parmi les propositions ci-dessous, indiquer celle correspondant aux composantes du vecteur accélération:ax= 0 m.s-2 ; ax= -eE/m ; ax= eE/m ; ax= - m /eE ; ax = v1t ; ax= -eE; ax= eE.ay= 0 m.s-2 ; ay= -eE/m ; ay= eE/m ; ay= - m /eE ; ay = v1t ; ay= -eE; ay= eE.On justifiera ses choix.

3-Montrer que l'équation de la trajectoire est . 4- Calculer la valeur de y pour x = 1,00 cm.

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v⃗1

F⃗eE⃗a⃗

y= eE2mv

0 2x2