BAC S Physique Chimie 2013

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BACCALAURAT GNRAL

Session 2013

PHYSIQUE-CHIMIE

Srie S

Enseignement Obligatoire

Dure de lpreuve : 3 heures 30 Coefficient : 6

Lusage des calculatrices est autoris.

Ce sujet ne ncessite pas de feuille de papier millimtr.

Ce sujet comporte 11 pages numrotes de 1/11 11/11

LA feuille dannexe (page 11/11)EST RENDRE AGRAFE LA COPIE


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EXERCICE I : COMPOSITION DUN VIN (9 points)

La teneur maximale en dioxyde de soufre dun vin est impose par unerglementation europenne. Celle-ci prcise galement la notion dacidit totale enlien avec la prsence dacide tartrique dans le vin.

Dans cet exercice, on sintresse la dtermination de ces deux grandeurs.

Les parties 1 et 2 sont indpendantes.

Les documents utiles la rsolution sont rassembls en fin dexercice.

Donnes : Masses molaires atomiques :

lment H C O N SM (g/mol) 1,00 12,0 16,0 14,0 32,1

Masse molaire de lacide tartrique, not H2A : M(H2A) = 150 g.mol-1

Couples acide/base, valeurs de pKa :Couples du dioxyde de soufre :

pKa (SO2, H2O / HSO3-) = 1,9 ; pKa (HSO3

- /SO32-) = 7,2

Couples du dioxyde de carbone :pKa (CO2, H2O / HCO3

-) = 6,4 ; pKa (HCO3- / CO3

2-) = 10,3Couples de lacide tartrique not H2A :

pKa (H2A/HA-) = 3,0 ; pKa (HA-/A2-) = 4,4

En prsence d'empois d'amidon, le diiode donne une solution aqueuse uneteinte violet fonc.Les ions iodure I-, les ions sulfate SO4

- et le dioxyde de soufre en solution

sont incolores.

1. Dosage du dioxyde de soufre dans un vin.

Un laboratoire dpartemental danalyse doit dterminer la concentration de dioxydede soufre SO2(aq) dans un vin blanc. Un technicien dose ce dernier laide dune

solution de diiode aqueux I2(aq).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 0,01) 10-2 mol.L-1 estensuite ajoute jusqu lquivalence repre par le changement de couleur dumilieu ractionnel.

L'quivalence est obtenue aprs avoir vers un volume VE = (6,28 0,05) mL desolution de diiode.

Lquation support du dosage est :I2(aq) + SO2(aq) + 2 H2O(l) 2 I-(aq) + SO4

-(aq) + 4 H

+(aq)


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1.1. Prciser, en justifiant, le changement de couleur qui permet de reprerlquivalence.

1.2. Dterminer la concentration molaire C1 en dioxyde de soufre de ce vin et endduire que sa concentration massique Cmexp en dioxyde de soufre est gale

0,201 g.L-1

.1.3. Dterminer lincertitude relative

expm

expm

C

Cdont on admet que, dans les

conditions de lexprience, elle satisfait :

2

expm

expm

C

C

=

2

E

E

V

V

+

2

2

2

C

C

.

En dduire un encadrement de la concentration massique Cmexp obtenue parle technicien.

1.4. Cette concentration est-elle conforme la rglementation europenne ?

Justifier.

2. Acidit totale dun vin et acide tartrique.

2.1. Molcule dacide tartrique.2.1.1. crire la formule semi-dveloppe de la molcule dacide tartrique, puis

identifier dans cette formule les groupes fonctionnels prsents.2.1.2. Recopier la reprsentation de Cram de lacide tartrique naturel puis, en

justifiant, reprer le(s) carbone(s) asymtrique(s) prsents sils existent.

2.2. Proprits acido-basiques de lacide tartrique.On ajoute une solution dacide tartrique une solution dhydroxyde desodium Na+(aq) + HO

-(aq) jusqu ce que le pH du mlange soit gal 7.

2.2.1. Justifier, qu pH = 7, lespce chimique prdominante dans le mlangeest la forme A2-.

2.2.2. Choisir alors parmi les deux propositions suivantes lquation de laraction qui se produit dans ces conditions entre lacide tartrique et lesions HO-. Justifier.

H2A + HO- HA- + H2O (1)

H2A + 2 HO- A2- + 2 H2O (2)

2.3. Acidit totale dun vin blanc.Pour dterminer lacidit totale dun vin blanc dappellation 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 lintrt du dgazage du vin ?2.3.2. Calculer la quantit de matire n

HO-d'ions HO- correspondante puis la

masse dacide tartrique pouvant ragir avec cette quantit dions HO-.En dduire lacidit totale du vin tudi.


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DOCUMENTS POUR LEXERCICE I

Document 1 : Extrait de la rglementation sur le vin.

Rglementation europenne : La concentration massique en dioxyde de soufre ne doit pas dpasser210 mg.L-1 dans un vin blanc

Document 2 : Lacide tartrique.

Lacide tartrique est lacide majoritaire dans le vin. Parmi les acides faibles que peutcontenir le vin, on trouve galement deux gaz dissous dans leau dont la prsencecontribue apporter de lacidit au vin : le dioxyde de soufre et le dioxyde de

carbone.Lacide tartrique a jou un rle important dans la dcouverte de la chiralit chimique.Louis Pasteur a poursuivi cette recherche en 1847 en tudiant la morphologie descristaux de tartrate double de sodium et dammonium.Lacide tartrique naturel est chiral, ce qui signifie quil est constitu de molcules dontlimage dans un miroir ne lui est pas superposable.

Reprsentation de Cram de la molcule dacide tartrique naturel :

Daprs le site www.societechimiquedefrance.fr

Document 3 : Acidit totale dun vin.Lacidit totale du vin se mesure en g/L quivalent dacide tartrique. Sa dterminationse fait en amenant le pH du vin 7,0 par addition dune solution dhydroxyde desodium Na+(aq) + HO

-(aq) sur un chantillon de vin dont on a extrait le gaz

carbonique. Le volume de solution dhydroxyde de sodium ajout permettrait de faireragir une masse dacide tartrique qui correspond lacidit totale du vin.


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EXERCICE II : EFFET DOPPLER ET ASTROPHYSIQUE (6 points)

Leffet Doppler constitue un moyen dinvestigation utilis en astrophysique. Il permet

de dterminer la vitesse des astres partir de lanalyse spectrale de la lumire queceux-ci mettent.Cet exercice sintresse deux applications distinctes, savoir le modle dUniversen expansion et la dtection dune toile double spectroscopique .

Les parties 1 et 2 sont indpendantes.

Les documents utiles la rsolution sont rassembls en fin dexercice.

Donne : 1 = 0,1 nm

1. Preuve de lexpansion de lUnivers

1.1. En utilisant le document 3, dterminer la longueur donde mdiane du doublet

de Ca

+

dans le spectre de la galaxie nomme : NGC 691.Sachant que la longueur donde mdiane 0 de ce doublet mesure sur Terrepour une source au repos est de 5268 , calculer le redshift zcaractrisant le dcalage vers le rouge de cette galaxie, dfini dans ledocument 1.

1.2. Calculer la vitesse dloignement de la galaxie NGC 691 par rapport laTerre.

1.3. laide des documents 1 et 2, tablir dans le cas non relativiste, la relationentre la vitesse dloignement 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 quelexpression utilise pour calculer la vitesse dloignement des galaxiesdonne dans le document 1 nest pas applicable dans tous les cas.


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2. Dtection dune toile double spectroscopique .

On appelle toile double un systme stellaire compos de deux toiles prochesen orbite autour du mme point (ce point tant le centre dinertie G du systme). Unetoile double spectroscopique est constitue de deux astres trop proches pour

tre spars par un tlescope optique et ne peut tre dtecte que par ltude deson spectre haute rsolution. Le mouvement des deux toiles provoque en effet unlger dplacement des raies dabsorption du spectre par effet Doppler.

Dans les questions suivantes, on suppose que les deux toiles A et B dcrivent desorbites circulaires de mme rayon R, avec la mme valeur de vitesse V = VA = VB.La priode de rotation commune aux deux toiles A et B est note T : cest la priodede ltoile double.

2.1. Expliquer pourquoi, dans la situation dcrite sur le document 4, on a A > B.

2.2. Sachant que leffet Doppler ne se manifeste pas lorsque le vecteur vitesse dela source est perpendiculaire la direction de vise, complter en justifiant letableau de lANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE. Schmatiser sans soucidchelle le spectre correspondant chaque configuration et montrer quelvolution temporelle de ces spectres est priodique, de priode T/2.

2.3. En utilisant les spectres du document 5 qui montrent lvolution temporelle dela position de la raie H dans le spectre de ltoile double HD 80715, vrifierque la priode T de celle-ci est voisine de 3,8 jours.


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DOCUMENTS DE LEXERCICE II

Document 1 : Principe de leffet Doppler.

On note 0 la longueur donde de rfrence de la raie tudie dans le spectre

(source immobile par rapport lobservateur) et la longueur donde de la radiationmise par la source en mouvement.Lorsquune toile sloigne de la Terre, on observe un dcalage vers les grandes

longueurs donde appel redschift et caractris par le nombre0

0=z

-.

La formule de Doppler donne la vitesse dloignement V de la source lumineuse parrapport lobservateur terrestre dans le cas non relativiste :

0

0c=V

-

c est la clrit de la lumire dans le vide (c = 2,99792 108 m.s-1).

Document 2 : Dcalage vers le rouge.

En 1930, 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 est

petit, comme proportionnel la distance :cdH

=z 0 o H0 est une constante appele

constante de Hubble.Ce dcalage est traditionnellement interprt comme d la vitesse dloignementdes galaxies. Cette interprtation, si elle est vraie pour les redshifts petits est enfait fondamentalement errone dans une perspective de relativit gnrale. Les redshifts observs vont dune fraction de lunit pour la plupart des galaxies, 4ou 5 pour les objets les plus lointains, quasars, ou certaines autres galaxies.

Daprs Cosmologie : Des fondements thoriques aux observations Francis Bernardeau (CNRS Editions EDP sciences)

Sourceimmobile

V = 0

Source enmouvement lavitesse V parrapport lobservateur

Observateur

Observateur


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Document 3 : Extrait du spectre de NGC 691.

Source : observatoire de Haute Provence, logiciel libre SalsaJ.

Document 4 : Effet du mouvement des deux composantes dune toile double sur

une raie dabsorption si laxe reliant les deux toiles est perpendiculaire laxe devise.a) Configuration : b) Spectre observ (extrait) :

On note : A la longueur donde de la raie provenant du spectre de ltoile A et B lalongueur donde de la raie provenant du spectre de ltoile B.

Document 5 : volution temporelle de la position de la raie H dans le spectre deltoile HD 80715..

Crdit : "Observatoire de Paris / U.F.E."

Longueursdonde en

AV

r

BV

r

A

B

G

Direction

de laxe de

viseB A

AVr

BVr


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EXERCICE III : TRANSMISSION DINFORMATION PAR FIBRE OPTIQUE(5 points)

Les fibres optiques constituent un lment essentiel de la rvolution destlcommunications : cest par ce moyen que circule plus de 80 % des informations

du trafic mondial longue distance.

Les documents ncessaires la rsolution sont regroups en fin dexercice.

1. Rappeler une proprit dun faisceau laser en montrant que celle-ci justifielusage de ce type de rayonnement lectromagntique pour la transmissiondinformation par fibre optique.

2. En utilisant le document 3, choisir une valeur de longueur donde 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 dun fichier de 50 Mo.3.2. On souhaite pouvoir recevoir un film vido noir et blanc de 25 images par

seconde. Ces images sont constitues de 600 450 pixels, le codage delimage 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. Il utilise de lafibre optique en silice. La longueur maximale de fibre quil doit utiliser pourdesservir tous ses clients a pour valeur L = 10,0 km.La longueur donde du rayonnement mis par le laser utilis est gale 850 nm.On admet que le signal de sortie est exploitable tant que sa puissance P sortie estsuprieure 1% de la puissance Pentre du signal entrant.

laide des documents fournis, dire en justifiant si tous les clients bnficient designaux satisfaisants sans amplification optique intermdiaire.


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DOCUMENTS POUR LEXERCICE III

Document 1 : Quelques donnes : Lattnuation en dcibel dun signal de puissance P travers une chane de

transmission est :

=

sortie

entredB

P

Plog10A .

Pour une fibre optique de longueur L, on dfinit le coefficient dattnuation en

dB/km par :L

AdB= .

1 Tbit (trabit) = 1012 bits.

1 octet = 8 bits ; 1 Mo (mgaoctet) = 220 octets.

Document 2 : Transmission de la lumire dans une fibre saut dindice.

Document 3 : Coefficient dattnuation (dB/km) des fibres en matriau silice.

Attenuation(dB/km)

Wavelength (m)


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ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE

EXERCICE 2 : EFFET DOPPLER ET ASTROPHYSIQUE

Question 2.2.

Pour chaque proposition, indiquer la (les) configurations correcte(s).

Relation entre A et B A = B A > B A < B

Configuration(s)

Sur ces schmas, lobservateur nest pas reprsent car il est une trs grandedistance.

AVr

A

B

G

Directionde laxede vise

BVr

B

A

G

Directionde laxe

de vise

AVr

BVr

A

B

G


BVr

A

B

G

AVr

Configuration 1 Configuration 3

Configuration 2 Configuration 4

BVr

AVr


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