Épreuve de physique-chimie pour la série STL spécialité biotechnologies

15 PYBIMLR 1

BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE - Session 2015 -

Sciences et Technologies de Laboratoire spcialit Biotechnologies

preuve de PHYSIQUE-CHIMIE

EPREUVE DU MERCREDI 24 JUIN 2015

Dure de l'preuve : 3 heures Coefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet. Ce sujet comporte 12 pages numrotes de 1/12 12/12.

Les documents rponses, page 12/12 sont rendre avec la copie.

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des explications entreront dans l'apprciation des copies.

Toute rponse devra tre justifie

15 PYBIMLR 1 Page 1 sur 12

Investigation policire

Dans leurs enqutes (cambriolage, accident, ...), les gendarmes et policiers font souvent appel aux techniciens de la police scientifique pour le relev et l'analyse des empreintes, marques et indices prsents sur les lieux. La qualit de leur travail est primordiale. Ils contribuent ainsi la recherche et l'identification d'auteurs d'infractions de toutes natures.

Voici une affaire sur laquelle travaille une quipe denquteurs.

Un accident vient davoir lieu. Le conducteur a, semble-t-il, perdu le contrle du vhicule qui a termin sa course contre un mur. Une quipe de techniciens de la police a t envoye sur les lieux. Diffrents indices et pices conviction ont t relevs. De plus, dans le coffre une mallette contenant des ossements intrigue tout particulirement les enquteurs

Dans cette affaire, vous endosserez le rle dun des techniciens de la police scientifique. Les enquteurs vont vous confier quatre missions afin de les aider avancer dans leur travail dinvestigation :

- Partie A : dtermination de la vitesse du vhicule juste avant laccident - Partie B : dtermination de lheure de laccident - Partie C : dtermination du taux dalcoolmie - Partie D : datation des ossements contenus dans la mallette

Chaque partie est introduite par des lments du procs-verbal dress par les enquteurs.

Le sujet comporte quatre parties A, B, C et D qui sont indpendantes entre elles. Vous respecterez la numrotation des questions et vous rendrez les documents rponse (page 12) avec votre copie.


Partie A : dtermination de la vitesse du vhicule

Procs-verbal des enquteurs :

Laccident sest produit sur une portion de route dpartementale goudronne dont la vitesse est limite 70 km/h. La chausse ntait pas mouille. Le conducteur a frein (traces sur 28 m) mais na pu viter le mur en face.

La masse du vhicule (conducteur compris) est de 1,00.103 kg.

Intensit de pesanteur : vous prendrez g = 10 N.kg-1.

.

Une quipe de spcialistes des crashs a valu lnergie cintique du vhicule au moment du choc contre le mur daprs les dformations et lcrasement des structures. Ils lestiment 90 kJ.

Une vitesse excessive du vhicule peut-elle tre lorigine de laccident ?

A.1 tude pralable

A.1.1 Exploiter le document A1 afin de complter le document rponse DR1 en indiquant

les types dnergie mis en jeu.

A.1.2 Lnergie cintique EC (en J) du vhicule est lie sa masse m (en kg) et sa

vitesse v (en m.s-1). En vous appuyant sur les courbes du document A2, faire un

choix justifi de la relation qui convient parmi les trois proposes ci-dessous :

vmEC ..2

1 2..

2

1mvEC

2..2

1vmEC

A.2 Choc contre le mur

A.2.1 Montrer que la vitesse v du vhicule au moment de limpact contre le mur tait

denviron 13,4 m.s-1.

A.2.2 Vous dcidez de comparer cette nergie celle dune

chute du haut dun immeuble.

a- Rappeler lexpression de lnergie potentielle de pesanteur EPP (en J) dun corps en fonction de sa masse m (en kg) et de la hauteur h (en m) laquelle il est plac par rapport au sol. On prend le sol comme rfrence des nergies potentielles.

b- Montrer que tout se passe comme si la voiture chutait du 3me tage (on prendra une hauteur de 3 mtres par tage).


A.3 Phase de freinage (en vous aidant du document A3)

A.3.1 Daprs ltendue des traces de freinage releves sur la chausse, calculer la

vitesse initiale vi du vhicule (on rappelle que la vitesse du vhicule, juste avant

limpact, tait de 13,4 m.s-1).

A.3.2 Le conducteur tait-il en excs de vitesse ? Justifier la rponse.

A.3.3 Dans le but dapporter un maximum dinformations aux enquteurs, vous dcidez

de complter leur demande en considrant la phase de raction du conducteur.

Calculer la distance de raction DR parcouru par le vhicule pendant le temps de

raction du conducteur estim une seconde.

A.3.4 En dduire quelle distance D du mur le conducteur a vu lobstacle.


ANNEXE A : Dtermination de la vitesse du vhicule

A1 nergie, freinage et choc

La vitesse joue un rle trs important lors dun accident. Tout dabord, le vhicule parcourt une certaine distance entre le moment o le conducteur voit le danger et le moment o il appuie sur la pdale de frein ; on parle alors de distance de raction DR. Lors d'un freinage, les plaquettes de freins et les pneus sur la route absorbent lnergie cintique du vhicule. La temprature des disques de frein peut atteindre 250C. Lors d'un choc avec un autre vhicule ou un mur, la vitesse sannule quasi-instantanment. Toute l'nergie cintique accumule sert dformer la voiture (nergie de dformation). Plus la vitesse est grande, plus l'nergie cintique est grande et plus les dformations seront importantes et les consquences graves pour les passagers. Dformation des structures avant, port de la ceinture de scurit, airbag, permettent de limiter les consquences des accidents frontaux, condition que la vitesse, lors de limpact, ne soit pas excessive.

A2 volution de lnergie cintique avec la masse et la vitesse

A3 Phase de freinage

La distance de freinage DF dpend dun grand nombre

de facteurs comme la vitesse du vhicule, ltat des

pneumatiques et le coefficient dadhrence sur la

chausse. Ce dernier varie selon le type de revtement

et ltat de la chausse.

On admettra que cette distance peut tre value

laide de la relation suivante :

g

vvD FiF

..2

22

DF : distance de freinage (en m)

vi : vitesse initiale (dbut de freinage en m.s-1)

vF : vitesse finale (fin du freinage, juste avant limpact en m.s-1)

g : acclration de pesanteur (10 N.kg-1)

: coefficient dadhrence (sans unit)

Chausse tat Coefficient

dadhrence

Goudronne Sche 0,8

Mouille 0,4

Pave Sche 0,6

Mouille 0,3

Enneige 0,2

Verglace 0,1

volution de lnergie cintique en fonction de la masse pour une

vitesse de 50 km.h-1

volution de lnergie cintique en fonction de la vitesse pour

une masse de 1,00.103 kg

Ec (en 104J)


Partie B : dtermination de lheure de laccident


Lappel au poste de secours a t enregistr 23h00. Les pompiers ont mis 15 minutes pour intervenir. Lorsque les secours sont arrivs, les phares et lautoradio taient allums, ils se sont teints 45 minutes aprs lintervention des pompiers.

quelle heure laccident sest-il produit ?

Deux indices possibles sont exploits pour estimer lheure de la collision : une fuite de liquide sur le vhicule et la dcharge de la batterie.

B.1. Dcharge de la batterie (en vous aidant du document B1)

B.1.1 Justifier que la tension de la batterie vaut 12,6 V.

B.1.2 Calculer lintensit du courant total fourni par la batterie et la dure ncessaire sa

dcharge complte (on supposera constante lintensit du courant et la tension

pendant la dcharge).

B.1.3 valuer lheure de laccident et montrer que les secours nont pas t appels

immdiatement.

B.2. Fuite de liquide (en vous aidant des documents B2 et B3)

Le fluide coul semble provenir du liquide de lave glace ou du liquide de refroidissement. Lobjectif de cette partie est didentifier ce fluide.

B.2.1 Les deux fluides possibles sont-ils acide ou basique ? Justifier.

B.2.2 Pour identifier ce liquide, vous essayez deux mthodes :

- introduction de leau dans les chantillons afin de dterminer si le fluide a une

densit suprieure ou infrieure 1 ;

- dtermination du pH laide dun indicateur color : on obtient un pH > 10.

a) Quelle mthode vous semble la plus adapte et prciser pourquoi ?

b) Dans la seconde mthode mthode du pH quel indicateur color parmi ceux

proposs dans le document B3, convient-il de choisir ?

c) Identifier le liquide en cause.

B.2.3 Le rservoir du fluide tant identifi, les enquteurs ont repr vers 00h05 une fuite

par un orifice de section 2 mm. Pour vous aider proposer une estimation du

temps mis pour rpandre 3 litres de ce fluide sur la chausse, la vitesse

dcoulement du liquide est considre comme constante et vaut 0,20 m.s-1.

a. Montrer que le dbit volumique vaut 4,0.10-7 m3.s-1.

b. En dduire la dure dcoulement pour 3 litres rpandus et lestimation

de lheure de laccident.


Batterie - 6 lments de 2,1 V en srie

- Capacit 40A.h

Autoradio : Puissance consomme 100W Phares : Puissance consomme totale : 152W

ANNEXE B : dtermination de lheure de laccident

B1 Caractristiques lectriques du vhicule

B2 tiquettes des fluides

B3 - Indicateur colors : daprs http://www.proftnj.com/ch-indic.htm

pH

Les indicateurs colors

phnolphtaline mthylorange bleu de

bromothymol Violet de cristal

1 incolore vert

2 incolore rouge jaune violet

3 incolore rouge jaune violet

4 incolore orange jaune violet

5 incolore jaune jaune violet

6 incolore jaune jaune violet

7 incolore jaune vert violet

8 incolore jaune bleu violet

9,18 fuchsia clair jaune bleu violet

10 fuchsia jaune bleu violet



Lave glace

Composition : Mthanol 40%, eau

Liquide

Densit : 0,98

Solubilit dans leau : 100% pH : 10,7

Classe B-2: Liquide inflammable

Classe D-1B: Substance ayant des effets toxiques immdiats et graves

Liquide de refroidissement

Composition : thylne-glycol

Liquide

pH : 8

Densit relative : 1,03

Hydrosolubilit : 100%

Soluble dans : thanol, actone, acide actique, glycrol, pyridine

Nocif par ingestion


Partie C : dtermination du taux dalcoolmie


Deux canettes de boissons alcoolises taient prsentes dans le vhicule. Le conducteur affirme avoir consomm ces cannettes dans la matine bien avant de prendre le volant.

Le dbut de lenqute a permis de fixer lheure de laccident 22h. Le conducteur a pass un test dalcoolmie 23h45.

Le taux dalcoolmie du conducteur tait-il au moment de laccident suprieur au taux maximum tolr ?

C.1 Caractristiques de lthanol (en vous aidant du document C1)

C.1.1 Identifier et nommer le groupe caractristique permettant de classer cette molcule

dans la famille des alcools.

C.1.2 Montrer que la masse molaire M de lthanol vaut 46 g.mol-1.

C.2 Test alcoolmique (en vous aidant du document C2)

Le test alcoolmique a t ralis laide dun thylotest chimique dont le principe peut tre modlis par une quation doxydorduction dans laquelle les ions Cr2O7

2- ragissent en prsence dthanol, C2H6O. Cette raction en milieu acide peut tre modlise par lquation suivante :

2 Cr2O72- + 16 H+ + 3 C2H6O = 4 Cr

3+ + 11 H2O + 3 C2H4O2

C.2.1 Indiquer la couleur des cristaux avant et aprs raction.

C.2.2 Identifier les 2 couples oxydant / rducteur mis en jeu dans cette raction en

compltant le document rponse DR2.

C.2.3 Lors du test, la moiti des cristaux changent de couleur. On admettra que la

quantit de matire dions dichromate Cr2O72- qui ragit vaut 5,1.10-6 mol.

valuer, daprs lquation ci-dessus, la quantit de matire dthanol C2H6O dans

lair expir contenu dans le ballon.

C.2.4 Calculer la concentration massique CM (en g.L-1) dthanol dans lair dans le ballon.

C.2.5 Le rsultat de lalcootest montre que le conducteur atteint juste la limite autorise

de 2,5.10-4 g.L-1 dair expir. Relever, laide du document C3, son taux

dalcoolmie au moment de laccident afin de justifier quil ntait pas apte

conduire.


ANNEXE C : dtermination du taux dalcoolmie

C1- Lthanol et les groupes caractristiques

C2 thylotest chimique

Lalcool contenue dans les boissons alcolises est lthanol reprsent par la fomule developpe suivante :

Masses molaires : Carbone M(C) = 12 g.mol-1

Oxygne M(O) = 16 g.mol-1

Hydrogne M(H) = 1 g.mol-1

Les alcootests individuels que lon peut trouver en pharmacie sont constitus dun sachet gonflable et dun tube de verre contenant des cristaux jaunes de dichromate de potassium (2K+, Cr2O7

2-) en milieu acide. Volume du ballon : 1,4 L

Mode demploi

Groupes caractristiques

Amine

Hydroxyle

Acide carboxylique

Ester


C3 volution du taux dalcoolmie dans le temps

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

volution de l'alcoolmie dans l'air expir (en mg.L-1) en fonction du temps (en heure)


Partie D : datation des ossements


Dans le coffre du vhicule, se trouvait une mallette contenant des ossements.

Il se trouve que dans la rgion, un site archologique dune grande richesse a t dcouvert. Des ossements dhominids, dans un tat de conservation exceptionnel, ont t mis au jour. Ils auraient vcu, selon lestimation des responsables du site, il y a 23500 ans. Malheureusement le site a en partie t pill.

Les ossements peuvent-ils provenir du site archologique ?

D.1 Questions prliminaires ( laide du document D1)

D.1.1 Quelle est la mthode utilise pour dater les ossements ? Citer une limite cette

technique.

D.1.2 Le carbone 14 se dsintgre pour donner de lazote 14 en mettant une particule.

Complter lquation de dsintgration radioactive du document rponse DR3. En

dduire le nom de la particule mise et le type de radioactivit.

D.2 Dcroissance radioactive du carbone 14

On dfinit la demi-vie (note t1/2) dun chantillon radioactif comme tant la dure au bout de

laquelle lactivit dun chantillon radioactif a t divise par deux.

laide du document D2, dterminer la valeur de la demi-vie t1/2.

D.3 Datation des ossements ( laide des documents D1 et D3)

Vous prlevez un chantillon des ossements de la mallette ; un comptage radioactif permet de relever une activit A de 14 mBq par gramme de carbone pur.

Lactivit dun chantillon radioactif est gale au nombre moyen de dsintgrations par seconde de noyaux de lchantillon. Elle sexprime en becquerels (Bq) :

1 Bq = 1 dsintgration.s-1

D.3.1 Montrer que lactivit A0 ( lge zro ) est denviron 0,23 Bq par gramme de

carbone pur.

D.3.2 Exploiter la relation du document D3 pour dterminer lge des ossements de la

mallette.

D.3.3 Ces ossements peuvent-ils provenir du site archologique ? Justifier.


ANNEXE D : datation des ossements

D1 Gnralits sur la datation au carbone 14

Vers 1950, le chimiste amricain W. Libby a dmontr [...] que tous les tres vivants sont caractriss par le mme rapport du nombre de noyaux de 14C au nombre de noyaux de 12C : N(14C) / (12C).

En consquence, un gramme de carbone pur extrait d'un tre vivant prsente une activit due au 14C, voisine de 13,6 dsintgrations par minute, ce qui correspond "un ge zro". Dans un animal ou un vgtal mort (tronc d'arbre, coquille fossile, os... trouv dans une caverne), le 14C "assimil" par l'animal ou la plante quand il tait vivant, dcrot exponentiellement en fonction du temps du fait de sa radioactivit partir de l'instant de sa mort. La comparaison(1) de cette activit rsiduelle aux 13,6 dsintgrations par minute fournit directement l'ge de l'chantillon fossile [...]. Au bout de 40 millnaires, iI reste moins de 1% du 14C que contenait initialement un chantillon fossile ; cette teneur rsiduelle devient trop faible pour tre dtermine avec prcision.

J.C Duplessy et C. Laj ; D'aprs une publication du CEA ; Clefs CEA n14 automne 1989

(1) : On suppose que la valeur 13,6 dsintgrations par minute, pour un organisme vivant, est reste constante au cours des derniers millnaires.

D2 Courbe de dcroissance radioactive

D3 Expression rciproque de la loi de dcroissance radioactive.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 5730 11460 17190 22920

Temps (annes)

Activit (dsintgrations/minute)

A : activit en Bq la date t

A0 : activit en Bq la date t = 0 ( ge zro )

: constante radioactive du carbone 14 (1,2.10-4 ans-1)

)A

Aln(

1t 0


DOCUMENTS REPONSES A RENDRE AVEC LA COPIE

DR1 Conversion dnergie

DR2 Couples Oxydant / Rducteur

Couple 1 Couple 2

Cr2O72-

/ . / C2H6O

DR3 quation de dsintgration du carbone 14

Freinage

Choc

C 14

6 particule

+ N

* 14

7

Documents

Épreuve de physique-chimie pour la série STL spécialité biotechnologies