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Document d'accompagnement - Inspection de l'Enseign ement Agricole 4/23 Diplôme : Baccalauréat technologique STAV Thème : indications pour la mise en place de l’épreuve E8 Date :octobre 2013

Libellé des exercices

Exercice 1 : Production laitière et développement d urable.

Un éleveur possède un troupeau de vaches produisant du lait pour la transformation fromagère. Les opérations de nettoyage de la machine à traire après chaque traite, du tank de stockage réfrigéré après sa vidange ainsi que de l’ensemble de la salle de traite nécessitent une importante quantité d’eau chaude. Le document 1 rassemble quelques caractéristiques du troupeau en production, du lait produit et de l’eau chaude de lavage. L’éleveur veut adapter son installation de traite afin de favoriser des économies d’énergie dans une démarche économique et de développement durable. Un professionnel lui conseille un système répondant à ses besoins, son principe est décrit dans le document 2 . Les parties A et B sont indépendantes

Partie A

Le document 3 donne des outils d’aide à la résolution ainsi que des valeurs de paramètres nécessaires à la résolution de ce problème.

1. Questions préliminaires relatives aux différents transferts thermiques En s’appuyant sur les connaissances nécessaires et sur les ressources qui sont fournies dans les documents 1.1 Justifier que la masse de lait à réfrigérer a pour valeur : mlait = 515 kg 1.2 En déduire que la valeur de l’énergie cédée par transfert thermique entre le lait d’une traite et le système de refroidissement du tank a pour valeur absolue : |QF| = 45,2 MJ. 1.3 Montrer que l’énergie thermique que peut transférer le fluide frigorigène à l’eau à chauffer a pour valeur absolue : |QC| = 54,3 MJ. 2. Questions relatives à la mise en place du nouveau système de production d’eau chaude :

2.1 L’eau de lavage, puisée à la température de 12 °C doit être chauffée pour atteindre la température désirée. Montrer à cet éleveur que la seule énergie calorifique récupérée sur une seule traite au niveau du système de refroidissement du tank ne permettra pas complètement d’obtenir ce résultat. Pour cela, on pourra évaluer la valeur Q de l’énergie cédée par transfert thermique à opérer sur le volume d’eau à chauffer. 2.2 L’énergie calorifique récupérée au niveau du système de refroidissement du tank permet toutefois de préchauffer l’eau de façon très significative. En calculant E, valeur de l’énergie à fournir au système de refroidissement du tank pour son fonctionnement, expliquer en quoi cette opération permet de réaliser des économies.

2.3 Proposer une solution possible pour atteindre l’objectif visé en ce qui concerne la température de l’eau de lavage, celle-ci pouvant également s’inscrire dans une démarche de développement durable.


Partie B Un problème de résidus affectant la qualité du lait produit par cet éleveur a été détecté au contrôle laitier. Ceci est manifestement dû à une difficulté à éliminer les matières grasses lors de la phase du lavage dite « phase basique ». Pour cette opération, l’éleveur utilise une solution d’un produit vendu sous le nom de : Alcalin concentré®. La fiche livrée avec ce produit est donné dans le document 4 . L’éleveur se demande s’il y a un problème sur la concentration de la solution commerciale ou sur la pompe doseuse participant à la fabrication de la solution de lavage. Il décide de faire analyser ces solutions par un laboratoire d’analyses physico-chimiques. Il fait parvenir à ce dernier deux échantillons :

- échantillon n°1 : solution commerciale - échantillon n°2 : solution de lavage.

Un compte rendu des opérations réalisées est donné au document 5 . 3. Questions relatives à la partie expérimentale réalisée au laboratoire d’analyses.

3.1 Donner, en le justifiant, le ou les équipement(s) de protection individuelle à utiliser pour la manipulation des échantillons à analyser.

En ce qui concerne le dosage de l’échantillon n°2

3.2 Donner le compte rendu opératoire de ce dosage. On pourra s’appuyer sur des schémas simples annotés. Les noms des matériels de verrerie utilisés sont demandés. 3.3 Préciser le type de réaction chimique sur lequel s’appuie ce dosage de l’échantillon n°2. 3.4 Après avoir écrit l’équation chimique simplifiée de cette réaction, effectuer un bilan molaire, à l’équivalence, qui permette d’établir la relation existant entre les concentrations molaires CA et CB de l’acide et de la solution de lavage, le volume VB de la prise d’essai et le volume équivalent VAeq. 3.4 Variante : Après avoir écrit l’équation chimique simplifiée de cette réaction, effectuer un bilan molaire qui permette d’établir que la relation existant entre les concentrations molaires CA et CB de l’acide et de la solution de lavage, le volume VB de la prise d’essai et le volume équivalent VAeq est :

CA.VAeq = CB.VB

4. Question relative au questionnement de l’éleveur. La solution de lavage est réalisée par une pompe doseuse. Montrer à cet éleveur que le problème lié à la mauvaise qualité du lavage de ses installations est causé par un mauvais fonctionnement de la pompe. Pour cela :

- on effectuera l’évaluation de la qualité de la solution commerciale à l’aide de la détermination de sa densité ;

- on effectuera l’évaluation de la qualité de la solution de lavage par l’exploitation du résultat du dosage de l’échantillon n°2 et de l’exploitation de s données du document 4 .

L’ensemble des calculs sera détaillé, les constructions et la détermination graphique du volume équivalent notées sur l’annexe A , à rendre avec la copie.


Document 1 : Production et conservation du lait Tank à lait et son système de refroidissement.

Document 2 : Equipement de refroidissement du lait et de chauffage de l’eau de lavage Principe simplifié du système.

Source : d’après documents des conseils généraux des pays de Loire et Bretagne ainsi que ADEME

Au niveau de l’évaporateur , le système prélève de l’énergie, notée QF, au lait pour faire diminuer sa température. Cette énergie est transportée par un fluide frigorigène jusqu’au condenseur. Au niveau du condenseur, de l’énergie QC est transférée à l’eau de lavage, ce qui provoque le réchauffement de celle-ci. Pour fonctionner, le compresseur de ce système reçoit une énergie électrique E. Le modèle physique décrivant cette machine permet d’établir que : |QC| = 3 × E. Caractéristiques de l’eau de lavage des installations. Volume d’eau chaude utilisée après chaque traite Ve = 350 L Température de l’eau chaude : θ2 = 60 °C

source : avedemil.com

Effectif du troupeau en production : 48 vaches Volume de lait produit à chaque traite : 500 L Avant d’arriver au tank, le lait est pré-refroidi à la température tL = 25°C Température finale du lait stocké : tF = 4°C.


Document 3 : Outils d’aide à la résolution, valeurs de paramètres Expression de l’énergie échangée par transfert thermique que subit un système de masse m, passant de la température t1 à la température t2 et de capacité thermique massique c : Q = m×c×( t2 - t1) unités : m en kg, c en J . kg-1.°C -1, t2 et t1 en °C et Q en J. Valeur de la capacité thermique massique cE de l’eau : cE = 4180 J . kg-1.°C -1 Valeur de la capacité thermique massique cL du lait : on admettra que cL = cE Relation entre l’énergie Q F prélevée sur le lait et l’énergie Q C cédée à l’eau par le fluide frigorigène :

|QC| = F

C

T

T× |QF| où :

TF est la température absolue du lait refroidi (exprimée en Kelvin) et TC la température absolue de l’eau chaude (exprimée en Kelvin). Température absolue d’un corps : T = 273 + t avec T en Kelvin et t en °C Masse volumique du lait : ρL = 1,03 kg.L-1 Masse volumique de l’eau : ρE = 1,00 kg.L-1


Document 4 : Extrait de la documentation technique commerciale du produit de lavage :

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Évolution de la masse volumique de la solution aqueuse en fonction de la concentration :

Concentration massique

Concentration molaire

Masse volumique

(%m) (mol.L -1) (g.mL -1)

16,0 4,701 1,1751 18,0 5,387 1,1971 20,0 6,096 1,2192 22,0 6,827 1,2412 24,0 7,579 1,2631 26,0 8,352 1,2848 28,0 9,145 1,3064 30,0 9,958 1,3277 32,0 10,791 1,3488 34,0 11,643 1,3697 36,0 12,512 1,3901 38,0 13,398 1,4102 40,0 14,300 1,4299

Source : William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, 93e éd.,

Note : la densité d’un corps a la même valeur que sa masse volumiqueà condition que celle-ci ait pour unités le g.L-1


Document 5 : Travaux réalisés au laboratoire : Opération réalisée sur l’échantillon n°1 : Une fiole jaugée de 250 mL, préalablement tarée, est remplie avec l’échantillon n°1 pris à la températ ure de 20°C, puis pesée. La masse des 250 mL d’échantillon a pour valeur : m = 328 g Opération réalisée sur l’échantillon n°2 : Un volume VB = 10,0 mL de la solution de lavage est prélevé et placé dans un récipient de verre. Après avoir ajouté environ le même volume d’eau distillée, on y installe une électrode de verre combinée destinée à mesurer le pH du mélange. On ajoute alors progressivement, avec la verrerie adaptée, une solution d’acide chlorhydrique de concentration CA = 1,00 × 10-2 mol.L-1. Le pH du milieu réactionnel est relevé pour différents volumes versés. Une courbe donnant ces couples de valeurs est reproduite dans l’annexe A (qui sera à rendre avec la copie).


MINISTERE DE L’AGRICULTURE EXAMEN : N° ne rien inscrire

Nom : Spécialité ou Option : (EN MAJUSCULES) Prénoms : EPREUVE : Date de naissance : 19 Centre d’épreuve :

Date :

ANNEXE A (à compléter et à rendre avec la copie)

N° ne rien inscrire

Courbe de dosage pH = f(V A)

VA en mL


Exercice 2 : Satellite géostationnaire.

Les satellites météorologiques, qui ont comme mission principale le recueil de données utilisées pour la surveillance du temps et du climat de la Terre, sont des satellites géostationnaires : Ils paraissent immobiles dans le référentiel terrestre que l’on considèrera galiléen. Dans le référentiel géocentrique, également galiléen, on admettra que leur mouvement est circulaire uniforme. Leur vitesse a pour valeur v = 3,1×103 m.s-1. La trajectoire d’un satellite est donnée dans l’annexe B à rendre avec la copie . Les points de position mentionnés (M1, M2, M3 …) marquent les positions du satellite à des intervalles de temps ∆t = 1 h.

1. Sur l’annexe B ,

1.1. Tracer les vecteurs vitesses 1vr

et 3vr

du satellite aux positions M1 et M3. L’échelle est

fournie dans l’annexe.

1.2. À la position M2 du satellite, tracer le vecteur : ∆ vr

= 3vr

− 1vr

. On pourra s’appuyer sur

l’outil mathématique fourni.

2. On suppose que le satellite n’est soumis qu’à une seule force notée Fr

.

2.1. En utilisant la deuxième loi de Newton, donner la direction et le sens de cette force Fr

.

2.2. On considère que le satellite de masse m n’est soumis qu’à cette force Fr

= m.ar

.

Nommer cette force. 2.3. Montrer par un calcul que la valeur de a : accélération à laquelle est soumis le satellite a

pour valeur approchée : a = 0,23 m.s-2. 2.4. Calculer la valeur numérique F de l’intensité de la force sachant que la masse du satellite

est : m = 400 kg. Outils pour cet exercice :

• 1h correspond à 3600 s.

• Faire une différence de deux vecteurs vr

et ur

ramenés en un point O :

: ramener les origines des deux × O vecteurs sur le point O en les déplaçant parallèlement à v

r eux mêmes, puis la

différence vr

−ur

est construite comme ci-contre (en pointillé) :

ur

vr

−ur

−ur

O ×

ur

vr




Date :

ANNEXE B (à compléter et à rendre avec la copie)


Échelle pour les vecteurs vitesses : 1 cm pour 500 m.s-1


Exercice 2 bis : (variante concernant la situation physique contextualisante) : Trajectoire d’une balle de tennis

Le mouvement d’une balle de tennis lancée avec une vitesse initiale est filmé avec une webcam. A l’aide d’un logiciel de pointage, on capture les positions de la balle toutes les 0,0667 s. On obtient la trajectoire donnée en annexe C. Pour chaque position pointée, les coordonnées ainsi que la valeur de la vitesse instantanée de la balle sont déterminées à l’aide d’un tableur. Les résultats suivants sont obtenus.

On appelle M0 le point correspondant à la date t = 0 s et situé à l’origine des abscisses et ordonnées, M1 celui correspondant à la date suivante … Les questions sont identiques à l’exercice précédent. Toutefois, on déterminera le vecteur ∆ v

r3 =

vr

4 -

vr

2 au point M3 sur la trajectoire située dans l’annexe C, la valeur de l’accélération a, que l’on cherche à déterminer, a pour valeur approchée 10 m.s-2 (intensité de la pesanteur), la masse d’une balle de tennis a pour valeur : m = 58 g.


Outils pour cet exercice :

• g = 9,8 m.s-2

• Pour tracer le vecteur ur

- vr

, construire le vecteur ur

+ (- vr

) : - déplacer le vecteur u

r au point O (parallèle, même sens, même grandeur que u

r ) ;

- à l’extrémité de ur

, tracer le vecteur (- vr

)( parallèle, sens opposé, même grandeur que vr

) ;

- le vecteur ur

- vr

est celui dont l’origine est 0 et l’extrémité celle de (- vr

).

- vr

ur

ur

- vru

r

vr

O X




Date :

ANNEXE C (à compléter et à rendre avec la copie)


Échelle pour les vecteurs vitesses : 1cm pour 1 m.s-1


Exercice 3 : Production de vin liquoreux. Le vin est obtenu par fermentation alcoolique, sous l’action de levures, du jus de raisin obtenu par pressurage après vendange. Ce jus porte alors le nom de moût. Ce moût est essentiellement composé d’eau, de glucides, de très nombreux autres composés organiques en faible concentration ainsi que de divers ions. Les glucides majoritairement présents sont des hexoses : le glucose et le fructose. Lors de la fermentation, ceux-ci sont tous les deux transformés. 1. Les principaux glucides présents dans le moût. Le glucose et le fructose sont deux hexoses isomères de fonction dont les formules semi- développées et quelques caractéristiques sont données dans le document 1 . 1.1 Justifier l’appellation « hexose » pour ces espèces chimiques. 1.2 Le glucose est une espèce appelée : sucre réducteur. Il peut être caractérisé à l’aide la liqueur de

Fehling. En s’appuyant sur le document 1 , proposer (sous une forme rédigée, ou sous forme de schémas annotés, ou sous une forme mixte) un protocole expérimental de mise en œuvre de ce test.

1.3 En s’appuyant sur leurs formules semi-développées,

1.3.1 Nommer et donner la formule semi-développée du groupement fonctionnel qui confère au glucose son caractère réducteur. 1.3.2 Nommer et donner la formule semi-développée du groupement fonctionnel du fructose qui différentie ce dernier du glucose.

1.4 Relever et nommer l’autre groupement fonctionnel présent dans ces molécules. 2. Caractère d’un vin. Sur son exploitation, un vigneron produit un vin liquoreux à partir de raisins blancs. On distingue trois types de vins dits « sucrés ». Leurs caractéristiques sont données dans le document 2 . Cette année, les conditions climatiques défavorables ont donné un raisin dont le moût n’est pas aussi riche en glucides que le vigneron le souhaiterait pour sa production. La concentration en glucides du moût obtenu a pour valeur : CGlu = 270 g.L-1. Toutefois, le vigneron se demande si son vin pourra avoir, cette année, la qualification de « vin liquoreux ». Le but de cet exercice est de répondre à cette question. Le vigneron choisit pour cette production de limiter le degré alcoolique de son vin à 14°. Ceci corres pond à une teneur en éthanol : tEth = 110 g.L-1. En effectuant un bilan de matière (conduisant à une évaluation de la masse d’éthanol produit), sur la réaction de fermentation et portant sur 1 L de vin, indiquer, en le justifiant, si ce vigneron obtiendra cette année un vin qualifié de « liquoreux », selon son souhait. 3. La chaptalisation (document 3) 3.1 Justifier que la chaptalisation permet d’augmenter le degré alcoolique d’un vin. 3.2 Dans le document 3 , il est noté que le deutérium est un « proche parent » de l'hydrogène. Proposer un terme scientifique pour décrire la relation qui existe entre l’hydrogène et le deutérium. 3.3 Les vignes du vigneron se trouvent dans la région B (voir document 4 ). En 2011, une expertise de son

vin a donné un rapport (D/H) = 101,0 ±±±± 0,2 ppm. En déduire s’il y a eu ou non chaptalisation, cette année-là.


Document 1 : Le glucose et le fructose

Glucose

Fructose

Données : - Formule brute de ces deux isomères : C6H12O6.

-Test caractéristique des sucres réducteurs : en présence de liqueur de Fehling et chauffés, les sucres

réducteurs donnent un précipité rouge brique.

- Équation chimique simplifiée de la fermentation alcoolique que l’on considèrera ici comme une réaction

totale : C6H12O6 � 2 C2H6O + 2 CO2. La molécule C2H6O est l’éthanol (dont le nom courant est

« l’alcool »). Sa teneur donne le degré alcoolique de la boisson obtenue.

Variante : On considèrera ici que la fermentation de ces glucides est une réaction totale dont les

produits de réactions sont l’éthanol, C2H6O (dont le nom courant est « l’alcool ») et le dioxyde de carbone

CO2.

- Masses molaires en g.mol-1 : C : 12 O : 12 H : 1

Variante des données de masses molaires :

Masses molaires en g.mol-1 : C6H12O6 : 180 C2H6O : 46 CO2 : 44

Document 2 : Caractéristiques des vins « sucrés ». Un moût destiné à faire du vin doux peut contenir jusqu’à 350 g.L-1 de sucre. Lors de la vinification, une partie des sucres (glucides) est transformée en alcool, l’autre reste dans le vin et porte le nom de « sucres résiduels ». • Les demi-secs : vins contenant plus de 4 g.L-1 et moins de 12 g.L-1 de sucres résiduels • Les moelleux : vins contenant plus de 12 g.L-1 et moins de 45 g.L-1 de sucres résiduels. • Les doux (ou liquoreux) : vins contenant plus de 45 g.L-1 de sucres résiduels.

D’après : www.ecole-muscadelle.fr/


Document 3 : chaptalisation

L'une des fraudes les plus courantes est la chaptalisation illégale. Cette pratique consiste à « ajouter du sucre » (provenant de la betterave) aux moûts de raisin, notamment à ceux qui sont incapables d'atteindre naturellement un taux d'alcool suffisant. Ce taux est exprimé en pourcentage volumique d’éthanol appelé : degré alcoolique.

Il est, en effet, possible de contrôler l'adjonction de sucre dans les vins. Dans ce but, les scientifiques exploitent le fait que toute grappe de raisins arrivant à maturité s'enrichit naturellement en deutérium D, proche parent de l'hydrogène H, et que le rapport quantitatif, noté (D/H), entre les quantités de ces deux éléments est constant pour un même type de vin. Si le rapport (D/H) mesuré pour un vin est différent de la valeur qu'il devrait avoir, c'est qu'il y a eu chaptalisation …

Le rapport (D/H) est exprimé en ppm.

La représentation symbolique du noyau de deutérium est H1

2 et celle de l’hydrogène est H

1

1.

Document 4 : rapport (D/H) pour des vins provenant de deux régions différentes en fonction des années

Les cercles représentent les valeurs les plus probables et les rectangles les marges d’erreur sur les mesures.


Exercice 4 : Dosage du dioxyde de soufre en solutio n. Le dioxyde de soufre SO2 est présent dans les vins, c’est un additif alimentaire (de code E220) qui a une action antioxydante et antiseptique assurant ainsi une meilleure conservation. Toutefois, afin de ne pas nuire à la santé des consommateurs, un taux maximal est fixé pour chaque type de vins (voir document 1 ). Dans le cadre d’un stage d’éducation à la santé, un groupe d’élèves travaillent en autonomie sous la responsabilité de leur professeur. Des recherches leur ont permis de trouver une méthode et un protocole de dosage du dioxyde de soufre par iodométrie (document 2 ). Ils veulent travailler sur un vin blanc sec et sur un vin rouge. Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l’exercice.

1. Repérage de l’équivalence. a. Décrire et interpréter le fait expérimental qui permettra de détecter l’équivalence de la

réaction support du dosage. (trois lignes au maximum) b. Indiquer, en le justifiant, si la méthode qu’ils comptent utiliser est appropriée pour les deux

vins. (deux lignes au maximum)

2. En exploitant le dosage effectué, indiquer, si le taux de SO2 dans le vin étudié (document 2) est conforme aux normes sanitaires. On exprimera la valeur déterminée avec son incertitude.

Variante n°1 :

2. En effectuant un bilan de matière de la réaction support du dosage du SO2, indiquer si le vin étudié (document 2) est conforme aux normes sanitaires. On exprimera la valeur déterminée avec son incertitude.

Variante n°2 : 2. Indiquer si le taux de SO2 est conforme aux normes sanitaires.

Pour cela, on effectuera un bilan de matière de la réaction support du dosage (conduisant à une évaluation de la concentration molaire C1, puis massique Cm de SO2 dans le vin dosé). On exprimera la valeur déterminée de Cm avec son incertitude.


Document 1 : Concentrations massiques maximales de SO2 autorisées (extrait de normes sanitaires) Vin blanc sec : 210 mg.L-1

Vin rouge : 160 mg.L-1

Document 2 : Méthode et protocole du dosage du diox yde de soufre dans une solution aqueuse. On effectue un dosage colorimétrique, la solution dosante est une solution de diiode I2. Le diiode réagit avec le dioxyde de soufre. Equation chimique support du dosage : I2(aq) + SO2(aq) + 2H20 � 2I-(aq) + SO4

2-(aq) + 4H+

(aq) Protocole opératoire : Introduire, à l’aide d’une pipette jaugée, un volume V1 = 50,0 mL de vin dans un erlenmeyer. Y ajouter deux gouttes d’empois d’amidon. Verser à la burette graduée une solution de diiode de concentration molaire C2 = 1,0 × 10-2 mol.L-1 jusqu’au repérage de l’équivalence. Relever le volume équivalent VE. Précision des mesures et résultats expérimentaux : Pour cette détermination du taux de SO2, l’incertitude, déterminée par l’expérience basée sur des mesures antérieures, a une valeur de l’ordre de 3 mg.L-1.

Document 3 : Couleurs des solutions des différentes espèces chimiques utilisées.

Espèces chimiques Teintes et couleurs en solution aqueuse

Diiode en solution I2(aq) :

couleur jaune pâle quand la solution est diluée, en présence d’empois d’amidon : couleur bleue foncée. Remarque l’empois d’amidon est une solution non colorée, il donne une couleur bleue-violette UNIQUEMENT en présence de diiode.

Ions iodure I-(aq) : incolores

Dioxyde de soufre en solution SO2(aq):

incolore

Ions sulfate SO42-

(aq) : incolores

vin blanc sec couleur verte très pale, il est pratiquement translucide

vin rouge couleur bordeaux foncée

Document 4 : Résultats expérimentaux, données. Valeurs des volumes équivalents obtenus : 8,3 mL ; 8,4 mL ; 8,3 mL (trois dosages « identiques » ont été effectués). Masses molaires en g.mol-1 : S = 32 ; O = 16

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