DEVOIR COMMUNMai 2013

PHYSIQUE-CHIMIESECONDE

Sujet A

Durée de l’épreuve : 2 h

L’usage de la calculatrice est autorisé

Ce sujet comporte 6 pages numérotées

Exercice I : La caféine

La caféine est une substance présente naturellement dans divers aliments, comme le café, le thé et le chocolat. Elle est aussi ajoutée à divers produits alimentaires, comme des boissons gazeuses, des boissons énergisantes et des friandises. On en retrouve aussi dans plusieurs médicaments, notamment ceux destinés à soulager les symptômes du rhume et de la grippe.

La caféine possède des propriétés stimulantes du système nerveux central et du système cardiovasculaire. Elle se répand rapidement dans tous les tissus du corps, y compris le cerveau.

Les 3 parties suivantes sont indépendantes.

I. La caféine dans les médicaments

Document 1 : Extrait de la notice présente dans une boite de métaspirine

Acide acétylsalicylique (aspirine)..................................................................475 mg

Caféine...........................................................................................................25 mg

Autres : Amidon de maïs, Cellulose microcristalline

1. Comment s’appellent les substances d’un médicament ayant des propriétés thérapeutiques ?

2. Quelles sont ces substances dans le médicament du document 1 ?

3. Comment appelle-t-on les autres composants ?

II. Extraction de la caféine du thé

Le thé contient environ 5 % de caféine (improprement appelée « théine »), et d’autres substances comme des sucres et des pigments.

Document 2 : Exemple de protocole d’ extraction de la caféine du thé

Première partie :

• Amener à ébullition 100 mL d’eau distillée dans un bécher sur plaque chauffante, en agitant.

• Dès l’ébullition, retirer le bécher de la plaque chauffante, y plonger 3 sachets de thé et agiter pendant 1 à 2 min avec une baguette de verre. Sortir les sachets de thé et les essorer au-dessus du bécher entre deux verres de montre.

• Refroidir le bécher jusqu’à température ambiante dans un bain de glace.

Deuxième partie :

• Verser le contenu du bécher dans une ampoule à décanter.

• Mesurer 20mL de dichlorométhane avec une éprouvette graduée, les ajouter dans l'ampoule, boucher, agiter modérément pour minimiser la formation d’émulsions.

• En cours d’agitation, laisser régulièrement échapper les vapeurs de solvant, en ouvrant le robinet après avoir retourné l’ampoule robinet vers le haut (dégazage).

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• Poser l’ampoule sur le support, enlever le bouchon et laisser décanter. (Pour réduire l’émulsion à la surface de séparation, on peut faire tourner doucement une baguette de verre dans l’émulsion.)

• Récupérer la phase organique qui se trouve en dessous.

• Jeter la phase aqueuse restant dans l’ampoule.

Troisième partie :

• La phase organique, qui contient la caféine, contient également des traces d’eau, difficile à évaporer. On utilise pour éliminer ces traces un solide avide d’eau : le sulfate de magnésium ou de sodium anhydre. Ajouter le solide spatule par spatule, en agitant et en observant. On a ajouté assez de solide quand une partie des cristaux ajoutés ne s’agglomère pas.

• Filtrer sur papier au-dessus d’un ballon, rincer le filtre et le bécher deux ou trois fois avec très peu de dichlorométhane au-dessus du ballon.

Quatrième partie :

• Évaporer le dichlorométhane à l'aide d’un évaporateur rotatif. On obtient un solide légèrement verdâtre (présence d’impuretés, notamment de pigments comme la chlorophylle).

Document 3 : Données physico-chimiques

Caféine :

• Solide blanc

• Point de fusion : 238 °C

• Solubilité

solvant eau froide eau chaude dichlorométhane

solubilité faible bonne bonne

Dichlorométhane :

• Point d’ébullition : 40 °C

• Densité relative (eau = 1,0) : 1,3

• Solubilité dans l’eau à 20 °C : faible

4. Comment s’appelle la technique réalisée dans la première partie du protocole expérimental du document 2 ?

5. Pourquoi chauffe-t-on l’eau dans cette première partie ?

6. Comment s’appelle la technique réalisée dans la deuxième partie du protocole expérimental du document 2 ?

7. Justifier l’emploi du dichlorométhane dans cette deuxième partie.

8. Dessiner l’ampoule à décanter ainsi que son contenu après décantation en indiquant où se trouve l’eau, le dichlorométhane et la caféine.

9. Qu’est ce que le solide verdâtre que l’on obtient dans la dernière partie ?

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III.Étude de la molécule de caféine et d’autres

Document 4 : Modèles moléculaires éclatés

caféine dichlorométhane

acide dihydrazide isophthalique

10.Hormis l’azote, l’oxygène et le chlore, quels sont les deux autres atomes composants les molécules du document 4 ?

11.Donner la formule brute de ces trois molécules.

12.Dessiner les formules développées de ces trois molécules.

13.Dessiner les formules semi-développées de ces trois molécules.

14.Comparer les formules brutes, développées et semi-développées de ces trois molécules. Que peut-on dire de deux de ces molécules ?

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Oxygène (O)

Azote (N)

Chlore (Cl)

azote

azote

oxygène

Exercice II : L’exploration de l’espace

De rêve, l’exploration spatiale est devenue réalité et cette réalité a dépassé la fiction. Depuis 50 ans, des mondes inattendus ont été découverts, des théories révisées, et chaque nouvelle mission remet en cause des résultats antérieurs. Les enjeux ? Comprendre l’origine et l’évolution du système solaire, des planètes, de la vie.

Document 1 : Exoplanètes

« En 1995, à Genève, un résultat extraordinaire fut annoncé : les deux astronomes Michel Mayor et Didier Queloz avaient détecté une planète « extrasolaire » (ou exoplanète), c’est-à-dire en orbite autour d’une étoile autre que le Soleil. Il s’agissait de l’étoile « 51 Pegasi » située à 50 a.l. de la Terre, dans la constellation de Pégase. Ils purent même estimer certaines caractéristiques de la planète, comme sa masse (la moitié de celle de Jupiter environ) et la distance qui la sépare de « 51 Pegasi » (approximativement 7,5 millions de km).

De nombreuses planètes extrasolaires ont été découvertes depuis. Au 30 avril 2013, 866 planètes extrasolaires sont identifiées dans 671 systèmes planétaires différents. »

Source : site Internet http://exoplanets.org

Document 2 : Données

Vitesse de la lumière dans le vide : c = 3,00⋅105km⋅s−1

Unité astronomique : distance moyenne de la Terre au Soleil

Année-lumière : 1a.l. = 9,5⋅1012 km

Distance parcourue lors d’un voyage Terre-Mars : d = 7,8⋅107km

Ordre de grandeur d’un résultat : puissance de dix la plus proche

Document 3 : Objectif Mars : la mission MSL et son rover Curiosity

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Illustration 1: Le robot Curiosity. Source: NASA.

Mars Science Laboratory est la nouvelle mission de l’agence spatiale américaine (NASA) visant à explorer la planète rouge. Elle devrait décoller de Floride le 25 novembre prochain. Depuis 1960, une trentaine de missions martiennes ont permis de découvrir que l’eau a probablement déjà coulé sur son sol. Reste à savoir si des formes de vie microscopique auraient pu s’y développer : la réponse pourrait être apportée par cette mission et son robot XXL, le rover Curiosity.

Un atterrissage en douceur

Après un périple de 9 mois dans un environnement très contraignant, la planète rouge sera en vue. C’est alors que la délicate et inédite phase d’atterrissage va commencer au-dessus du cratère Gale.

Les opérations démarrent

Après avoir testé les communications avec la Terre, le mât de Curiosity (plus de 2 mètres) se déploiera.

À son sommet : une caméra de navigation pour choisir les zones à explorer et prendre des photos. Il faudra environ 5 jours aux ingénieurs pour contrôler tous les paramètres du rover et déterminer sa stabilité, s’il est à plat ou en pente, si une roue est sur un rocher, etc.

Il pourra alors se mettre en mouvement au rythme moyen de 30 mètres par heure et exploiter ses dix instruments scientifiques pour détecter d’éventuelles traces d’eau, des fossiles de protéines, d’acides aminés, analyser les roches, les minéraux, la composition de l’atmosphère en dioxyde de carbone (CO2), en hydrogène.

Article novembre 2011 CNES Jeune http://www.cnes-jeunes.fr/web/CNES-Jeunes-fr/9684-objectif-mars-la-mission-msl-et-son-rover-

curiosity.php

Les 2 parties suivantes sont indépendantes

I. Étude des exoplanètes.

1. Donner la définition de l’année lumière (a.l.).

2. Calculer en km la distance qui nous sépare de l’étoile « 51 Pegasi ». Donner son ordre de grandeur.

3. Combien d’années la lumière met-elle pour nous parvenir de cette étoile ? En déduire la faisabilité d’envoyer une sonde d’exploration sur une exoplanète autour de Pegasi.

II. Exploration de Mars :

4. En sachant qu’une sonde spatiale, hors de la gravité terrestre, voyage à une vitesse de 1,2⋅104  km.h−1 de moyenne, calculer la durée du voyage de la sonde pour atteindre Mars. Le

résultat sera donné en heure.

5. Convertir votre résultat en nombre de jour. Cela correspond-il approximativement au nombre de mois indiqué dans le texte ?

« Après avoir testé les communications avec la Terre » : les télécommunications se font la vitesse de la lumière c.

6. Quelle est la durée du transfert d’une télécommunication entre le Robot Curiosity et la Terre lorsque Mars est distante de 7,8⋅107km de la Terre ? En déduire que la durée de transmission est égale à 4,3 min.

« le mât de Curiosity (plus de 2 mètres) se déploiera. ». Pendant le déploiement du mât le robot est à l’arrêt ; pourtant les images provenant de la caméra située à l’extrémité du mât montrent un mouvement.

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7. Dans quel référentiel le robot est-il immobile ?

8. Expliquer cela, en précisant dans quel référentiel les images sont observées.

« Il pourra alors se mettre en mouvement au rythme moyen de 30 mètres par heure ».

9. Convertir cette vitesse en mètres par seconde ( m.s−1 ).

10.Quelle est la distance parcourue par le robot en 4,3 min ?

11.Pourquoi ne pas choisir une vitesse de déplacement plus élevée pour le robot ?

Exercice III : Préparation d’une solution de sérum physiologique

Document 1 : Le sérum physiologique

Le sérum physiologique ou solution physiologique est une solution destinée au nettoyage des yeux, du nez, parfois des plaies, et aussi à la réhydratation du corps.

Elle est constituée de chlorure de sodium de formule NaCl qui est dissous dans l’eau purifiée selon la réaction suivante :

NaCl(s)→Na+(aq)+Cl−(aq) .

Pour pouvoir être compatible avec le corps humain, sa concentration massique est T=0,90g⋅L−1 .

Document 2 : Protocole de dilution

Voir l’Illustration 2.

Étape 1 : Verser la solution initiale (solution mère) dans un bécher et rincer la pipette avec un peu de solution. Prélever à l’aide de la pipette jaugée munie d’une poire à pipeter le volume de solution.

Introduire le volume de solution prélevé dans la fiole jaugée.

Étape 2 : Remplir la fiole au 2/3 environ avec de l’eau distillée.

Boucher la fiole et agiter.

Étape 3 : Remplir la fiole jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée. Le trait de jauge doit être tangent au bas du ménisque.

Étape 4 : Agiter pour homogénéiser la solution obtenue appelée solution fille.

Document 3 : Données

Masses molaires : M (Na) = 23,0g⋅mol−1 ; M (Cl) = 35,5g⋅mol−1

Nombre de charge (ou numéro atomique) du sodium : Z = 11

Lien entre la masse m d’une espèce chimique et sa quantité de matière n : m = n×M .

La concentration massique d’une espèce chimique en solution est la masse de soluté par litre de solution.

La concentration molaire d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de soluté par litre de solution.

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1. Montrer que l’on doit peser m=0,23g de soluté pour préparer un volume V=250 mL de solution de sérum physiologique.

2. Afin de préparer un médicament, on a besoin de diluer dix fois la solution de sérum physiologique à T=0,9g⋅L−1 . Choisir la verrerie nécessaire dans le Tableau 1 (il peut manquer du matériel, mais on l’oubliera pour le moment).

Éprouvettes Erlemeyers Béchers Fiole jaugée

V=10 mL V=10 mL V=10 mL V=10 mL

V=25 mL V=25 mL V=25 mL V=25 mL

V=50 mL V=50 mL V=50 mL V=50 mL

V=100 mL V=100 mL V=100 mL V=100 mL

V=250 mL V=250 mL V=250 mL V=250 mL

Tableau 1 : matériel à choisir pour la dilution.

3. Calculer la masse molaire du chlorure de sodium NaCl .

4. Montrer que la concentration massique T=0,90g⋅L−1 correspond à une concentration molaire C=1,5×10−2mol⋅L−1 .

5. Donner la formule électronique de l’atome de sodium Na puis de l’ion sodium Na+ .

6. Pourquoi l’ion sodium est-il stable ?

7. Donner la composition de chacun des isotopes de l’élément sodium : 22Na , 23Na et24 Na . Qu’ont-ils en commun ?

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Illustration 2: Schéma des opérations réalisées lors d'une dilution.

Barème détaillé

Exercice I : La caféine (10 points)

Questions Éléments de réponse Points Remarques

I.1.1. 0,5

I.1.2. 0,5

I.1.3. 0,5

I.2.1. 0,5

I.2.2. 1

I.2.3. 0,5

I.2.4. 1

I.2.5. 1

I.2.6. 0,5

I.3.1 0,5

I.3.2. 1

I.3.3. 1

I.3.4. 1

I.3.5. 0,5

Exercice II : L’exploration de l’espace (9 points)

Questions Éléments de réponse Points Remarques

II.1.1 0,5

II.1.2. 1 pt

II.1.3. 1 pt

II.2.1 1 pt

II.2.2. 1 pt

II.2.3. 1 pt

II.2.4.1, 0,5 pt

II.2.4.2. 0,5

II.2.5.1 1 pt

II.2.5.2. 1 pt

II.2.5.3 0,5

Exercice III : Préparation d’une solution de sérum physiologique (7 points)

Questions Éléments de réponse Points Remarques

1 Calcul utilisant la formule ou une proportionnalité 1

2 Verrerie respectant un coefficient de dilution égal à 10 1

9/10

3 Calcul utilisant la formule ou une proportionnalité 1

4 Formule littérale et calcul 1

5 K2L8M1 et K2L8 1

6Couche électronique externe pleine, identique à celle du gaz noble le plus proche.

1

7Composition de chacun des isotopes sachant que

1La composition du noyau seul est acceptée.

10/10