Session 2013

SUJET TYPE 2 : BACCALAURÉAT GÉNÉRAL

PHYSIQUE – CHIMIE

Série S

Durée de l’épreuve : 3 heures 30

Coefficient : 6

L’usage de la calculatrice électronique est autorisé

Ce sujet comporte 3 exercices présentés

sur 13 pages numérotées de 1 à 13, y compris celle-ci.

L’annexe (page 13) est à rendre avec la copie.

CONTENU :

Titre Points Enoncé

pages

Annexe

à rendre

page

I Les dangers de l’alcool 6 2-4 -

II Surfer sur la vague 5 5-7 -

III Aspirine 9 8-12 13

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EXERCICE I : Les dangers de l’alcool (6 points)

Document 1

1. Spectroscopie On se propose d'étudier la structure et les fonctions organiques de ces molécules par spectroscopie.

Document 2a : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR1

On trouve dans un document publié par l'Institut suisse de prévention de l'alcoolisme (ISPA) les informations suivantes :

Quand une personne consomme de l'alcool, celui-ci commence immédiatement à passer dans le sang. Plus le passage de l'alcool dans le sang est rapide, plus le taux d'alcool dans le sang augmentera rapidement, et plus vite on sera ivre. L'alcool est éliminé en majeure partie par le foie. Dans le foie, l'alcool est éliminé en deux étapes grâce à des enzymes. Dans un premier temps, l'alcool est transformé en éthanal par l'enzyme alcool déshydrogénase (ADH). L'éthanal est une substance très toxique, qui provoque des dégâts dans l'ensemble de l'organisme. Il attaque les membranes cellulaires et cause des dommages indirects en inhibant le système des enzymes. Dans un deuxième temps, l'éthanal est métabolisé par l'enzyme acétaldéhyde déshydrogénase (ALDH).

Alcool pur : Ethanol : C2H6O

Enzyme ADH

Ethanal C2H4O

Dégradation ultérieure...

Synthèse du cholestérol

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Document 2b : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR2

Liaison C - C C - O C = O (carbonyle) C - H O - H

Nombre d'onde (cm-1) 1000-1250 1050-1450 1650-1740 2800-3000 3200-3700

Document 2c : Table de données pour la spectroscopie IR

Document 3 : Spectre de RMN de l'éthanol

1.1. Le document 1 évoque les molécules d'éthanol et d'éthanal : représenter en formule semi-développée ces deux molécules et encadrer leurs fonctions caractéristiques.

1.2. Quel est le nom du groupe fonctionnel (G.C.) porté par l'éthanol ? À quelle famille appartient cette molécule ?

1.3. Quel est le nom du G.C. porté par l'éthanal? À quelle famille appartient cette molécule ?

1.4. En utilisant les données spectroscopiques du document 2, associer chaque spectre infrarouge (IR) à la molécule correspondante en justifiant.

1.5. Le document 3 présente le spectre RMN de l'éthanol. En utilisant la courbe d'intégration, calculer les rapports h1 / h2 et h3 / h2.

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1.6. Utiliser les rapports calculés pour associer aux trois massifs du spectre, les groupes de protons équivalents de l'éthanol.

1.7. Le massif de pics situé au déplacement chimique 1,25 ppm se présente sous la forme d'un triplet. En utilisant la règle des (n+1)-uplets, justifier cette multiplicité en évoquant le nombre d'atomes d'hydrogène voisins.

2. Contrôle de qualité d'un vin : dosage par spectro photométrie de l'éthanol On peut lire dans le code de la santé publique depuis juin 2000 : catégorie Vins doux : vins, apéritifs à base de vin ne titrant pas plus de 18 degrés.

On se propose de vérifier en laboratoire si un vin obéit à cette législation.

Définition : Le titre alcoométrique, exprimé en degré, est égal au nombre de litres d'éthanol contenus dans 100 litres de vin.

Données : M(éthanol) = 46,0 g.mol -1 µ(éthanol) = 0,78 g.mL -1

Pour le contrôle, on réalise le titrage par spectrophotométrie du vin avec le protocole suivant :

Première étape : On recueille l'éthanol du vin par distillation.

Deuxième étape : L'éthanol est oxydé par la NAD+ dans une réaction catalysée par une enzyme spécifique similaire à celle évoquée dans la partie Il. La réaction produit de la nicotinamide-adénine-dinucléotide réduite (NADH) en quantité de matière égale à celle de l'éthanol dosé selon l'équation : Ethanol + NAD + Ethanal + NADH + H +

Troisième étape : La NADH absorbant dans le domaine UV, on mesure son absorbance par spectrophotométrie.

L'étalonnage du spectrophotomètre avec différentes solutions d'éthanol permet de vérifier la loi de Beer-Lambert : A = k.Cm avec k = 1,6x10–3 L.mg -1 et Cm la concentration massique d'éthanol dans l'échantillon.

Réalisation de la mesure : On distille 10 mL de vin ; le distillat est ensuite ajusté à 100 mL avec de l'eau distillée pour obtenir une solution appelée S. On prépare l'échantillon à doser par spectrophotométrie en introduisant dans une fiole jaugée de 100 mL : - 1 mL de solution S, - le catalyseur,

- NAD + en excès, - On complète avec de l'eau distillée.

L'absorbance mesurée pour cet échantillon vaut : Ae = 0,15.

3.1. Déterminer à partir de l'absorbance mesurée Ae, la concentration massique Cm en éthanol de l'échantillon étudié.

3.2. En tenant compte des deux dilutions successives, calculer les concentrations massiques en éthanol suivantes : 3.2.1. CS dans la solution S. 3.2.2. CV dans le vin.

3.3. Quelle est la valeur du titre alcoométrique exprimé en degrés du vin ?

3.4. Ce vin est-il conforme au code de la santé publique ?

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EXERCICE II : Surfer sur la vague (5 points)

La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs ! Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2. 1. La houle, onde mécanique progressive

1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive ? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes

en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l’eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23 Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1 ).

Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l’onde sinusoïdale générée par le vibreur.

1.3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s’est formée avec une longueur d’onde de 60 m.

En utilisant le document 2 , calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire sa période T.

1.4. Arrivée de la houle dans une baie. 1.4.1. Sur la photographie aérienne du document 3, quel phénomène peut-on

observer ? Quelle est la condition nécessaire à son apparition ? 1.4.2. Citer un autre type d’onde pour laquelle on peut observer le même

phénomène. 2. Surfer sur la vague La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues.

2.1. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d’onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 4 ?

2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est : - à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de

pleine mer ; - avec une direction du vent venant du Sud-Ouest.

Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle et les horaires des marées (document 5 ). Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi 21 et le samedi 23 juin 2012.

2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret.

Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse v de l’ordre de 5,1 m.s-1.

Le passage du mascaret étant observé sur la commune d’Arcins à 17h58, à quelle heure arrivera-t-il à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve ?

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DOCUMENTS DE L’EXERCICE II Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes. Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l’eau. - cas des ondes dites « courtes » (en eau profonde) : longueur d’onde λ faible devant la profondeur h de l’océan (λ < 0,5 h)

.gv

2λ=π

- cas des ondes dites « longues » (eau peu profonde) : longueur d’onde λ très grande devant la profondeur de l’océan (λ > 10h)

.v gh= g est l’intensité du champ de pesanteur terrestre. Document 3 : Photographie aérienne de l’arrivée de la houle dans une baie. Document 4 : Déferlement des vagues sur la côte En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d’onde, les particules d’eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d’onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l’onde s’accompagnent d’une augmentation d’amplitude. La période est la seule propriété de l’onde qui ne change pas à l’approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l’onde, et lorsque la crête n’est plus en équilibre, la vague déferle.

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Document 5 : Prévisions maritimes.

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

05h

08h

11h

14h

17h

20h

05h

08h

11h

14h

17h

20h

05h

08h

11h

14h

17h

20h

4 7 16 23 21 21 17 15 15 15 15 12 10 10 10 13 14 15 5 10 25 28 28 28 23 21 18 19 18 15 13 13 12 15 18 21

0.7 0.7 0.9 1.3.

1.7 2.1.

2.6 2.6 2.6 2.4 2.3 2.2 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3

6 7 4 6 6 6 7 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7

13 14 14 14 15 14 14 14 15 15 15 14 13 14 15 16 16 15

Tableau des marées – Juin 2012

Jour Pleine mer

(h :min)

Basse mer

(h :min)

Jeudi 21 juin 06 :54 19 :08 00 :58 13 :10

Vendredi 22 juin 07 :31 19 :44 01 :34 13 :46

Samedi 23 juin 08 :08 20 :22 02 :10 14 :24

Dimanche 24 juin 08 :47 21 :02 02 :49 15 :04

GFS 21.06.2012

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EXERCICE III : ASPIRINE ET PREVENTION (9 points)

I. Suivi spectroscopique L’une des propriétés pharmacologiques de l’aspirine est d’être un fluidifiant du sang. C’est pourquoi l’aspirine peut être utilisée de manière préventive pour diminuer le risque de formation de caillots sanguins responsables des accidents vasculaires cérébraux (AVC). L’aspirine est alors prescrite à faible dose : 75 à 150 mg/jour. 1. Synthèse de l’aspirine L’aspirine peut être synthétisée à partir d’acide salicylique et d’anhydride éthanoïque. L’équation de la réaction est : + � + C2H4O2 La chromatographie sur couche mince (CCM) est l’une des techniques qui permet de contrôler la réaction chimique.

Les documents utiles à la résolution sont rassemblé s en fin d’exercice. Et les parties 1 et 2 sont indépendantes. 1.1. Obtention de l’aspirine : 1.1.1. Montrer que l’anhydride éthanoïque est introduit en excès. 1.1.2. Calculer la masse attendue d’aspirine lors de cette synthèse. 1.2. Suivi par chromatographie :

1.2.1. Proposer un protocole expérimental pour réaliser les différentes chromatographies afin, notamment, de s’assurer de la formation de l’aspirine. La liste du matériel et des produits disponibles est proposée dans le document 1 ci-après. 1.2.2. Quelles particularités doit présenter le chromatogramme obtenu avec le dernier prélèvement, en admettant que le système réactionnel est alors dans son état final ?

2. Analyse spectrale des espèces chimiques interven ant dans la synthèse de l’aspirine 2.1. Spectre RMN de la molécule d’aspirine.

2.1.1. Recopier la formule de la molécule d’aspirine et identifier les deux groupes caractéristiques dans cette molécule. Les nommer. 2.1.2. Deux carbone particuliers sont repérés par les lettres « a » et « b » dans la formule de la molécule d’aspirine reproduite ci-dessous :

OH

C

O

OH

H3C

C

O

O

C

O

CH3

OH

O

C

O

C

CH3

O

Protocole : • Préparer un bain marie à la température de 70 °C ; • Dans un erlenmeyer, bien sec, sous hotte, introduire :

- 10,0 g d’acide salicylique ; - 14,0 mL d’anhydride éthanoïque ; - quelques grains de pierre ponce.

• Réaliser un premier prélèvement du milieu réactionnel en vue d’une analyse sur CCM • Adapter un réfrigérant à air sur l’erlenmeyer ; • À la date t = 0, placer l’erlenmeyer dans le bain-marie ; • Laisser réagir pendant une vingtaine de minutes tout en réalisant quatre nouveaux

prélèvements du milieu réactionnel toutes les quatre minutes.

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Document 2 : Spectre RMN de la molécule d’aspirine

Expliquer pourquoi les atomes d’hydrogène liés au carbone « a » correspondent au singulet du spectre RMN de la molécule d’aspirine reproduit dans le document 2 . 2.1.3. Justifier de même que le doublet de ce spectre RMN correspond à l’atome d’hydrogène lié au carbone « b ».

2.2. Spectre IR de la molécule d’acide éthanoïque. L’autre produit issu de la synthèse de l’aspirine est l’acide éthanoïque de formule brute C2H4O2.

2.2.1. Donner la formule semi-développée de l’acide éthanoïque et du méthanoate de méthyle qui est un isomère de l’acide éthanoïque. 2.2.2. Les spectres infrarouges de ces deux espèces chimiques sont regroupés dans le document 3 ci-après. Une table de données de spectroscopie infrarouge est également fournie (document 4 ). Identifier celui qui appartient à l’acide éthanoïque en justifiant.

DOCUMENTS DE L’EXERCICE III (Partie I) Document 1 : Matériel disponible pour effectuer la chromatographie : Plaques pour CCM – capillaires – éluant – cuve à chromatographie – aspirine pur du commerce dissous dans un solvant – acide salicylique pur dissous dans un solvant – lampe UV ou solution de permanganate de potassium.

OH

O

C

O

C

CH3

O

carbone « a » carbone « b »

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Document 3 : Spectres IR de l’acide éthanoïque et du méthanoate de méthyle.

Document 4 : Table de données pour la spectroscopie IR.

famille liaison nombres d’onde (cm-1)

cétone C = O 1705 - 1725

aldéhyde Ctri – H

C = O

2700 -2900

1720 - 1740

acide carboxylique

O – H

C = O

2500 - 3200

1740 - 1800

ester C = O 1730 - 1750

alcool O – Hlié

O – Hlibre

3200 – 3450

3600 - 3700

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II. Suivi temporel 1. Suivi temporel avec analyse CCM :

1.1. Quel est le réactif limitant de la réaction de syntès de l’aspirine ? Justifier. 1.2. En réalisant une chromatographie du mélange réactionnel à un

instant t comment savoir si la réaction est terminée ou pas? 1. 3. On réalise la synthèse de l’aspirine, en effectuant des

prélèvements pour la CCM à l’aide d’une pipette Pasteur aux dates : � t = 0 s ( avant l’ajout d’acide sulfurique) � t = 5 min � t = 10 min � t = 15 min On fera une trempe des 4 prélèvements dans des cuves plastique baignant dans un mélange eau froide + glace.

Exploiter le chromatogramme afin de déterminer la durée nécessaire pour atteindre la fin de la réaction. Justifier.

1. 4. Comment aurait évolué cette durée si on avait introduit une goutte d’acide sulfurique en plus? Même question si on avait chauffé le mélange réactionnel?Justifier.

2. Suivi temporel avec analyse spectrophotométrique :

Matériel disponible: Ordinateur + spectrophotomètre Pierron déjà branché + cuves + Flacon de phénolphtaléine + pipette pasteur + Eau distillée + 2 fioles jaugées 250 mL : � Soude (Na + + HO -) à C1 = 0,30 mol.L-1 � Soude (Na + + HO -) à C2 = 0,50 mol.L-1 Données :En séance de travaux pratiques deux groupes d’élèves sont constitués : le groupe 1 utilisera la solution de soude de concentration C1 et le groupe 2 celle de concentration C2. On suit l’évolution temporelle de la quantité de phénolphtaléine en présence d’ions hydroxyde, grâce à une mesure d’absorbance par le spectrophotomètre.

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La phénolphtaléine est un indicateur coloré incolore en milieu acide, et rose en milieu moyennement basique (8,2 < pH < 12). Elle absorbe en effet à λmax = 553 nm .

Protocole : 10 mL de solution de soude (Na + + HO -) à C1 ou C2 et une goutte de phénolphtaléine sont mélangés et on agite rapidement. On remplit une cuve avec cette solution. On introduit la cuve dans le spectrophotomètre et on lance l’acquisition. On obtient la courbe d’absorbance A en fonction du temps.

La phénolphtaléine, sous sa forme basique « rose » a pour formule chimique : Elle sera notée « PP » dans la suite du TP.

La lente réaction acido-basique qui se produit a pour équation : PP + HO - → PP - PP – est une forme très basique de la phénolphtaléine, qui est incolore.

2.1. Cette espèce chimique absorbe-t-elle dans le visible ? De quelle espèce chimique mesure-t-on l’absorbance A ?

2.2. Rappeler l’expression de l’absorbance A de la PP, dans la loi de Beer-Lambert. 2.3. Donner la relation de la quantité n de phénolphtaléine dans la cuve en fonction de A, ε, l, V. Remplacer par les valeurs numériques.

Données : l = 1,0 cm; ε = 2,9.105 L .mol-1.cm-1; V = 4,0 mL (capacité de la cuve)

2.4. Noter graphiquement la valeur d’absorbance initiale A0, puis en déduire la quantité initiale n0 en PP pour la solution de concentration C1 en soude. 2.5. Noter les valeurs de t1/2 pour chaque groupe (n°1 et n°2) en traçant sur l’an nexe la méthode suivie. 2.6. Préciser alors l’influence de la concentration initiale en réactif (ions hydroxyde) sur la cinétique de réaction

Données pour les parties I et II :

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ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE

NOM : ................................................ Prénom : ................................................

Exercice III _ Partie II :

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ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE

NOM : ................................................ Prénom : ................................................

Exercice III _ Partie II :