S Résolution de problèmes

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^ère

S Résolution de problèmes

I. Rendement de la synthèse d’un savon

 Des élèves de 1ère S réalisent un TPE portant sur l’étude des savons durs et liquides. Ils réalisent alors, au laboratoire, la synthèse d’un savon dur en vue d’étudier la réaction associée.

Problématique

 La masse de savon obtenue, après avoir réalisé le protocole décrit cet énoncé, vaut m expérimentale = 6,5 g.

A l’aide des documents proposés et de vos connaissances personnelles, indiquer si le rendement de la synthèse réalisée au laboratoire peut-être considéré comme satisfaisant.

Une démarche scientifique rigoureuse est attendue.

Questions préliminaires

1) Déterminer la quantité expérimentale n expérimentale de savon obtenue 2) Déterminer la quantité initiale n(huile) d’huile.

Résolution du problème

 Vous pouvez vous aider éventuellement d’un tableau d’avancement pour déterminer le réactif limitant.

Document 1 : Schéma d’un montage de chauffage à reflux

Document 2 : Protocole

 Réaliser un montage de chauffage à reflux ;

 A l’aide d’éprouvettes graduées, verser dans un ballon V = 20 mL d’une solution d’hydroxyde de

sodium (Na⁺(aq) + HO^-(aq)) à la concentration molaire C =10 mol.L^-1, un volume V = 15 mL d’huile alimentaire puis 20 mL d’éthanol à 90° et, enfin, quelques grains de pierre ponce.

L’éthanol joue le rôle de solvant. Ce n’est donc pas un réactif.

 Placer le ballon dans un montage de chauffage à reflux.

 Chauffer à reflux le mélange réactionnel durant environ quinze minutes, puis le laisser refroidir à l’air libre.

 Dans un bécher de 250 mL, verser environ 100 mL de solution concentrée de chlorure de sodium.

 Ajouter le contenu du ballon dans le bécher. Le savon précipite car ce dernier est très peu soluble dans l’eau salée. Cette opération est appelée relargage.

 On filtre alors sur Büchner pour récupérer le savon précipité et on le laisse sécher à l’étuve.

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Document 3 : Réaction chimique mise en jeu lors de la synthèse du savon

 Remarque : l’éthanol est un solvant dans cette réaction, il n’apparaît donc pas ni parmi les réactifs ni parmi les produits.

 C57H104O6(ℓ) + 3 (Na⁺(aq) + HO^-(aq) )  3 C18H33O2Na (s) + C3H8O3

huile (oléine) solution d’hydroxyde de sodium savon glycérol Document 4 : Données

 Masses molaires en g.mol^-1 : M(oléine = huile) = 884 ; M(glycérol) = 92 ; M(savon) = 304

 Masse volumique de l’oléine (huile utilisée) : µ = 0,89 g.mL^-1

Document 5 : Notion de rendement

 On appelle rendement, noté R, le rapport suivant : R = où n expérimentale est la quantité de matière d’un produit obtenu expérimentalement et n théorique est la quantité de matière du produit obtenu théoriquement si le réactif introduit initialement en défaut est entièrement consommé.

Document 6 : A propos de la solution d’hydroxyde de sodium

 La solution d’hydroxyde de sodium (Na⁺(aq) + HO^-(aq)) est à la concentration C= 10 mol.L^-1.

Document 7 : Rendement de synthèse d’un savon dans l’industrie

 Lors de la fabrication d’un savon selon un procédé industriel, le rendement est de 85%.

Document 8 : Tableau d’avancement

équation-bilan Etat initial x = 0

en cours x

Etat final x = xmax

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II. Eruption du Tavurvur

Auteur : Jérôme FABREGES

 Tavurvur is an active volcano that lies near Rabaul, on the island of New Britain, in Papua New Guinea. An eruption of the volcano largely destroyed the nearby town of Rabaul in 1994. The latest eruption began on 29 August 2014, around 3:30–4:00 AM local time prompting concerns over disruption of flights in Australian airspace due to the large ash clouds.

Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Tavurvur Vidéo disponible et sur internet : https://www.youtube.com/watch?v=BUREX8aFbMs

Situation problème :

 En utilisant les documents à votre disposition, évaluez à quelle distance le caméraman se trouve du volcan.

 La réponse à la problématique devra comporter plusieurs hypothèses clairement énoncées, un raisonnement, des calculs et une ou plusieurs conclusions. Vous devez faire preuve d’initiative et utiliser les documents suivants, tout raisonnement cohérent sera valorisé. Ayez un regard critique sur vos résultats.

DOCUMENTS RESSOURCES : Document 1 : la vidéo.

The eruption of Mount Tavurvur volcano on August 29th, 2014. Captured by Phil McNamara.

“Watch out for the shock, it’s coming”

Document 2 : Vitesse du son dans l’air en fonction de la température

La vitesse du son dans l’air en m.s^-1est donnée par la formule théorique : Vthéorique = 331 + 0,601 × θ avec θ température en degrés Celsius ce qui peut se représenter par le graphique suivant :

Document 3 : le climat

La Papouasie-Nouvelle Guinée a un climat tropical avec une saison des pluies (novembre, décembre, janvier, février, mars, avril) et une saison sèche (mai, juin, juillet, août, septembre, octobre). Les températures atteignent 30° toute l'année en Papouasie-Nouvelle Guinée.

Source : http://www.capaustral.com

Document 4 : La vitesse de la lumière

La vitesse de la lumière dans le vide est la plupart du temps notée « c » qui signifie « célérité ». Sa valeur approchée est c = 3,0  10⁸ m.s^-1. Dans un milieu matériel comme le verre ou l’eau, on note souvent cette vitesse V, elle est de valeur inférieure à celle dans le vide V < c.

Dans un milieu comme l’air, on peut considérer que V = c.

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III. La combustion du carbone (Auteur : Jérôme FABREGES)

Situation problème :

 Dans une salle à manger de surface S = 20,0 m², brûle un poêle à charbon contenant 2,00 kg de combustible. La pièce dispose de nouvelles fenêtres très hermétiques, sans aération. Peut-on craindre pour la santé des personnes présentes dans la pièce ?

 La réponse à la problématique devra comporter plusieurs hypothèses clairement énoncées, un raisonnement, des calculs et une ou plusieurs conclusions. Vous devez faire preuve d’initiative et utiliser les documents suivants, tout raisonnement cohérent sera valorisé. Ayez un regard critique sur vos résultats.

DOCUMENTS RESSOURCES : Document 1 : La composition de l’air

Pourcentage en volume

Diazote : N2 78%

Dioxygène : O2 21%

Autres gaz …………

dont Argon

et Dioxyde de carbone CO2

1%

0,9%

0,04%

Document 3 : Le charbon

Il existe plusieurs classifications du charbon, qui peuvent dépendre de sa composition chimique, de la nature des débris végétaux, ou de son utilisation pratique.

Les principales catégories de charbon reposent sur la teneur en carbone (en masse), correspondant à l'évolution du charbon au fil du temps :

- Tourbe (50 à 55 %) : produit de la fossilisation des débris végétaux par les micro-organismes dans les tourbières, milieux humides et pauvres en oxygène

- Lignite (55 à 75 %), ou charbon brun : brunâtre, plutôt tendre - Charbon sub-bitumineux, ou lignite noire

- Houille (75 à 90 %) : c’est le charbon proprement dit, utilisé comme combustible - Anthracite (90 à 95 %) : le plus haut rang

- Graphite : la plus pure variété de charbon, peu utilisé comme combustible Document 4 : L'anoxie

Dans le domaine biologique, l'anoxie est une diminution de la quantité de dioxygène disponible pour les tissus de l'organisme. Dès 18% de O2 dans le milieu, des symptômes apparaissent (maux de tête, nausées, troubles de la coordination). L'inconscience apparait aux alentours de 17% en O2. Et à 10%, on considère que le temps de survie est inférieur à 3 minutes, des dommages irréversibles survenant dès les premières 30 secondes.

Document 5 : Le dioxyde de carbone

À partir d’une certaine concentration dans l’air, ce gaz s’avère dangereux voire mortel. La valeur limite d’exposition est de 3 % sur une durée de 15 minutes. Cette valeur ne doit jamais être dépassée. Au-delà, les effets sur la santé sont

d’autant plus graves que la teneur en CO2 augmente. Ainsi, à 2 % de CO2 dans l’air, l’amplitude respiratoire augmente. À 4 %, la fréquence respiratoire s’accélère. À 10 %, peuvent apparaître des troubles visuels, des tremblements et des sueurs.

À 15 %, c’est la perte de connaissance brutale. À 25 %, un arrêt respiratoire entraîne le décès.

Document 6 : la combustion du carbone

Image : http://m.sciencesphysiques.e-monsite.com

Document 7 : Masses molaires atomiques

M(C) = 12,0 g.mol^-1 ; M(H) = 1,00 g.mol^-1 : M(O) = 16,0 g.mol^-1

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Document 2 : le volume molaire

Le volume molaire d'une substance est le volume occupé par une mole de cette substance. Son unité est le litre par mole (L.mol^-1).

Dans les unités du système international, le volume molaire s'exprime en mètres cubes par mole (m³.mol^-1). Il est souvent exprimé dans les conditions normales de température et de pression (CNTP).

Le volume molaire d'un gaz parfait est de 22,4 litres par mole dans les conditions normales de température et de pression (0 °C, 101 325 Pa), et de 24,0 L.mol^-1 à 20 °C sous une atmosphère (101 325 Pa)