Lycée Français Jean Mermoz Devoir commun de physique-chimie 2015
TRONC COMMUN (ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE)
Chaque exercice sera rédigé sur copie séparée avec
votre nom, prénom et votre classe.
L’USAGE DE LA CALCULATRICE EST AUTORISE
L’USAGE DU TELEPHONE PORTABLE EST EVIDEMMENT INTERDIT Le sujet comporte
Exercice 1 : CHIMIE « A la recherche du bon antalgique » (10 points) Exercice 2 : Guitare classique ou guitare folk ? (5 points)
Exercice 3 : diffraction de la lumière à travers un tamis (5 points)
Exercice 1 : CHIMIE. A la recherche du bon antalgique. 10 points.
Le professeur M.A. a avec lui dans un pilulier (une petite boite) des comprimés d’aspirine, de paracétamol et d’ibuprofène mais seule leur forme les distingue (deux gélules et un comprimé). M. Abdallah a de terribles douleurs dentaires. Comme il est allergique au paracétamol, que son estomac ne supporte pas l’aspirine et que personne n’a d’ibuprofène autour de lui, il décide d’aller dans l’unité de chimie organique (juste à côté de son bureau) pour leur demander d’analyser pour lui ces comprimés afin de les identifier.
« Tu as de la chance, l’appareil de RMN est libre. C’est l’affaire de 5 min, mais la prochaine fois, passe à la pharmacie avant de venir au labo ! L’appareil est souvent occupé ».
Le résultat arrive 40 minutes plus tard : documents 1 à 5
1. Structure de l’ibuprofène, de l’aspirine et du paracétamol
1.1. Entourez et nommez les groupes fonctionnels présents sur chaque molécule.
A quelle(s) famille(s) ces molécules appartiennent-elles ? (2,5 points)
1.2. Aidez M. Abdallah à identifier les molécules contenues dans les comprimés. Vous utiliserez les
documents à votre disposition et utiliserez au minimum deux critères pour reconnaître les molécules à partir de leur spectre. (évaluation par compétences sur 3 points)
Les précieux comprimés sont identifiés mais M A ne sait pas si les comprimés contiennent 50mg, 100mg ou 200mg d‘ibuprofène. Il décide de procéder à un dosage par titrage pH-métrique.
2. Dosage de l’ibuprofène : questions préalables
2.1. Proposez un protocole de titrage de l’ibuprofène assorti d’un schéma, d’une liste de matériel. (1,5 point) Le protocole donnera les précautions à prendre concernant la verrerie et l’appareil de mesure.
On choisira l’espèce chimique à utiliser pour titrer.
2.2.Proposez une autre méthode permettant de déterminer la concentration de la solution d’ibuprofène en l’absence de pH-mètre. (0,5 point)
Le dosage d’un comprimé dissout dans 25,0 mL d’un mélange eau-éthanol donne le graphique disponible doc 6.
Le professeur a dosé les 25 mL de la solution obtenue.
3. Détermination de la masse d’ibuprofène.
Le professeur M. A. utilise une solution titrante de concentration Ct = 1,00.10-1 mol.L-1. 3.1. Déterminer le volume à l’équivalence Ve par la méthode de votre choix. (1 point)
La mesure du volume à l’équivalence sera assortie de son incertitude U(Ve) U(𝑉𝑒) = √[U(Vburette)]2+ [U(Vlecture équivalence)]2
U(Vburette) = 0,2 mL
U(Vlecture équivalence) = 0,3 mL
3.2. Déterminez la quantité de matière nIBU et la masse d’ibuprofène mIBU contenues dans un comprimé.
Conclure. (1,5 point)
Tous les résultats seront donnés avec leurs incertitudes.
La masse molaire de l’ibuprofène sera notée MIBU. On donne : UnIBU = Ct x UVe et UmIBU = MIBU x UnIBU.
Aspirine : Acide acétylsalicylique
Molécule d'acide acétylsalicylique
Apparence cristaux incolores à blancs ou poudre cristalline blanche, d'odeur caractéristique1.
Propriétés chimiques
Formule brute C9H8O4
Masse molaire2 180,1574 ± 0,009 g·mol−1
pKa 3,5 à 25°C
Propriétés physiques
T° fusion 135 °C1
T° ébullition Se décompose au-dessous du point d'ébullition à140 °C1
Solubilité 4,6 g·l-1 (eau, 25 °C), 200 g·l-1 (éthanol, 25 °C)
Ibuprofène
Apparence cristaux incolores
Propriétés chimiques
Formule
brute C13H18O2
Masse
molaire1 206,2808 ± 0,0123 g·mol−1
pKa 4,54 à 25 °C
Propriétés physiques
T° fusion 76 °C
Solubilité
0,043 mg·ml-1 eau à 37 °C.
Sol. dans la plupart des solvants organiques.
Masse
volumique 0,2 à 0,6 g·cm-3
Paracétamol
Apparence Poudre blanche, Solution limpide
Formule
brute C8H9NO2
Masse
molaire 151,1626 ± 0,0078 g·mol−1
pKa 9,5
T° fusion 169 à 170 °C2
Solubilité 14 g·l-1 eau à 20 °C.
Soluble dans les solvants organiques
Masse
volumique 1,293 à 21 °C
Document 1 exercice 1
Document 2 exercice 1. Pilule
Ensemble de pics dû aux hydrogènes du noyau aromatique (ou cycle benzénique)
Document 3 exercice 1 : pilule 2
Ensemble de pics dû aux hydrogènes du noyau aromatique (ou cycle benzénique)
Document 4 exercice 1 : pilule 3
Intégration 4
Intégration 3
Intégration 6
Intégration 2 Intégration 1
Intégration 1
Référence TMS Ensemble de pics dû aux hydrogènes du
noyau aromatique (ou cycle benzénique)
Intégration 1
Document 5 exercice 1 : déplacements chimiques dus aux principales fonctions
Déplacement chimique (ppm)
pH
Volume de Solution titrante versé (mL)
Document 6 exercice 1 : titrage de l’ibuprofène
Trait plein : pH Pointillés :
𝐝𝐩𝐇𝐝𝐕Exercice 2 : Guitare classique ou guitare folk ? (5 points)
Une guitare possède en général six cordes, pouvant être de différents types. Les guitares classiques possèdent trois cordes en nylon pur et trois autres en nylon et métal. Les cordes des guitares folks sont en métal, recouvertes de bronze, d'argent ou de nickel. Les sons émis par ces deux guitares diffèrent donc largement car un son métallique est plus riche en harmoniques qu'un son obtenu avec une corde en nylon : une même note jouée par chaque instrument seul est ressentie différemment par un être humain.
Le sol2 (joué par la troisième corde frappée à vide) est ici comparé pour les deux types de guitare.
Pour chaque guitare, le son est enregistré par un microphone à l'aide d'une interface d'acquisition (figures 1.a et 1.b du document 1). Le logiciel permet également d'afficher le spectre en fréquences de chaque son (figures 2.a et 2.b du document 1).
Par ailleurs, un sonomètre a permis de mesurer le niveau sonore des deux guitares à un mètre de celles-ci:
il vaut L1 = 59 dB pour la guitare classique, L2 = 52 dB pour la guitare folk.
Document 1 Figures 1.a et 1.b
Signal temporel pour la guitare classique (a) et pour la guitare folk (b)
Figures 2 .a et 2.b
Spectres en fréquences pour la guitare classique (a) et pour la guitare folk (b)
Document 2
Le niveau sonore est défini par :
L = 10 log (
II0
) avec I
0= 1,0 × 10
−12W. m
−21. En analysant les deux signaux temporels, évaluer le caractère pur ou complexe des deux sons enregistrés.
Quelle est la conséquence de ce caractère sur les spectres en fréquences des deux sons ?
2.1 A l’aide des signaux temporels, mesurer la période T du son émis par chaque guitare avec la plus grande précision. Calculer la fréquence f correspondante.
2.2 Où apparait cette fréquence sur le spectre en fréquence de chaque son ? Comment se nomme-t-elle ? 3. Comparer les deux sons enregistrés. L’énoncé est-il en accord avec le résultat trouvé ?
4.1 Calculer les intensités sonores I1 et I2 correspondant respectivement aux niveaux sonores L1 et L2.
4.2 Si les deux guitares avaient joué en même temps et dans les mêmes conditions que précédemment, quel aurait été le niveau sonore mesuré ?
On fera l’hypothèse qu’en un point, les intensités sonores s’ajoutent.
Exercice 3 : diffraction de la lumière à travers un tamis (5 points)
La production de certains catalyseurs nécessite de déposer un métal noble (Pd, Pt, Au) sur un support inerte comme de la silice (SiO2). La silice commerciale se présente sous forme de petits grains blancs de tailles différentes : il est nécessaire de trier ces grains à l’aide de tamis pour fabriquer des catalyseurs tous identiques.
Le but de cet exercice est de vérifier la taille des mailles d’un tamis en effectuant une expérience de diffraction par un faisceau LASER.
Partie 1 : Généralités sur les ondes 1.1. Définir la notion d’onde.
1.2. On différencie deux types d’onde selon la direction de la propagation et celle de la perturbation. Nommer chaque type et donner un exemple pour chacun.
Partie2 : Lumière LASER
Un faisceau LASER monochromatique de longueur d’onde dans le vide λ0 = 532 nm et se propageant dans l’air, est dirigé vers un tamis de laboratoire (sorte de grille) à maille carrée de côté a. On observe sur un écran une figure de diffraction identique à celle représentée ci-dessous. La tache centrale est un carré de côté L = 2,66 cm.
2.1. Quel caractère de la lumière l’apparition d’une figure de diffraction met-elle en évidence ? 2.2. Dans quelle condition ce phénomène est-il observable ?
2.3. Une onde lumineuse est caractérisée par une périodicité spatiale et une périodicité temporelle. Nommer ces périodicités et préciser leur unité.
2.4. Rappeler la relation qui lie la longueur d’onde dans le vide λ0, la célérité de la lumière c dans le vide et la période T0. Exprimer puis calculer la valeur de la fréquence f0 correspondante.
Partie 3 : Dimension des mailles du tamis
Le LASER est placé à une distance d = 40 cm du tamis ; la distance entre le tamis et l’écran vaut D = 2,0 m.
Un tamis à maille carrée possède des propriétés diffractantes identiques à celles observées lors de la superposition de deux fentes allongées de même largeur et disposées perpendiculairement l’une par rapport à l’autre.
3.1. Montrer, en s’aidant du schéma, que l’écart angulaire
noté sur le schéma peut s’écrireθ =
2DL. On se placera dans l’approximation des petits angles : tan
=
(rad).3.2. Rappeler la relation qui lie l’écart angulaire
à la longueur d’onde λ et au côté a de la maille.3.3. Exprimer puis calculer la dimension a d’une maille du tamis en utilisant les données expérimentales données ci- dessus.
Données : Célérité de la lumière dans le vide : c = 3×108 m.s-1
de largeur L
