LYCEE AUGUSTIN THIERRY - BLOIS BACCALAUREAT GENERAL BLANC
Ce sujet comporte deux exercices de PHYSIQUE et deux exercices de CHIMIE présentés sur 6 pages numérotées de 1 à 6, y compris l’annexe qui est à rendre avec la copie.
Le candidat doit traiter les quatre exercices, qui sont indépendants les uns des autres.
I. Etude d’un circuit RC – Principe de fonctionnement d’une minuterie (6 points) II. Formation des éléments chimiques dans l’univers (5 points)
III. Etude d’un équilibre chimique acido-basique (4,5 points) IV. Titrage d’une solution d’ammoniac commerciale (4,5 points)
SESSION DE FEVRIER 2004
PHYSIQUE-CHIMIE
Série S
DUREE DE L’EPREUVE : 3H30 - Coefficient : 6
L’usage de la calculatrice est AUTORISE
EXERCICE I : Etude d’un circuit RC – Principe de fonctionnement d’une minuterie. (6 points) Le but de l’exercice est d’étudier le principe d’une minuterie permettant d’éteindre une lampe automatiquement au bout d’un temps to réglable.
Le circuit électrique est représenté ci-dessous. Le montage est constitué : - d’un conducteur ohmique de résistance R ;
- d’un condensateur de capacité C ;
- d’un générateur qui maintient à ses bornes une tension constante notée E=27 V ;
- d’un bouton poussoir P qui est un interrupteur qui se ferme seulement quand on appuie dessus ;
- d’un système électronique M qui permet de commander l’allumage de la lampe L lorsque la tension aux bornes du condensateur est inférieure à une tension notée Useuil=17 V.
On admettra que le système électronique M ne perturbe pas l’étude du circuit RC.
Les tensions E et Useuil sont fixes, elles ne sont donc pas modifiables par le dispositif étudié.
Le bouton poussoir est relâché. Le condensateur est initialement déchargé.
1. Indiquer (sur le document 1 de l’annexe ci-jointe) le sens du courant ainsi que le signe des charges de chacune des armatures du condensateur.
2. On souhaite visualiser à l’aide d’une carte d’acquisition les variations de la tension uc aux bornes du condensateur. Indiquer les branchements à réaliser sur le schéma de la figure 1.
3. Etablir l’équation différentielle traduisant les variations de la tension uc aux bornes du condensateur en fonction du temps.
4. Vérifier que .(1 RC)
t
c E e
u est solution de l’équation différentielle précédente.
5. Cette solution vérifie-t-elle la condition initiale ? Justifier.
6. Tracer à main levée, mais avec soin, l’évolution de la tension uc en fonction du temps. On fera apparaître sur le graphe (sans justification) :
- la tension E ;
- la constante de temps caractéristique du circuit ; - le régime transitoire ; - le régime permanent.
7. On donne R=120 k et C=100 µF. Calculer la constante de temps .
8. Exprimer littéralement le temps to au bout duquel la tension aux bornes du condensateur va atteindre la tension de seuil Useuil=17V.
9. En déduire la durée to d’allumage de la lampe. Comparer to et . Comment expliquer cette observation ? 10. Quel(s) paramètre(s) du montage doit-on modifier afin d’obtenir une durée d’allumage de la lampe d’une
minute. Justifier par un calcul.
11. Sur un même graphe, dessiner l’allure de la tension uc=f(t) pour une durée to=12s et une durée to=1 min.
Commenter.
12. On appuie sur le bouton poussoir. Que va-t-il se passer ? Pourquoi ? (étudier le cas où la lampe est allumée et le cas où la lampe est éteinte).
E +
P C
M
LR
uc
A B D
EXERCICE II : Formation des éléments chimiques dans l’univers (5 points)
On peut expliquer la formation des éléments chimiques dans l'Univers par les événements suivants : - l'hydrogène et l'hélium se sont formés dans les premiers instants qui ont suivi le big-bang ;
- les éléments plus lourds (C, N, O, Ne, S, Mg et Fe) se sont formés dans le cœur des étoiles par réactions thermonucléaires de fusion ;
- les éléments plus lourds que le fer se sont synthétisés dans les étoiles, mais ont demandé un apport d'énergie ;
- les éléments légers plus lourds que l'hélium (Li, Be et B) se sont formés par fracture de certains noyaux sous l'impact de projectiles de grande énergie du rayonnement cosmique.
A une température de l'ordre de 7.108 K, le choc de deux noyaux de carbone 126C peut produire soit un noyau de néon 1020Ne, soit un noyau de sodium 1123Na, soit un noyau de magnésium 1224Mg, chaque réaction libérant au maximum une seule autre particule.
1. Ecrire les équations nucléaires donnant les noyaux de sodium et de magnésium en précisant les règles utilisées. Nommer les éventuelles particules formées en plus de ces noyaux.
2. Calculer l'énergie libérée (en MeV) lors de la production du néon suivant la réaction : 2 126C 1020Ne + 24He
A une température de l'ordre de 3.109 K se forme le dernier élément : le fer.
3. Le noyau 2656Fe provient d'un noyau de cobalt 2756Co. De quel type de transformation sagit-il ? Justifier.
4. Le cobalt a une demi-vie t1/2 de 77 jours. En déduire la constante radioactive (exprimée en s-1).
5. Calculer l'activité de 1 mg de cobalt. Que devient cette activité au bout de 154 jours ?
6. a) Définir l'énergie de liaison El d'un noyau. Calculer cette valeur (en MeV) pour le noyau de fer.
b) En déduire l’énergie de liaison par nucléon pour le fer. En utilisant la courbe d’Aston située sur la page suivante, conclure quant à la stabilité de ce noyau.
Données :
Masse des noyaux et particules (en u : unité de masse atomique) :
12C
6 12,000 00 24He 4,001 50
20Ne
10 19,987 11 e 5,5.10-4
56Fe
26 55,920 55 p 1,007 27
56Co
27 55,934 54 n 1,008 66
Energie d’une unité de masse atomique : Eo=931,5 MeV
Masse d’une unité de masse atomique : 1u=1,66054.10-27 kg.
Masse molaire atomique du Cobalt : M=58,93320 g.mol-1
Constante d’Avogadro : N=6,022.1023 mol-1
1 MeV = 1,6.10-13 J
Courbe d’Aston
EXERCICE III : Etude d’un équilibre chimique acido-basique (4,5 points) Toutes les solutions aqueuses étudiées sont à 25 °C.
1. On mélange un volume VA=60 mL d’une solution aqueuse SA d'acide éthanoïque CH3COOH de concentration molaire volumique CA=1,0.10-2 mol.L-1 à un volume VB1=20 mL d'une solution aqueuse SB1 d'ammoniac NH3 de concentration molaire volumique CB1=2,0.10-2 mol.L-1. La mesure du pH est 5,0.
a) Sur un axe gradué en pH, placer les domaines de prédominance des espèces chimiques du couple CH3COOH/CH3COO-. Quelle est l’espèce prédominante de ce couple dans le mélange obtenu ?
b) Sur le même axe gradué, placer les domaines de prédominance des espèces chimiques du couple NH4+ / NH3. Quelle est l’espèce prédominante de ce couple dans le mélange obtenu ?
c) Déduire de ce résultat le sens direct de la transformation chimique qui a eu lieu au cours du mélange et écrire son équation.
d) Sachant que l’on néglige toute réaction pouvant se produire avec l’eau, calculer le quotient de réaction initial puis la constante d'équilibre de cette réaction. Les valeurs obtenues confirment-elles le résultat du 2b) ?
2. On mélange maintenant un volume VA'=10 mL de la solution SA d'acide éthanoïque à un volume VB2=20 mL de la solution SB2 de méthylamine CH3NH2 de concentration molaire volumique CB2=1,5.10-2 mol.L-
1.
a) Calculer les quantités de matière nA d'acide éthanoïque et nB de méthylamine dans l'état initial.
b) Ecrire l'équation de la réaction qui se produit. Calculer la constante K de cette réaction. On considèrera, par la suite, la transformation totale.
c) Calculer les quantités de matière de chaque espèce chimique des couples concernés après réaction.
d) Ecrire l'expression de la constante d'acidité KA3 du couple CH3NH3+/ CH3NH2. e) Montrer que le pH de la solution est égal à 11.
Données : Constante d’acidité :
C H3C O O H / C H3C O O- p K a1= 4 , 7 N H4+ / N H3 p K a2= 9 , 2 C H3N H3+/ C H3N H2 p K a3= 1 0 , 7
EXERCICE IV : Titrage d’une solution d’ammoniac commerciale (4,5 points)
L’ammoniac NH3 est une base. Une solution commerciale d'ammoniac peut être utilisée, après dilution, comme produit nettoyant (éviers, lavabos...) ou comme détachant (moquettes, tapis...).
I. Solution commerciale S0
D'après son étiquette, la solution aqueuse commerciale contient 20% en masse d'ammoniac et sa masse volumique vaut µ= 0,92g.mL-1..
On rappelle que le pourcentage en masse P d'ammoniac est le rapport :
e commercial solution
la de masse
introduit ammoniac
d' masse
P .
Ce pourcentage correspond à la masse d'ammoniac (en g) introduit dans 100g de solution commerciale.
Calculer la concentration molaire Co de la solution commerciale S0. Données : masse molaire de l’ammoniac NH3 : M=17 g.mol-1 II. Dilution de la solution commerciale
On se propose de déterminer par titrage acido-basique la concentration molaire de la solution commerciale.
Celle-ci étant très concentrée, une dilution est nécessaire.
On dispose de la verrerie suivante:
- béchers : 50mL, 100 mL, 250mL ; - erlenmeyers : 125 mL, 250 mL;
- fioles jaugées : 100 mL, 250 mL, 500 mL, 1,0L ; - pipettes jaugées : 10 mL, 25 mL ;
- éprouvettes à pied : 10 mL, 25 mL, 50 mL.
Justifier le choix du matériel pour diluer 1000 fois la solution commerciale, afin d'obtenir 1 L de la solution S.
III. Titrage de la solution diluée S
La solution S est titrée par une solution A d'acide chlorhydrique de concentration CA = 0,015 mol.L-1.
Dans un volume V=20,0 mL de la solution S on verse progressivement la solution A et on mesure après chaque ajout le pH de la solution. On obtient les résultats suivants :
VA(mL) 0,0 1,0 2,0 3,0 5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 14,0 14,5 15,0 16,0 17,0 18,0 20,0 pH 10,6 10,3 10,0 9,8 9,5 9,2 9,0 8,7 8,2 7,3 4,4 3,6 3,2 3,0 2,8 2,7 1. Faire un schéma légendé du dispositif de titrage.
2. Quelle est la formule de la solution d'acide chlorhydrique ? Ecrire l'équation de la réaction de titrage.
3. Tracer (sur le document 2 de l’annexe) le graphe pH =f(VA). En déduire la concentration C de la solution S puis celle de la solution S0. Comparer à la valeur obtenue au I.
4. Parmi les indicateurs colorés suivants, choisir en justifiant, un indicateur qui pourrait être utilisé pour réaliser ce titrage colorimétrique. Comment évoluerait la teinte de cet indicateur lors du titrage?
Indicateur coloré Couleur acide Zone de virage Couleur basique
Hélianthine Rouge 3,1- 4 ,4 Jaune
Rouge de Chlorophénol Jaune 5,2 – 6,8 Rouge
Bleu de bromothymol Jaune 6,0 – 7,6 Bleu
Phénolphtaléine Incolore 8,2 – 10,0 Rouge violacé
NOM PRENOM : CLASSE : ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
EXERCICE I
Document 1 EXERCICE IV
Document 2
VA(mL) pH
2 mL 1
E +
P C
M
LR
uc
A B D
