DEVOIR COMMUN DE SECONDE au LFIB PHYSIQUE-CHIMIE

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Jeudi 8 Mai 2014

PHYSIQUE-CHIMIE PHYSIQUE-CHIMIE

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: 2 : 2

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L'usage de la calculatrice est autorisé.

Le sujet doit être remis avec la copie.

Ce sujet comporte sept exercices présentés sur 5 pages numérotées de 1 à 6

Exercice 1 : Les spectres Exercice 2 : Quel est l'indice ?

Exercice 3 : Morphologie de notre galaxie Exercice 4 : La déshydratation du nourrisson Exercice 5 : Contrefaçon

Exercice 6 : Préparation d'un thé sucré

Exercice 7 : Signaux périodiques

EXERCICE N°1 : Spectres (6 pts)

Choisir la bonne réponse.

bonne réponse : 1 pt mauvaise réponse : - 0,5 pt pas de réponse : 0 pt

1. Le spectre représenté en fig 2 est un spectre :

□ de raies d'émission

□ de raies d'absorption

□ continu

2. Lorsque la température augmente, le spectre de la lumière émise par un corps chaud :

□ s'enrichit vers le violet

□ s'enrichit vers le rouge

□ devient un spectre de raies 3. Les couleurs continu du spectre d'une étoile

donne des renseignements sur :

□ la composition chimique de son atmosphère

□ la température de sa surface

□ la température de sa chromosphère

4. Les raies du spectre d'absorption d'un gaz, associées à un atome :

□ ont les mêmes places dans le spectre d'émission

□ sont plus nombreuses que dans le spectre d'émission

□ changent de place selon la température du gaz 5. Les raies sombres du spectre d'une étoile sont

dues à :

□ la présence de certains gaz dans sa chromosphère

□ l'absence de certains gaz dans sa chromosphère

□ l'absence de certains gaz dans sa photosphère

6. L'étoile dont on voit le spectre en fig. 2 contient le gaz dont le spectre est en fig. 1 car :

□ les deux spectres présentent les mêmes raies d'émission

□ les deux spectres possèdent des raies de mêmes longueurs d'onde

□ les deux spectres présentent la même longueur d'onde

EXERCICE N° 2 : Quel est l’indice ? (4 pts)

On a représenté la réfraction d’un rayon lumineux passant de l’air (nair = 1,00) dans un milieu transparent d’indice inconnu ninc ci-contre.

1. Compléter le schéma ci-contre en indiquant, notamment, la normale au dioptre et les angles d’incidence et de réfraction.

2. Exprimer la loi de Snell-Descartes (loi des angles) en l’adaptant à la situation étudiée.

3. Lorsque l’angle d’incidence est de 53°, l’angle de réfraction est de 32°.

a) Calculer l’indice de réfraction du milieu transparent.

b) Identifier ce milieu parmi les suivants :

eau : neau = 1,33 plexiglas : nplexiglas = 1,51 émeraude : nvémeraude = 1,57 diamant : ndiamant = 2,42

Air Milieu inconnu

EXERCICE N° 3 : Morphologie de notre galaxie (6 pts)

La Voie Lactée, cette bande blanchâtre que l’on peut voir les nuits de ciel étoilé, est notre galaxie. Elle est constituée d’environ 100 milliards d’étoiles et de nombreux nuages de gaz. Sa forme est un disque d’environ 100 000 années-lumière de diamètre comportant un bulbe central, le noyau de la galaxie, comme on peut le voir sur l’illustration ci-dessous.

Le Système Solaire, gravite en périphérie de la galaxie autour du noyau à une distance d'environ 3,0×10²⁰ m. De nombreux nuages de gaz et de poussières compris entre nous et le noyau ont pendant longtemps empêché son observation direct.

Récemment, les nouvelles techniques d’observation du ciel dans le domaine de l’infrarouge ont permis de voir le centre de notre galaxie, qui est enfoui dans la poussière. Les astrophysiciens ont alors découvert l’existence d’un trou noir « supermassif ».

Un trou noir résulte de l’effondrement du cœur d’une étoile massive. Le rayon du trou noir est très petit (pour un objet céleste) et dépend de la masse initiale de l’étoile qui s’est effondrée. Pour une masse MT = 5,2×10³⁶ kg son rayon est de 3,0 km.

Données :

Interaction gravitationnelle :

F

=G× m

× m

d

Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,0×10⁸ m.s^-1

Masse du Soleil MS = 2,0×10³⁰ kg Masse du trou noir MT = 5,2×10³⁶ kg 1. Déterminer la distance d en année-lumière entre le Soleil et le noyau au centre de la galaxie.

2. Calculer la valeur de l’interaction gravitationnelle entre le Soleil et le Trou noir.

3. Représenter correctement sur le schéma vue de face, mais sans soucis d’échelle, les interactions gravitationnelles ⃗F_T/S et ⃗F_S/T entre le Soleil et le Trou noir.

On admet que le poids d’un objet à la surface du trou noir correspond à l’interaction gravitationnelle entre cet objet et le trou noir.

4. Montrer en utilisant l'affirmation précédente que l’intensité de la pesanteur à la surface du trou noir, de rayon RT = 3,0 km, est g = 3,9×10¹⁹ N.kg^-1.

EXERCICE N° 4 : La déshydratation du nourrisson (8 pts)

La déshydratation, due le plus souvent à une gastro-entérite, est une urgence fréquente chez le nourrisson.

Elle peut présenter un risque vital, notamment lorsque la perte de masse est supérieure à 10%. L’examen permettant son diagnostic est l’ionogramme urinaire ou sanguin. Il consiste à doser les ions suivants : sodium, phosphate PO43-, potassium K⁺, calcium Ca²⁺ , hydrogénocarbonate HCO3-, chlorure et sulfate SO42-.

1. Citer les trois particules qui constituent un atome et son noyau.

2. Donner la composition complète de l'atome de potassium suivant : ₁₉³⁹K

3. Donner le nom des trois éléments chimiques symbolisés par les lettres : O, H et N.

4. Qu’est ce qui caractérise un élément chimique : (choisir la ou les bonnes propositions)

□ Le nombre de neutron, □ le nombre de proton,

□ le nombre de nucléon, □ le nombre d’électron.

5. La masse d’un atome est toujours : (choisir la ou les bonnes propositions en justifiant)

□ bien plus grande que celle de son noyau, □ très proche de celle de son noyau,

□ bien plus faible que celle de son noyau, □ ça dépend,

6. Dénombrer les électrons de la couche externe des atomes de sodium Na (numéro atomique Z(Na) = 11) et des atomes de chlore Cℓ (numéro atomique Z(Cl) = 17).

7. Déterminer la charge de l'ion chlorure (formé à partir de l’atome de chlore) en justifiant.

EXERCICE N°5 : Contrefaçon (5 pts)

Un médicament contrefait est la reproduction frauduleuse d'un médicament existant. Les médicaments contrefaits peuvent ne pas contenir le principe actif ou le contenir dans des quantités différentes du médicament original. La C.C.M. est une bonne méthode pour vérifier une éventuelle contrefaçon.

On dispose d'un médicament suspecté d'être une contrefaçon du Doliprane®.

La recherche de paracétamol commence par la dissolution d'un peu du médicament suspect dans 5 mL de dichlorométhane. On réalise un dépôt de cette solution au bas d'une plaque à chromatographie (dépôt C). De la même manière, un dépôt contenant le médicament original est réalisé en M puis un dépôt de paracétamol pur en P. La plaque est ensuite introduite dans une cuve contenant un éluant approprié. Après migration et séchage, on réalise une révélation aux U.V.. On obtient le chromatogramme représenté ci-contre à l'échelle.

1. A propos du mode opératoire

1.1. Que signifient les initiales C.C.M. ?

1.2. Pourquoi a-t-il été nécessaire de révéler aux U.V. le chromatogramme ? 1.3. A quoi correspond la ligne tracée en pointillés au terme de la migration ? 1.4. Pourquoi le paracétamol est-il entraîné par l'éluant choisi ?

2. Interprétation du chromatogramme

2.1. Pourquoi peut-on dire que le médicament contrefait contient le principe actif ? 2.2. Le médicament contrefait est-il une copie fidèle de l'original ? Justifier.

3. Calculer le rapport frontal du paracétamol dans les conditions de l'expérience.

EXERCICE N° 6 : Préparation d’un thé sucré (7 pts)

Données :

• Le sucre utilisé est du saccharose de formule brute C12H22O11.

• La masse d’un morceau de sucre est de 5,3 g.

• Masses molaires atomiques: M(C) = 12,0 g.mol^-1 M(O) = 16,0 g.mol^-1 M(H) = 1,0g.mol^-1

Pour récupérer plus vite après un long entraînement, un sportif se prépare un thé et met trois morceaux de sucre dans sa tasse ; sa boisson ainsi préparée a un volume de 200 mL.

1. Calculer la concentration massique en saccharose du thé préparé par le sportif ?

2. Comment aurait-on procédé, dans un laboratoire de chimie, pour préparer une solution aqueuse de même concentration massique en saccharose ? (Nommer le matériel et la verrerie utilisés et préciser le mode opératoire)

3. Indiquer pour la solution obtenue, quel est le soluté ? Quel est le solvant ? 4. Quelle est la masse molaire moléculaire de la molécule de saccharose ? 5. Déterminer la quantité de matière n en saccharose présente dans la solution.

6. Quelle est la concentration molaire en saccharose de la tasse de thé préparée par ce sportif ?

7. Finalement le sportif pense son thé trop sucré. Sans en boire, il le verse dans une bouteille d’un demi- litre et remplit la bouteille en ajoutant de l’eau chaude. Quelle est la nouvelle concentration molaire en sucre de la boisson ? Justifier votre réponse.

EXERCICE N° 7 : signaux périodiques (4 pts)

L’onde ultrasonore émise par une sonde échographique peut être visualisée sur l’écran d’un oscilloscope.

L’oscillogramme obtenu, ainsi que les boutons de réglage de l’oscilloscope sont représentés ci-dessous.

1. Repasser au stylo, sur le schéma ci-dessus, la période du signal (1 point).

Pour les questions 2°) à 4°), cocher la ou les bonnes réponses, sans justification.

Mauvaise réponse : - 0,5 pt et pas de réponse : 0 pt

2. La valeur de la période T du signal sur l’écran est (1 point) : 4 µs

40 µs 4x10^-6 s 4x10^-5 s 4 s

Toutes les propositions précédentes sont fausses.

3. La valeur de la fréquence correspondante est (1 point) : 0,25 Hz

2,4 V 4,8 V 250 Hz 2,5 kHz

Toutes les propositions précédentes sont fausses.

4. Tension du signal (1 point) :

La tension maximale vaut Umax = 2,8 V La tension maximale vaut Umax = 4,8 V La tension maximale vaut Umax = 5,6 V La tension maximale vaut Umax = 11,2 V La tension minimale vaut Umin = - Umax

Toutes les propositions précédentes sont fausses.

EXERCICE N°1 : Spectres (6 pts)

Choisir la bonne réponse.

bonne réponse : 1 pt mauvaise réponse : - 0,5 pt pas de réponse : 0 pt

1. Le spectre représenté en fig 2 est un spectre :

□ de raies d'émission

□x de raies d'absorption

□ continu

2. Lorsque la température augmente, le spectre de la lumière émise par un corps chaud :

□x s'enrichit vers le violet

□ s'enrichit vers le rouge

□ devient un spectre de raies 3. Les couleurs continu du spectre d'une étoile

donne des renseignements sur :

□ la composition chimique de son atmosphère

□x la température de sa surface

□ la température de sa chromosphère

4. Les raies du spectre d'absorption d'un gaz, associées à un atome :

□x ont les mêmes places dans le spectre d'émission

□ sont plus nombreuses que dans le spectre d'émission

□ changent de place selon la température du gaz 5. Les raies sombres du spectre d'une étoile sont

dues à :

□x la présence de certains gaz dans sa chromosphère

□ l'absence de certains gaz dans sa chromosphère

□ l'absence de certains gaz dans sa photosphère

6. L'étoile dont on voit le spectre en fig. 2 contient le gaz dont le spectre est en fig. 1 car :

□ les deux spectres présentent les mêmes raies d'émission

□x les deux spectres possèdent des raies de mêmes longueurs d'onde

□ les deux spectres présentent la même longueur d'onde

EXERCICE N°2 : Quel est l’indice ? (4 pts)

On a représenté la réfraction d’un rayon lumineux passant de l’air (nair = 1,00) dans un milieu transparent d’indice inconnu ninc ci-contre.

1. Compléter le schéma ci-contre en indiquant, notamment, la normale au dioptre et les angles d’incidence et de réfraction.

2. Exprimer la loi de Snell-Descartes (loi des angles) en l’adaptant à la situation étudiée. n1×sin(i1) = ninc×sin(i2) ou sin(i1) = ninc× sin(i2) 3. Lorsque l’angle d’incidence est de 53°, l’angle de réfraction est de 32°.

a) Calculer l’indice de réfraction du milieu transparent.

n_inc=1,00×sin(53)

sin(32) ≈1,5 Soit l'indice du plexiglas

b) Identifier ce milieu parmi les suivants :

eau : neau = 1,33 plexiglas : nplexiglas = 1,51 émeraude : némeraude = 1,57 diamant : ndiamant = 2,42

Air Milieu inconnu

i

i

Normale

EXERCICE N°3 : Morphologie de notre galaxie (6 pts)

La Voie Lactée, cette bande blanchâtre que l’on peut voir les nuits de ciel étoilé, est notre galaxie. Elle est constituée d’environ 100 milliards d’étoiles et de nombreux nuages de gaz. Sa forme est un disque d’environ 100

000 années-lumière de diamètre comportant un bulbe central, le noyau de la galaxie, comme on peut le voir sur l’illustration ci-dessous.

1. Déterminer la distance d en année-lumière entre le Soleil et le noyau au centre de la galaxie.

Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année : d=3,0×10²⁰

3,0×10⁸=10¹² seconde soit 10¹²

60×60×24×365,25≈3,2×10⁴ année-lumières

Ou utiliser l'échelle du document : 946100 000 000 000 000 000 vaut 100 000 année-lumières et faire un produit en croix : 3,0×10²⁰×100000

946100 000 000000 000 000≈3,2×10⁴ année-lumières

2. Calculer la valeur de l’interaction gravitationnelle entre le Soleil et le Trou noir.

FT/Lou FL/T=G×M_S×M_T

d² =6,67×10⁻¹¹×2,0×10³⁰×5,2×10³⁶

(3,0×10²⁰)² ≈7,7×10¹⁵ N

3. Représenter correctement sur le schéma vue de face, mais sans soucis d’échelle, les interactions gravitationnelles ⃗F_T/S et ⃗F_S/T entre le Soleil et le Trou noir.

On admet que le poids d’un objet à la surface du trou noir correspond à l’interaction gravitationnelle entre cet objet et le trou noir.

4. Montrer en utilisant l'affirmation précédente que l’intensité de la pesanteur à la surface du trou noir, de rayon RT = 3,0 km, est g = 3,9×10¹⁹ N.kg^-1.

Si le poids d'un objet de masse m, à la surface du trou, est approximativement égale à l'interaction gravitationnelle, leur valeur sont égale : P = FT/objet soit mg=Gm×M_T

(RT)² en simplifiant on obtient g=G M_T (RT)² g=G M_T

(R_T)²=6,67×10⁻¹¹× 5,2×10³⁶

(3,0×10³)²≈3,9×10¹⁹N.kg^-1

EXERCICE N°4 : La déshydratation du nourrisson (8 pts)

La déshydratation, due le plus souvent à une gastro-entérite, est une urgence fréquente chez le nourrisson.

Elle peut présenter un risque vital, notamment lorsque la perte de masse est supérieure à 10%. L’examen permettant son diagnostic est l’ionogramme urinaire ou sanguin. Il consiste à doser les ions suivants : sodium, phosphate PO43-, potassium K⁺, calcium Ca²⁺ , hydrogénocarbonate HCO3-, chlorure et sulfate SO42-.

1. Citer les trois particules qui constituent un atome et son noyau : proton, neutron et électron.

2. Donner la composition complète des atomes suivants : ₁₉³⁹K : Z = 19 protons, 19 électrons et A-Z = N = 39-19 = 20 neutrons

3. Donner le nom des trois éléments chimiques symbolisés par les lettres : O : oxygène, H : hydrogène et N:azote.

4. Qu’est ce qui caractérise un élément chimique : (choisir la ou les bonnes propositions)

□ Le nombre de neutron, □x le nombre de proton,

□ le nombre de nucléon, □ le nombre d’électron.

5. La masse d’un atome est toujours : (choisir la ou les bonnes propositions en justifiant)

□ bien plus grande que celle de son noyau, □x très proche de celle de son noyau,

□ bien plus faible que celle de son noyau, □ ça dépend,

6. Dénombrer les électrons de la couche externe des atomes de sodium Na (numéro atomique Z(Na) = 11) : K²L⁸M¹ et des atomes de chlore Cℓ (numéro atomique Z(Cl) = 17) : K²L⁸M⁷

7. Déterminer la charge de l'ion chlorure (formé à partir de l’atome de chlore) en justifiant : le remplissage K²L⁸M⁸ vérifie la règle de l'octet (8 électrons) sur la dernière couche électronique et donc on aura un ion Cℓ^- plus stable que l'atome de Chlore. (2pts)

EXERCICE N°5 : Contrefaçon (

)

Un médicament contrefait est la reproduction frauduleuse d'un médicament existant. Les médicaments contrefaits peuvent ne pas contenir le principe actif ou le contenir dans des quantités différentes du médicament original. La C.C.M.

est une bonne méthode pour vérifier une éventuelle contrefaçon.

On dispose d'un médicament suspecté d'être une contrefaçon du Doliprane®.

La recherche de paracétamol commence par la dissolution d'un peu du médicament suspect dans 5 mL de dichlorométhane. On réalise un dépôt de cette solution au bas d'une plaque à chromatographie (dépôt C). De la même manière, un dépôt contenant le médicament original est réalisé en M puis un dépôt de paracétamol pur en P. La plaque est ensuite introduite dans une cuve contenant un éluant approprié. Après migration et séchage, on réalise une révélation aux U.V.. On obtient le chromatogramme représenté ci-contre.

1. A propos du mode opératoire

1.1. Que signifient les initiales C.C.M. ? Chromatographie sur Couche Mince (0,5)

1.2. Pourquoi a-t-il été nécessaire de révéler aux U.V. le chromatogramme ? Espèces chimiques incolores présentes sur le chromatogramme (0,5)

1.3. A quoi correspond la ligne tracée en pointillée ? C'est la ligne de front de l'éluant, là où il arrive à la fin de la migration sur la plaque de silice. (0,5)

1.4. Pourquoi le paracétamol est-il entraîné par l'éluant choisi ? Car il est soluble dans l'éluant qu'il l'entraîne. (0,5)

2. Interprétation du chromatogramme

2.1. Pourquoi peut-on dire que le médicament contrefait contient le principe actif ? Car on a une tache au même rapport frontal pour le paracétamol pur et le médicament contrefait, donc ils contiennent la même espèce chimique. (1)

2.2. Le médicament contrefait est-il une copie fidèle de l'original ? Justifier. Le médicament contrefait contient une autre espèce chimique que le paracétamol car il y a une 2ème tache le long du dépôt de C qui ne se trouve pas dans le médicament original M. (1)

3. Calculer le rapport frontal du paracétamol dans les conditions de l'expérience.

Rf = h / H = 3,1 / 5,2 = 0,60 (sans unité) (1)

EXERCICE N°6 : Préparation d’un thé sucré (

)

1. Calculer la concentration massique en saccharose du thé préparé par le sportif ? Cm = m / V = 3x5,3 / 0,2 = 15,9 / 0,2 = 79,5 g. L^-1

2. Comment aurait-on procédé, dans un laboratoire de chimie, pour préparer une solution aqueuse de même concentration massique en saccharose ? (Nommer le matériel et la verrerie utilisés et préciser le mode opératoire)

Matériel : entonnoir à solide, capsule/coupelle pour peser le saccharose sur une balance, fiole jaugée de 200 mL

Protocole : prélever la masse de saccharose 15,9 g à l'aide d'une capsule sur une balance ; verser à l'aide d'un entonnoir le saccharose dans la fiole jaugée de 200 mL ; rincer la coupelle et l'entonnoir avec de l'eau distillée, l'eau de rincage dans la fiole ; remplir la fiole avec de l'eau distillée jusqu'aux ¾ ; agiter, homogéneiser puis compléter jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée, agiter, la solution est prête.

3. Indiquer pour la solution obtenue, quel est le soluté ? Quel est le solvant ? Soluté : saccharose

Solvant : Thé ou eau (distillée)

4. Quelle est la masse molaire moléculaire de la molécule de saccharose ?

M(C12H22O11) = M(C) x 12 + M(H) x 22 + M(O) x 11 = 12,0 x 12 + 1,0 x 22 + 16,0 x 11 = 342 g.mol^-1 5. Déterminer la quantité de matière n en saccharose présente dans la solution.

n = m / M = 5,3 x 3 / 342 = 0,046 mol

6. Quelle est la concentration molaire en saccharose de la tasse de thé préparée par ce sportif ? C = n / V = 0,046 / 342 = 0,23 mol.L^-1 ou C = Cm / M = 79,5 / 342 = 0,23 mol.L^-1

7. Finalement le sportif pense son thé trop sucré. Sans en boire, il le verse dans une bouteille d’un demi- litre et remplit la bouteille en ajoutant de l’eau chaude. Quelle est la nouvelle concentration molaire en sucre de la boisson ? Justifier votre réponse.

Il fait une dilution de la solution avec le facteur de dilution suivant Fd = V1 / V = 500 / 200 = 2,5 = C / C1 soit C1 (solution diluée) = C / 2,5 = 0,093 mol.L^-1

ou on calcule tout simplement C1 = n / V1 = 0,046 / 0,5 = 0,092 mol.L^-1.

EXERCICE N°7 : signaux périodiques (4 pts)

L’onde ultrasonore émise par une sonde échographique peut être visualisée sur l’écran d’un oscilloscope.

L’oscillogramme obtenu, ainsi que les boutons de réglage de l’oscilloscope sont représentés ci-dessous.

1. Repasser au stylo, sur le schéma ci-dessus, la période du signal (1 pt par bonne réponse = 4 pts).

2. La valeur de la période T du signal sur l’écran est (1 point) : 4 µs

x 40 µs car 4 div x 10 µs/div = 40 µs = 40 x 10^-6 s = 4 x 10^-5 s 4x10^-6 s

x 4x10^-5 s 4 s

Toutes les propositions précédentes sont fausses.

3. La valeur de la fréquence correspondante est (1 point) : 0,25 Hz

2,4 V 4,8 V 250 Hz 2,5 kHz

x Toutes les propositions précédentes sont fausses. car f = 1 / T = 1 / 40.10^-6 = 25 kHz 4. Tension du signal (1 point) :

La tension maximale vaut Umax = 2,8 V La tension maximale vaut Umax = 4,8 V

x La tension maximale vaut Umax = 5,6 V car Umax = 2,8 div x 2 V/div = 5,6 V La tension maximale vaut Umax = 11,2 V

x La tension minimale vaut Umin = - Umax

Toutes les propositions précédentes sont fausses.