BACCALAUREAT BLANC NOVEMBRE 2019 PHYSIQUE CHIMIE SERIE S Durée de l’épreuve 3 heures 30 L’usage de la calculatrice EST autorisé Ce sujet nécessite une feuille de papier millimétré Le sujet comporte quatre exercices présentés sur 14 pages numérotés de 1/14 à 14/14, y compris celle-ci. Documents à rendre avec la copie Annexe pour exercice III ……………………………..page 12/14 & 13/14 Annexe pour exercice IV ……………………………..page 14/14 Le candidat doit traiter les quatre exercices qui sont indépendants les uns des autres. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 1 EXERCICE I – LA SOIE D’ARAIGNEE (6 points) La soie que produisent les araignées pour tisser leurs toiles ou envelopper leurs proies possèdent des propriétés physico-chimiques si exceptionnelles (finesse, régularité, élasticité, solidité, imputrescibilité, etc …) qu’elle est devenue un sujet d’étude pour de nombreux scientifiques. Cet exercice aborde plusieurs aspects de la soie considérée comme un matériau d’avenir. Données. Masses molaires atomiques (en g/mol) : M(C)=12 ; M(H)=1 ; M(Br)=80 ; M(N)=14 ; M(O)=16 1. L’Alanine La soie d’araignée est essentiellement composée de fibroïne, une molécule constituée de plusieurs centaines d’acides aminés reliés les uns aux autres par des liaisons peptidiques. Les deux principaux acides aminés dans la fibroïne sont la glycine (40% environ) et l’alanine (25-30% environ) dont les formules sont indiquées ci-dessous. Selon l’enchaînement des différents acides aminés au sein de la macromolécule de fibroïne, cette protéine peut adopter deux structures géométriques tridimensionnelles différentes : soit une structure semi-cristalline en feuillets bien ordonnés, soit une structure amorphe inorganisée. La soie d’araignée est donc un matériau dont les propriétés mécaniques découlent de l’organisation structurale particulière de la molécule de fibroïne : des régions cristallines expliquent la résistance élevée de la soie d’araignée tandis que des régions amorphes sont responsables de son importante élasticité. 1.1. Pourquoi peut-on affirmer que l’Alanine appartient à la famille des acides aminés ? Justifier, en recopiant la formule de l’Alanine et y entourer les groupes présents et les nommer. 1.2. Synthèse de l’Alanine. Pour synthétiser l’Alanine on fait réagir l’ammoniac NH3 avec l’acide 2-bromopropanoïque. Le bilan de la synthèse peut être modélisé par la réaction chimique d’équation : Dans les conditions opératoires choisies pour la synthèse, il se forme autant de quantité de matière d’Alinine que d’acide 2-bromopropanoïque, l’ammoniac, réactif le moins onéreux, étant introduit en excès. Quelle masse d’acide 2-bromopropanoïque faut-il utiliser pour synthétiser 1 kg d’Alanine ? On ne tiendra pas compte des chiffres significatifs mais on donnera le résultat final arrondi à deux chiffres significatifs en kg. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 2 2. Synthèse d’un dipeptide. Actuellement, les chimistes cherchent à réaliser des fibres artificielles reproduisant les propriétés de la soie d’araignée en créant des polypeptides dont la composition et la structure sont les plus proches possibles de celles de la fibroïne. Les polypeptides sont de longues molécules obtenues par assemblage de plusieurs acides aminés. La réaction permettant d’assembler deux acides aminés est appelée « synthèse peptidique ». Par exemple, deux molécules de Glycine (Gly), mises en présence, réagissent l’une avec l’autre pour former un dipeptide, usuellement nommé Gly-Gly, dont la formule semi-développée s’écrit : L’équation-bilan de la synthèse de ce dipeptide est la suivante : Lors de la synthèse de ce dipeptide Gly-Gly, on constate que la liaison s’établit entre le groupe –COOH d’un acide aminé Glycine (Gly) et le groupe –NH2 de l’autre acide aminé Glycine (Gly). 2.1. Recopier la formule semi-développée du dipeptide Gly-Gly et entourer, nommer, la nouvelle fonction chimique présente. 2.2. La fabrication de fibres artificielles aussi élastiques et solides que la soie d’araignée utilise le dipeptide Gly-Ala comme motif de base de la chaine polypetidique. La formule topologique de ce dipeptide est la suivante : En vous aidant de l’équation de synthèse du dipeptide Gly-Gly, établir l’équation de synthèse du dipeptide Gly-Ala, obtenu par réaction entre l’acide aminé Glycine (Gly) et l’acide aminé Alanine (Ala). 2.3. Combien de dipeptides différents peut-on, à priori, obtenir par synthèse peptidique d’un mélange de Glycine (Gly) et d’alanine (Ala) ? Argumenter votre réponse. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 3 3. Détermination du diamètre d’un fil d’araignée. Un fil d’araignée, de diamètre inconnu noté a, est maintenu en position verticale et éclairé au moyen d’une source laser rouge de longueur d’onde l = 615 nm. Le fil est placé à quelques centimètres de la source laser et à une distance D assez éloignée d’un écran vertical. La figure de diffraction obtenue à l’écran est caractérisée par une tache centrale de largeur L et un angle de diffraction noté . 3.1. Quel caractère de la lumière est mis en évidence par l’apparition d’une figure de diffraction ? 3.2. Rappeler l’expression qui lie les grandeurs a, et . Sachant que tan = pour les faibles valeurs de en radian, démontrer que la largeur L de la tache centrale de diffraction admet pour expression littérale : 3.3. Calculer, en m puis en m, le diamètre a du fil d’araignée analysé sachant que D = 2,00 0,01 m et L = 18,8 0,4 cm. 3.4. La source lumineuse étant un laser, on fera l’hypothèse que l’incertitude sur la longueur d’onde peut-être négligée par rapport aux autres incertitudes. L’incertitude absolue U(a) associée à la mesure du diamètre a du fil d’araignée dépend uniquement des incertitudes absolues U(D) et U(L) associées aux distances D et L selon la relation suivante : Exprimer le résultat de la mesure expérimentale du diamètre a du fil d’araignée sous la forme d’un encadrement. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 4 3.5. Le même fil d’araignée que celui étudié dans la partie précédente est maintenant observé et photographié à l’ide d’un microscope optique équipé d’un appareil photo numérique. Voici le cliché obtenu. Déterminer le diamètre a du fil à partir du cliché ci-dessus et donner le résultat assorti de l’incertitude absolue U(a) associée à cette valeur. Dans cette mesure, on considère que avec d la valeur mesurée sur la photographie et U(d) l’incertitude absolue associée et qui dépend donc de la précision de l’instrument de mesure que VOUS avez utilisé. 3.6. La mesure par diffraction du diamètre du fil d’araignée réalisée dans la partie précédente est-elle cohérente avec la mesure effectuée au microscope optique ? Détailler la réponse. 3.7. Quelle méthode est-il préférable d’utiliser pour réaliser cette mesure ? Justifier votre réponse. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 5 NOM …………………………. PRENOM ……………………………… CLASSE ………… EXERCICE II – TABLEAU A COMPLETER (4 points) 1°) Compléter les cases vides. 2°) Entourer pour chaque molécule la fonction principale (sauf pour éthane). Nom de la molécule Formule semi-développée Formule topologique Nom du groupe caractéristique et de la famille Formule brute Famille : ............................... éthane Famille : ............................... Groupe O ............................... Famille : ............................... Groupe ............................... Famille : ............................... Groupe ............................... Famille : ............................... Groupe ............................... Famille : ............................... Groupe ............................... Famille : ............................... DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 6 Exercice III : AUTOUR DE LA VOITURE (5 points) Le stationnement « ultra-simple» avec les ultrasons Les ultrasons sont des ondes mécaniques de période plus courte que les ondes sonores audibles. Elles ont été découvertes en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton. Une des nouvelles applications des ultrasons se trouve dans l'industrie automobile, ou l'on peut les utiliser afin d'éviter les obstacles. Certains systèmes permettent de se garer automatiquement en quelques secondes : toute place de stationnement parallèle à la file de circulation disponible et mesurant au moins un mètre quarante de plus que le véhicule est reconnue par les capteurs à ultrasons qui permettent de calculer la trajectoire optimale pour effectuer le créneau sans que le conducteur n'ait à toucher le volant. 1. Généralités sur les ondes sonores 1.1. Donner la définition d’une onde mécanique progressive. 1.2. Les ondes sonores sont un exemple d'ondes mécaniques. Pourquoi une éventuelle communication par onde sonore entre la Terre et la Lune ne serait-elle pas possible ? 1.3. Donner un exemple d'onde pouvant se propager dans le vide. 1.4. Dans le cas d'une onde sonore, la direction de la perturbation est parallèle à celle de la direction de la propagation. Comment peut-on alors qualifier ces ondes ? 2. Détermination de la célérité des ultrasons: 1ère méthode On alimente un émetteur d'ultrasons en mode « Salve ». On place face à l'émetteur deux récepteurs A et B comme indiqué sur le schéma simplifié du montage fourni en ANNEXE. Le récepteur A est relié à la voie EA0 du boîtier d'acquisition, le récepteur B à la voie EA1. L'enregistrement est présenté en FIGURE 1 DE L'ANNEXE. La fenêtre 1 correspond au récepteur A, la fenêtre 2 correspond au récepteur B. 2.1. Compléter le schéma simplifié du montage donné en ANNEXE en y faisant apparaître les branchements vers le boîtier d'acquisition. 2.2. Identifier et indiquer dans la fenêtre 1, les zones d'émission sonore et les zones sans émission. 2.3. Positionner les salves de l'acquisition obtenue dans la fenêtre 2 de la FIGURE 1 DE L'ANNEXE. (On ne représentera que leurs enveloppes). On déplace ensuite le récepteur B, dans la direction émetteur-récepteur, d'une distance d suffisamment grande pour pouvoir mesurer avec précision le retard ultrasonore t correspondant au passage de l'onde par les deux récepteurs. Le déplacement s'effectue selon un axe parallèle à l'axe x'x du schéma simplifié du montage. Afin de déterminer la célérité des ondes ultrasonores, on réalise une acquisition (sur une durée inférieure à celle d'une salve) pour une distance d = 0,3 m donnant les enregistrements présentés dans la FIGURE 2 DE L'ANNEXE. 2.4. Indiquer sur la figure 2 le retard t correspondant et le mesurer. 2.5. En déduire la valeur V1 de la célérité des ondes ultrasonores dans l'air. 2.6. Obtiendrait-on le même résultat pour la célérité si on effectuait l'expérience en utilisant l'eau à la place de l'air comme milieu de propagation? Justifier. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 7 3. Détermination de la célérité des ultrasons : 2ème méthode On fait maintenant fonctionner l'émetteur en mode « Continu ». On visualise cette fois-ci les signaux à l'aide d'un oscilloscope : le récepteur A est relié à la voie 1 et le récepteur B à la voie 2. Au départ, on place à nouveau les deux récepteurs en face de l'émetteur, côte à côte, comme sur le schéma simplifié du montage de départ. Les deux signaux sont alors superposés et confondus. En choisissant une sensibilité verticale de 0,10 V.div -1 et une sensibilité horizontale de 10 µs.div-1 on obtient l'oscillogramme du signal capté par le récepteur A présenté en FIGURE 3 DE L'ANNEXE. 3.1. Déterminer la période et en déduire la fréquence des ultrasons. 3.2. On déplace le récepteur B en l'éloignant du récepteur A, ce dernier étant fixé. Le déplacement s'effectue dans la direction émetteur-récepteur selon un axe parallèle à l’axe x'x du schéma simplifié du montage: les deux sinusoïdes se décalent puis se superposent à nouveau. On répète l'opération d’éloignement du récepteur B jusqu'à la 10ème superposition des courbes. La distance d1 entre A et B est alors de 8,4 cm. Utiliser ces données pour déterminer la valeur d'une grandeur caractéristique de l'onde que l'on nommera. 3.3. Utiliser les questions 3.1 et 3.2 pour déterminer une valeur V 2 de la célérité des ultrasons. On précisera la démarche et les calculs effectués. 3.4. On donne sur la FIGURE 4 DE L'ANNEXE. Le signal capté par le récepteur B lorsqu'il a été décalé d'une autre distance d2 par rapport au récepteur A. On néglige tout amortissement. La distance d 2 étant comprise entre 3,5 cm et 4,0 cm, déduire à l'aide de la FIGURE 4 DE L'ANNEXE, la valeur de d 2. 4. Détection de distance Une voiture est équipée d'un système comportant un émetteur et un récepteur d'ultrasons placés côte à côte à l'arrière du véhicule. Lors d'une marche arrière, une salve ultrasonore est envoyée et réfléchie par un obstacle puis détectée par le récepteur 9,0 ms après l'émission, la célérité du son étant considérée comme égale à 1,2.10 3 km.h-1. À quelle distance se trouve l'obstacle de la voiture? Justifier la réponse. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 8 Exercice IV : SPECTROPHOTOMETRIE (5 points) La lumière est un « outil » précieux en chimie analytique. En effet, toute espèce chimique est susceptible d’interagir avec des radiations lumineuses. Par exemple, une espèce colorée X absorbe certaines radiations visibles. Le principe de la spectrophotométrie repose sur la mesure de l’absorbance A de l’espèce X en solution dans un solvant Y. Cette grandeur A est le résultat de la comparaison de deux intensités lumineuses : celle d’une radiation monochromatique ayant traversé une cuve transparente contenant le solvant Y, et celle de la même radiation émergeant de la même cuve contenant la solution de l’espèce X dans le solvant Y. Schéma de principe d’un spectrophotomètre à prisme 1ère partie : Lumière et spectrophotométrie 1.1. Donner les valeurs limites des longueurs d’onde du spectre visible dans le vide et les couleurs correspondantes. 1.2. Situer, du point de vue de leur longueur d’onde, les rayonnements ultraviolets et infrarouges par rapport au spectre visible. 1.3. Le rôle du monochromateur dans un radiation monochromatique particulière. monochromatique. spectrophotomètre est de Donner la définition DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 sélectionner une d’une lumière Page 9 2ème partie : Dosage colorimétrique par étalonnage On se propose de déterminer la concentration en diiode dans une teinture d’iode officinale. On commence par diluer 200 fois la teinture d’iode (trop concentrée pour une étude spectrophotométrique directe). La solution aqueuse obtenue à l’issue de cette dilution est appelée solution S. Par ailleurs, on dispose d’un ensemble de solutions aqueuses de diiode notées Di (D 1, D2, etc.) de concentrations connues toutes différentes. Ces solutions ont des colorations proches de celle de la solution S. Données : Spectre d’absorption d’une solution aqueuse de diiode de concentration molaire c = 3,0103 mol.L1 Masse molaire atomique de l’iode : 127 g.mol1 Écart relatif entre une valeur expérimentale G exp et une valeur attendue Ga d’une grandeur quelconque G est donné par la relation : Ecart relatif = 2.1. Gexp Ga Ga On peut trouver expérimentalement un encadrement de la concentration en diiode de la solution S, sans utiliser un spectrophotomètre. 2.1.1. Expliquer brièvement la méthode. 2.1.2. Pourquoi lors de la mise en œuvre de cette méthode, faut-il que les récipients utilisés (tubes à essais ou béchers) soient tous identiques ? DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 10 2.2. À l’aide d’un spectrophotomètre, on mesure l’absorbance A i de chaque solution Di de diiode, puis celle de la solution S. 2.2.1. Donner la valeur d’une longueur d’onde qui vous paraît bien appropriée pour ces mesures. Justifier brièvement. 2.2.2. On obtient les résultats suivants : Concentration C de la solution en µmol.L1 50 100 250 500 750 1000 Absorbance A de la solution 0,041 0,10 0,22 0,46 0,70 0,87 Absorbance de la solution S : A = 0,78. La courbe d’étalonnage de l’absorbance en fonction de la concentration molaire C en diiode est à tracer sur la feuille de papier millimétré donnée en Annexe La relation entre l’absorbance A et la concentration C est appelée loi de Beer-Lambert. Elle s’écrit : A = kC avec k une constante et C la concentration molaire de l’espèce colorée dans la solution. La courbe d’étalonnage obtenue est-elle en accord avec cette loi ? Justifier. 2.2.3. Déterminer graphiquement la concentration molaire C S. exp en diiode de la solution S. En déduire la concentration molaire C exp en diiode de la teinture d’iode officinale. 2.3. La teinture d’iode officinale est étiquetée à 5,0 % en masse de diiode. Sa masse volumique est = 9,0102 g.L1. 2.3.1. À partir de ces données, vérifier que la concentration massique C m en diiode attendue dans cette teinture est 45 g.L 1. 2.3.2. En déduire la valeur de la concentration molaire attendue en diiode dans cette teinture. On la notera Ca. 2.3.3. Calculer l’écart relatif entre la valeur expérimentale Cexp à la valeur Ca. Conclure. DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 11 NOM : …………………………………………….. PRENOM ……………………………………… ANNEXE EXERCICE III À RENDRE AVEC LA COPIE Question 2.1. Schéma simplifié du montage DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 12 DS2 – COMMUN – lycée Montaigne – Novembre 2019 Page 13
