Enoncé et correction de la spécialité

Lycée Pierre Corneille 2015/2016
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BACCALAUREAT BLANC
SESSION février 2016
PHYSIQUE-CHIMIE
Série S
DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 6
L’usage d'une calculatrice EST autorisé
Quelques conseils :
1. Lire la totalité du sujet plusieurs fois
2. Réserver une copie par exercice
3. Soigner la présentation et la rédaction (utiliser le brouillon !)
4. Respecter les notations et la numérotation de l’énoncé
5. Encadrer le résultat littéral et souligner l’application numérique
6. Respecter le nombre de chiffres significatifs
7. Avoir un regard critique sur les résultats (cohérent, vraisemblable)
Bon courage !
Ce sujet comporte 11 pages numérotées, y compris celle-ci.
Ce sujet comporte trois exercices qui sont indépendants les uns des autres
I- Détermination expérimentale du pKa d’un indicateur coloré :
Le bleu de bromophénol (5 points)
II- L’exploit de Félix Baumgartner (10 points)
III- Pollution au plomb (5 points)

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EXERCICE I : Détermination expérimentale du pKa d’un indicateur coloré : Le bleu de
bromophénol (5 points)
Le bleu de bromophénol est un indicateur coloré dont la forme acide, notée Hln, est
jaune et dont la forme basique, notée In
, est bleue.
L’objectif de cet exercice est de déterminer le pKa de cet indicateur coloré.
Document 1 : à propos de la solution S0
Préparation de la solution
On prépare, dans une fiole jaugée, deux litres d’une solution S0 de bleu de
bromophénol de concentration molaire en soluté apporté C0 = 3,0.10 -5 mol.L-1.
On considère un volume V = 100 mL de cette solution S0 dont le pH est de 4,7.
Document 2 : Préparation de la solution S1
On prépare une première solution S1 à partir de la solution S0.
À un litre de la solution S0 d’indicateur coloré, on ajoute 1,0.10-2 mol d’ions oxonium H3O+ en
utilisant de l’acide chlorhydrique concentré.
L’addition d’acide chlorhydrique se fait sans variation appréciable du volume de la
solution.
La solution S1 obtenue est jaune, de pH = 2,0 et de concentration molaire en bleu
de bromophénol apporté C0 = 3,0.10 - 5 mol.L-1.
Document 3 : Préparation de la solution S2
On prépare une deuxième solution S2 à partir de la solution S0.
À un litre de la solution S0, on ajoute 1,0.10–2 mol d’ions hydroxyde OH
par
ajout d’une solution d’hydroxyde de sodium concentrée.
L’addition de la solution d’hydroxyde de sodium se fait sans variation appréciable
du volume de la solution.
La solution S2 obtenue est bleue, de pH = 12,0 et de concentration en bleu de
bromophénol apporté C0 = 3,0.10 –5 mol.L-1.

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Document 4 : Réalisation expérimentale d'un diagramme de distribution des espèces par
spectrophotométrie
Dans un bécher contenant un volume quelconque de la solution S1, on ajoute de la
solution S2 de façon à obtenir successivement des solutions dont les pH sont donnés
dans le tableau ci-dessous.
Lorsqu’une solution de pH donné est réalisée, on mesure par spectrophotométrie
l’absorbance A du mélange.
À la longueur d’onde  utilisée par le spectrophotomètre, seule la forme basique In–
absorbe.
On obtient les résultats suivants :
On admet que, pour toutes les solutions obtenues par mélange des solutions S1 et S2
en proportions quelconques :
la concentration molaire en bleu de bromophénol apporté est C0 = 3,0.10-5 mol.L-1.
[HIn] + [In–] = C0.
On rappelle que l’absorbance A d’une solution est liée à la concentration molaire [X]
en espèce absorbante par : A = k. [X] où k est une constante.
Le traitement des données expérimentales permet d'obtenir le diagramme de répartition des
espèces suivant :
pH
2,0
2,5
3,0
3,5
3,9
4,1
4,5
A
0,02
0,06
0,21
0,54
0,85
1,02
1,22
pH
4,7
5,1
5,6
6,2
6,7
8,0
12
A
1,37
1,53
1,59
1,63
1,66
1,66
1,66

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Première partie : Étude de la solution S0
1. Calculer la quantité de matière de bleu de bromophénol n0 initialement introduite
dans 100 mL de solution S0.
2. L’espèce HIn est un acide.
2.1. Donner la définition d’un acide selon Brønsted.
2.2. L’équation de la réaction de Hln sur l’eau est :
Hln(aq) + H2O(l) ln –(aq) + H3O +(aq)
Donner les couples acide-base intervenant dans cette équation.
3. Étude de la réaction de Hln sur l’eau
A l’aide éventuellement d’un tableau d’avancement, en calculant xmax et xf, déterminer si cette
réaction est totale ou limitée. La démarche suivie doit être précisément justifiée et expliquée.
Deuxième partie : Étude de deux solutions
1. Quelle espèce chimique du couple de l’indicateur coloré prédomine dans la
solution S1 ? dans la solution S2 ? Justifier.
2. Pour la solution S2, on émet l’hypothèse que la concentration molaire de la forme
acide Hln est négligeable.
Quelle est alors la valeur de la concentration molaire de la forme basique In– ?
Troisième partie : Étude spectrophotométrique
1. Calcul des concentrations des espèces In– et Hln.
1.1. Montrer que l’absorbance A d’un mélange quelconque, dans les conditions expérimentales du
document 4, est donnée par : A = k.[ln–]
1.2. Pour la solution S2 de pH = 12,0 l’absorbance est maximale.
Montrer que l’absorbance maximale Amax et la concentration molaire en bleu de bromophénol
apporté C0 vérifient la relation : Amax = k.C0.
En déduire la valeur du coefficient k et préciser son unité.
1.3. Calculer les concentrations molaires des espèces In– et Hln présentes dans le mélange lorsque
l’absorbance A de celui-ci est égale à 0,83.
L’exploitation des données expérimentales a permis de construire le graphique, proposé dans le
document 4, donnant les concentrations des espèces Hln et In– en fonction du pH.
2.1. Déterminer à partir de ce graphique les domaines de prédominance des formes acide
et basique du bleu de bromophénol.
2.2. Donner l’expression du Ka du couple HIn/In-.
2.3. Retrouver la relation entre pH, pKa, [Hln] et [ln–].
2.4. Déterminer la valeur du pKa du bleu de bromophénol. Expliquer précisément la démarche.

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EXERCICE II : L’exploit de Félix Baumgartner (10 points)
Les deux parties de cet exercice sont indépendantes.
Partie A : Le grand saut
Le dimanche 14 octobre 2012, Félix Baumgartner est
entré dans l'histoire en s'élançant de la stratosphère à
plus de 39000 m d'altitude. Félix Baumgartner a sauté
depuis la nacelle d'un ballon avec une vitesse initiale
nulle. Au cours de la première phase de sa chute qui a
duré quatre minutes et vingt secondes, il a atteint une
vitesse de pointe de 1342 km.h-1, soit MACH 1,24 ! Dans une seconde phase, il a ouvert son
parachute. Au total, son saut depuis la stratosphère a duré neuf minutes et trois secondes.
Avec ce saut, trois records du monde ont été battus :
- « la chute la plus rapide » : il atteint une vitesse maximale de 1342 km.h-1
- « le saut le plus haut » : 39045m (ancien record : 31333 m)
- le plus haut voyage en ballon d'un homme : 39045m (ancien record : 34668 m)
Données :
- La chute d'un objet est dite libre si l'objet n'est soumis qu'à l'action de la Terre, et si on
peut négliger l'action de l'air. Lorsque l'action de l'air n'est pas négligeable, l'effet de l'air est
d'autant plus important que la vitesse de chute est grande.
- MACH 1 représente la vitesse du son à l'altitude considérée
- Masse de Félix Baumgartner et de son équipement : m = 120 kg
- constante de gravitation universelle G = 6,67 x 10-11 USI
- masse de la Terre MT = 5,98 x 1024 kg
- rayon de la Terre RT = 6380 km
- La poussée d'Archimède sera négligée dans toute cette partie
Document 1 : Description de l'atmosphère terrestre :
Zone de
l'atmosphère
troposphère
stratosphère
mésosphère
thermosphère
Altitude en km
De 0 à 10
De 10 à 50
De 50 à 80
Plus de 80
Masse volumique
moyenne de l'air en
kg.m-3
Entre 1 et 0,1
Entre 0,1 et 10-3
Entre 10-3 et 10-5
Moins de 10-5