sujet tronc commun

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BACCALAUREAT GENERAL
BAC BLANC – LYCEE FRANCO COSTARICIEN
SESSION septembre 2009
PHYSIQUE – CHIMIE
Série S
DUREE DE L’EPREUVE : 3h30min – NOTE SUR 16 POINTS
Tronc commun : coefficient 6
L’usage des calculatrices est autorisé
Ce sujet comporte un exercice de PHYSIQUE et deux exercices de CHIMIE
présentés sur 12 pages numérotées de 1 à 12, y compris celle-ci et 4 annexes.
Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns
des autres :
Exercice 1 (9,5 points ) : Brouillard et vitesse (d’après bac Antilles 2004)
Exercice 2 (2,5 points) : Etude cinétique par suivi spectrophotométrique (bac
Polynésie 2003)
Exercice 3 (4 points) : Etude d’une solution d’hydroxylammonium (bac
Polynésie 2009)
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EXERCICE 1 (9,5 points) – BROUILLARD ET VITESSE (d’après bac
Antilles 2004)
Le brouillard est un phénomène qui réduit la visibilité à quelques dizaines de mètres. Il se
compose de très fines gouttelettes d’eau.
Les brouillards se forment lorsque l’air humide rencontre une zone froide. L’air devient alors
saturé en vapeur d’eau et celle-ci se condense pour former de très fines gouttelettes en
suspension dans l’air. C’est le même principe qui est la base de la formation des nuages. Le
brouillard est une forme de nuage qui touche le sol.
1. MODÈLE SIMPLE
Les gouttelettes qui se forment lors de cette condensation au voisinage du sol sont de très
petites dimensions (indiscernables à l’œil nu) ; nous allons considérer l’évolution d’une goutte
de brouillard sphérique, de rayon r, de masse m, située à une altitude h par rapport au sol et
soumise au seul champ de pesanteur terrestre.
On suppose la goutte immobile au début de l’étude, et on oriente l’espace par un axe vertical
descendant, repéré (Oz), dont l’origine est la position occupée par la goutte à cet instant
initial.
4
  r 3
eau = 1,0.103 kg.m–3
3
On considère que l’action d’une force de valeur F1 peut être négligée par rapport
à celle d’une force de valeur F2 si F2 > 100 F1
Données : g = 9,8 N.kg–1
volume du sphère : V =
1.1. Quelle propriété présente le champ de pesanteur terrestre dans un volume comparable à
celui d’une nappe de brouillard ? (ordre de grandeur : le km3)
1.2. Nommer et énoncer la loi qui, appliquée au centre d’inertie de la goutte, permet
d’exprimer son vecteur accélération.
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1.3. Établir l’équation horaire du centre d’inertie de la goutte de brouillard dans ces
conditions.
1.4. Calculer la vitesse de la goutte quand elle atteint le sol, en prenant h = 10 m.
2. FROTTEMENTS
En réalité, une observation minutieuse du brouillard à proximité du sol permet d'estimer la
vitesse constante de ses gouttelettes; on obtient: vL = 2,30  10–2 m.s–l.
Pour nous rapprocher des conditions réelles, envisageons d'autres forces agissant sur la
goutte de brouillard.
2.1. Donner l'expression de la poussée d’Archimède s'exerçant sur cette goutte en fonction de
air, de Vg (volume de la goutte) et de g, la masse volumique de l'air étant air = 1,3 kg.m–3.
2.2. Exprimer le poids de la goutte de brouillard en fonction de eau, de Vg et de g. Comparer
la valeur du poids de la goutte et la valeur de la poussée d’Archimède s’exerçant sur la goutte.
Conclure.
2.3. On envisage l'existence d'une force de frottement fluide exercée par l'air sur la goutte


pendant son déplacement, elle est exprimée sous la forme: f = –k. v
2.3.1. Établir alors l'équation différentielle à laquelle obéit le centre d'inertie de la
goutte de brouillard, dans son mouvement selon l’axe Oz, et la mettre sous la forme :
dv
= a.v + b (1)
dt
2.3.2. Identifier les constantes a et b et les exprimer en fonction des données de
l'énoncé.
2.3.3. Exprimer la vitesse limite atteinte par la goutte, vL, à partir de l'équation
différentielle précédente dans le cas où l'accélération du centre d'inertie de la goutte
s'annule, en fonction de m, g et k.
2.3.4. En utilisant l'expression obtenue, rechercher par analyse dimensionnelle, l'unité
du coefficient k qui intervient dans l’expression de la force de frottement.
3. BROUILLARD SIMULÉ.
Pour en savoir un peu plus à propos du brouillard, on utilise le dispositif suivant: une lunette
permet d'observer finement une zone située entre les deux armatures horizontales A et B d'un
condensateur plan ; l'armature supérieure est percée d'un orifice qui permet à l'opérateur de
pulvériser un brouillard de fines gouttelettes entre les deux armatures.
pulvérisateur
R
A
P
uc
Ue
N
B
lunette d'observation
i
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Le générateur délivre une tension positive constante de valeur Ue entre ses bornes P et N.
La valeur de la résistance est R ; on note uC la tension aux bornes du condensateur et uR celle
aux bornes du résistor;
3.1. On ferme l'interrupteur à t = 0.
3.1.1. Sur le schéma de l'annexe 1, indiquer le signe de la charge qui apparaît sur
chaque armature pour t > 0.
3.1.2. En considérant l'orientation choisie pour i, écrire la relation qui existe entre
l'intensité du courant i(t) et la charge acquise, notée q, par l'armature positive du
condensateur.
3.1.3. La charge acquise par le condensateur est à tout moment proportionnelle à uC :
q(t) = C .uC(t). En exploitant cette relation, établir l'expression liant i(t) à uC(t).
3.1.4. En déduire l'équation différentielle (2) à laquelle obéit la tension uC(t).
3.2. La solution analytique de l'équation différentielle (2) prend la forme:
t
uC(t) = Ue(1 – e RC ).
Vérifier que cette solution satisfait à l'équation différentielle (2).
4. ANALOGIE MÉCANIQUE -ÉLECTRIQUE.
On constate que l'évolution temporelle du système électrique «condensateur» est analogue à
celle du système mécanique «goutte de brouillard». En effet, l'équation différentielle (1) peut
également être résolue analytiquement; elle conduit alors à la solution suivante :
v(t) = vL . (1 – e
 kt
m
)
4.1. Identifier, parmi les propositions suivantes, en s'appuyant sur l'allure des courbes v = f(t)
et uC = f(t) données en annexe 2, le régime d'évolution commun aux deux systèmes étudiés.
a) régime divergent : la valeur de la grandeur physique étudiée tend à augmenter (en
valeur absolue) au cours du temps.
b) régime convergent: la valeur de la grandeur physique étudiée tend vers une valeur
limite constante; l'évolution du système présente alors deux phases distinctes: un
régime transitoire et un régime établi ou permanent.
c) régime périodique: la valeur de la grandeur physique étudiée se répète de manière
identique à intervalles de temps égaux.
4.2. Rappeler l'expression de la constante de temps  pour un circuit RC et réécrire
l'expression de uC(t) en fonction de .
4.3. En comparant les expressions de v(t) et uC(t), identifier et donner l'expression de la
constante de temps pour le système de la goutte de brouillard.
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5. BROUILLARD STABILISÉ.
Lorsque la tension aux bornes du condensateur est Ue, toute particule porteuse d'une charge

électrique q, est soumise à une force électrique, Fe , de direction perpendiculaire aux
armatures vérifiant l'expression Fe=
q.
Ue
d
« d » étant la distance séparant les
2 armatures A et B.
On pulvérise à présent entre les plaques du condensateur un brouillard de fines gouttelettes.
Au cours de cette opération celles-ci acquièrent, par frottement, une charge électrique « q »
négative.
La lunette permet d'observer les gouttelettes dans leur mouvement de chute.
Pour une tension Ue = 1,0.103 V, il est possible de les immobiliser.
5.1. Montrer que dans ces conditions les seules forces à prendre en compte sont le poids et la
force électrique.
5.2. À l'aide de la première loi de Newton, écrire la relation vectorielle entre ces deux forces
et les représenter sur le schéma de l'annexe 1.
5.3. Établir l’expression littérale de la valeur absolue de la charge q
En déduire sa valeur, sachant que d = 0,10 m et que le micromètre intégré à la lunette a
permis de déterminer le rayon moyen des gouttelettes, soit r = 5,4.10–6 m.
On rappelle les données de l'énoncé :
4
   r 3 ; eau = 1,0.103 kg.m–3
3
5.4. D'après le sens de la force électrique, déterminer le signe des charges QA et QB portées
par les armatures A et B du condensateur. Ce résultat est-il cohérent avec celui de la question
3?
g = 9,8 N.kg–1 ; volume du sphère : V =
EXERCICE 2 (2,5 points) -- ETUDE CINETIQUE PAR SUIVI
SPECTOPHOTOMETRIQUE (Bac Polynésie 2003)
On se propose d’étudier la cinétique de la transformation lente de décomposition de l’eau
oxygénée par les ions iodure en présence d’acide sulfurique, transformation considérée
comme totale.
L’équation de la réaction qui modélise la transformation d’oxydoréduction s’écrit :
H2O2(aq) + 2 I–(aq) + 2 H3O+(aq) = I2(aq) + 4 H2O(l)
La solution de diiode formée étant colorée, la transformation est suivie par
spectrophotométrie, méthode qui consiste à mesurer l'absorbance A de la solution,
grandeur proportionnelle à la concentration en diiode.
1. Étude théorique de la réaction
1.1. Donner la définition d'un oxydant, et celle d'un réducteur.
1.2. Identifier, dans l'équation de la réaction étudiée, les deux couples
d'oxydoréduction mis en jeu et écrire leurs demi-équations correspondantes.
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2. Suivi de la réaction
À la date t = 0 s, on mélange 20,0 mL d'une solution d'iodure de potassium de
concentration 0,10 mol.L-1 acidifiée avec de l'acide sulfurique en excès, 8,0 mL d'eau
et 2,0 mL d'eau oxygénée à 0,10 mol.L-1.
On remplit une cuve spectrophotométrique, et on relève les valeurs de l'absorbance au
cours du temps. On détermine alors, grâce à la loi de Beer-Lambert, la concentration [I2]
du diiode formé :
t (s)
0
126
434
682
930
1178
1420
[I2] (mmol.L–
1
)
0,00
1,74
4,06
5,16
5,84
6,26
6,53
2.1.

Le mélange initial est-il stœchiométrique ?
2.2. Établir le tableau descriptif de l'évolution du système (tableau d'avancement de
la transformation).
2.3.
Établir la relation entre [I2] et l'avancement x de la transformation.
2.4.
Déterminer l'avancement maximal. En déduire la valeur théorique de la
concentration en diiode formé lorsque la transformation est terminée.
3. Exploitation des résultats
La courbe en annexe 3 (à rendre avec la copie) représente les variations de l'avancement x
de la transformation en fonction du temps.
3.1. Donner la composition du mélange réactionnel pour t = 300 s.
3.2. Comment varie la vitesse volumique de réaction ? Justifier. Quel facteur
cinétique peut être responsable de cette variation ?
3.3.
Donner la définition du temps de demi-réaction, puis le déterminer.
EXERCICE 3 (4 points) – ETUDE D’UNE SOLUTION DE CHLORURE
D’HYDROXYLAMMONIUM (Polynésie française 2009)
Le chlorure d’hydroxylammonium de formule NH3OHCl est un solide ionique blanc
qui, industriellement, est utilisé dans la synthèse des colorants et de produits
pharmaceutiques. Il est très soluble dans l’eau.
On se propose d’étudier le caractère acide d’une solution aqueuse S de chlorure
d’hydroxylammonium préparée au laboratoire.
Données :
pKA(NH3OH+(aq) / NH2OH(aq)) = 6,0 à 25°C
1. Étude du couple ion hydroxylammonium / hydroxylamine.
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1.1. Écrire l’équation de dissolution du chlorure d’hydroxylammonium dans l’eau.
1.2. L’ion hydroxylammonium appartient au couple acide / base :
ion hydroxylammonium / hydroxylamine NH3OH+(aq) / NH2OH(aq)).
1.2.1. Donner la définition d’un acide au sens de Brønsted.
1.2.2. Écrire l’équation (1) de la réaction entre l’ion hydroxylammonium et
l’eau.
1.2.3. Déterminer le domaine de prédominance de chaque espèce du couple.
2. Dosage de la solution S
On dose un volume VA = 20,0 mL de la solution S par une solution aqueuse
d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO–(aq)) de concentration molaire en soluté
apporté CB = 2,5.10 –2 mol.L-1. On repère l’équivalence à l’aide d’un indicateur
coloré acido-basique.
2.1. Faire un schéma annoté du montage nécessaire à ce dosage.
2.2. Écrire l’équation (2) de la réaction de dosage entre les ions
hydroxylammonium NH3OH+(aq) et les ions hydroxyde HO-(aq).
2.3. Étude de l’équivalence
2.3.1. Définir l’équivalence.
2.3.2. Le pH à l’équivalence vaut 9,1.
Choisir un indicateur coloré convenant le mieux à ce dosage dans la liste
suivante et préciser le changement de couleur à l’équivalence.
Teinte de la forme
acide
Teinte de la forme
basique
Zone de virage
Hélianthine
rouge
jaune
3,1 – 4,4
Rouge de
méthyle
rouge
jaune
4,2 – 6,2
Phénolphtaléine
incolore
rose
8,2 – 10,0
2.3.3. Le virage de l’indicateur est obtenu pour un volume versé de la solution
aqueuse d’hydroxyde de sodium VBéq = 24,0 mL.
Déterminer la concentration molaire CA en soluté apporté de la solution
aqueuse S.
3.
Avancement de la réaction (1) de l’ion hydroxylammonium avec l’eau.
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3.1. Le pH de la solution aqueuse S est 3,8. En déduire la concentration des ions
oxonium H3O+ dans cette solution.
3.2. Compléter littéralement le tableau d’avancement de la réaction (1) en annexe 4
à rendre avec la copie.
3.3. Donner l’expression du taux d’avancement final  de cette réaction en fonction
de no et nf (H3O+) puis en fonction des concentrations molaires CA et [H3O+]f.
Calculer sa valeur. Cette réaction est-elle totale ?
3.4. Exprimer la constante d’acidité KA de la réaction (1) puis la calculer.
3.5. En déduire la valeur du pKA puis la comparer à celle donnée dans l’énoncé.
ANNEXE 1 (Exercice 1) A rendre avec la copie
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Schéma à compléter :
pulvérisateur
R
A
P
uc
Ue
N
B
i
lunette d'observation
ANNEXE 2 (Exercice 1)
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Vitesse 10–2 (m.s–1)
Vitesse de la goutte v = f(t)
0
Temps (s)
Tension en (V)
Charge d'un condensateur uC = f(t)
ANNEXE 3 (Exercice II) A rendre avec la copie
0
ANNEXE 3 (exercice 2) à rendre avec la copie
Temps (s)
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ANNEXE 4 (exercice 3) à rendre avec la copie
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Équation
chimique (1)
NH3OH+(aq)
+
H2O(l)
État du
système
Avancement
(mol)
État initial
0
État final
réel
xf
Solvant
État final si
la réaction
est totale
xmax
Solvant
=
Quantités de matière
(mol)
n0
Solvant