Bac Blanc 2014-2014 Sciences Physiques – CORRECTION

Bac Blanc 2014-2014 Sciences Physiques – CORRECTION
EXERCICE 1 : L’IBUPROFÈNE
[7 PTS]
1. La molécule d’ibuprofène :
1. [0,5] Groupe caractéristique de la molécule :
Groupe –COOH (carboxyle)
Cette molécule est un acide carboxylique.
2. [0,25] Formule brute de l’ibuprofène : C13 H18O2
M = 13 ´ M ( C ) + 18 ´ M ( H ) + 2 ´ M (O )
3. [0,5] Masse molaire moléculaire M de l’ibuprofène :
M = 13 ´ 12,0 + 18 ´ 1,00 + 2 ´ 16,0 = 206,0 g.mol -1
4. [0,5] Une capsule contient une masse m = 400 mg d’ibuprofène.
Quantité de matière n en ibuprofène dans une capsule : n =
m 400.10-3
=
= 1,94.10-3 mol
M
206,0
5. [0,25] On doit obtenir le même nombre d’atomes de chaque type à droite et à gauche de l’équation
bilan. Ainsi, la molécule A a pour formule brute C2 H 4O2 .
O
6. [0,5] Formule de l'acide éthanoïque :
H3C
C
OH
Sa formule brute est bien C2 H 4O2 , donc
l’acide éthanoïque peut correspondre à la molécule A.
7. [0,25] Les deux molécules A et B ont la même formule brute mais des formules développées
différentes : ce sont des isomères.
8. [1] Sur les deux spectres IR, on a :
 La présence d’un pic de forte intensité vers 1700 cm-1, caractéristique de la liaison C=O
 La présence d’un pic vers 2800 cm-1, caractéristique de la liaison C-H
En revanche, seul le spectre IR 1 contient une bande large de forte intensité vers 3200 cm -1, caractéristique
de la liaison O-H.
Le spectre infra-rouge de l’acide éthanoïque correspond donc au spectre IR 1.
9. [0,5] Le signal (g) correspond à un déplacement chimique de 12 ppm. D’après le doc 5, cela
correspond au H porté par le O d’un groupement carboxyle.
Hydrogène associé au signal (g) :
10.
[0,25] L’hydrogène correspondant au signal (g) ne possède pas de voisin, ce qui explique que ce signal
soit un singulet.
11.
[1] Le signal (a) du spectre RMN :
 a un déplacement chimique d’environ 1 ppm : d’après le document 5, il correspond aux H d’un
groupement CH3, de de plusieurs groupements CH3 équivalents,
 le saut de la courbe d’intégration de ce signal est de rapport 6 (« six fois plus grande que celle du
signal (g) » d’après le document 4) : le groupement contient 6 H équivalents.
Hydrogènes associés au signal (a) :
12.
[0,5] Le signal (a) du spectre RMN est un doublet : le groupe concerné ne composte qu’un seul voisin.
En effet, ils possèdent le H suivant comme voisin :
2. Synthèse de l’ibuprofène par le procédé BHC :
2.1. [0,25] Les catalyseurs permettent de diminuer la vitesse d’une réaction chimique.
2.2. [0,25] Ces catalyses sont des catalyses hétérogènes (catalyseurs et produits ne sont pas dans le même état
physique).
2.3. [0,5] Il existe des catalyses homogènes et des catalyses enzymatiques.
EXERCICE N° 2 : ECHOLOCALISATION DES CHAUVES-SOURIS
[6,5 PTS]
1.
[0,5] Les cris ultrasonores sont des ultrasons, c’est-à-dire des ondes matérielles de fréquence supérieure à
20 000 Hz. On appelle onde la propagation d’une perturbation sans transport de matière. Les ondes sonores
sont des ondes matérielles (qui ne se propagent pas dans le vide).
2.
[0,25] Un ultrason est une onde longitudinale, car un point du milieu affecté par la perturbation se déplace
parallèlement à la direction de propagation de l’onde.
3.
[0,75] Sur le document 7, on mesure 7,2 cm
pour 150 µs.
De plus, on mesure 7,6 cm pour 5T, donc on
obtient :
.
1 7,6 ´ 150
T= ´
≃32 ms
5
7,2
5T
4.
[0,5] Fréquence fondamentale des signaux émis par les chauves-souris :
f1 =
1
1
=
= 3,1.104 Hz
-6
T 32.10
On a f1 > 20 000 Hz : il s’agit bien d’ultrasons.
5.
[0,5] Soit f1 la fréquence fondamentale. La fréquence de l’harmonique de rang n est donnée par : f n = n ´ f1 .
Fréquence de la première harmonique :
f 2 = 2 ´ f1 = 6,2.104 Hz
Fréquence de la deuxième harmonique :
f 3 = 3 ´ f1 = 9,3.104 Hz
6.
[0,25] Le phénomène qui perturbe la détection d’un écho est le phénomène de diffraction.
7.
[0,5] D’après le document 6, « Pour qu’une proie soit détectable, elle doit avoir une dimension supérieure à la
longueur d’onde du signal ultrasonore ».
Longueur d’onde du signal :
v
340
l = son =
= 1,1.10-2 m
f1
3,1.104
La taille minimale de l’objet pour qu’il soit détectable est donc de 1,1 cm.
8.
[1] Schéma modélisant la détection des distances d’une chauve-souris qui se rapproche d’un obstacle fixe :
Chauvesouris
Soit
t0
obstacle
D
l’instant auquel la chauve-souris émet un ultrason. Le signal rencontre un obstacle situé à la distance
D, il est alors réfléchi et renvoyé vers la chauve-souris, qui le reçoit à l’instant t1 . L’ultrason parcourt donc la
distance 2D à la vitesse vson pendant une durée Dt = t1 - t0 .
La chauve-souris peut donc estimer la distance D
la séparant de l’obstacle par :
.
vson ´ Dt
D=
2
9.
[0,75] Sur le document 8, on mesure 8,4 cm pour
500 ms.
De plus, on mesure 3,3 cm pour Dt , donc on
obtient : Dt = 3,3 ´ 500.10
8, 4
-3
≃0, 20 s .
La distance séparant la chauve-souris du mur vaut donc : D = vson ´ Dt = 340 ´ 0, 20 = 33 m
2
2
10. [0,25] Les radars utilisent l’effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques pour déterminer la
vitesse des véhicules.
11. [0,25] Lorsque la chauve-souris se rapproche d’un mur, l’écho perçu parcourt une distance plus faible que si
la chauve-souris était immobile. L’onde est alors « tassée », sa longueur d’onde est plus faible donc sa
fréquence est plus élevée que celle du signal émis.
12. [0,5] Cas de la formule (1) :
vson - v < vson + v
vson - v
<1
vson + v
f R < f0
Cette formule ne correspond pas au cas étudié.
Cas de la formule (2) :
vson + v > vson - v
vson + v
>1
vson - v
fR > f0
Cette formule peut correspondre au cas étudié.
13. [0,25]
20
340 +
vson + v
3,6
fR =
´ f0 =
´ 62.103 = 6,4.104 Hz
20
vson - v
340 3,6
14. [0,25]
v = vson ´
Df
880
= 340 ´
= 1,6 m.s -1
2 f0
2 ´ 93.103
EXERCICE N° 3 : BILAN CARBONE DE DEUX MOTORISATIONS
[6,5 PTS]
Questions préalables :
1. [0,5]Quantité de matière en octane consommée pour 100 km avec une voiture fonctionnant à l'essence : Doc.3
m
(2) → Voiture à essence consomme 6,5 L/100km. La quantité d'octane est n oct = oct et m oct= ρ×V oct donc
M oct
ρ×V oct 810×6,5
n oct =
=
=46,18 mol ; n oct =46 mol avec 2 c.s.
M oct
114
2. [0,5]Quantité de dioxyde de carbone produit :
avancement
n octane
n CO
état initial
x initial =0 mol
n oct
0
état intermédiaire
x
n oct −2 x
16 x
état final
xf
0 → → → → → → → → 8 n oct
2
On a n CO =8 noct =8×46,18=314 mol ; n CO =3,1.10 mol (2 c.s.)
3
3
[0,5]Volume de CO2 correspondant : V CO =V m . nCO =24×314=8,87.10 L ; V CO =8,9.10 L (2 c.s.)
[0,5]Quantité de matière en d'hydrogène consommée pour 100 km avec une voiture fonctionnant à l'aide d'une
m H 1,14.103
=
=570 mol (3 c.s.)
pile à combustible : Doc. 3 (1) → m H =1,14 kg donc n H =
MH
2,00
[0,5]Quantité de dioxyde de carbone produit pour faire rouler la voiture B sur 100 km : L'équation de
n H 570
vapoformage donne (tableau d'avancement) n ' CO =x et n H =4 x soit n ' CO = =
=142,5 mol ;
4
4
n ' CO =143 mol ( 3 c.s.)
3
[0,5]Volume de CO 2 correspondant : V ' CO =V m . n ' CO =24×143=3,42.10 L (3 c.s.)
2
3.
4.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
5.
2
2
2
2
6.
2
2
2
Remarque :
V CO
=2,6
2
V ' CO
2
Problématique : [1]
Peut-on espérer voir baisser de façon sensible la production de dioxyde de carbone si la fabrication de
véhicules fonctionnant avec une pile à combustible est réalisée à grande échelle :
Actuellement, le parc automobile est essentiellement constitué de voitures à essence et leur remplacement par
des véhicule fonctionnant sur la base d'une pile à combustible pourra sensiblement faire baisser la production
de dioxyde de carbone puisque à même puissance le volume dégagé en CO2 est 2,6 fois plus faible dans le cas
de l'utilisation d'une pile à combustible (voir les calculs précédents)
7. On se préoccupe maintenant de la production de dihydrogène :
En utilisant vos connaissances et la fig. 4, expliquer l'intérêt et les inconvénients
7.1. [0,75]du choix actuel de production d'électricité à partir de l'énergie nucléaire :
Inconvénient : déchets radioactif à longue durée de vie qu'il faut stocker; et des réserves de matière
première qui ne sont par renouvelées (épuisement des ressources).
Avantages : l'énergie nucléaire est la moins chère des énergies (14 € /GJ) et forme très peu de CO2
(18 kg/GJ) (voir la fig. 4).
7.2. [0,75]d'utiliser le vapoformage du gaz naturel :
Inconvénient : bien que majoritairement utilisée actuellement (Fig.1) le vapoformage du gaz naturel
libère beaucoup de CO2 (120 kg/GJ). Cette ressource n'est pas renouvelable non plus !
Avantages : le vapoformage par contre est à peine plus chère que l'énergie nucléaire (19€ /GJ)
7.3. [0,75]d'utiliser des énergies renouvelables.
Inconvénient : peuvent être assez chère (jusqu'à 60 €/GJ). La moins chère (hydraulique)nécessite
des emplacements en altitude (il y en a peu).
Avantages : ce sont des énergies dont la source ne s'épuise pas et libèrent très peu de CO2 (18
kg/GJ) sauf pour le photovoltaïque (le plus cher et formant le plus de CO2 ).
Le choix actuel est donc essentiellement un choix de prix, mais les préoccupation pour limiter la
production de CO2 va dans le sens d'une utilisation de plus en plus grande des énergies renouvelables.
[0,25] Clarté de la rédaction pour le point 7.