Spécialité TS EVALUATION N°2 (1h30)
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Spécialité TS EVALUATION N°2 (1h30) Toutes les réponses doivent être rédigées et justifiées !! Conseil : même si vous ne répondez pas entièrement à la question du problème, toute tentative d'analyse ou de résolution du problème sera prise en compte dans la notation. N'oubliez pas que différents moyens de « communication » vous sont disponibles, entre autres les schémas, graphiques, calculs, etc... Les cinq compétences évaluées seront : – S’approprier le problème. – Etablir une stratégie de résolution (analyser). – Mettre en œuvre la stratégie (réaliser). – Avoir un regard critique sur les résultats obtenus (valider). – Communiquer. A partir des documents ci-dessous, répondre aux questions suivantes : 1/ Dans les textiles, quel est l’intérêt d’utiliser des nanoparticules d’argent ? 2/ En une quinzaine de lignes, décrire le mode d’action des ions argent sur une bactérie. Expliquer l’augmentation de la perméabilité de la membrane cytoplasmique bactérienne en présence d’ions argent. Indiquer la manière dont ces ions s’assimilent à l’ADN de la bactérie. Préciser la nature des liaisons rompues et les sites de fixation. Madame D, dirigeante d’une société de dépannage à domicile, est soucieuse de l’impact que son entreprise peut avoir sur l’environnement. Afin de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et ainsi améliorer le bilan carbone de son entreprise, elle envisage d’installer 70m² de panneaux solaires sur le toit de ses bâtiments et elle se demande si son installation solaire permettrait de générer l’électricité nécessaire au rechargement du véhicule à hydrogène de sa société qui parcourt en moyenne 20 000 km par an. Vous rédigerez un rapport argumenté (des chiffres !) et critique expliquant succinctement le principe de fonctionnement d’un panneau photovoltaïque et d’une voiture à hydrogène et répondant à l’interrogation de Madame D (30 lignes maximum). L’ensemble des calculs nécessaires sera présenté séparément, à la suite du rapport. DOCUMENTS DE L’EXERCICE 1 Document 1: De l’argent dans nos vêtements ! «Dans le secteur textiles et habillement, ce sont les nanoparticules d’argent (Ag) qui ont la côte. L’argent est connu depuis l’Antiquité pour ses qualités « favorables » à la santé (chez les Phéniciens et les Romains). On sait aujourd’hui que l’argent est bactéricide, d’où son usage en cuisine (couverts et récipients). L’effet bactéricide de l’argent est lié au fait que ce métal s’ionise lentement. A l’état de nanoparticules, le taux d’ionisation s’accroît considérablement, ce qui en fait un puissant bactéricide. De là à l’utiliser dans le textile, il n’y a qu’un pas manifestement déjà franchi par de nombreuses firmes, en quête de nouveaux marchés. L’argent est introduit dans les fibres pour éviter les problèmes de dégradation liés aux micro-organismes, comme les odeurs de transpiration ou la décoloration. De nombreuses marques de chaussettes et de bas intègrent cette technologie de même que des vêtements de sport. La technologie argent - en fait le recours aux nanoparticules d’argent - est évidemment tout indiqué pour les tissus à usage médical. C’est ainsi que de nombreux fabricants de bandages ont mis sur le marché des pansements à nanoparticules d’argent, vendus librement en pharmacie.» Par Paul Lannoye, culture éducative permanente, Belgique Document 2 : Structure de la membrane plasmique Les parties hydrophiles (tête) des molécules de phospholipides restent en contact avec l’eau et sont chargées négativement, tandis que la partie hydrophobe (queue) est protégée à l’intérieur de la structure. Document 3 : Mode d'action des ions Ag+ «Les ions Ag+ ont une action bactéricide sur un grand nombre de souches et ont des effets complémentaires sur le métabolisme des bactéries : - arrêt du processus de réplication de l'ADN bactérien - diminution de la résistance de la paroi - augmentation de la perméabilité au niveau de la membrane cytoplasmique bactérienne - inhibition des enzymes respiratoires provoquant une asphyxie de la bactérie». DOCUMENTS DE L’EXERCICE 2 Document 1 : Panneau photovoltaïque Le rendement de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique des cellules photovoltaïques est de l’ordre de 20%. La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface de panneau est 200 W.m-2. L’énergie, la puissance et le temps sont reliés par la relation suivante : E = P t (avec le temps en seconde) Document 2 : Une voiture à hydrogène Une voiture à hydrogène dispose d’un moteur électrique alimenté par une pile à combustible. Cette pile fonctionne grâce à une réaction d’oxydoréduction. Le dihydrogène contenu dans le réservoir de la voiture réagit avec le dioxygène de l’air qui est insufflé par un compresseur placé dans le compartiment moteur. L’énergie électrique est produite par l’alternateur, et l’eau générée par la transformation est expulsée via le tuyau « d’échappement ». Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile est stocké à l’état gazeux sous une pression de 350 bar dans un réservoir de 110 L placé à l’arrière. Cette capacité de stockage confère au véhicule une autonomie de 200km. Pour des raisons pratiques et de sécurité, le constructeur a opté pour une solution dans laquelle le dihydrogène est directement produit dans le véhicule par électrolyse de l’eau. A l’intérieur du réservoir, le volume occupé par une mole de dihydrogène gazeux, appelé volume molaire, est égal à 0,070 L.mol-1 lorsque le réservoir est plein. Document 3 : Production de dihydrogène par électrolyse Le dihydrogène est produit par une électrolyse de l’eau donc l’équation est la suivante : 2H2O(l) 2H2(g) + O2(g) L’énergie chimique à fournir pour former une mole de dihydrogène est 286.103 J.mol-1 Seuls 60% de l’énergie électrique nécessaire à cette électrolyse sont transformés en énergie chimique utilisable pour la réaction chimique. CORRECTION A partir des documents ci-dessous, répondre aux questions suivantes : 1/ Dans les textiles, quel est l’intérêt d’utiliser des nanoparticules d’argent ? L'argent est connu depuis l'Antiquité pour ses propriétés en médecine. À l’état de nanoparticules, le taux d’ionisation de l’argent s’accroît considérablement, ce qui en fait un puissant bactéricide. Ces nanoparticules sont intégrées dans les fibres textiles (par exemple des chaussettes ou des vêtements de sport), et en tuant les bactéries, elles empêchent la formation de mauvaises odeurs ou de décoloration dues à l'action de ces dernières (sur les molécules organiques de la sueur). 2/ En une quinzaine de lignes, décrire le mode d’action des ions argent sur une bactérie. Expliquer l’augmentation de la perméabilité de la membrane cytoplasmique bactérienne en présence d’ions argent. Indiquer la manière dont ces ions s’assimilent à l’ADN de la bactérie. Préciser la nature des liaisons rompues et les sites de fixation. Tentons de présenter le mode d’action des ions argent sur une bactérie : La première action : les ions d’argent (qui sont des nanoparticules) en concentration suffisamment élevée (70 à 100 ppm) perturbe et augmente la perméabilité de la membrane cytoplasmique. Détaillons un peu le mécanisme. Les ions argent chargés positivement forment des composés électrostatiques avec la surface des membranes bactériennes hydrophiles et chargées négativement (voir légende du document 2). Ces composés modifient la perméabilité des membranes cytoplasmique bactérienne. Une fois la membrane cytoplasmique perméable, d'autres Ag+ pénètrent dans le cytoplasme puis dans le noyau. La deuxième action se fait via l'arrêt de la réplication semi-conservative de l'ADN bactérien. Les bases de la molécule d’ADN s’apparient par liaisons hydrogène selon une loi de correspondance stricte : l’adénine (A) avec la thymine (T) et la guanine (G) avec la cytosine (C). Ces liaisons sont faibles (liaisons hydrogène) et sont rompues lors de la réplication de l’ADN. Dans la figure du doc.3, on voit que les ions Ag+, chargés positivement, peuvent se fixer par des liaisons ioniques sur le site de la Guanine (G) et sur le site de l’Adénine (A). Le processus de réplication semi-conservative est arrêté car il n'y a plus reconnaissance des bases azotées par l'ADN polymérase quand l'ion Ag+ s'y est substitué, donc impossibilité de synthétiser un nouveau brin. C’est donc la fin de la multiplication et donc de la prolifération bactérienne ! Et enfin, l’ion Ag+ provoque l’inhibition des enzymes respiratoires (asphyxie de la bactérie) Définition : réplication semi-conservative = multiplication de la quantité d'ADN par deux pendant l'interphase, la double hélice s'ouvre et deux nouveaux brins sont synthétisés par complémentarité des bases azotées de chaque brin via des liaisons hydrogène, A-T et G-C). Attention : 30 lignes maximum !! L’ensemble des calculs nécessaires sera présenté séparément, à la suite du rapport. Madame D Soucieuse de l’impact que votre entreprise peut avoir sur l’environnement, vous me demandez de dresser un bilan sur l’intérêt énergétique d’installer des panneaux photovoltaïques pour recharger votre véhicule à hydrogène. Voici quelques pistes de réflexion. Les panneaux photovoltaïques convertissent une énergie solaire inépuisable et énergie électrique. Ils sont constitués de deux plaques de semi-conducteurs dopés n et p. Par diffusion naturelle d’électrons, un champ électrique interne s’établit dans la cellule. Les photons du soleil permettent de faire passer des électrons du semi-conducteur dopé n de la bande de valence à la bande de conduction. Sous l’effet du champ électrique, ils sont mis en mouvement générant un courant électrique. Si l’on se base sur une luminosité convenable environ 12h par jour, l’énergie solaire reçue par 70m² de panneaux photovoltaïques est évalué à 2,2.1011J. Avec un rendement de conversion de 20%, vous pouvez espérer récupérer 4,4.1010J d’énergie électrique par an. Voyons maintenant quelle est la consommation énergétique annuelle de votre véhicule. Votre moteur électrique doit être alimenté par une pile à combustible dont les réactifs sont le dihydrogène et le dioxygène. Si ce dernier est accessible dans l’air, le dihydrogène doit en revanche être fabriqué par électrolyse et stocké. Pour pouvoir réaliser une électrolyse, un apport d’énergie électrique est indispensable. Le réservoir de 110L confère une autonomie de 200km à votre véhicule. Or vous estimez parcourir en moyenne 20000km par an soit 1,10.102L ou 1,6.105mol de dihydrogène. Le dihydrogène est produit par électrolyse et seul 70% de l’énergie électrique nécessaire sont transformés en énergie chimique renouvelable. Annuellement, vous avez donc besoin d’un apport énergétique de 7,5.1010J. Il est donc insuffisant de placer 70m² de panneaux photovoltaïques sur le toit de vos bâtiments pour recharger votre véhicule. J’ajouterais que la production irrégulière d’énergie (lié aux conditions météorologiques) et le fait que les panneaux produisent beaucoup l'été ( vos employés sont alors en vacances) risque de vous rendre encore moins autonome que prévu … De plus, le coût élevé à la fois des panneaux solaires mais également des installations nécessaires comme les moyens de stockage de l'énergie est à prendre en compte dans votre budget. Cependant, sachez que les panneaux solaires ne sont encore que peu utilisés et ont une forte marge d'évolution et un avenir prometteur. Il n’est donc pas exclu que votre projet soit énergétiquement rentable d’ici quelques années… Calculs : 70m² panneaux photovoltaïques Esolaire = PS * S * t = 200 * 70 * 365.25 * 12 * 3600 = 2,2.1011J Eélectrique = r * Esolaire = 20%* 2,2.1011 = 4,4.1010J (PS = puissance surfacique) Véhicule électrique VH2 nécessaire= 1,10.104L nH2 = V / Vm = 1,10.104 / 0.070 = 1,6.105mol Echimique = nH2 * Emolaire = 1,6.105 * 286.103 = 4,5.1010J Sachant que Echimique = Eélectrique * r alors Eélectrique = Echimique / r = 4,5.1010/60% = 7,5.1010J.
