Baccalaureat blanc lundi 23 février 2004 physique-chimie








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date de publication27.01.2017
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BACCALAUREAT BLANC



Lundi 23 février 2004




PHYSIQUE-CHIMIE




Série S


DUREE DE L’EPREUVE : 3h30 – COEFFICIENT : 6


L’usage des calculatrices est autorisé



Ce sujet comporte un exercices de CHIMIE et deux exercices de PHYSIQUE présentés sur 7 pages numérotées de 1 à 8, y compris celle-ci, dont une annexe (page 8), à rendre avec la copie.
Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres.

 Chaque exercice sera rédigé sur une copie séparée.

EXERCICE I : Autour de l’acide benzoïque (8 points).
EXERCICE II : La fusion nucléaire dans ITER (7 points).
EXERCICE III : Sur la cuve à onde (5 points).

Exercice 1 : AUTOUR DE L’ACIDE BENZOIQUE (8 points)
Toutes les réactions envisagées dans cette exrecie se déroulent à 25°C. Dans ces condition l’acide benzoïque est un solide blanc ( s ) de formule C6H5CO2H et de masse molaire M = 122 g.mol-1.

Il est utilisé comme conservateur dans les boissons sous le code européen E210.


  1. Etude d’une solution d’acide benzoïque



Pour simplifier, l’acide benzoïque sera désigné dans la suite de l’exercice par la notation AH.

On dispose d’une solution aqueuse ( SA ) d’acide benzoïque de concentration molaire en soluté apporté

CA = 1,5.10-2 mol.L-1 . Son pH est égal à 3,0.
1.a Ecrire l’équation-bilan de la réaction entre l’acide benzoïque et l’eau.
1.b Définir puis calculer le taux d’avancement final de cette réaction.
1.c En déduire l’espèce chimique majoritaire dans cette solution.


  1. Etude d’une solution d’hydroxyde de sodium ( solution de soude )


On dispose d’autre part d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium ( SB ) de concentration molaire CB = 2,0.10-2 mol .L-1.
2.a Ecrire l’équation-bilan de la dissolution de l’hydroxyde de sodium.
2.b Calculer le pH de ( SB )

On donne le produit ionique de l’eau à 25 ° C : Ke = 1,0. 10-14


  1. Etude de la réaction entre la solution aqueuse d’acide benzoïque et la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium ( ou solution de soude )


La réaction acido-basique entre l’acide benzoïque et les ions hydroxyde est rapide et on souhaite savoir si elle est totale ou limitée. On mélange alors VA = 20,0 mL de solution ( SA ) avec VB = 5,0 mL de solution ( SB ).

Le pH du mélange obtenu est alors égal à 3,7.
3.a. Ecrire l’équation-bilan de la réaction.
3.b. Déterminer la concentration en ions oxonium H3O+ puis en ion hydroxyde HO- dans ce mélange.
3.c. Quelle est la quantité de matière n(HO-)f obtenue à l’état final dans le mélange ?
3.d. Compléter le tableau d’avancement de l’annexe 1. ( Seules les expressions littérales sont demandées )
3.e. Quelle serait la valeur de l’avancement maximal correspondant à une considérée comme réaction totale ?
3.f. Déduire du 3.c et du 3.d la valeur numérique de l’avancement final xf .
3.g. Déterminer le taux d’avancement final. Conclure.


  1. Dosage d’une solution d’ acide benzoïque par les ions hydroxyde

On souhaite déterminer la concentration C en soluté apporté d’une autre solution ( S ) d’acide benzoïque.

On prélève un volume V = 10,0 mL de solution (S) que l’on dose avec une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium de concentration molaire CB = 2,0.10-2 mol.L-1 . Le dosage est suivi par pH-métrie. La courbe obtenue pH = f ( VB ) est donnée en annexe 1 ainsi que la courbe dérivée dpH / dVB .

4.a. Faire un schéma annoté du dispositif utilisé pour réaliser ce titrage.
4.b. Définir l’équivalence
4.c. Déterminer par la méthode de votre choix ( clairement détaillée sur le graphe ) le volume de solution de soude versé à l’équivalence VE.
4.d. Déterminer la concentration molaire C en soluté apporté de la solution S.
4.e. Quel indicateur coloré parmi les trois proposés ci-dessous aurait-on pu choisir si le dosage avait été réalisé par colorimétrie ? Justifier.

Indicateur coloré

Zone de virage

Rouge de méthyle

4,2-6,2

Bleu de bromophénol

3,0-4,6

Rouge de crésol

7,2-8,8




  1. Comportement de l’ion benzoate en solution aqueuse

La base conjuguée de l’acide benzoïque est l’ion benzoate.

Le pKa du couple acide benzoïque/ion benzoate est pKA ( C6H5CO2H (aq) / C6H5CO2- (aq)) = 4,2

On dispose d’une solution de benzoate de soudium.
Réaction entre l’ion benzoate et l’eau :

5.a. Ecrire l’équation-bilan de la réaction acido-basique entre l’ion benzoate et l’eau.
5.b. Exprimer puis calculer la constante de réaction KR correspondante. Conclure.
5.c. Sur une échelle de pH, indiquer l’espèce chimique prédominante ( acide benzoïque ou ion benzoate ) dans la solution S’ de pH = 9,2. Commenter ce résultat.


Exercice 2 : La fusion nucléaire dans I.T.E.R (7 points )

C’est historique ! Après des décennies d’efforts, les progrès dans la maîtrise de la fusion nucléaire sont tels que le grand projet de réacteur ITER ( International Thermonuclear Expérimental Reactor) va enfin aboutir.

A la clé : un nucléaire à la fois sûr et propre.
........Car la fusion se présente comme une source d’énergie idéale. Sûre, propre, consommant des ressources disponibles dans l’eau de mer, ne rejetant que l’inoffensif gaz hélium dont le noyau constitue la particule , et laissant, cent ans après son arrêt, autant de déchets radioactifs qu’une centrale au charbon !

Avant d’en arriver là, plusieurs obstacles persistent. A commencer par la maîtrise de champs magnétiques surpuissants et de températures phénoménales ! En effet, une réacteur à fusion est une sorte de grosse chaudière perfectionnée, qui convertit en électricité la chaleur dégagée par la fusion des noyaux atomiques, - réaction en quelque sorte inverse de la fission. Car il existe deux types de réactions nucléaires : les noyaux d’atomes légers ( en dessous du fer) peuvent fusionner pour ne faire plus qu’un, tandis que les noyaux lourds peuvent « fissionner » c’est à dire se scinder en deux noyaux plus légers, sous l’effet d’un bombardement par neutron. Les deux réactions libérant de l’énergie, selon la célèbre formule d’Einstein .............
Mais , si la fission est artificiellement produite dans les centrales nucléaires actuelles, la fusion, elle, s'opère seulement dans quelques laboratoires et dans toutes les étoiles! Dans le Soleil, ce sont des noyaux d'hydrogène qui fusionnent naturellement, dans un formidable dégagement de chaleur. Dans un réacteur, la fusion la plus facile à obtenir est celle d'un noyau de deutérium avec un noyau de tritium, deux isotopes de l'hydrogène, c'est-à-dire des atomes d'hydrogène avec un surplus de neutrons: le noyau d'hydrogène n'est composé que d'un proton, alors que le deutérium comporte en plus un neutron et le tritium, deux neutrons.

Avantage inestimable : ces deux éléments sont abondants dans la nature. Le deutérium se trouve dans la simple eau de mer, à raison de 33 milligrammes par litre (un litre d'eau a alors la même capacité à produire de l'énergie que 300 litres de pétrole !), et le tritium est tiré du lithium, élément disponible sur Terre dans de nombreux gisements, et dans l'eau également, à raison de 0, 17 milligramme par litre. 300 kilogrammes de ce mélange deutérium/tritium suffiraient à faire tourner pendant un an une centrale électrique alimentant un million de personnes. ..

La fusion présente un autre atout sur la fission: elle ne laisse pas de déchets radioactifs de longue durée de vie, véritable casse-tête du nucléaire actuel. Et elle est sûre: la réaction ne peut pas s'emballer, contrairement à la fission, qui libère un neutron capable d'entraîner à son tour une nouvelle réaction. Dans une réaction de fusion, si l'on coupe l'alimentation en combustible, la réaction s'arrête. ...............................

Autre problème majeur: la température. Un réacteur à fusion ne peut simplement pas fonctionner à moins de 100 millions de degrés! Car la réaction est très difficile à obtenir, pour une raison simple : il faut que les deux noyaux de départ soient approchés très près l'un de l'autre, à 10-15 mètre (un milliardième de micromètre !), afin que la force d'interaction nucléaire qui peut les lier agisse.......
Extrait d’un article de Sciences et vie de Novembre 2003 par Cécile Bonneau

  • QUESTIONS :




  1. Relever dans le texte les raisons qui rendent la fusion nucléaire bien plus intéressante que la fission




  1. Expliquer du point de vue énergétique , grâce à courbe d’Aston fournie en annexe, la partie soulignée du texte et compléter les pointillés après « Einstein ».




  1. « Dans le Soleil, ce sont des noyaux d'hydrogène qui fusionnent..... » , par exemple :


+ +

Déterminer la valeur de x en la justifiant. Donner les noms des deux particules obtenues


  1. a- Recopier et compléter l’équation de la réaction nucléaire qui se produira dans ITER


+ +

Justifier et préciser les noms des particules et des noyaux qui interviennent dans cette réaction
4. b- Où trouve-t-on les réactifs de cette réaction nucléaire dans la nature ?
4. c- Calculer, en J, l’énergie E1 libérée par cette réaction nucléaire.
4. d- Calculer, en J, l’énergie E2 libérée par la fusion de 1,00 kg de mélange de deutérium et de tritium, sachant que 1,00 kg de ce mélange contient 200 moles de noyaux de deutérium et autant de noyaux de tritium.


  1. a- Calculer , en MeV, l’énergie E’3 dégagée par la fission d’un noyau d’uranium 235 suivant l’équation, réaction qui se produit dans une centrale nucléaire classique :


+ + + 2

5. b- Calculer le nombre de nombre de noyaux d’uranium contenus dans 1,00 kg d’uranium 235.
5. c- On appelle E3,l’énergie dégagée par la fission d’un kilogramme d’uranium 235. Vérifiez que E3 vaut 4,7.1026 MeV.
5. d- Comparer E3 à E2 , conclure.


  1. Pourquoi a-t-on besoin d’une telle température pour que la fusion soit possible ?



Données : NA = 6,02.1023 mol-1 ; c = 2,9979.108 m.s-1 ; 1 eV = 1,602.10-19 J
Une perte de masse de 1u libère une énergie de 931,5 MeV
1u = 1,660 540.10-27 kg


particule

masse de la particule



0,000550 u



1,007270 u



2,013550 u

ou 3,34360.10-27 kg



5,00739.10-27 kg



1,008660 u

ou 1,67493.10-27 kg



6,64469.10-27 kg



234,993320 u



139,891940 u



93,894460 u





Courbe d’Aston

Exercice 3 : Sur la cuve à ondes. ( 5 points)

Cet exercice comporte dix affirmations repérées par un texte écrit en gras concernant la propagation des ondes mécaniques progressives. A chaque affirmation vous répondrez donc par VRAI ou FAUX. Toute réponse doit être accompagnée de justifications ( définition, calcul, commentaire, schéma …) pour être prise en compte. Une réponse erronée n’entraîne pas de perte de points.





1. Des feuilles flottent sur l’eau calme d’une mare, on lâche un petit caillou verticalement au dessus de la surface de l’eau ( document 1) .
1.a- Il suffit de jeter un caillou dans l’eau pour que ces feuilles se rapprochent du rivage.

1.b- l’onde crée est une onde transversale.


Document 1




2.On photographie la propagation de l’onde crée par la chute d’une goutte d’eau sur une cuve à onde 0,35 seconde après l’impact de la goutte sur la surface de l’eau. (document 2).
2.a- Cette onde est périodique.

2.b- La vitesse de propagation de la perturbation varie pour les différentes longueurs d’onde.

2.c- Cette photographie met en évidence le phénomène de diffraction.


Document 2



3. On filme sur une cuve à onde la propagation d’une onde mécanique progressive à la surface de l’eau. Sur l’enregistrement proposé 25 images par seconde sont utilisées. Entre la première et la seizième image, on compte 8 creux qui passent par l’origine 0.

A chaque image on pointe d’une croix la position d’un même creux, on relève ainsi a chaque image l’abscisse x de la position de ce creux. Le document 3 ci-contre montre la 13ème image et les pointages correspondants.

3.a) La période l’onde mécanique est de 75 ms.

3.b) Le graphe représentatif de la position x en fonction du temps t est une droite dont le coefficient directeur est T ; la période de l’onde.

3.c) La longueur d’onde vaut 6 mm.

 ≈ 60°



4. On photographie sur la cuve à onde une onde mécanique progressive périodique de longueur d’onde = 1,0 cm qui vient rencontrer un obstacle percé d’une fente. Les deux traits représentés sur la photographie représentent les minimums d’amplitude de l’onde après le passage de l’obstacle. Hélas la fente est difficilement visible sur la photographie.
4
Document 4

.a-
Si la fente avait été plus étroite ; l’angle  aurait été plus petit.

4.b- La largeur de la fente est de 19 cm. (un calcul est attendu)

Annexe 1  : AUTOUR DE L’ACIDE BENZOIQUE (8 points) ( A rendre avec la copie )

N
Numérotez cette page
/
e porter aucun nom ni prénom sur cette feuille

Tableau d’avancement du 3.d- ( A rendre avec la copie )

Equation de la réaction

HA (aq) + …… = …………. + ………


Etat du système

Avancement ( mol )

Quantités de matière ( mol )


Etat initial


Xi = 0












Etat final



Xf = Xéq















Suivi pH-métrique du dosage de l’acide benzoïque par les ions hydroxyde ( A rendre avec la copie )






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