Annales DNB - Organisation et transformations de la matière
Des cylindres de glace, de formule chimique H2O, appelées « carottes », sont prélevés dans les régions polaires et dans les glaciers des montagnes ; ils contiennent des renseignements précieux pour l’étude du climat.
L’élément oxygène se trouve notamment sous la forme de trois atomes stables nommés oxygène 16, oxygène 17 et oxygène 18. À partir de la proportion d’oxygène 18 par rapport à l’oxygène 16 dans la glace, les chercheurs déterminent la température de l’atmosphère au moment de la formation de la glace.
Document 1 : Un modèle de l’atome d’oxygène
Document 2 : Les fiches d’identité des atomes d’oxygène stables
Question 1 (7 points)
1a– Légender le document 1, en affectant à chaque numéro un nom parmi les propositions suivantes : noyau, électrons, proton, neutron.
La légende du schéma est :
- 1 : électrons
- 2 : proton
- 3 : neutron
- 4 : noyau
1b– Quel est le nombre de protons présents dans chacun des 3 atomes d’oxygène ? Justifier vos réponses par une phrase.
Le numéro atomique correspond au nombre de protons dans l’atome. Chacun des atomes d’oxygène contient donc 8 protons. On peut également justifier sa réponse en indiquant qu’un atome est électriquement neutre : il contient autant d’électrons que de protons (soit 8 pour les 3 atomes d’oxygène).
L’analyse des bulles d’air piégées dans la glace permet de déterminer la quantité de dioxyde de carbone CO2 contenu dans l’atmosphère du passé.
Document 3 : Évolution du pourcentage en volume de CO2 dans l’air au cours des années.
Données : https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/atmospheric-concentration-of-co2-ppm-1
Question 2 (8,5 points)
2a- En utilisant le graphique du document 3, indiquer le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air en 1910.
En 1910, le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air est de 0,030% (voir la ligne de projection en vert sur le graphique ci-dessous).
2b- En quelle année ce pourcentage a-t-il atteint 0,037 % ?
Ce pourcentage a atteint 0,037 % en l’an 2000 (voir les lignes de projection en rouge sur le graphique ci-dessus).
2c– Comparer, en citant des données du graphe, l’évolution du pourcentage de CO2 en volume dans l’air, entre 1810 et 1950 puis entre 1950 et 2010.
En 1810, le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air est de 0,0285 %, en 1950 de 0,0310 %, en 2010 de 0,039 %. Entre 1810 et 1950, la progression est donc de +0,0025 % et entre 1950 et 2010 de + 0,0080 %. Le le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air augmente donc plus rapidement après 1950.
2d– Quelle valeur pourrait atteindre ce pourcentage en 2020 ? Décrire et critiquer la méthode utilisée.
Si on poursuit le tracé de la courbe (voir courbe bleue sur le graphique précédent), on pourrait atteindre un pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air de 0,041 % en 2020. Limite de la méthode : on ne sait pas si l’augmentation va suivre la même progression dans les années à venir.
En 2019, la France organise la coupe du monde de football féminin. À cette occasion, les fabricants de matériel sportif mettent en avant des chaussures de football à la fois légères et performantes dédiées spécifiquement aux femmes. Ces innovations sont permises par la recherche en science des matériaux et répondent aux exigences toujours plus grandes des sportifs.
Document 1 : les chaussures de football en PEBA
Bon nombre de joueuses professionnelles utilisent des chaussures de football en PEBA ou PolyEster Block Amide. Ce matériau peu dense permet d’obtenir des chaussures qui sont 20 % plus légères. Qu’il fasse chaud ou froid, sur terrain enneigé ou sec, le PEBA reste stable. De plus, la semelle peut se plier un million de fois sans se dégrader grâce à l’élasticité exceptionnel du PEBA, c’est -à-dire à sa capacité emmagasiner et à restituer l’énergie comme le ferait un ressort. Cela procure une sensation de dynamisme et d’adhérence au terrain, ainsi qu’un toucher de balle exceptionnel.
D’après www.pebaxpowered.com
Document 2 : De l’huile de ricin au PEBA
Question 1 (9 points) :
1a– À partir du document 1, citer trois qualités du matériau nommé PEBA.
D’après le document 1, les trois qualités du matériau nommé PEBA sont : légéreté, élasticité, stabilité quelque soit la température.
On désire représenter les les transformations chimiques successives permettant d’obtenir le PEBA à l’aide du diagramme suivant :
1c– À partir du document 2, donner le nom des espèces chimiques associées aux repères A, B et C de ce diagramme.
Less espèces chimiques associées aux repères A, B et C de ce diagramme sont respectivement l’acide ricinolèique, le rilsan, le polyéther :
Les verres correcteurs actuels équipant les lunettes sont généralement composés d’un matériau nommé CR39 qui remplace de plus en plus souvent d’autres matériaux tels que le crown. L’utilisation du CR39 à la place du crown permet de diviser par deux ou trois environ la masse d’un verre correcteur.
Document 1 : caractéristiques d’un verre correcteur en CR39
| Forme | Le verre est bombé. Dimensions approximatives: 30 mm x 50 mm. L’épaisseur n’est pas uniforme. |
| Masse | 4,1 g |
| Volume | 3,1 mL |
Question 1 (4 points) :
Le CR39 est fabriqué à partir d’une substance constituée de molécules de formule $\mathrm{C_{12}H_{18} O_{7}}$. Indiquer la composition atomique de cette molécule.
La molécule de formule $\mathrm{C_{12}H_{18} O_{7}}$ est composée de 12 atomes de carbone (de symbole C), 18 atomes d’hydrogène (de symbole H), 7 atomes d’oxygène (de symbole O).
L’un des intérêts du matériau CR39 est sa faible masse volumique par rapport à celle du crown, généralement comprise entre 2,2 et 3,8 g/mL.
Question 2 (8 points) :
A l’aide de calculs détaillés, justifier l’affirmation : « l’utilisation du CR39 à la place du crown permet de diviser par deux ou trois environ la masse d’un verre correcteur ».
Calculons la masse d’un verre correcteur en crown afin de la comparer à la masse d’un verre correcteur en CR39.
La masse volumique $\rho$ (en g/mL) est donnée par la relation :
\[ \large \rho = \frac{m}{V}\]
avec $m$ : masse (en g), $V$ : volume (en mL)
d’où : \[\large m= \rho \times {V}\]
avec $\rho_{crown}$ compris entre $2,2$ et $3,9$ $g/mL$ (masse volumique du crown) et $V = 3,1\ mL$ (volume du verre correcteur)
$ \large m_{min}= 2,2 \times {3,1} \approx 6,8 g$
$\large m_{max}= 3,8 \times {3,1} \approx 12 g$
La masse d’un verre en correcteur en crown est comprise comprise entre $6,8\ g$ et $12\ g$. La masse d’un verre correcteur en CR39 est de $\ 4,1 g$.
$$\large \frac{6,8}{4,1}\approx 1,7$$ $$\large \frac{12}{4,1}\approx 2,9$$
L’affirmation « l’utilisation du CR39 à la place du crown permet de diviser par deux ou trois environ la masse d’un verre correcteur » est donc correcte.
Manipulation d'une formule
\[\large \rho = \frac{m}{V} \]
Pour calculer $ m$ connaissant $ V$ et $ \rho$, il faut isoler $ m$, c’est à dire obtenir une relation de la forme $ m =$ ….
Pour isoler $ m$, il faut « enlever » le $\large\dfrac {}{V}$, donc multiplier par $ V$ les deux membres de l’équation :
\[\large \rho\times{V} = \dfrac{m}{V}\times V\]
\[ \large \rho\times{V} = \dfrac{m}{\bcancel V}\times \bcancel V\]
Après simplification :
\[\large \rho \times V= m \]
soit \[ \large m = \rho \times {V} \]
Document 2 : caractéristiques de quelques éprouvettes graduées
| Capacité (mL) |
Précision (mL) |
Graduation (mL) |
Diamètre intérieur (mm) |
Hauteur intérieur (mm) |
|---|---|---|---|---|
| 10 | $\pm 0,2$ | 0,2 | 14 | 65 |
| 50 | $\pm 1,0$ | 0,5 | 25 | 102 |
| 100 | $\pm 1,0$ | 1 | 29 | 152 |
| 250 | $\pm 2,0$ | 2 | 43 | 173 |
| 500 | $\pm 5,0$ | 5 | 53 | 227 |
Pour déterminer le volume d’un verre correcteur en CR39, on utilise une éprouvette graduée et de l’eau.
Question 3 (4 points) :
Le laboratoire dispose de diverses éprouvettes dont les caractéristiques sont données dans le document 2.
Choisir l’éprouvette la plus adaptée à la mesure que l’on veut faire, en justifiant à partir des données des documents 1 et 2.
Compte tenu des dimension du verre correcteur ( 30 mm × 50 mm), seules les éprouvettes de diamètre intérieur supérieur à 30 mm sont utilisables : les éprouvettes de capacité 250 mL et 500 mL . On cherche à avoir la mesure la plus précise possible, on choisit donc l’éprouvette de 250 mL (précision de ±2,0 mL) .
Remarque : d’après le document 1, le volume du verre correcteur est de 3,1 mL. Avec l’éprouvette de 250 mL (précision de ±2,0 mL), la mesure du volume sera de toute façon très imprécise.
Question 4 (6 points) :
Expliquer la méthode de mesure et la schématiser.
On mesure le volume par déplacement d’eau. On verse de l’eau dans l’éprouvette. On mesure le volume (V1). On plonge ensuite le verre correcteur dans l’eau (ce dernier doit être entièrement immergé). On mesure à nouveau le volume (V2). On trouve le volume du verre correcteur par soustraction des 2 volumes : Vverre correcteur = V2 – V1
Le schéma est à faire à la règle et au crayon à papier.
Question 3 ( points) :
parmi les propositions suivantes, choisir, en la justifiant, celle qui permet d’améliorer la précision de cette mesure en gardant la même éprouvette :
- proposition a : augmenter le volume d’eau.
- proposition b : mesurer le volume total de plusieurs verres identiques.
- proposition c: remplacer l’eau par un liquide de masse volumique plus petite.
Augmenter le volume d’eau et remplacer l’eau par un liquide de masse volumique plus petite n’ont pas d’influence sur la précision de la mesure.
En mesurant le volume total de plusieurs verres identiques, on va augmenter la différence de volume entre V1 et V2 et donc améliorer la précision de la mesure. Pour obtenir le volume d’un verre correcteur, il suffira de diviser le volume obtenu par le nombre total de verres correcteurs. La réponse correcte est la proposition b.
Fabriqué à partir d’un corps gras (beurre, huile, suif … ) et de soude, le savon possède des propriétés propices au lavage et à l’hygiène corporelle.
1. La fabrication du savon de Marseille (10 points)
1.1. La réaction entre l’huile d’olive et la soude est une étape de la fabrication du savon de Marseille. L’équation de la réaction chimique est :
\[\mathrm{C_{57}H_{104} O_{76} + 3\ HO^{-} \longrightarrow 3\ C_{18}H_{33} O_{2}^{-} + C_{3}H_{8} O_{3} }\]
1.1.1. Indiquer la nature des entités chimiques de formules $\mathrm{C_{18}H_{33} O_{2}^{-}}$ et $\mathrm{C_{3}H_{8} O_{3}}$ en choisissant parmi les termes : atome, molécule, ion.
L’ entité chimique de formule $\mathrm{C_{18}H_{33} O_{2}^{-}}$ est un ion car elle est électriquement chargée (signe -).
L’ entité chimique de formule $\mathrm{C_{3}H_{8} O_{3}}$ est une molécule (elle constituée de plusieurs atomes).
1.1.2. Donner le nom et le nombre de chaque atome présent dans la formule chimique $\mathrm{C_{57}H_{104} O_{76}}$ du constituant majoritaire de l’huile d’olive.
La formule chimique $\mathrm{C_{57}H_{104} O_{76}}$ est constituée de 57 atomes de carbone (de symbole C), de 104 atomes de d’hydrogène (de symbole H) et de 76 atomes d’oxygène (de symbole O)
1.2. Le document 1 présente l’étiquette d’une bouteille de solution d’hydroxyde de sodium (soude).
Document 1 ;
Corrosif
HYDROXYDE DE SODIUM
$\mathrm{(Na^{+}\ +\ HO^{-})}$
1.2.1. La solution d’hydroxyde de sodium est très basique. Parmi les propositions A, B et C, indiquer celle correspondant à la valeur de son pH.
A : pH > 7 B : pH = 7 C : pH < 7
Une solution basique a un pH > 7, la bonne réponse est donc la A.
1.2.2. Nommer l’ion responsable du caractère basique de la solution d’hydroxyde de sodium.
L’ion responsable du caractère basique de la solution d’hydroxyde de sodium est l’ion $\mathrm{HO^{-}}$.
1.2.3. Citer deux moyens de protection à recommander pour utiliser la solution l’hydroxyde de sodium en toute sécurité.
Le pictogramme indique que le produit est corrosif. Utiliser des gants et des lunettes de sécurité sont deux moyens de protection à recommander pour utiliser la solution l’hydroxyde de sodium en toute sécurité.
2.2. Extraction du jus
Après avoir broyé puis pressé les olives, un jus composé d’huile d’olive et d’eau est récupéré. L’huile d’olive est non miscible avec l’eau et sa masse volumique est plus petite que celle de l’eau.
Schématiser le mélange eau – huile d’olive, après repos, dans un récipient. Légender le schéma.
Le schéma est à faire au crayon à papier et à la règle. L’huile d’olive est non miscible avec l’eau donc l’huile et l’eau constituent deux phases séparées. La masse volumique de l’huile est plus petite que celle de l’eau donc l’huile va se trouver se trouver dans la phase supérieure (au-dessus de l’eau).
3. Un label à conserver (7 points)
Pour obtenir le label « savon de Marseille », l’unique corps gras autorisé est l’huile d’olive. Au port de Marseille, de nombreuses huiles différentes arrivent quotidiennement par bateau.
Un industriel possède une savonnerie qui produit exclusivement du savon de Marseille. Il demande à un stagiaire, de réaliser une expérience permettant de vérifier que l’huile reçue est effectivement de l’huile d’olive.
Voici l’expérience réalisée par le stagiaire :
A partir de l’expérience ci-dessus et en s’appuyant sur le document 3, indiquer si le stagiaire pourra conclure sur la nature de l’huile testée. Un raisonnement et des calculs sont attendus.
Pour trouver la nature de l’huile testée, il faut calculer sa masse volumique.
La masse volumique $\rho$ (en g/mL) est donnée par la relation :
\[ \large \rho = \frac{m}{V}\]
avec $m$ : masse (en g), $V$ : volume (en mL)
D’après l’expérience, la masse de l’huile testée est $m_{huile\ testée}\ =\ 26,7\ -\ 15,3\ =\ 11,4\ g $ (on soustrait la masse de l’éprouvette graduée vide afin de n’avoir que la masse de l’huile) et le volume de l’huile testée est de $V = 12,5\ mL$ (lecture sur l’éprouvette dans l’étape 2)
\[ \large \rho = \frac{11,4\ g}{12,5\ mL}\]
\[ \large \rho = \ 0,912\ g/mL\]
La masse volumique de l’huile testée est de $\ 0,912\ g/mL$.
D’après le document 3 (voir la projection en rouge sur le graphique ci-dessous), deux huiles sont possibles (huile de colza et huile d’olive). Le stagiaire ne pourra donc pas conclure sur la nature de l’huile testée.
Dans les grandes villes, la qualité de l’air est contrôlée en permanence, afin de préserver la santé des habitants. Si certains seuils de polluants (ozone, microparticules,…) sont dépassés, les pouvoirs publics prennent des mesures de prévention, comme la réduction de la vitesse des véhicules sur les voies périphériques.
On s’intéresse ici à la composition de l’air en ville et à l’apparition de l’ozone en cas de pollution. On étudie ensuite un système de surveillance de la qualité de l’air : le LIDAR.
Document 1 : La composition de l’air (en volume)
Question 1 (2,5 points)
Les deux principaux constituants de l’air sont le diazote (formule chimique : $\mathrm{N_{2}}$). et le dioxygène (formule chimique : $\mathrm{O_{2}}$).
Question 3 (6 points)
En utilisant le document 2, proposer un protocole expérimental qui permet de mettre en évidence la production de dioxyde de carbone $\mathrm{CO_{2}}$ obtenu lors d’une combustion. La réponse devra être accompagnée par des phrases et des schémas illustrant l’expérience réalisée. Toute démarche, même partielle, sera prise en compte.
Document 2 : banque de données.
On réalise une combustion dans un flacon fermé, par exemple la combustion d’un morceau de fusain dans l’air ou le dioxygène. La combustion terminée, on prélève dans le flacon à l’aide d’une seringue le gaz présent. En poussant le piston de la seringue, on fait buller le gaz dans de l’eau de chaux (présente dans un tube à essais). L’eau de chaux se trouble, ce qui met en évidence la présence de dioxyde de carbone. La combustion du morceau de fusain produit donc du dioxyde de carbone.
Question 4 (8 points)
En ville, l’ozone de formule $\mathrm{O_{3}}$ est un gaz polluant. Il se forme par une transformation chimique entre le dioxyde d’azote $\mathrm{NO_{2}}$ et le dioxygène $\mathrm{O_{2}}$, en présence de lumière du Soleil.
L’ozone de formule $\mathrm{O_{3}}$ est composé de 3 atomes d’oxygène. Le dioxygène de formule $\mathrm{O_{2}}$ est composé de 2 atomes d’oxygène.
4b- La transformation chimique, évoquée ci-dessus, est modélisée par l’équation chimique suivante en présence de lumière:
$\mathrm{NO_{2} + O_{2} \longrightarrow NO + O_{3} }$
Montrer que cette équation respecte la conservation des atomes.
Dans les réactifs ($\mathrm{NO_{2} + O_{2}}$), on trouve 4 atomes d’oxygène et 1 atome d’azote.
Dans les produits ($\mathrm{NO + O_{3} }$), on trouve 4 atomes d’oxygène et 1 atome d’azote. Il y a le même nombre d’atomes de même type dans les réactifs et les produits, l’équation de réaction est donc équilibrée et respecte la conservation des atomes.
Question 5 (6 points) :
L’analyse sanguine d’un cycliste montre un manque de calcium. Pour y remédier, le médecin du Tour de France lui conseille de boire une eau riche en ions calcium.
En exploitant le document 3, décrire un protocole expérimental pour tester la présence des ions calcium dans l’eau de boisson. On précisera les étapes de la manipulation et les observations attendues, sous forme de textes ou de schémas.
Document 3 : tableau d’identification de quelques ions en solution aqueuse
Exercice 1
Le 26 septembre 2018 a eu lieu le 100ème lancement d’Ariane 5.
Le moteur de l’étage supérieur d’Ariane 5 utilise comme combustible le propergol, constitué d’atomes de carbone, d’azote et d’hydrogène.
La combustion produit des molécules de $\mathrm{N_{2}}$, de $\mathrm{CO_{2}}$ et de $\mathrm{H_{2}O}$.
Le but de l’exercice est de déterminer si la combustion du propergol a un impact sur l’environnement.
Document 1 : Extrait du tableau périodique des éléments
Document 1 : Extrait du tableau périodique des éléments
Le propergol est constitué d’atomes :
– de carbone de symbole C,
– d’azote de symbole N
– d’hydrogène de symbole H.
2. Donner le nom des produits obtenus lors de la combustion.
Les produits obtenus lors de la combustion du propergol sont le diazote de formule $\mathrm{N_{2}}$, le dioxyde de carbone de formule $\mathrm{CO_{2}}$ et l’eau de formule $\mathrm{H_{2}O}$.
3. Un des gaz responsables de l’effet de serre trouble l’eau de chaux. En déduire si la combustion du propergol contribue à l’effet de serre. Justifier votre raisonnement.
D’après le document 2, le gaz au contact duquel l’eau de chaux se trouble est le dioxyde de carbone. La combustion du propergol produisant du dioxyde de carbone, elle contribue donc à l’effet de serre.
Extrait de la classification périodique des éléments
Partie A
L’airbag a été conçu pour améliorer la sécurité des passagers d’un véhicule lors des collisions frontales mais il ne dispense pas du port de la ceinture de sécurité. De nombreuses personnes pensent que l’airbag est un sac rempli d’air.
Le but de ce travail est de savoir si le gaz contenu dans l’airbag est vraiment de l’air. On rappelle que l’air est un mélange de nombreux gaz ; il est principalement constitué de dioxygène (21%) et de diazote (78%).
L’équation de la principale réaction chimique qui permet de produire le gaz qui gonfle l’airbag est donnée ci-dessous :
$\mathrm{2~ NaNO_{3} \longrightarrow 2~ Na + 3~ N_{2} }$
1. En utilisant l’extrait du tableau périodique des éléments, donner le nom de chacun des produits formés lors de cette réaction chimique.
Dans l’équation de réaction chimique, les produits se trouvent à droite de la flèche. Les produits formés lors de cette réaction chimique sont donc le sodium (de formule $\mathrm{Na}$ et le diazote (de formule $\mathrm{N_{2}}$).
2. Indiquer parmi les deux produits de la réaction celui qui est un gaz présent naturellement dans l’air.
Parmi les deux produits de la réaction, le diazote (de formule $\mathrm{N_{2}}$) est un gaz présent naturellement dans l’air.
3. Donner le nombre d’électrons qui « gravitent » autour du noyau de l’atome de sodium. Justifier la réponse.
D’après l’extrait de la classification périodique des éléments, l’atome de sodium a pour numéro atomique Z=11. Il possède donc 11 protons. Un atome est électriquement neutre. Il possède autant de protons (qui portent les charges positives) que d’électrons (qui portent les charges négatives). L’atome de sodium a donc 8 électrons qui « gravitent » autour de son noyau.
4. Indiquer si le gaz qui gonfle l’airbag est de l’air. Justifier la réponse en quelques lignes.
Le gaz qui gonfle l’airbag est du diazote. C’est un des constituants de l’air. L’air est principalement constitué de dioxygène (21%) et de diazote (78%). Le gaz qui gonfle l’airbag n’est donc pas de l’air.
Après la course, les vélos sont nettoyés avec un shampooing spécifique dont voici un extrait de l’étiquette.
Question 4. (2 points)
En exploitant la liste des pictogrammes suivants, nommer le danger que présente l’utilisation du shampooing.
Le pictogramme présent sur le shampoing correspond au symbole corrosif. Il y a donc un risque de brûlures.
Question 5. (2 points)
Les précautions à prendre sont de porter des lunettes de sécurité et d’utiliser des gants.
Question 6. (3 points)
Question 7. (5 points)
Les 3 étapes du protocole pour mesurer le pH du shampoing sont :
- Découper un morceau de papier pH et le déposer sur une coupelle.
- Mettre avec un agitateur une goutte de shampoing sur le morceau de papier pH.
- Observer la couleur du papier pH et la comparer avec l’échelle de couleur.
Question 8. (4 points)
Dans les conditions d’usage recommandées, le pH de la solution de shampooing dilué est égal à 5. Justifier l’intérêt de la dilution en termes de sécurité.
La dilution du shampoing fait augmenter son pH, celui-ci se rapproche de 7. La solution est alors moins corrosive.
Question 4 (5 points) :
Avant l’épreuve, le triathlète prépare une boisson à base de vitamine C. La vitamine C ou acide ascorbique a pour formule chimique $\mathrm {C_{6}H_{8}O_{6}}$.
Donner le nom et le nombre d’atomes de chaque élément chimique présent dans la molécule de vitamine C.
Donnée : extrait simplifié du tableau périodique
L’acide ascorbique de formule chimique $\mathrm{C_{6}H_{8}O_{6}}$ est composé de 6 atomes de carbone (symbole $\mathrm{C}$), 8 atomes d’hydrogène (symbole $\mathrm{H}$) et de 6 atomes d’oxygène (symbole $\mathrm{O}$).
Question 5 (4 points) :
La vitamine C est disponible en comprimés effervescents. La notice précise qu’il faut dissoudre 1 comprimé dans 250 mL d’eau. Le triathlète souhaite préparer un litre de boisson vitaminée.
Déterminer le nombre de comprimés à dissoudre pour préparer un litre de boisson vitaminée. Justifier la réponse.
Donnée : 1L = 1 000 mL
$4 \times 250~ mL = 1000~mL =1~L$ d’eau.
Il faut dissoudre 1 comprimé dans 250 mL d’eau. Pour préparer un litre de boisson vitaminée, il faut donc dissoudre 4 comprimés.
Question 6 (5 points) :
On dispose du matériel de chimie présenté ci-dessous. Proposer un protocole que pourrait suivre un chimiste pour préparer la boisson vitaminée du triathlète. Les différentes étapes seront détaillées. On pourra s’aider de textes ou de schémas.
Données :
• les comprimés de vitamine C sont trop gros pour être introduits dans la fiole jaugée directement ;
• les comprimés effervescents se dissolvent en produisant de petites bulles de gaz lorsqu’ils sont mis dans de l’eau.
Protocole de préparation de la boisson vitaminée :
- A l’aide du mortier, on met en poudre les cachets
- A l’aide d’un entonnoir, on introduit la poudre dans une fiole jaugée de 1L (on rince à l’aide de la pissette)
- On agite la fiole jaugée pour dissoudre la poudre
- On remplit la fiole avec de l’eau
- On complète le volume en ajoutant de l’eau jusqu’au trait de jauge.
- On bouche la fiole jaugée et on agite pour homogénéiser la solution
Oscar veut se faire cuire 200 g de pâtes. Il verse 2 L d’eau dans une casserole et la place sur le brûleur de sa gazinière. Celle-ci est alimentée en gaz de ville, le méthane, de formule $\mathrm{CH_{ 4}}$ .
1. Ébullition de l’eau (3 points)
Au bout de quelques minutes l’eau entre en ébullition. Il y a production de vapeur d’eau au-dessus de la casserole.
Compléter le tableau ci-dessous par oui ou par non.
2. Dissolution du sel dans l’eau (12 points)
La valeur de la masse de l’eau contenue dans la casserole est : 2 000 g.
Pour effectuer la cuisson des pâtes, Oscar introduit 40 g de sel de cuisine ( NaCl ).
2.1 Choisir parmi les réponses proposées ci-dessous celle qui est exacte (cocher la bonne réponse) :
La valeur de la masse de l’eau salée est :
☐ 2000 g
☐ 1960 g
☐ 2040 g
La valeur de la masse d’eau salée est de 2040 g.
Au cours d’une dissolution, il y a conservation de la masse totale ($\mathrm{masse_{~solution}=masse_{~soluté}+masse_{~solvant}}$) donc
$\mathrm{masse_{~eau~salée}=masse_{~sel}+masse_{~eau}}$ soit 2040 g = 2000 g + 40 g
La valeur de la masse d’eau salée est de 2040 g.
2.3 Relier les différentes espèces chimiques proposées ci-dessous à leur nature :
Les entités chimiques de formule $\mathrm{Cl^{-}}$ et $\mathrm{Na^{+}}$ sont des ions car elles sont électriquement chargées (signe – et signe +).
L’ entité chimique de formule $\mathrm{H_{2}O}$ est une molécule (elle constituée de plusieurs atomes).
2.4 Une solution aqueuse de sel de cuisine (chlorure de sodium) contient l’espèce $\mathrm{Cl^{-}}$ qui peut être caractérisée au laboratoire à l’aide d’une solution de nitrate d’argent. Un précipité blanc se forme alors.
Schématiser et légender l’expérience correspondant à ce test.
Pour identifier l’ion chlorure, on ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d’argent dans une solution de chlorure de sodium (eau salée). L’observation d’un précipité blanc met en évidence la présence d’ion chlorure.
3. Combustion du gaz de ville pour la cuisson (10 points)
Au tout début du chauffage, Oscar observe l’apparition de gouttes d’eau $\mathrm{H_{2}O}$ sur l’extérieur de la casserole.
3.1 Compléter l’équation de la combustion du méthane dans le dioxygène :
$\mathrm{CH_{4} + 2~…. \longrightarrow CO_{2} + 2~…. }$
$\mathrm{CH_{4} + 2~O_{2} \longrightarrow CO_{2} + 2~ H_{2}O }$
Une molécule de méthane réagit avec 2 molécules de dioxygène pour former une molécule de dioxyde de carbone et 2 molécules d’eau.
3.2 Expliquer pourquoi la combustion du méthane est une transformation chimique.
Lors de la combustion du méthane, il y a apparition de nouvelles chimiques (notamment de l’eau). La combustion du méthane est donc une transformation chimique.
Victor rend visite à son grand-père, qui a des fleurs hortensias dans son jardin.
Victor est surpris, car dans le jardin de ses parents les hortensias sont roses, or ceux de son grand-père sont bleus.
Son grand-père lui indique que la couleur de ces fleurs dépend de la nature du sol. Victor, avec l’aide de son professeur de physique-chimie, va réaliser quelques tests pour mieux connaître la nature du sol des jardins de son grand-père et de ses parents.
1. Chimie du sol (9 points)
À l’aide de papier pH, il mesure tout d’abord le pH de l’eau du sol au niveau des hortensias,
il obtient les couleurs suivantes :
- jaune ocre pour le sol du jardin de son grand père
- vert foncé pour le sol du jardin de ses parents
1.1 En s’aidant des données fournies ci-dessous, donner le pH des sols de ces deux jardins.
– pH du sol du jardin du grand-père : …………………………………………………………
– pH du sol du jardin des parents : ……………………………………………………………..
Le pH du sol du jardin du grand-père est de 5.
Le pH du sol du jardin des parents est de 8.
1.2 Le sol du grand-père est-il acide, basique ou neutre ? Justifier la réponse.
Le pH du sol du jardin du grand-père est de 5. Ce pH est inférieur à 7, le sol du grand-père est donc acide.
Victor effectue par ailleurs une recherche sur la culture des hortensias et découvre que, pour qu’ils soient de couleur bleue, il faut que le sol contienne un ion particulier.
Son grand père utilise régulièrement un engrais qui apporte cet ion au sol de son jardin. Victor cherche à identifier cet ion.
Il obtient le résultat ci-dessous en ajoutant quelques gouttes de soude dans une solution aqueuse de l’engrais de son grand-père.
1.3 Indiquer quel est l’ion mis en évidence responsable de la couleur bleue des hortensias.
Victor obtient un précipité blanc lors de l’ajout de quelques gouttes de soude dans une solution aqueuse de l’engrais. D’après le tableau, l’ion mis en évidence et responsable de la couleur bleue des hortensias est l’ion aluminium $\mathrm{Al^{3+}}$.
1.4 La soude contient des ions $\mathrm{HO^{-}}$, indiquer la nature de cette solution (acide, basique, neutre ou d’aucune nature).
Les ions hydroxyde $\mathrm{HO^{-}}$ sont responsables du caractère basique (basicité) d’une solution. Lorsqu’ils sont plus nombreux que les ions hydrogène, la solution est basique. La soude est donc une solution basique.
2. Amélioration du sol (12 points)
Sur le sac d’engrais figure le pictogramme donné ci-contre :
2.1 Donner sa signification.
Le pictogramme indique que le produit est corrosif. Il y a donc un risque de brûlures.
2.2 Indiquer les précautions à prendre pour sa manipulation.
Le pictogramme indique que le produit est corrosif. Utiliser des gants et des lunettes de sécurité sont deux moyens de protection à recommander pour utiliser le sac d’engrais en toute sécurité.
L’erreur de langage scientifique est de confondre poids et masse (terme souvent confondu dans le langage courant).
La masse d’un objet mesure la quantité de matière contenue dans cet objet. Le poids (sur Terre) mesure, lui, la force d’attraction qu’exerce la Terre sur l’objet.
2.4 Les hortensias des parents de Victor occupent au sol une surface de 20 m2. La boite d’engrais « hortensias bleus » est livrée avec une cuillère doseuse de 20 g.
Calculer le nombre de cuillers nécessaires pour fertiliser ces hortensias selon les conseils du grand-père.
3. Synthèse (4 points)
En s’appuyant sur les résultats des tests pratiqués sur les sols des jardins des parents et du grand-père de Victor, indiquer quelles sont les conditions pour que le sol d’un jardin favorise l’obtention d’hortensias de couleur bleue.
Les conditions favorables à l’obtention d’hortensias bleus sont un sol acide qui contient des ions aluminium $\mathrm{Al^{3+}}$(apporté par un engrais si absent du sol naturellement).
Monsieur Jan a été bousculé devant chez lui par une personne qui lui a dérobé son portefeuille et a rapidement pris la fuite. Après son agression, il remarque une grosse tâche sur son tee-shirt.
Un inspecteur de police mène son enquête. Il retient trois suspects :
- M. Raymond, ouvrier dans une entreprise qui utilise du sulfate de Fer III $\mathrm{(Fe^{ 3+} + SO_{4}^{2-} )}$, du métal cuivre (Cu) et du métal fer (Fe) ;
- Mme Boisseau, paysagiste qui utilise du sulfate de cuivre II $\mathrm{(Cu^{ 2+} + SO_{4}^{2-} )}$ pour traiter ses arbres fruitiers et du métal zinc (Zn) pour construire des toitures d’abris ;
- Mme Blanc, pâtissière qui se sert de sucres (saccharose, sirop de glucose) et de poudres d’argent et d’or pour confectionner et décorer ses gâteaux.
Des analyses ont été effectuées par le laboratoire de police scientifique.
2. Tests (5,5 points).
Les techniciens du laboratoire procèdent au test d’identification d’ions éventuellement présents dans la tâche. En faisant réagir quelques gouttes d’une solution de soude sur la solution du composant de la tâche, ils obtiennent un précipité bleu de formule $\mathrm{Cu(OH)_{2}}$.
Tableau de données de référence sur l’identification de quelques ions :
2.1 En s’aidant des données du tableau ci-dessus, identifier l’ion détecté par le test.
En faisant réagir quelques gouttes d’une solution de soude sur la solution du composant de la tâche, les techniciens obtiennent un précipité bleu. D’après le tableau, l’ion identifié est donc l’ion cuivre II $\mathrm{(Cu^{2+})}$.
2.2 Parmi les trois équations de réactions incomplètes proposées ci-dessous, choisir et compléter celle correspondant à ce test, barrer les deux autres.
$\mathrm{Cu(OH)_{2} \longrightarrow …. +~ 2~HO^{-} ~~~~~~~~~~~~….~+~2~HO^{-} \longrightarrow Cu(OH)_{2}~~~~~~~~~~~~Cu^{2+}~+~Cu(OH)_{2} \longrightarrow ….}$
Un précipité bleu de formule $\mathrm{Cu(OH)_{2}}$ est obtenu lors du test, c’est donc un produit qui doit se trouver à droite de la flèche dans l’équation de réaction. La bonne équation de réaction est donc :
$\mathrm{Cu^{2+}~2~HO^{-} \longrightarrow Cu(OH)_{2}}$
Source de calcium et de vitamines, le lait est un aliment complet, mais c’est un produit fragile.
Dès la traite, on instaure une chaîne du froid pour le conserver.
Partie 1. Étude physico-chimique d’un lait
Document 1 : caractéristiques du lait étudié
Les masses de constituants sont données pour 100 g de lait.
Question 1 :
indiquer la composition atomique de la molécule de lactose.
La molécule de lactose de formule C12H22O11 est composée de 12 atomes de carbone (de symbole C), 22 atomes d’hydrogène (de symbole H), 11 atomes d’oxygène (de symbole O).
Question 2 :
d’après la réglementation sanitaire européenne, la conservation des produits alimentaires est autorisée à température ambiante quand l’une des trois conditions suivantes est vérifiée :
- activité biologique < 0,91 ;
- pH < 4,5 ;
- activité biologique < 0,95 et pH < 5,2.
Expliquer pourquoi le lait étudié doit être conservé au froid.
L’activité biologique est de 0,99 (d’après le document 1), la première condition (activité biologique<0,91) n’est donc pas respectée. Le pH du lait est de 6,4, la seconde condition n’est donc pas respectée (pH < 4,5). La troisième condition n’est donc pas non plus respectée (activité biologique<0,95 et pH < 5,2).
Aucune des conditions n’étant vérifiée, la conservation du lait étudié ne peut donc se faire à température ambiante, il doit être conservé au froid
Question 3 :
La poudre de lait est fabriquée en évaporant totalement l’eau contenue dans le lait.
3.1. Déterminer la masse de poudre de lait qu’il est possible d’obtenir à partir d’un kilogramme du lait étudié.
100 g de lait est composée de 87,5 g d’eau, 4,7 g de glucide, 3,8 g de graisse, 3,2 g de protéines et 0,8 g de sels minéraux. En évaporant totalement l’eau, on obtient donc une masse de poudre de lait de : 4,7 + 3,8 + 3,2 + 0,8 = 12,5 g (pour 100 g de lait).
Pour 1 kilogramme de lait, la masse de poudre de lait obtenue est donc de 10×12,5 = 125 g
3.2. On fabrique de la poudre de lait à partir d’un litre du lait étudié. Expliquer sans calcul si la masse de poudre de lait obtenue est inférieure, identique ou supérieure à la valeur trouvée à la question 3.1.
La masse volumique du lait de 1,032 kg/L. Un litre de lait a donc une masse de 1,032 kg. La masse de poudre de lait obtenue à partir d’un litre de lait (masse de 1,032 kg) sera donc supérieure à celle obtenue à partir d’un kilogramme de lait.
Partie 2. Analyse du lactorésum
L’une des méthodes les plus anciennes de conservation du lait est la fabrication de fromage. Le lait cru subit alors une chaîne de transformation (document 2). Il faut séparer la phase aqueuse du lait, appelée lactosérum, du caillé. Le caillé est ensuite traité séparément pour être transformé en fromage.
Document 1 : chaîne de transformation du lait cru
Écrémage : Laissé au repos, le lait se sépare en deux couches. La crème remonte à la surface. Le liquide restant constitue le lait écrémé.
Coagulation : On amène le pH du lait écrémé à la valeur de 4,6. Un solide insoluble dans l’eau se dépose au fond du récipient, c’est le caillé. Le liquide qui surnage est appelé lactosérum. Il est constitué d’eau, de lactose, de sels minéraux et de quelques protéines solubles dans l’eau.
Question 4 :
En exploitant le document 2, expliquer pourquoi on peut faire l’hypothèse que le lactosérum est acide.
On amène le pH du lait écrémé a un pH de 4,6 (pH < 7 donc le lait écrémé est acide). Le lactosérum est ensuite obtenu à partir du lait écrémé. On peut donc faire l’hypothèse que le lactosérum est également acide.
Question 5 :
En utilisant le document 3, proposer un protocole expérimental permettant de prouver la présence d’ions chlorure dans le lactosérum. On pourra formuler la réponse sous forme de texte et/ou de schémas.
Pour vérifier la présence d’ions chlorure dans le lactosérum, on utilise la solution de nitrate d’argent.
On verse quelques millilitre de lactosérum dans un tube à essais puis on ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d’argent. Si on observe la formation d’un précipité blanc qui noircit à la lumière, il y a présence d’ions chlorure dans le lactosérum.
Le saut à l'élastique
Le saut à l’élastique consiste à se jeter depuis un point situé en hauteur, en étant accroché à un élastique.
Dans ce sujet, nous nous intéresserons au mouvement d’un sauteur et à ses sensations, puis nous nous concentrerons sur le choix des élastiques.
3. Sensation lors du saut (3 points)
Durant le saut, le sauteur éprouve des sensations qui sont associées à la production d’adrénaline, substance dont la formule chimique est $C_{9}H_{13}O_{3}N$.
Préciser le nom et le nombre de chacun des atomes présents dans une molécule d’adrénaline.
L’adrénaline de formule chimique $C_{9}H_{13}O_{3}N$ est composé de 9 atomes de carbone (C), 13 atomes d’hydrogène (H), 3 atomes d’oxygène (O), 1 atome d’azote (N).
2. La batterie (8 points)
Le moteur du gyropode est alimenté par une batterie comportant un métal et un oxyde métallique.
L’élément oxygène de numéro atomique Z = 8 est présent dans l’oxyde métallique.
2.1. L’élément métallique utilisé dans la batterie du gyropode possède un numéro atomique Z = 3.
Donner le nom et le symbole de cet élément.
D’après la classification périodique, l’élément chimique de numéro atomique Z = 3 est le lithium (symbole Li).
2.2. Parmi les propositions ci-dessous, choisir le modèle qui correspond à la répartition des charges dans l’atome de numéro atomique Z = 3.
Justifier le choix de ce modèle et préciser les raisons qui conduisent à éliminer les deux autres.
Le modèle 1 contient trois protons (3 charges positives) dans le noyau et deux électrons (2 charges négatives ) autour du noyau. C’est donc une espèce chimique électriquement chargée (un ion), ce n’est donc pas l’atome (électriquement neutre) recherché.
Dans le modèle 2, le noyau contient des charges négatives ce qui ne correspond pas au modèle de l’atome (noyau chargé positivement avec des électrons chargés négativement en mouvement autour du noyau).
Le modèle 3 contient trois protons (3 charges positives) dans le noyau et trois électrons (3 charges négatives ) en mouvement autour du noyau. Il y a autant de charges positives que négatives, l’atome est électriquement neutre. C’est donc le modèle correspondant à l’atome de numéro atomique Z=3 (3 protons).
Le programme « urbainculteur » vise à pratiquer l’agriculture en ville.
Peu de terrains étant disponibles dans les villes, des potagers sont parfois installés sur les toits des gymnases ou des garages.
Un citadin souhaite devenir un « urbainculteur ».
Voici son projet :
• Utiliser son puits pour l’arrosage,
• Protéger les végétaux en respectant les règles d’une agriculture biologique,
• Installer le potager sur le toit plat de son garage.
1. Utiliser son puits pour l’arrosage (9 points)
Le citadin envisage d’installer une pompe pour utiliser l’eau de son puits. Il hésite entre deux dispositifs représentés ci-après.
1.3. La pompe du dispositif n°2 fonctionne à l’aide d’un moteur à combustion qui nécessite une arrivée d’air puisque le dioxygène est indispensable à la combustion de l’essence.
Préciser, en le justifiant, si la combustion de l’essence est une transformation physique ou une transformation chimique.
Il y a disparition d’espèces chimiques (consommation de l’essence et du dioxygène) et apparition de nouvelles espèces chimiques (entre autres du dioxyde de carbone), c’est donc une transformation chimique.
1.4. Donner un avantage et un inconvénient pour chacun des deux dispositifs.
Dispositif 1 :
- avantage : dispositif non polluant
- inconvénient : la pompe ne fonctionne pas en l’absence de lumière (on peut pallier à ce problème en ajoutant une batterie)
Dispositif 2 :
- avantage : la pompe peut fonctionner jour et nuit
- inconvénient : le dispositif pollue, il nécessite plus d’entretien (nécéssité de remettre de l’essence régulièrement)
2. Protéger les végétaux en respectant les règles de l’agriculture biologique (7 points)
Utilisée en agriculture biologique, la solution aqueuse de bouillie bordelaise permet de lutter contre une maladie : le mildiou des tomates.
Afin d’identifier les ions présents dans cette solution, on réalise des tests.
2.1. Test avec une solution d’hydroxyde de sodium
A l’aide du document 1, nommer l’ion identifié dans la solution de bouillie bordelaise.
Il y a formation d’un précipité bleu lorsque l’on ajoute quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium. D’apr_s le document 1, l’ion identifié dans la solution de bouillie bordelaise est donc l’ion cuivre II ($\mathrm{Cu^{2+}}$).
2.2. En utilisant le document 1, proposer une expérience permettant de mettre en évidence la présence d’ions sulfate dans la solution de bouillie bordelaise. Préciser l’observation attendue.
Pour identifier l’ion sulfate, on ajoute quelques gouttes de solution de chlorure de baryum dans une solution de bouillie bordelaise. L’observation d’un précipité blanc met en évidence la présence d’ion sulfate.
3. Installer le potager sur le toit plat du garage (9 points)
L’installation du potager nécessite de placer une sous-couche de gravier permettant d’évacuer l’excès d’eau et de supporter la terre végétale.
3.1. En s’aidant du document 2, montrer que 7500 kg de terre végétale sont nécessaires pour réaliser le potager avec 30 cm de terre végétale. Détailler le raisonnement.
Donnée : la masse volumique de la terre végétale est de 1 250 kg/m3.
D’après le graphique du document 2 (voir la projection en bleu ci-contre), une hauteur de terre de 30 cm représente un volume de terre de 6 m3.
La masse volumique est donnée par la relation :
$$\rho=\dfrac{m}{V}$$
d’où $$m=\rho \times V $$
avec masse volumique de la terre végétale : $\rho = 1250 \ kg/m^3$ et volume de terre $V= \ 6\ m^3$
$$m=1250 \ kg/m^3 \times 6\ m^3= 7500\ kg$$
7500 kg de terre végétale sont nécessaires pour réaliser le potager avec 30 cm de terre végétale
Manipulation d'une formule
$$\large \rho = \frac{m}{V} $$
Pour calculer $ m$ connaissant $ \rho$ et $V$, il faut isoler $ m$, c’est à dire obtenir une relation de la forme $ m =$ ….
Pour isoler $ m$, il faut « enlever » le $\large\dfrac {}{V}$, donc multiplier par $ V$ les deux membres de l’équation :
$$\large V\times{\rho} = \dfrac{m}{V}\times {V}$$ et
$$ \large V\times{\rho} = \dfrac{m}{\bcancel V}\times \bcancel V$$
Après simplification :
$$\large V \times {\rho} = m $$
soit : $$ \large m = \rho \times {V} $$
Pour isoler $ V$, il faut « enlever » le $\rho \times {}$, donc diviser par $ \rho$ les deux membres de l’équation :
$$\large \frac{m}{\rho} = \frac{\rho \times V}{\rho} $$ $$\large \frac{m}{\rho} = \frac{\bcancel {\rho}\times V }{\bcancel{\rho}} $$
après simplification :
$$\large \dfrac{m}{\rho} = V $$
soit $$\large V = \dfrac{m}{\rho} $$
On obtient les trois relations suivantes : $\large \rho = \dfrac{m}{V} $ ; $\large m = \rho \times {V} $ ; $\large V = \dfrac{m}{\rho} $
On trouve désormais sur le marché des véhicules de type électrique, thermique ou hybride. Les véhicules hybrides associent deux types d’énergie.
On s’intéresse à quelques caractéristiques techniques afin de pouvoir choisir le véhicule approprié en fonction de ses besoins.
1. Les véhicules à moteur thermique (15 points)
Les moteurs thermiques rejettent dans l’environnement différents gaz dont certains sont des gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement climatique.
Lors de la combustion du carburant de formule chimique $\mathrm{C_{7}H_{16}}$ en présence de dioxygène, un mélange de produits se forme, constitué d’eau et de dioxyde de carbone. Cette transformation chimique est modélisée par une réaction chimique d’équation :
$$\mathrm{C_{7}H_{16} + 11 ~ O_{2} \longrightarrow 8 ~ H_{2}O + 7 ~ CO_{2} }$$
1.1.1. Recopier les formules chimiques des réactifs intervenant dans la réaction.
Dans l’équation de la réaction chimique, les réactifs se trouvent à gauche de la flèche. Les formules chimiques des réactifs sont donc : $\mathrm{C_{7}H_{16}}$ et $\mathrm{O_{2}}$.
Le carburant de formule chimique $\mathrm{C_{7}H_{16}}$ est composé de 7 atomes de carbone (symbole C) et 16 atomes d’hydrogène (symbole H).
Le dioxygène de formule chimique $\mathrm{O_{2}}$ est composé de 2 atomes d’oxygène (symbole O).
Les atomes de carbone initialement présents dans le carburant de formule chimique $\mathrm{C_{7}H_{16}}$ se retrouvent, après la combustion, dans le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_{2}}$.
Les atomes d’hydrogène initialement présents dans $\mathrm{C_{7}H_{16}}$ se retrouvent dans la vapeur d’eau $\mathrm{H_{2}O}$.
Les moteurs thermiques rejettent dans l’environnement du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre) qui contribue au réchauffement climatique.
En France, tous les deux ans, un véhicule doit être soumis à un test de conformité appelé contrôle technique. À l’aide d’une sonde, on mesure la quantité de dioxygène entrant dans le moteur, la quantité de carburant consommée, la quantité de vapeur d’eau à la sortie du pot d’échappement et la quantité de dioxyde de carbone émis.
Les résultats d’un test sont consignés dans le tableau ci-dessous :
1.3. A partir des résultats du test et de la réaction chimique, déterminer la masse théorique m de dioxyde de carbone que devrait recueillir l’appareil de mesure. Expliquer la démarche.
Lors d’une transformation chimique, il y a conservation de la masse : la masse des produits formés est égale à la masse des réactifs consommés. On a donc :
$m_{1}+m_{2} = m’+m$ soit $m = m_{1}+m_{2}-m’$
$m = 50~ g+176~g-72~g=154~g$
La masse théorique m de dioxyde de carbone que devrait recueillir l’appareil de mesure est de 154 g.
3. Choisir un véhicule en fonction de ses besoins (6 points)
Un concessionnaire automobile reçoit un client qui désire acheter une nouvelle voiture. Le client a besoin d’une voiture pouvant effectuer sans interruption un trajet sur une distance au moins égale à 500 km, il est sensible aux questions environnementales et son budget maximal est de 25 000 euros.
Expliquer de façon argumentée quel serait le choix de véhicule le plus judicieux pour ce client parmi les cinq présentés dans le tableau ci-dessous.
Donnée : Les oxydes d’azote sont émis par les moteurs thermiques (essence ou diesel). Ils ont des effets nocifs sur la santé et sur l’environnement.
Le client a besoin d’une voiture pouvant effectuer sans interruption un trajet sur une distance au moins égale à 500 km et son budget maximal est de 25 000 euros. On peut donc éliminer les véhicules 4 (autonomie de 360 km) et 5 (hors budget : 34500 €).
Les véhicules 1, 2 et 3 respectent les deux critères : autonomie et budget.
Le client est sensible aux questions environnementales. Le véhicule 3 est le moins polluant (émission de CO2 et d’oxydes d’azote NOx les plus faibles des 3 véhicules).
Le véhicule 3 est donc le modèle le plus adapté au client.
Les algues sont la source de matériaux innovants et écologiques grâce aux différentes espèces chimiques qu’elles contiennent.
On peut, par exemple, créer des parois gélifiées à partir d’alginates provenant des algues pour fabriquer des billes renfermant une solution potable, ce qui pourrait un jour remplacer les bouteilles en plastique.
Nous nous intéressons à la fabrication de ces billes et au poids de la solution contenue dans une bille.
Dans le contexte de cette épreuve, le terme « solution » désigne un mélange constitué d’eau et d’espèces chimiques dissoutes.
Étapes de la fabrication des billes (19 points)
Étape 1 : Dissolution de l’alginate de sodium dans l’eau
1.1. L’alginate de sodium est une espèce chimique comestible et soluble dans l’eau. Elle a pour formule chimique $\mathrm{C_{6}H_{7}O_{6}Na}$.
1.1.1. Préciser le nombre d’atomes d’oxygène dans cette formule chimique.
L’alginate de sodium de formule chimique $\mathrm{C_{6}H_{7}O_{6}Na}$ est composé de 6 atomes d’oxygène (symbole $\mathrm{O}$) .
1.1.2. Le numéro atomique de l’atome d’oxygène est Z = 8, cela signifie qu’il comporte 8 protons. Indiquer le nombre d’électrons présents dans un atome d’oxygène.
Un atome est électriquement neutre : il contient autant de charges positives (portées par les protons dans le noyau) que de charges négatives (portées par les électrons). L’atome d’oxygène contient donc 8 électrons (autant que de protons).
1.2. Pour préparer la solution d’alginate de sodium, on verse 8 g d’alginate de sodium solide dans 100 g d’eau et on mélange jusqu’à la dissolution complète. On mesure la masse m de la solution obtenue, on obtient m = 108 g. Interpréter ce résultat expérimental en raisonnant sur l’évolution de la masse au cours de la dissolution.
Au cours d’une dissolution, il y a conservation de la masse totale ($\mathrm{masse_{~solution}=masse_{~soluté}+masse_{~solvant}}$) donc
$\mathrm{masse_{~solution~alginate~de~sodium}=masse_{~alginate~de~sodium~solide}+masse_{~eau}}$ soit 108 g = 100 g + 8 g
Étape 2 : Solidification de la solution d’alginate de sodium
2. Pour obtenir des billes de grande taille, on place la solution d’alginate de sodium au congélateur. Après plusieurs heures, elle devient solide.
Indiquer, en le justifiant, si la solution d’alginate de sodium subit une transformation chimique ou une transformation physique.
La solution d’alginate passe de l’état liquide à l’état solide. C’est un changement d’état physique, il n’y a pas apparition de nouvelles espèces chimiques. La solution d’alginate de sodium subit donc une transformation physique.
Étape 3 : Création de la paroi gélifiée de la bille
3. L’étape finale de la production de ces billes consiste à faire réagir des ions alginate de formule $\mathrm{C_{6}H_{7}O_{6}^-}$ avec l’élément calcium sous la forme $\mathrm{Ca^{2+}}$ pour former une paroi gélifiée d’alginate de calcium de formule chimique $\mathrm{C_{12}H_{14}O_{12}Ca}$.
L’équation de la réaction permettant de modéliser cette étape s’écrit :
$$\mathrm{2~ C_{6}H_{7}O_{6}^- + Ca^{2+} \longrightarrow C_{12}H_{14}O_{12}Ca }$$
3.1. Donner la formule chimique de chacun des réactifs.
Dans l’équation de la réaction chimique, les réactifs se trouvent à gauche de la flèche. Les formules chimiques des réactifs sont donc : $\mathrm{C_{6}H_{7}O_{6}^-}$ et $\mathrm{Ca^{2+}}$.
3.2. Recopier la phrase suivante en choisissant dans chaque cas, parmi les deux termes proposés en gras, celui qui convient, et en complétant la fin de la phrase.
Lors de la transformation chimique, un / deux ion(s) alginate réagi(ssen)t avec un ion / un atome de calcium pour former ……………………
Lors de la transformation chimique, deux ions alginate réagissent avec un ion calcium pour former une molécule de d’alginate de calcium.
Poids de la solution contenue dans une bille (6 points)
Dans cette partie, on s’intéresse au poids de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille figurant sur la photo.
4. Déterminer la valeur du poids de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille figurant sur la photo, à l’aide des données suivantes :
- Les photos sont à l’échelle ½ : 1 cm sur la photo représente 2 cm en réalité.
- La masse volumique de la solution d’alginate de sodium a pour valeur 1,1 g/cm3.
- Pour calculer le volume d’une bille de rayon , de diamètre , il est possible d’utiliser l’une des relations suivantes :
$V=0,52 \times D^3~~~~~~V=4,2 \times R^3~~~~~~V=\dfrac{4}{3}\pi R^3 ~~\mathrm{avec} ~~\pi = 3,14$
- L’intensité de la pesanteur a pour valeur g = 9,8 N/kg.
- Si besoin, le segment gradué ci-joint est utilisable.
Le candidat est invité à présenter sa démarche de résolution. Toute initiative sera valorisée.
Calcul du poids de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille
Le poids est donné par la relation : $ p = m\times g $
Nous connaissons $ g = 9,8 N/kg$ (Intensité de la pesanteur). Il nous faut trouver la valeur de la masse de la bille d’alginate de sodium à partir de son volume et de sa masse volumique.
Calcul du volume de la bille d’alginate de sodium
D’après l’image ci-contre, le diamètre intérieur de la bille (épaisseur des parois non comptée) est de d = 1,8 cm. Les photos sont à l’échelle ½ : 1 cm sur la photo représente 2 cm en réalité. Le diamètre réel de la bille est donc $D=1,8 \times 2=3,6~cm$.
A l’aide de la première formule donnée pour calculer le volume, $V=0,52 \times D^3$
$V=0,52 \times 3,6^3\approx 24,3~ cm^3$
Calcul de la masse de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille
La masse volumique est donnée par la relation :
$$\rho=\dfrac{m}{V}$$
d’où $$m=\rho \times V $$
avec masse volumique de la solution d’alginate de sodium : $\rho = 1,1 \ g/cm^3$ et volume de la bille $V\approx \ 24,3\ cm^3$
$$m= 1,1 \ g/cm^3 \times 24,3\ cm^3\approx 26,7\ g \approx 0,00267 kg \approx 2,67 \times 10^{-2} kg$$
La masse de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille est de $2,67 \times 10^{-2} kg$
d’où un poids de $p = 2,67 \times 10^{-2} kg\times 9,8 N/kg \approx 0,26~N $
Le poids de la solution d’alginate de sodium contenue dans la bille figurant sur la photo est de $p = 0,26 N$
En juin 2017, le spationaute Thomas Pesquet est revenu sur Terre après six mois passés dans l’espace à bord de la station spatiale internationale.
Les espèces chimiques de l’atmosphère et celles utilisées dans les moteurs de la fusée.
1. Nommer les deux principaux gaz présents dans l’air en précisant leur pourcentage dans l’atmosphère proche de la Terre.
Les deux principaux gaz présents dans l’air sont le dioxygène (environ 20% en volume) et le diazote (environ 80% en volume).
2. Dans les moteurs de la fusée, le dihydrogène réagit directement avec le dioxygène pour produire de la vapeur d’eau. Parmi les quatre propositions d’équations de réaction suivantes, indiquer (en cochant) celle qui traduit la réaction chimique qui se produit dans les moteurs.
Dans les moteurs de la fusée, le dihydrogène réagit directement avec le dioxygène pour produire de la vapeur d’eau. Le dihydrogène (de formule $\mathrm{H_{2}}$) et le dioxygène (de formule $\mathrm{O_{2}}$) sont donc des réactifs. La vapeur d’eau (de formule $\mathrm{H_{2}O}$) est un produit. Dans l’équation de réaction, les réactifs sont à gauche de la flèche et les produits à droite de la flèche. L’équation de réaction qui traduit la réaction chimique qui se produit dans les moteurs est :
$\mathrm{2~H_{2}+~O_{2} \longrightarrow 2~{H_{2}O}}$