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Sujet du Bac Physique-Chimie 2023 · Métropole 2
Sujet du Bac de Physique-Chimie 2023, Métropole 2 : 7 exercices corrigés. Thèmes : Identification d'espèces, Titrages et Cinétique chimique. Gratuit.
Thèmes du sujet : Identification d'espèces : spectroscopies IR et UV-visible, extraction et chromatographie · Titrages : suivis colorimétrique, pH-métrique, conductimétrique et exploitation des mesures · Cinétique chimique : suivi temporel, vitesses volumiques, facteurs cinétiques et loi d'ordre 1 · Force des acides et des bases : KA, Ke, diagrammes et solutions tampon · Structures et familles de composés organiques, polymères · Deuxième loi de Newton et mouvements dans un champ uniforme · Dynamique d'un système électrique : condensateur et circuit RC
Exercice 1 - Q1 - Structures et familles · Structures et familles de composés organiques, polymères
EXERCICE 1 – ÉTUDE DE LA VITAMINE C CONTENUE DANS LES KIWIS (9 points)
L’acide ascorbique, couramment appelé vitamine C, intervient dans de nombreux processus métaboliques dans le corps humain. Comme l’organisme ne peut ni la synthétiser ni la stocker, les apports en vitamine C doivent se faire par l’alimentation.
Les kiwis jaunes et les kiwis verts font partie des fruits les plus riches en acide ascorbique. L’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation recommande un apport minimum en vitamine C de 110 mg par jour pour un adulte.
L’objectif de cet exercice est d’étudier les propriétés de l’acide ascorbique et de déterminer la quantité de kiwis nécessaire aux besoins journaliers d’un adulte en vitamine C.
Données:
Formule brute de l’acide ascorbique: ;
Formule topologique de l’acide ascorbique (ci-contre);
Masse molaire de l’acide ascorbique: ;
Couple acide-base associé à l’acide ascorbique: ;
Concentration standard: ;
Données de spectroscopie infrarouge:
Liaison
Nombre d'onde (en )
Allure de la bande caractéristique
Forte et large
Forte
Faible et fine
Forte et fine
1. Quelques propriétés de l'acide ascorbique
Q1. Représenter la formule semi-développée de l'acide ascorbique puis nommer les familles fonctionnelles associées aux groupes A et B entourés sur la formule topologique.
a)
Représentation de la formule semi-développée de l'acide ascorbique:
b)
Exercice 1 - Q2 - Spectroscopie IR · Identification d'espèces : spectroscopies IR et UV-visible, extraction et chromatographie
EXERCICE 1 – ÉTUDE DE LA VITAMINE C CONTENUE DANS LES KIWIS (9 points)
L’acide ascorbique, couramment appelé vitamine C, intervient dans de nombreux processus métaboliques dans le corps humain. Comme l’organisme ne peut ni la synthétiser ni la stocker, les apports en vitamine C doivent se faire par l’alimentation.
Les kiwis jaunes et les kiwis verts font partie des fruits les plus riches en acide ascorbique. L’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation recommande un apport minimum en vitamine C de 110 mg par jour pour un adulte.
L’objectif de cet exercice est d’étudier les propriétés de l’acide ascorbique et de déterminer la quantité de kiwis nécessaire aux besoins journaliers d’un adulte en vitamine C.
Données:
Formule brute de l’acide ascorbique: ;
Formule topologique de l’acide ascorbique (ci-contre);
Masse molaire de l’acide ascorbique: ;
Couple acide-base associé à l’acide ascorbique: ;
Concentration standard: ;
Données de spectroscopie infrarouge:
Liaison
Nombre d'onde (en )
Allure de la bande caractéristique
Forte et large
Forte
Faible et fine
Forte et fine
1. Quelques propriétés de l'acide ascorbique
Q2. Justifier que le spectre infrarouge de la figure 1 est compatible avec la structure de l'acide ascorbique.
Exercice 1 - Q3 à Q7 - Force des acides et des ba… · Force des acides et des bases : KA, Ke, diagrammes et solutions tampon
Force des acides et des bases
EXERCICE 1 – ÉTUDE DE LA VITAMINE C CONTENUE DANS LES KIWIS (9 points)
L’acide ascorbique, couramment appelé vitamine C, intervient dans de nombreux processus métaboliques dans le corps humain. Comme l’organisme ne peut ni la synthétiser ni la stocker, les apports en vitamine C doivent se faire par l’alimentation.
Les kiwis jaunes et les kiwis verts font partie des fruits les plus riches en acide ascorbique. L’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation recommande un apport minimum en vitamine C de 110 mg par jour pour un adulte.
L’objectif de cet exercice est d’étudier les propriétés de l’acide ascorbique et de déterminer la quantité de kiwis nécessaire aux besoins journaliers d’un adulte en vitamine C.
Données:
Formule brute de l’acide ascorbique: ;
Formule topologique de l’acide ascorbique (ci-contre);
Masse molaire de l’acide ascorbique: ;
Couple acide-base associé à l’acide ascorbique: ;
Concentration standard: ;
Données de spectroscopie infrarouge:
Liaison
Nombre d'onde (en )
Allure de la bande caractéristique
Forte et large
Forte
Faible et fine
Forte et fine
Pour étudier les propriétés acidobasiques de la vitamine C, on dissout 1,0 g d'acide ascorbique commercial dans une fiole jaugée de 50 mL puis on complète jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée. La mesure du pH de la solution donne pH = 2,6.
Q3.
Déterminer la quantité de matière initiale d'acide ascorbique introduite dans la fiole jaugée.
La transformation entre l'acide ascorbique et l'eau est modélisée par la réaction d'équation:
Q4.
Donner la définition d'un acide faible.
Q5.
Montrer que l'acide ascorbique est un acide faible dans l'eau.
Q6.
Donner l'expression de la constante d'acidité du couple associé à l'acide ascorbique en fonction des concentrations , , à l'équilibre et de la concentration standard puis montrer que la valeur du p est proche de 4,2.
Q7.
Pour déterminer la concentration en acide ascorbique d'un kiwi jaune, on le mixe jusqu'à en obtenir le jus dont le pH est de 3,5. Déterminer l'espèce acide-base prédominante associée à l'acide ascorbique présente dans le jus d'un kiwi jaune.
Exercice 1 - Q8 à Q10 - Titrages · Titrages : suivis colorimétrique, pH-métrique, conductimétrique et exploitation des mesures
Acide ascorbique dans un kiwi jaune
EXERCICE 1 – ÉTUDE DE LA VITAMINE C CONTENUE DANS LES KIWIS (9 points)
L’acide ascorbique, couramment appelé vitamine C, intervient dans de nombreux processus métaboliques dans le corps humain. Comme l’organisme ne peut ni la synthétiser ni la stocker, les apports en vitamine C doivent se faire par l’alimentation.
Les kiwis jaunes et les kiwis verts font partie des fruits les plus riches en acide ascorbique. L’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation recommande un apport minimum en vitamine C de 110 mg par jour pour un adulte.
L’objectif de cet exercice est d’étudier les propriétés de l’acide ascorbique et de déterminer la quantité de kiwis nécessaire aux besoins journaliers d’un adulte en vitamine C.
Données:
Formule brute de l’acide ascorbique: ;
Formule topologique de l’acide ascorbique (ci-contre);
Masse molaire de l’acide ascorbique: ;
Couple acide-base associé à l’acide ascorbique: ;
Concentration standard: ;
Données de spectroscopie infrarouge:
Liaison
Nombre d'onde (en )
Allure de la bande caractéristique
Forte et large
Forte
Faible et fine
Forte et fine
La quantité d'acide ascorbique présent dans un kiwi jaune est déterminée à l'aide d'un dosage par excès. Le principe de ce dosage est le suivant: on met le jus de kiwi en présence d'une quantité connue de diiode ; seul l'acide ascorbique réagit avec le diiode, introduit en excès; on détermine ensuite par titrage la quantité de diiode restant; on en déduit alors la quantité d'acide ascorbique dans le jus de kiwi.
Protocole du dosage
Étape 1: réaction de l'acide ascorbique avec le diiode. Introduire la totalité du jus d'un kiwi jaune mixé dans une fiole jaugée de 250 mL, puis compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. On appelle S la solution ainsi obtenue. Introduire dans un erlenmeyer un volume mL de la solution S, ainsi qu'un volume mL d'une solution aqueuse de diiode à la concentration mol·L.
Cette transformation peut être modélisée par la réaction d'équation suivante:
Étape 2: titrage du diiode restant par les ions thiosulfate . Titrer le contenu de l'erlenmeyer préparé lors de l'étape 1 par une solution aqueuse de thiosulfate de sodium de concentration mol·L, en présence d'un indicateur coloré spécifique au diiode. On obtient un volume à l'équivalence mL.
La transformation mise en jeu lors du titrage peut être modélisée par la réaction d'équation suivante:
Q8.
En exploitant le résultat du titrage, montrer que la quantité de matière de diiode dosé lors de l'étape 2 est égale à mol.
Q9.
Après avoir calculé la masse d'acide ascorbique contenue dans un kiwi jaune, déterminer combien il faudrait en manger pour satisfaire les besoins journaliers en acide ascorbique d'un adulte (110 mg par jour).
Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et doit être correctement présentée.
Q10.
Le même dosage est réalisé avec un kiwi vert de même masse. On obtient un nouveau volume à l'équivalence pour le titrage du diiode restant mL. Expliquer sans calcul si le kiwi vert contient plus ou moins d'acide ascorbique que le kiwi jaune.
Exercice 1 - Q11 à Q13 - Cinétique chimique · Cinétique chimique : suivi temporel, vitesses volumiques, facteurs cinétiques et loi d'ordre 1
EXERCICE 1 – ÉTUDE DE LA VITAMINE C CONTENUE DANS LES KIWIS (9 points)
L’acide ascorbique, couramment appelé vitamine C, intervient dans de nombreux processus métaboliques dans le corps humain. Comme l’organisme ne peut ni la synthétiser ni la stocker, les apports en vitamine C doivent se faire par l’alimentation.
Les kiwis jaunes et les kiwis verts font partie des fruits les plus riches en acide ascorbique. L’agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation recommande un apport minimum en vitamine C de 110 mg par jour pour un adulte.
L’objectif de cet exercice est d’étudier les propriétés de l’acide ascorbique et de déterminer la quantité de kiwis nécessaire aux besoins journaliers d’un adulte en vitamine C.
Données:
Formule brute de l’acide ascorbique: ;
Formule topologique de l’acide ascorbique (ci-contre);
Masse molaire de l’acide ascorbique: ;
Couple acide-base associé à l’acide ascorbique: ;
Concentration standard: ;
Données de spectroscopie infrarouge:
Liaison
Nombre d'onde (en )
Allure de la bande caractéristique
Forte et large
Forte
Faible et fine
Forte et fine
3. Oxydation de l'acide ascorbique par le bleu de méthylène
L'acide ascorbique est un réducteur, ce qui conditionne sa conservation à l'air libre. Dans cette partie, pour des raisons pratiques, on étudie ses propriétés réductrices en le faisant réagir avec du bleu de méthylène.
Au contact du bleu de méthylène, noté , l'acide ascorbique contenu dans le jus de kiwi se transforme en un nouveau composé de formule brute .
Données:
• couple oxydant / réducteur associé à l'acide ascorbique: ;
• couple oxydant / réducteur associé au bleu de méthylène: .
Q11.
À l'aide des demi-équations électroniques de chacun des couples mis en jeu, établir l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique ayant lieu entre l'acide ascorbique et le bleu de méthylène .
On réalise le suivi cinétique de cette réaction à deux températures différentes. Après traitement des résultats, on trace sur la figure 2 l'évolution temporelle de la concentration de l'acide ascorbique, pour les deux températures choisies.
Q12.
Exprimer la vitesse volumique de disparition de l'acide ascorbique en fonction de puis déterminer sa valeur à l'instant initial à la température de .
Q13.
En utilisant les courbes de la figure 2, identifier en justifiant deux facteurs cinétiques de la réaction entre l'acide ascorbique et le bleu de méthylène.
Exercice 2 - Protection des crapauds · Deuxième loi de Newton et mouvements dans un champ uniforme
La plaine de Sorques, située dans le sud de la Seine-et-Marne, est une zone naturelle protégée qui abrite entre autres de nombreux amphibiens (crapauds, grenouilles, tritons). Les crapauds Bufo bufo ont pour habitat la forêt de Fontainebleau la majeure partie de l'année. Une fois par an, au printemps, ces amphibiens migrent vers les plans d'eau pour se reproduire.
Pour éviter qu'ils ne se fassent écraser en passant sur la route qui traverse cette zone de migration, un dispositif a été installé: des barrières en bois, suffisamment hautes pour empêcher le saut sur la route, sont placées de chaque côté, obligeant les amphibiens à emprunter des passages souterrains appelés « crapauducs ».
Dans cet exercice, on se propose d'étudier le mouvement lors d'un saut d'un crapaud Bufo bufo de façon à déterminer la hauteur minimale des barrières de protection le long d'une route.
Le système considéré est un crapaud dont on étudie le mouvement du centre de masse, noté G. Le champ de pesanteur terrestre local est considéré uniforme et les frottements liés à l'action de l'air sont supposés négligeables face au poids.
Données
Intensité de la pesanteur terrestre:
Taille moyenne d'un crapaud Bufo bufo: 10 cm
Le mouvement du centre de masse G du crapaud est étudié dans le référentiel terrestre supposé galiléen et muni du système d'axes (Ox, Oz), respectivement horizontal muni du vecteur unitaire et vertical muni du vecteur unitaire (voir figure 1).
À la date , le centre de masse G est placé à l'origine du repère O et son vecteur vitesse initiale, noté , a une direction faisant un angle avec l'axe horizontal (Ox). On note la norme de .
Q1.
Établir les expressions littérales des composantes et du vecteur accélération du centre de masse du crapaud suivant les axes Ox et Oz.
Q2.
Établir les expressions littérales des composantes et du vecteur vitesse du centre de masse du crapaud suivant les axes Ox et Oz.
Q3.
Montrer que les expressions littérales des équations horaires et de la position du centre de masse G du crapaud au cours de son mouvement s'écrivent:
Q4.
Établir l'expression de la durée du saut du crapaud, notée , en fonction de , , et .
Q5.
En utilisant l'expression de et l'expression de obtenue à la réponse à la question Q4, montrer que la vitesse permettant au crapaud d'effectuer un saut de longueur est donnée par la relation:
Q6.
Sachant que les crapauds les plus puissants peuvent faire des sauts d'une longueur égale à 20 fois leur taille, calculer la valeur de qu'ils atteignent pour un angle .
La hauteur maximale d'un saut est obtenue lorsque ce saut est vertical; l'angle vaut alors , la vitesse initiale est toujours notée .
Q7.
Établir que la hauteur maximale d'un saut a pour expression littérale:
Q8.
En déduire la valeur de la hauteur de barrière minimale, notée , qui permet d'arrêter les crapauds les plus puissants, capables de sauter verticalement avec une vitesse initiale de valeur calculée à la question Q6.
Q9.
Les barrières mesurent en réalité 50 à 60 cm de hauteur. Donner un argument permettant d'expliquer pourquoi on choisit d'installer des barrières d'une hauteur inférieure à .
Exercice 3 - Modélisation d'un détecteur capaciti… · Dynamique d'un système électrique : condensateur et circuit RC
EXERCICE 3 - MODÉLISATION D'UN DÉTECTEUR CAPACITIF D'HUMIDITÉ (6 points)
Correctement calibré, un système d'arrosage automatique de végétaux permet un arrosage homogène, à un moment opportun et sans gaspillage d'eau. À cet effet, il peut être déclenché grâce à l'utilisation d'un détecteur capacitif d'humidité du sol.
L'objectif de cet exercice est d'étudier une modélisation simple d'un détecteur capacitif d'humidité puis de l'utiliser pour illustrer le principe d'une mesure de la teneur en eau d'un sol.
Données:
dans cet exercice, le détecteur capacitif d'humidité est modélisé par un condensateur plan dont la capacité varie en fonction de l'humidité du sol;
le condensateur est constitué de deux plaques (ou armatures) métalliques de surface séparées d'une distance plantées dans un sol de permittivité :
la capacité (en farad F) du condensateur s'exprime en fonction de la surface (en m) de ses armatures, de la distance (en m) qui les sépare et d'un paramètre caractéristique du sol appelé permittivité (en Fm) par la relation:
on appelle « teneur en eau » le pourcentage volumique d'eau dans le sol;
on présente la courbe de la permittivité d'un sol argileux en fonction de sa teneur en eau:
1. Modélisation de la charge du condensateur
Q1.
Prévoir qualitativement le sens de variation de la capacité du détecteur capacitif d'humidité quand la teneur en eau d'un sol argileux augmente.
Le condensateur de capacité , modélisant le détecteur, est branché en série avec un générateur délivrant une tension constante , un interrupteur K et un conducteur ohmique de résistance . Le circuit ainsi constitué est modélisé par un circuit de type RC représenté ci-dessous:
À la date s, le condensateur est déchargé et on ferme l'interrupteur. On souhaite établir l'expression de la tension aux bornes du condensateur.
Q2.
Montrer que la tension aux bornes du condensateur obéit à l'équation différentielle: Exprimer littéralement le temps caractéristique du circuit en fonction de et de .
Q3.
Vérifier que la fonction est solution de cette équation différentielle et qu'elle satisfait à la condition imposée à la date s.
Q4.
Montrer que la valeur de à l'instant est approximativement: .
2. Modélisation de la mesure de la teneur en eau d'un sol argileux
La mesure du temps caractéristique du circuit RC permet d'accéder à la valeur de la teneur en eau du sol. Cette mesure est réalisée à l'aide d'un microcontrôleur connecté au circuit RC décrit ci-dessus. Il permet entre autres:
de commander des alternances charge – décharge du condensateur;
de mesurer la tension aux bornes du condensateur;
d'afficher, après calcul, la valeur de la teneur en eau.
Pour déterminer le temps caractéristique du circuit RC, on enregistre l'évolution temporelle de la tension aux bornes du condensateur à l'aide du microcontrôleur; celui-ci relève 52 000 valeurs de la tension par seconde.
Pour que la mesure soit suffisamment précise, on doit disposer d'au moins 10 valeurs de tension aux bornes du condensateur avant d'atteindre le temps caractéristique du circuit RC.
Q5.
Montrer que le temps caractéristique du circuit RC doit être au minimum de l'ordre de 200 µs.
Le condensateur possède les caractéristiques géométriques suivantes: m et m.
La valeur de la résistance du circuit est .
Q6.
À l'aide de la contrainte sur le temps caractéristique du circuit RC, déterminer la teneur minimale en eau d'un sol argileux qu'il est possible de mesurer avec ce dispositif.
Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n'a pas abouti. La démarche est évaluée et doit être correctement présentée.
%
Le microcontrôleur réalise un traitement automatique des données s'appuyant sur un programme, écrit en langage Python, dont une partie est donnée ci-dessous:
1 # Arrosage automatique pour un sol argileux
2 E = 5.0
3 tension = 0 # définition de la tension aux bornes du condensateur
4 t_i = time.time() # définition de l'instant initial
5 while tension < # boucle et condition
6 float tension = analogRead(A0) * (5.0 / 1023.0) # transforme la mesure du microcontrôleur en tension
7 t_f = time.time() # mesure de l'instant final
8 tau = t_f - t_i
9 print("valeur de tau en ms:", tau) # affichage d'une valeur sur l'écran La commande « while » associée à une condition permet de créer une boucle qui répète la liste d'instructions qui suit, tant que la condition est satisfaite.
Q7.
Indiquer l'objectif final de cet extrait de programme.
Q8.
Recopier la ligne 5 du programme sur la copie et compléter la condition sur la valeur de la tension aux bornes du condensateur.
Le détecteur est inséré dans un sol argileux. Dans ce type de sol, la teneur en eau doit être comprise entre 24 % et 38 % pour qu'une plante puisse y avoir une croissance normale.
Le programme renvoie le résultat suivant:
valeur de tau en ms: 0,28676887987
Q9.
Déterminer si la teneur en eau mesurée dans ce sol argileux est suffisante pour y assurer une croissance normale d'une plante.
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