TS1 et TS2 BAC BLANC de PHYSIQUE CHIMIE

TS1 et TS2 BAC BLANC de PHYSIQUE CHIMIE Date : 20/12/12 Durée : 3h30

Calculatrice : autorisée

Exercice à ne pas traiter pour les spé : 3

Consignes : L’exercice de spécialité fait l’objet d’un texte à part ; rendre une copie séparée au nom du professeur. La présentation sera soignée, les résultats demandés encadrés, tout résultat non justifié ne sera pas pris en compte. Chaque exercice sera rédigé sur une copie particulière Aucun sujet ne sera introduit dans les copies dont chaque feuille sera nominative. Les éventuels documents à compléter seront recopiés ou découpés et collés sur la copie, aucune feuille volante ne sera prise en compte. Exercice 1 : Rouge garance et RMN Doc.1

Représentation de l'alizarine et de la purpurine

Doc.2 Spectres RMN des molécules A et B, déplacements chimiques et courbes d'intégration Ces spectres ne représentent que les hydrogènes reliés aux carbones (on ne visualise pas les hydrogènes de —OH).

Doc 3 : Table du déplacement chimique .( les composés aromatiques sont des composés possédant un ou plusieurs cycles benzéniques )

La couleur garance est une teinte de rouge très utilisée autrefois en teinture qui tire son nom d'une plante, la garance. De la racine, de nombreuses molécules peuvent être extraites appartenant à la même famille des anthraquinones, mais qui se distinguent par quelques groupements fonctionnels. Ces molécules ne possédant pas les mêmes propriétés colorantes, il est nécessaire de les identifier. Après avoir extrait et purifié deux molécules de la racine, on se propose dans cet exercice de les identifier par la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du proton (RMN). On cherche à vérifier qu'il s'agit bien de l'alizarine A de formule brute C14H8O4 et de la purpurine B de formule brute C14H8O5. Partie 1 : Les représentations des molécules 1. Comment se nomme la représentation des molécules A et B du document 1 ? Quels sont les atomes qui n'apparaissent pas ? 2. Identifier, en les entourant dans la molécule, les différents groupes caractéristiques présents et donner leur nom. Partie 2 : Isochronisme et déplacement chimique des protons reliés aux carbones dans un spectre RMN On observe un seul signal pour des protons ayant un environnement identique. Ce phénomène appelé isochronisme n'est pas limité au cas des protons portés par un seul atome, on le retrouve chaque fois que des protons se trouvent dans un environnement identique. Des protons isochrones sont des protons équivalents. On cherche à distinguer trois molécules par RMN : le méthane CH4, le méthanol CH3—OH et le benzène C6H6.

1. Représenter les molécules du méthane et du méthanol en formule développée. Pour chaque molécule, identifier les protons équivalents.

2. Que permet de lire le document 3 sur les spectres RMN du proton des trois molécules (méthane, méthanol, benzène) ? 3. Les spectres des molécules A et B (document 2) font intervenir différents signaux constitués de différents pics. On remarque que tous les déplacements chimiques des spectres 1 et 2 se trouvent dans un intervalle de 6,5 ppm et 8,5 ppm. Ce déplacement chimique est-il cohérent avec la structure de ces deux molécules ? 4. Dans les molécules d'alizarine et de purpurine, les hydrogènes sur les carbones 6 et 7 (H6 et H7) sont considérés comme isochrones entre eux. Ils correspondent donc à un seul signal. Il en est de même pour les hydrogènes H5 et H8 reliés aux carbones 5 et 8. Justifier l'attribution du spectre RMN1 à la molécule A et l'attribution du spectre RMN2 à la molécule B. Partie III : Étude des courbes d'intégration La courbe d'intégration permet de déterminer le nombre d'hydrogènes impliqués dans chaque signal en comparant leurs hauteurs relatives. 1. En considérant les « traits » d'intégration sur le document 2, donner la proportion en atomes d'hydrogène entre les signaux I, J, K et L du spectre RMN 1. Quelles informations supplémentaires cela donne-t-il sur l'attribution des signaux en fonction des hydrogènes ? 2. Répondre aux mêmes questions pour les signaux I, J et K du spectre RMN 2. Partie IV : Multiplicité des signaux La multiplicité des pics dans un signal permet d'identifier précisément un proton ou les protons équivalents dans une molécule en fonction des protons sur les carbones voisins. À partir d'un spectre, on accède ainsi avec précision à la formule développée d'une molécule. 1. Un seul des spectres possède un signal avec un seul pic ou singulet situé à environ 7,0 ppm. Quelle molécule possède un proton qui correspond à ce signal ? Justifier. 2. Comment doit apparaître le signal du proton H3 et le proton H4 de l'alizarine ? En déduire les signaux possibles correspondants sur le spectre 1. 3. Comment doivent apparaître les protons 6 ou 7, puis 5 et 8 des deux molécules ? En déduire les signaux possibles correspondants sur le spectre 2.

Exercice 2 : La Dacia Logan La Dacia Logan, conçue par le constructeur français Renault est produite au départ en Rοumanίe. Elle a faίt la une de 1'actualité lors de son lancement commercial : elle était en effet présentée comme « la voiture à 5000 euros ». Même si son prix fut finalement plus élevé que prévu, les journalistes automobiles étaient impatients d'évaluer cette voiture d'un nouveau genre. Donnée : Intensité du champ de pesanteur : g = 9.8 m.s-2 I - MESURES DE REPRISES. Le test consiste à faire passer la voiture, en pleine accélération et sur le deuxième rapport de la boîte de vitesses, de 30 km. h-1 à 70 km.h-1 sur une portion de circuit rectiligne et horizontale. Οn mesure alors le temps nécessaire à cette accélératίοn, ce qui donne une bonne indication de la capacité du véhicule à s'insérer et à évoluer dans le trαfic routier. Résultat du test d'accélération donné par le magazine: «passage de 30 km. h-1 à 70 km.h-1 en 5,4s ». 1. Le vecteur accélération est supposé constant pendant tout le mouvement ; sa norme est notée a1. Le schéma ci-dessous donne les différentes conventions utilisées. L'origine des temps est choisie à l'instant οù le centre d'inertie G du véhicule passe au point Ο avec la vitesse νo = 30 km.h-1.

a) Donner la relation entre le vecteur accélération a1 et le vecteur vitesse v du centre d’inertie G du véhicule. En déduire l'équation horaire de la vitesse du centre d'inertie du véhicule ν(t) en fonction de a1, ν0 et t. b) En utilisant le résultat du test d'accélération, montrer que Ιa valeur de l'accélération a du véhicule en unité SI est : a = 2,1 m.s-2. c) Etablir l'équation horaire de la position x(t) du centre d'inertie G en fonction des grandeurs de l'énoncé. d) En déduire la distance D parcourue par la Logan quand elle passe de 30 km. h-1 à 70 km.h-1 , en 5,4 s.

II - VIRAGE SUR UNE TRAJECTOIRE CIRCULAIRE. Un second test consiste à faire décrire à la voiture une trajectoire circulaire de rayon R = 50 m. Ce test donne une bonne indicatίοn de la tenue de route du véhicule. Une chronophotographie (en vue de dessus) représentant les positions successives du centre d'inertie G de la Logan pendant ce test est donnée (Figure ci-dessous). La durée = 1,00 s sépare deux positions successives du centre d’inertie G. 1.a) Exprimer les normes des vitesses ν3 et ν5 du centre d'inertie G aux points G3 et G5 en fonction des distances G2G4, G4G6 et de la durée b) En utilisant la figure 1 montrer que ces vitesses ν3 et ν5 ont la même valeur d'environ 40 km.h-1 c) Représenter les vecteurs νitesse ν3 et ν5 sur la figure (échelle: 1 cm pour 2 m.s-1). d) Représenter le vecteur Δv 4= v 5 - v 3 2.a) Donner l'expression du vecteur accélération a4 au point G4 en fonction de Δv4 et . b) Calculer la valeur de a4 en unité SΙ. 3.a) Le constructeur qualifie cette accélération de « latérale ». Quel autre qualificatif utiliserait-on plutôt en physique ? b) Tracer le vecteur accélération en G4 en utilisant l’échelle 1 cm pour 0,15 m.s-2

Exercice 3 : Les interférences les parties 1 et 2 sont indépendantes. PARTIE 1 1) On produit des ondes progressives circulaires à la surface de l’eau en utilisant une cuve à ondes. La célérité c de l’onde est mesurée et vaut c = 40 cm.s-1 Le point source S de la surface du liquide contenu dans la cuve à ondes est animé d’un mouvement vertical sinusoïdal de fréquence f = 20 Hz et d’amplitude a supposée constante a = 2 mm (on néglige l’amortissement dû aux forces de frottement).

1.1) L’élongation de S s’écrit : yS (t) = a sin (ωt + φ) avec ω appelée pulsation définie par ω = 2 f On suppose qu’à l’instant t = 0, ys = 0 et que S se déplace vers le haut, sens choisi comme sens positif des élongations. Déterminer la valeur de φet écrire l’expression numérique de ys (t). 1.2) Calculer la longueur d’onde λ de l’onde progressive. 1.3) On considère un point M de la surface de l’eau situé à d = 12 cm du point S. Le point M vibre-t-il en phase ou en opposition de phase avec le point source S ? Justifier. 2) On réalise maintenant des interférences à la surface de l’eau. Deux points sources synchrones, notés S1 et S2 , vibrant en phase à la même fréquence que précédemment et ayant même amplitude a, émettent chacun une onde progressive. On s’intéresse à la zone où les deux ondes interfèrent. En un point P de la région où se superposent les ondes issues des 2 sources, δ= S 2 P - S 1 P représente la différence de marche entre les deux ondes qui arrivent en P. 2.1) Donner l’état vibratoire d’un point noté P1 de la surface de l’eau tel que: S1P1 = 8 cm et S2 P1 = 17 cm en justifiant la réponse. 2.2) On considère le segment S1S2 :

Déterminer l’amplitude A du mouvement du point O milieu de ce segment. 2.3) Combien y a-t-il de points d’amplitude maximale sur le segment S1S2 sachant que, sur le segment S1S2 , deux points consécutifs d’amplitude maximale sont distants de λ/2 ? PARTIE 2 On branche deux haut-parleurs identiques sur le même générateur basse fréquence (GBF) et on les place face à face. On déplace un micro sensible aux variations de pression entre les deux HP et on visualise le signal sur un oscilloscope. On assimile les HP à des sources ponctuelles. Le signal du micro s'annule pour une position H du micro. En déplaçant le micro vers S2 , sur le segment S1S2 , le signal augmente puis s'annule à nouveau en un point K. La distance HK est de 21,2 cm. La fréquence indiquée par le GBF est f = 800 Hz. Calculer la célérité du son dans l'air.( Attention au piège, mobilisez vos neurones !!)

Sujet de Spécialité Physique- Chimie DS du 20/12/2012 Cet exercice doit être rédigé sur une copie à part précisant le nom du professeur auquel elle est destinée et répond aux mêmes consignes que les autres exercices. LA SALINITÉ POUR SURVEILLER LES OCÉANS (5 points) L’eau des océans est en mouvement permanent. C’est un tapis roulant géant, à l’échelle du globe, d’eaux chaude ou froide. On connait une partie de ce tapis roulant : le Gulf Stream. Les mesures de paramètres physico-chimiques de l’eau des océans alimentent les modèles de circulation océanique. En effet, les mouvements des masses d’eau sont régis par trois facteurs principaux : - les vents de surface pour les courants de surface (non abordé dans l’exercice) ; - la température : une masse d’eau chaude est moins dense qu’une masse d’eau froide, ce qui entraîne un mouvement ascendant de l’eau plus chaude et descendant de l’eau plus froide ; - la salinité : plus une eau est salée plus elle est dense, ce qui entraîne un mouvement descendant de cette eau. L’évolution de cette circulation est sûrement liée au réchauffement climatique et peut être étudiée grâce à des mesures de la salinité de l’eau. Les océans sont donc sous surveillance. Par exemple, le programme ARGO est lancé depuis plus de 10 ans : environ 3000 bouées enregistrent quotidiennement température et salinité de l’eau de mer en surface, au gré de leur errance sur tous les océans. Une de ces bouées est photographiée ci-dessous. Régulièrement, les bouées émettent leurs données qui sont transmises par satellite. Chaque point sur le document ci-dessous correspond à la position d’une des bouées au 15 septembre 2011.

Comprendre la notion de salinité L’eau de mer contient de nombreuses espèces dissoutes, la majorité d’entres elles est sous forme d’ions. Celle-ci est définie comme la masse en gramme d’espèces dissoutes contenues dans un kilogramme d’eau de mer. L’eau de mer de référence appelée « eau de mer normale » à la température de 15°C et à la pression atmosphérique normale de 1,0 bar, possède une salinité S de 35 g.kg-1. 3

La densité de l’eau de mer normale d est égale à 1,02597. Quelle est la masse d’espèces dissoutes dans un m de cette eau de mer ? Proposer un protocole simple permettant de mesurer la salinité d’une eau de mer au laboratoire.

Mesurer la salinité des océans Les espèces dissoutes dans l’eau de mer étant essentiellement ioniques, la mesure de la conductivité électrique de l’eau de mer s’est imposée pour en déduire la salinité. Dans les océans, les salinomètres comme ceux présents sur les bouées du programme ARCO mesurent simultanément la température, la pression et la conductivité de l’eau de mer. Elles peuvent réaliser jusqu’à huit mesures de conductivité par seconde, aboutissant à autant de valeurs de salinité. Les mesures de conductivité permettent de calculer la salinité S en g.kg-1 d’un échantillon d’eau de mer à partir de la formule suivante : S = 0,0080 – 0,1692 K 1/2 + 25,3853 K + 14,0941 K 3/2 -7,0261 K 2 + 2,7081 K 5/2 avec K défini comme le rapport entre la conductivité électrique de cet échantillon d’eau de mer (à 15°C et à la pression de 1,0 bar), et la conductivité électrique d’une solution de chlorure de potassium de référence de concentration molaire C = 4,48 10-1 mol.L-1 mesurée à la même température et à la même pression. Données : -3  Conductivité électrique d’une solution : pour < 10 mol.m et avec les concentrations en -3 ions Xi exprimées en mol.m ; -3 2 -1  Conductivité molaire ionique des ions chlorure à 15°C : (Cl ) = 6,10 10 S.m .mol + -3 2 -1  Conductivité molaire ionique des ions potassium à 15°C : (K ) = 5,88 10 S.m .mol 1.3 En utilisant la relation donnant la conductivité électrique d’une solution, calculer la conductivité électrique de la solution de référence de chlorure de potassium. On mesure, à 15°C, la valeur de cette conductivité électrique -1 4,2914 S.m . Comparer ce résultat à la valeur calculée précédemment. Proposer une explication à l’écart obtenu. 1.4 Pour un échantillon de l’eau de l’océan arctique (à 15°C et à la pression de 1,0 bar), on mesure la conductivité -1 arct = 3,9604 S.m . Calculer la valeur de la salinité S d’une solution de cette eau de mer en donnant le résultat avec deux chiffres significatifs. Comparer à la salinité de «l’eau de mer normale ».

La salinité des eaux de surface océaniques et le climat Les mesures relevées par les bouées du programme ARCO, ont permis de relever différents paramètres en fonction de la latitude. La salinité de l’océan est un paramètre clef pour étudier la circulation océanique des eaux de surface et comprendre le lien avec le changement climatique. salinité (g.kg-1)

Figure 7. Évolution de la température et de la salinité des eaux de surface en fonction de la latitude, à partir des relevés de balise ARCO.

Latitude 0°

H : haute pression L : basse pression

Précipitations moyennes annuelles :

très faibles

faibles

moyennes

fortes

très fortes

Figure 8. Précipitations annuelles en mm 1.5 À l’aide de la figure 7, proposer une explication à l’évolution de la salinité des eaux de surface pour les latitudes comprises entre 60° et 20° sud. 1.6 À l’aide des figures 7 et 8, proposer une explication à l’évolution de la salinité des eaux de surface au voisinage de la latitude de 0°. 1.7 Proposer une explication aux écarts de salinité moyenne des zones B et C par rapport à l’eau de mer normale (zone Atlantique Nord). Zone étudiée

Atlantique Nord

Zone A (zone arctique)

Zone B (mer Méditerranée)

Zone C (embouchure du fleuve Amazone)

Salinité moyenne (g.kg-1)

35

32

39

31

1.8 Émettre une hypothèse sur l’évolution de la salinité dans la zone arctique compte tenu de l’augmentation de la température dans cette zone due au réchauffement climatique.