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BAC BLANC 2016 PHYSIQUE – CHIMIE DUREE DE L’EPREUVE : 3H 30 CALCULATRICE AUTORI

BAC BLANC 2016 PHYSIQUE – CHIMIE DUREE DE L’EPREUVE : 3H 30 CALCULATRICE AUTORISEE Ce sujet comporte 1 exercice de Chimie et 2 exercices de Physique présentés sur 11 pages numérotés de 1/11 à 11/11 y compris celle-ci. Les pages 1O/11 à 11/11 sont des documents annexes à rendre avec votre copie. Désagrafez- les en début d’épreuve proprement ! Rédigez les 3 exercices sur des copies différentes. EXERCICE N°1 : Le nitrate, un polluant majeur de l’eau souterraine (8pts) EXERCICE N°2 : Ondes (7pts) EXERCICE N°3 : Service au tennis (5pts) 1 / 12 Exercice n°1 : Le nitrate, un polluant majeur de l’eau souterraine (8 points) A. Introduction L’eau est devenue une denrée rare dans beaucoup de région du globe, y compris l’Afrique de l’Est. Le paradoxe c’est ce que la nappe phréatique mondiale est très riche en eau souterraine, mais malheureusement pour certaines régions ces eaux souterraines sont polluées, par un élément perturbateur appelé nitrate, de formule . La présence de nitrates dans l’eau de consommation est principalement attribuable aux activités humaines. L’utilisation de fertilisants synthétiques et de fumiers, associée aux cultures et à l’élevage intensifs, favorise l’apparition de nitrates dans l’eau. Les installations septiques déficientes, de même que la décomposition de la matière végétale et animale, peuvent aussi être une source de nitrates dans l’eau. En l’absence de contamination, la teneur en nitrates des eaux souterraines varie de 0,1 à 1 milligrammepar litre d’eau, elle dépasse souvent aujourd’hui 50 milligrammes par litre, norme retenue pour les eaux potables par l’Organisation Mondiale de la Santé. Désormais, de telles eaux nécessitent donc un traitement spécifique pour pouvoir être consommées. Les ions nitrates réagissent très difficilement, mais en s’appuyant sur leurs propriétés oxydantes et complexantes, on peut ainsi contrôler leur présence dans une eau de robinet. Un enseignant de physique-chimie du lycée de Gobode propose à ses élèves de tester une méthode consistant à contrôler la présence des ions nitrates dans une eau. B. Principe du dosage et préparation de la solution étudiée. L’enseignant demande à ses élèves, d’introduire dans un ballon de 250 mL un copeau de cuivre de 200 mg ; 5,0 mL de l’eau du robinet et 5 mL d’acide sulfurique concentré. L’ensemble est surmonté d’un réfrigérant à eau placé sous la hotte et chauffé à 80°C pendant 1 heure. Une heure après, les élèves refroidissement le mélange et transvasent le contenu du ballon dans un erlenmeyer de 250 mL en laissant le copeau de cuivre. Ils observent l’apparition d’une coloration bleue. Réaction1 : 3 Cu (s) + 2 NO3 -(aq) + 8 H+(aq) → 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l) Ils ajoutent ensuite dans l’erlenmeyer avec précaution sous la hotte 25 mL d’une solution concentrée d’ammoniaque NH3 (aq) en excès. Réaction 2 : Cu2+ (aq) +4 NH3 (aq) → Cu(NH3)4 2+(aq) Enfin ils transfèrent le mélange dans une fiole jaugée de 100 mL en complétant avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On obtient une solution bleue intense (notée Seau) due à la complexation des ions cuivre II avec la solution d’ammoniaque en excès. La concentration des ions nitrate peuvent ainsi être déterminée par dosage spectrophotométrie à une certaine longueur d’onde. Mais il faut d’abord réaliser une échelle de teinte. 2 / 12 C. Préparation d’une échelle de teinte et mesure de l’absorbance des solutions préparées à λ= 610 nm. On dispose d’une solution S0 de sulfate de cuivre de concentration en ions cuivre [Cu2+]= 3,1.10-2 mol.L-1 et d’une solution S0’ d’ammoniaque NH3 (aq). Chaque solution fille est préparée selon le tableau ci-dessous. Les élèves réalisent une échelle de teintes et mesurent l’absorbance A de chaque solution fille. Ils mesurent l’absorbance de la solution Seauet obtiennent A(Seau) = 0,058. Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant : Solution fille S1 S2 S3 S4 Volume prélevé de S0 en mL 2,5 5,0 7,5 10 Volume de S0’ en mL 20mL (réactif en excès) Eau distillée Compléter à 100mL Absorbance des solutions à λ= 610 nm 0,029 0,065 0,082 0,101 I. Compréhension. 1. Quelle est la norme retenue par l’O.M.S. pour la concentration des ions nitrate dans une eau de consommation ? 2. Donner les origines principales de nitrate dans une eau de consommation. 3. Décrire les différentes manipulations et exploitations conduisant au principe du dosage. 4. Sur quelle longueur d’onde doit-on régler la source de spectrophotomètre pour réaliser le dosage spectrophotométrie ? À quel domaine appartient la radiation ainsi sélectionnée. 5. Justifier l’ajout de l’acide sulfurique dans la première étape du protocole. II. Étude de la réaction d’oxydo-réduction. 6. Écrire les demi-équations d’oxydoréduction des deux couples étudiés. 7. Montrer que la réaction entre ces deux couples a pour équation : 3 Cu (s) + 2 NO3 -(aq) + 8 H+(aq) → 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l) 8. Quelle est l’espèce chimique qui subit une oxydation ? 9. Faire un tableau d’avancement de la réaction décrite à la question 8 et trouver la relation entre la quantité de matière de l’ion cuivre II formé et la quantité d’ion nitrate introduite à l’eau testée. Le métal cuivre Cu (s) étant en excès. III. Étude de la réaction de complexation de l’ion cuivre II. 10. Calculer la concentration en ion tétraaminecuivre II Cu(NH3)4 2+ dans la solution S1, sachant que Cu2+ est le réactif limitant. 11. Commenter l’allure de la courbe donnée en annexe et déduire une relation entre l’absorbance A et la concentration de l’ion tétraaminecuivre II. 12. La loi de Beer-Lambert, pour des solutions homogènes diluées, a pour expression A = K.C (avec K = .L) où C est la concentration molaire de l’espèce absorbante, L la largeur de la cuve et  le coefficient d’extinction molaire de l’espèce absorbante à la longueur d’onde d’étude. a. La courbe donnée dans l’annexe 1 à rendre avec la copie vous semble-t-elle en accord avec cette loi ? b. Déterminer le coefficient directeur de la droite d’étalonnage, et préciser son unité. 3 / 12 IV. Concentration en ion nitrate de l’eau testée. 13. A l’aide de la courbe, A = f(C), déterminer la concentration en ion tétraaminecuivre II [Cu(NH3)4 2+] pour la solution Seau. Expliciter clairement la démarche suivie. 14. En déduire la quantité de l’ion cuivre II présent dans la solution Seau, sachant que l’ammoniaque est en excès. 15. Calculer la concentration de l’ion nitrate présent dans la solution Seau, en utilisant la relation établie à la question 10. 16. La solution d’eau testée Seau est-elle potable ? justifier. Données :  Couples redox mis en jeux : Cu 2+/Cu et NO3 -/NO  3 Cu (s) + 2 NO3 -(aq) + 8 H+(aq) → 3 Cu2+(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)  Les ions cuivre réagissent avec une solution d’ammoniaque NH3 (aq) pour former un ion complexe ion tétraaminecuivre II Cu(NH3)4 2+.La solution obtenue à une coloration bleu intense. L’équationmodélisantcetteréactionest: Cu2+ (aq) +4 NH3 (aq) → Cu(NH3)4 2+(aq).  M(N) = 14 g.mol-1 ; M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1 ; M(Cu) = 63,5 g.mol. 4 / 12 Exercice n° 2 : ondes (7 points) Lors d’une séance de travaux pratique (TP) sur les ondes, le professeur d’une classe de terminale S divise les élèves en deux groupes. Le groupe n° 1 travaillera sur les ondes mécaniques et le groupe n° 2 sur les ondes électromagnétique. A. Définitions 1. Définir une onde mécanique progressive. 2. Définir une onde électromagnétique. B. Détermination de la célérité des ultrasons dans l’air Le professeur demande aux élèves du groupe n° 1 de réaliser le montage de la figureci-dessous avec les matériels mises à leurs dispositions. Le GBF est réglé sur la fréquence f = 33 000 Hz et la distance entre les récepteurs R1 et R2 est de 41 cm. L’émetteur E étant en mode « salve », à l’écran de l’oscilloscope, le signal reçu par les récepteurs R1 et R2 et donné ci-dessous : Voie 1 Voie 2 Réglage 0,20 ms / div 1. Déterminer le retard τ que la salve va mettre pour parcourir la distance entre les récepteurs R1 et R2. 2. En déduire la vitesse du son. Le commutateur de l’émetteur E est positionné maintenant sur le mode « Continu ». Les élèves place de nouveau les deux récepteurs R1 et R2 (côte à côte) sur la graduation « 0 » de la règle et en face de l’émetteur E (placé quelque centimètre devant les deux récepteurs) et règlent l’oscilloscope afin d’obtenir à l’écran deux signaux sinusoïdales superposables. 5 / 12 Le bouton temps/div et réglé sur le calibre 10 μs/div. 3. Mesurer la période et en déduire la fréquence des ultrasons. L’émetteur E et le récepteur R1 étant fixé, lorsqu’on éloigne le récepteur R2 du récepteur R1, dans la direction émetteur- récepteurs, les deux sinusoïdes se décalent. Sans tenir compte de l’amplitude qui décroît pour le récepteur R2, les deux courbes « se superposent » à nouveau pour la première fois. On lit alors d = 1,0 cm sur la règle. 4. Comment s’appelle la distance d uploads/Finance/ bac-blanc-2016.pdf