Classe : TS4 - Valet Physique

Classe : TS5 Durée : 3 h 30
le 18/12/2012
DEVOIR TYPE BAC N°2.
CALCULATRICE AUTORISEE LES ELEVES FAISANT SPECIALITE PHYSIQUE REMPLACENT L'EXERCICE 1 PAR
L'EXERCICE DE SPECIALITE DONT L'ENONCE EST SUR UNE FEUILLE A PART.
CET EXERCICE EST A REDIGER SUR UNE COPIE SEPAREE DU RESTE. Ex 1 : (5 pts) La bande due à la liaison C=O (1 650 - 1 800 cm-1) est l'une
des plus caractéristiques de l'infrarouge. Très intense du fait de la forte
polarité de cette liaison, elle est vite reconnue. La présence de cette
bande n'est qu'un indice sur la structure de la molécule. C'est l'examen
des autres bandes associées à la fonction qui permet l'identification du
composé.
I- Familles connues On va étudier les spectres infrarouges de quatre composés: le butanal, la
butanone (ou butan-2-one), l'acide butanoïque et le butanoate de méthyle.
1- Donner la formule semi-développée et la formule topologique de ces
quatre composés en nommant le groupe fonctionnel correspondant.
2- À partir des spectres fournis en annexe, relier chaque type de liaison
à son nombre d'onde.
3- Comment distinguer un aldéhyde d'une cétone à partir du seul spectre
infrarouge ?
4- Qu'est-ce qui permet d'identifier la présence d'un acide carboxylique ? II- Composé inconnu On donne ci-contre le spectre infrarouge d'un composé inconnu.
1- Des quatre familles précédentes, émettre des hypothèses sur
le composé inconnu.
2- À partir d'une analyse complémentaire, on détermine la formule
brute du composé inconnu C4H8O2. En déduire la famille du
composé inconnu. Justifier.
3- Donner alors les 4 formules semi-développées et noms
envisageables des isomères de formule C4H8O2.
4- On dispose aussi du spectre RMN de ce composé en annexe,
quel composé pouvez-vous déjà éliminer ? Justifier.
5- Avec les valeurs des déplacements chimiques données en annexe,
interpréter le spectre RMN suivant et identifier le composé inconnu. Ex 2 : (4 pts) A propos de l'acide formique. Pour se défendre, les fourmis utilisent deux moyens : leurs mandibules et
la projection d'acide formique. Les mandibules servent à immobiliser
l'ennemi tandis que l'acide formique brûle la victime. Une fourmi se
sentant menacée se dresse sur ses deux pattes arrière et peut projeter sur
l'ennemi un jet d'acide formique à plus de 30 centimètres grâce à son
abdomen. L'acide formique (ou acide méthanoïque) soluble dans l'eau a pour formule
semi-développée
HCOOH. On se propose d'étudier quelques propriétés d'une solution aqueuse
de cet acide.
Données : Masses molaires atomiques : M(C) = 12 g.mol-1 ; M(H) = 1 g.mol-
1 ; M(O) = 16 g.mol-1
Conductivités molaires ioniques à 25°C (conditions de l'expérience) :
( (H3O+) = 35,0(10-3 S.m².mol-1 ; ( (HCOO-) = 5,46(10-3 S.m².mol-1
On rappelle l'expression de la conductivité ( d'une solution en fonction
des concentrations
molaires des espèces ioniques Xi dissoutes ( = ( (i.[Xi]
I- Dans une fiole jaugée de volume V0 = 100 mL, on introduit une masse m
d'acide formique, puis
on complète cette fiole avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge et
on l'homogénéise. On
dispose d'une solution S0 d'acide formique de concentration molaire C0 =
0,01 mol.L-1.
1- Calculer la masse m.
2- Ecrire l'équation de la réaction associée à la transformation de l'acide
formique en présence d'eau.
3- Compléter le tableau 1 d'avancement joint en annexe (à rendre avec la
copie) correspondant à cette transformation chimique, en fonction de C0, V0
et xéq. On note xéq l'avancement à l'état d'équilibre.
4- Donner l'expression de la constante d'acidité KA.
Montrer que cette constante peut s'écrire sous la forme : KA = [pic].
II- Exprimer la conductivité ( de la solution d'acide formique à l'état
d'équilibre en fonction des conductivités molaires ioniques des ions
présents et de la concentration en ions oxonium à l'équilibre [H3O+]éq.
III- La mesure de la conductivité de la solution S0 donne ( = 0,05 S.m-1 à
25°C. En utilisant les relations obtenues précédemment, compléter le
tableau 2 fourni en annexe. Vous indiquerez les calculs sur votre copie.
IV- On réalise la même étude, en utilisant une solution S1 d'acide formique
de concentration
C1 = 0,10 mol.L-1. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau 2
(fourni en annexe).
En déduire l'influence de la concentration de la solution sur la constante
d'acidité. Ex 3 : (4,5 pts) Titrage du vinaigre d'alcool.
Le vinaigre d'alcool est obtenu par fermentation d'éthanol, lui-même
fabriqué à partir de la betterave sucrière. Son coût de production est
inférieur à celui du vinaigre de vin, et le fait qu'il soit incolore est
intéressant pour certaines utilisations. On peut le considérer simplement
comme une solution d'acide éthanoïque CH3COOH dans l'eau.
La réglementation précise que « la teneur en acide total du vinaigre ne
doit pas être inférieure à 50 g dans 1000 mL, calculée en acide pur ».
Un enseignant propose à ses élèves de vérifier qu'un vinaigre d'alcool du
commerce respecte la réglementation.
La classe est répartie en 6 groupes disposant chacun d'un conductimètre.
Chaque groupe prépare une solution aqueuse d'acide éthanoïque de
concentration massique Cm donnée, il mesure la conductivité. Les résultats
des mesures son données ci-dessous :
| Cm (g.L-1) |2,0 |2,3 |2,6 |2,9 |3,2 |3,5 |
|( (mS.cm-1) |29,2 |31,5 |33,5 |35,4 |37,2 |39,0 |
1- Tracer la courbe d'étalonnage ( en fonction de Cm. Un volume de 10,0 mL du vinaigre est prélevé et placé dans une fiole jaugée
de 200,0 mL puis on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de
jauge.
2- Calculer le facteur de dilution de cette solution par rapport à la
solution commerciale.
3- Chaque groupe réalise la mesure de la conductivité correspondante. Les
résultats sont donnés dans le tableau ci-dessous :
| |Groupe 1 |Groupe 2 |Groupe 3 |Groupe 4 |Groupe 5 |Groupe 6 |
|( (mS.cm-1) |34,4 |34,2 |34,7 |34,5 |34,9 |34,3 |
Déterminer d'après ces mesures, la valeur moyenne de la conductivité (moy
ainsi que l'incertitude U((). Vous donnerez la valeur de (moy sous forme
d'un encadrement.
Rappels : une incertitude se calcule par la relation : U(M)= k.[pic]où k
vaut 2,57 pour un intervalle de confiance de 95 % avec n = 6.
4- En utilisant (moy, en déduire la concentration du vinaigre dilué puis du
vinaigre commercial.
5- Ce vinaigre respecte-t-il la réglementation ? Justifier.
6- Un élève propose de déterminer la quantité d'acide éthanoïque par
titrage, en utilisant comme solution titrante une solution de soude
(Na+(aq) + HO- (aq)). La phénolphtaléine est un indicateur coloré adapté à
ce dosage. Elle est incolore en milieu acide et rose en milieu basique.
Faire un schéma annoté du dispositif expérimental et expliquer comment
repérer l'équivalence. Ex 4 : (6,5 pts) Aie ! J'ai une crampe ...
Lors du métabolisme basal de l'homme, l'énergie nécessaire provient de la
transformation en milieu oxygéné du glucose en dioxyde de carbone et eau.
Le dioxyde de carbone est transporté par le sang jusqu'aux poumons où il
est alors éliminé par ventilation.
Lors d'un effort physique intense, les besoins énergétiques des muscles
augmentent : le métabolisme basal augmente ainsi que la ventilation.
Dans certains cas, lorsque la ventilation est insuffisante, l'énergie
nécessaire au fonctionnement du muscle devient insuffisante : la crampe
apparaît. Il se forme, dans la cellule musculaire, de l'acide lactique qui
lorsqu'il passe dans le sang, provoque une diminution locale de son pH du
fait de la création en abondance de dioxyde de carbone dissous dans le
sang. Cette diminution du pH sanguin déclenche des ordres hypothalamiques
qui vont amplifier la ventilation.
Le but de cet exercice est d'expliquer, de façon très simplifiée, les
processus mis en jeu lors de l'apparition d'une crampe.
I- pH du sang et maintien de sa valeur :
Le sang est constitué d'un liquide plasmatique (contenant entre autres les
globules et les plaquettes), qui peut être assimilé à une solution aqueuse
ionique dont le pH (d'une valeur voisine de 7,4) est quasiment constant et
ne peut subir que de très faibles fluctuations. Dans le cas contraire, de
fortes fluctuations nuiraient gravement à la santé.
Le maintien de la valeur du pH se fait par deux processus :
- Le premier met en ?uvre un ensemble d'espèces chimiques régulatrices dont
notamment le couple acide-base CO2, H2O / HCO3- (couple dioxyde de carbone
dissous / ion hydrogénocarbonate) grâce à l'équilibre :
CO2, H2O(aq) + H2O(l) ? HCO3-(aq) + H3O+(aq) (réaction 1).
- Le deuxième processus physico-chimique est la respiration. A une température de 37°C on donne : pH d'un sang artériel « normal » :
7,4, pKA(CO2, H2O / HCO3-) = 6,1
1-a- Donner l'expression de la constante d'acidité KA1 associée au couple
régulateur (réaction 1). En déduire la relation entre le pH et le pKA1 du
couple CO2, H2O / HCO3-.
b- Calculer alors la valeur du rapport [pic] dans le sang artériel normal.
c- Lors d'un effort physique, la concentration en dioxyde de carbone
dissous dans le sang, au voisinage du muscle, augmente. Comment devrait
varier le pH du sang ?
Pour éviter cette variation du pH du sang, l'hémoglobine contenue dans ce
dernier et la respiration interviennent pour éliminer l'excès de dioxyde de
carbone.
Le transport des gaz dissous dans le sang peut être modélisé par
l'équilibre :
HbO2 + CO2 ? HbCO2 + O2 (réaction 2)
Où Hb représente l'hémoglobine du sang.
2- Répondre qualitativement aux questions suivantes :
a- Au voisinage du poumon la quantité de O2 dissous augmente. Dans quel
sens aura lieu la réaction 2 ?
b- Au voisinage du muscle la quantité de CO2 dissous augmente Dans quel
sens aura lieu la réaction 2 ?
II- L'acide lactique
L'aci