Bac blanc de Physique et Chimie

Bac blanc de Physique et Chimie
Enseignement obligatoire
Exercices (80,5 points ; 15 heures) Exercice I : fermentation dans le vin (6,5 points) « Le vin est une boisson provenant exclusivement de la fermentation du
raisin frais ou du jus de raisin frais ».
Telle est la définition légale du vin mais derrière le terme « fermentation
» se cachent des transformations que les chimistes ont mis des années à
découvrir. Dans les années 1960, on commença à s'intéresser à une autre fermentation
qui se produit généralement après la fermentation alcoolique et à laquelle
on n'attachait pas trop d'importance jusqu'alors car on pensait qu'il
s'agissait d'un achèvement de la fermentation alcoolique.
Il s'agit de la fermentation malolactique qui consiste en une
transformation totale de l'acide malique présent dans le jus de raisin en
acide lactique sous l'action de bactéries. Cette fermentation, longtemps ignorée, a une influence reconnue sur la
qualité gustative de certains vins à condition de la conduire
convenablement. . Les techniques actuelles de suivi de ces fermentations se font par dosage
enzymatique ; elles consistent essentiellement à doser l'alcool contenu
dans le vin. Principe du dosage : Étape 1 : On effectue une distillation du vin de telle façon que l'on
recueille une solution incolore contenant tout l'éthanol présent dans le
vin. Étape 2: L'éthanol est oxydé par la nicotinamide-adénine-dinucléotide
(NAD+) dans une réaction catalysée par une enzyme spécifique. La réaction
produit de la nicotinamide-adénine-dinucléotide réduite (NADH) en quantité
de matière égale à celle de l'éthanol dosé selon l'équation : CH3CH2OH + NAD+ = CH3CHO + NADH + H+ (1). Étape 3 : On mesure l'absorbance de la NADH par spectrophotométrie à la
longueur d'onde de 340 nm lors du dosage. A - Première partie : Détermination du degré alcoolique d'un vin « On appelle degré alcoolique d'une boisson alcoolisée, le volume (exprimé
en mL) d'éthanol contenu dans 100 mL de cette boisson, les volumes étant
mesurés à 20°C. »
On l'exprime en % vol.
I - Questions préliminaires
1. Montrer que la réaction (1) est bien une réaction d'oxydo-réduction en
faisant
apparaître le transfert d'électrons entre les deux couples donnés.
Couples d'oxydo-réduction: CH3CHO / CH3CH2OH NAD+ / NADH 2. Quel est le rôle du catalyseur ?
II - Étalonnage du spectrophotomètre
On réalise une gamme de quatre solutions étalons; chaque solution étalon
contient : - NAD+ en excès,
- Le catalyseur,
- Une solution de concentration massique connue en éthanol. On mesure l'absorbance de chaque solution étalon et on obtient les
résultats suivants : |Solution étalon |S1 |S2 |S3 |S4 |
|Concentration massique Cm |50 |100 |200 |300 |
| | | | | |
|en éthanol en mg.L-1 | | | | |
|Absorbance : A |0,08 |0,16 |0,32 |0,48 | 1. Lors du réglage initial, quelle valeur doit-on donner à l'absorbance de
la solution de référence avant toute mesure ? 2. Tracer la courbe A en fonction de la concentration massique. 3. Montrer que la représentation graphique est en accord avec la loi de
Beer-Lambert A = kCm. Déterminer la valeur de k en L.mg-1.
III - Préparation et dosage de l'éthanol contenu dans le vin
On distille 20 mL de vin ; le distillat est ensuite ajusté à 200 mL avec de
l'eau distillée pour obtenir une solution appelée D.
On prépare l'échantillon à doser par spectrophotométrie en introduisant : - 1 mL de solution D,
- Le catalyseur,
- NAD+ en excès, dans une fiole jaugée de 50 mL que l'on complète avec de l'eau distillée.
L'absorbance mesurée pour cet échantillon vaut: Ae = 0,30. 1. Montrer que l'échantillon préparé correspond à une dilution au 1/50e de
la solution D. 2. Par une méthode de votre choix à préciser, déterminer à partir de
l'absorbance mesurée Ae la concentration massique en éthanol de
l'échantillon étudié. 3. En déduire la concentration massique en éthanol : a) de la solution D.
b) du vin. 4. Déterminer alors le degré alcoolique du vin. Donnée: - Masse volumique de l'éthanol supposée constante dans le
domaine de concentration considéré: 0,80 kg.L-1 B - Deuxième partie : cinétique de la fermentation malolactique L'équation de la fermentation malolactique est : COOH-CH2-CHOH-COOH = CH3-CHOH-COOH + CO2
Acide malique Acide lactique Le dosage enzymatique de l'acide malique restant dans le vin a donné les
résultats suivants pour une température de fermentation maintenue à 20°C
|Concentration massique |3,5 |2,3 |1,6 |0,8 |0,5 |0,27 |0 |
|Cm(t) en acide malique | | | | | | | |
|(g.L-1) | | | | | | | |
|Date t (en jours) |0 |4 |8 |12 |16 |20 |28 |
1. Montrer que la concentration molaire en acide malique restant dans le
vin à l'instant t s'exprime par: [acide malique] (t) = [pic].
En déduire la quantité de matière d'acide malique n acide malique (t = 0)
initiale dans un litre de vin.
2. A l'aide d'un tableau descriptif de l'évolution de la réaction, montrer
que l'avancement à l'instant t de cette réaction pour un litre de vin se
met sous la forme : x(t) = 2,6 x 10-2 - n acide malique (t) 3. La courbe représentant les variations de x en fonction du temps t est
donnée en annexe.
a) Comment peut-on, à partir du graphe, évaluer la vitesse volumique de
réaction à l'instant t ? (aucun calcul n'est demandé).
b) Commenter l'évolution de la vitesse volumique de la réaction au cours du
temps. 4. Définir et déterminer le temps de demi réaction. Données: MC = 12 g.mol-1; MO = 16 g.mol-1 ; MH = 1,0 g.mol-1
Exercice 2 : évolution de la réaction de l'ammoniac avec l'eau (6,5 points) Une bouteille d'ammoniaque du commerce comporte l'indication 22 ° Bé, ce
qui correspond à une concentration molaire C0 = 10,9 mol.L-1.
Cette solution sera nommée S0.
Dans une solution aqueuse d'ammoniac, l'équilibre entre l'ammoniac NH3 et
les ions
ammonium NH4+ s'écrit :
NH3 (aq) + H2O (I) = HO- (aq) + NH4+ (aq). Données (valeurs à 25 °C):
Quotient de la réaction de l'ammoniac avec l'eau à l'équilibre : Qr,éq=
1,58.10-5
Produit ionique de l'eau : Ke = 1,00.10-14 A - Première partie : détermination du quotient de réaction par pHmétrie La « basicité » de la solution S0 étant trop élevée pour être mesurée
directement au pHmètre, on prépare 50,0 mL d'une solution diluée S1 de
concentration C1 = C0 /10. Le pH mesuré de S1 est 11,62. 1) Quel volume de la solution S0 doit-on prélever pour préparer la
solution S1 ? 2) Proposer un mode opératoire pour préparer la solution S1. 3) Montrer que la concentration en ion hydroxyde dans la solution S1 est
:
[HO-](S1)= 4,2.10-3 mol.L-1 4) Compléter le tableau d'avancement donné en annexe pour la réaction de
l'ammoniac avec l'eau dans la solution S1 en considérant un volume V
'1 = 1,0 L.
5) En déduire la valeur du taux d'avancement final (1. Commenter le
résultat obtenu.
6) Calculer le quotient de réaction Qr,1 à l'état final et montrer que le
système est à l'équilibre aux incertitudes de mesure près.
B - Deuxième partie : détermination du taux d'avancement de la réaction de
l'ammoniac sur l'eau par conductimétrie Valeurs des conductivités molaires ioniques à 25 °C : (°( HO-) = 19,9.10-3 S.m2.mol-1 (°( NH4+) = 7,34.10-3 S.m2.mol-1 L'expression de la conductivité d'une solution ( = ( (i [ Xi ] n'est valide
qu'en solution très
diluée. A partir de la solution S1 d'ammoniac, on prépare une solution
fille, nommée S2 de concentration C2 = C1/100 = C0/1000 . I - Hypothèse On fait l'hypothèse que les quantités de matière des espèces en solution
n'ont pas changé lors de la dilution.
1) En déduire l'expression littérale de la concentration [HO-](hyp) en
fonction de [HO-](S1),
de même pour [NH4+](hyp) en fonction de [NH4+] (S1) et [NH3] (hyp) en
fonction de [NH3] (S1). 2) Montrer que le quotient de réaction Qr,hyp obtenu avec cette hypothèse
est égal à
Qr,1/100.
3) Le comparer à Qr,eq. En déduire si l'hypothèse est effectivement
vérifiée.
Sinon dans quel sens évolue le système lors de la dilution ?
Justifier.
II - Conductimétrie Pour confirmer ou infirmer l'hypothèse précédente, on mesure la
conductivité ( de la solution
S2: ( = 0,114 mS.cm-1. 1) Donner la valeur de ( dans le système international.
2) Exprimer la conductivité ( de la solution S2 en fonction des
conductivités molaires ioniques et des concentrations effectives
[NH4+] (s2) et [HO-](s2), dans cette solution.
3) En utilisant le tableau d'avancement de la réaction de l'ammoniac sur
l'eau et les données du texte en déduire [HO-](s2),
4) Calculer le taux d'avancement final (2 de la réaction de l'ammoniac
sur l'eau. 5) La dilution de la solution mère agit-elle sur le taux d'avancement de
la réaction de l'ammoniac sur l'eau ? Si oui dans quel sens.
L'hypothèse émise dans la partie 1 est-elle confirmée ? Exercice 3 : l'hydrogène : un combustible d'avenir ? (7 points)
A - Première partie : la fusion nucléaire contrôlée
Depuis plusieurs années des recherches sont menées en Europe sur les
réactions de fusion nucléaire contrôlées. Elles concernent principalement
l