Physique Chimie Oblig Bac 2011 Washington

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    BACCALAUREATGENERAL

    Session 2011

    PHYSIQUE-CHIMIE

    Serie 5

    Enseignement Obligatoire

    Duree de l'epreuve : 3 heures 30 - Coefficient: 6

    L'usage des calculatrices est auto rise.

    Ce sujet ne necesslte pas de feuille de papier millimetre.Ce sujet com porte 11 pages numerotees de 1/11 it 11/11

    Les feuilles d'annexes (pages 10/11 et 11/11)SONT A RENDRE AGRAFEES A LA COPIE

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    EXERCICE I : HYDROLYSES DES ESTERS (6,5 points)

    L 'hydrolyse d'un ester conduit a un etei d'equllibre chimique pour lequel coexistentun acide carboxylique, un alcool, I'ester et de I'eau.Lors d'une hydrolyse basique, Ie reectit utilise est une solution equeuse contenantdes ions hydroxyde (solution d'hydroxyde de sodium par exemple). L'equetionqenerele d'une reaction d'hydrolyse basique est la suivante :

    1 ;0---....).......R--C + HO--R'\~oester

    L'ion carboxylate, contrairement a I'acide carboxylique forme lors de I'hydrolyse avecI'eau, est sans effet sur I'alcool de sorte que la reaction inverse a'estetiticetion n'apas lieu.Une application de I'hydrolyse basique est I'obtention de savons. En effet, lesreactions de saponification ne sont autres que des reactions d'hydrolyse basique apartir de corps gras qui sont des triesters du glycerol.Les savons, obtenus par precipitation de I'ion carboxylate forme, sont descarboxylate de sodium ou de potessium. Ces demiers composes sont moins solublesdans I'eau selee que dans I'eau.L'objectif de I'exercice est d'etudier les proprietes de ces ditterenies reactions.L 'ethenoete de benzyle CH3-C02-CH2-P6H5 est un ester ires parfume extra it dujasmin. On recueille un echentilton presque pur qu'on trectionne -en deux partieseqeles.

    Donnees: o - ~formule serni-developpee de I'alcool benzylique : _ CH2-OH- masse molaire de l'ethanoate de benzyle : 150 q.rnol"

    Les parties 1, 2 et 3 sont lndependantes.

    1. Hydrolyse d'un esterLa premiere mottle de l'echeniillon precedent est introduite dans un ballon avecune queniiie de matiere egale d'eau et quelques gouttes d'acide sulfuriqueconcentre. Ce bailon, equip d'un chauffage a reflux, est place au bain marie. Laconstante d'equilibre K de la reaction d'hydrolyse qui se produit est egaIe a 0,25.

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    1.1. Etude de la reaction d'hydrolyse.1.1.1. Ecrire, en utilisant les formules semi developpees, l'equation de lareaction. Nommer les produits formes.1.1.2. Donner deux caracterlstiques de cette reaction.1.2. Etude du montage.1.2.1. Schematiser Ie montage utilise. Quel est l'interet de ce montage?1.2.2. Quel est le role de I'acide sulfurique ?1.3. On note no les quantites de matiere initiales de reactifs et Xf I'avancement de

    la reaction dans l'etat final.1.3.1. Completer litteralement Ie tableau d'avancement en annexe I a rendreavec la copie.1.3.2. Definir Ie taux d'avancernent 1: de la reaction.1.3.3. Donner I'expression de la constante d'equilibre K . Montrer que't2K = ---=-(1- 't)2 .1.3.4. Verifier que Ie rendement de la reaction est pratiquement egal a 33 %.

    1.4. Comment evolue Ie rendement de la reaction lorsqu'on extrait I'alcool dumilieu reactionnel ?

    2. Hydrolyse basique d'un esterOn fait reagir la deuxieme moltie de l'ecnentilton precedent avec une solutionaqueuse d'hydroxyde de potassium en exces. Le volume V du melangereectionnet obtenu est eqe! a 200 mL. Par dosage de ptelevemenis successifs de20,0 mL, on determine la quantile de matiere d'ions hydroxyde restantsn(HO- )restanta ditterentes dates ainsi que I'avancement x de la reactiond'hydrolyse basique. Les resuiteis sont consiqnes dans Ie tableau de I'annexe I arendre avec la copie.2.1. En exploitant Ie texte, donner l'lnteret d'une hydrolyse en milieu basique.2.2. Avancement de la reaction:2.2.1. En s'aidant eventuellement d'un tableau d'avancement, ecrire la

    relation entre n(HO-)restantet I'avancement x de la reaction a la date t.2.2.2. En deduire les valeurs manquantes de x du tableau de I'annexe I arendre avec la copie, aux dates t = 4 min et 6 min.2.2.3. Sachant que la masse d'ethanoate de benzyle utilises pour Ie melangereactlonnel de volume V = 200 mL, est eqale a 10,0 g, determiner lavaleur finale de I'avancement, notee Xf.

    2.3. Etude cinetique de la reaction:2.3.1. Definlr et determiner Ie temps de demi-reaction a partir du graphiquede I'annexel a rendre avec la copie.2.3.2. Comment varie la vitesse de reaction au cours du temps? Pourquoi ?

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    2.3.3. Representer sur Ie graphique I'allure de la courbe que I'on obtiendraiten chauffant Ie melange reactionnel.

    3. Obtention d'un savonPour obtenir un savon, on realise a chaud I'hydrolyse basique du tributyrate deglyceryle ou butyrine avec une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium. Pourrecuperer Ie savon, on effectue une operation appelee relargage.On notera RCOOH I'acide buiytique.3.1. Ecrire la formule semi developpeedu glycerol (propan1, 2, 3-triol) ainsi quecelie du tributyrate de qlyceryle,3.2. Quel est l'interet de l'operation de relargage, qui consiste a ajouter de I'eausalee dans Ie milieu reactionnel ?

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    EXERCICE II : MATIERE ET ANTIMATIERE (5,5 points)

    D'apres Science revue n'36 nov/dec/janv 2009

    Ou est pessee i'entimetiere ?II est communement admis par les scientifiques que, juste epres Ie Big Bang,l'enorme quentiie d'energie disponible dans notre Univers naissant s'est trenstormeeen des quentltes egales de matiere et d'eniimetiere.Particules et antiparticules etent de memo masse mais de charges opposeeseureient dO tout naturellement s'annihiler les unes aux autres, deboucbent surun univers rempli de rayonnement mais vide de matiere.Manifestement, l'Univers dans /equel nous vivons aujourd'nui est constltue dematiere et aucun atome d'entimetiere a l'etei naturel n'a pu eire decouvert. Lesantiparticu/es ne sont produiies que lors d'interactions de particules cosmiques avecl'etmosphere terrestre. C'est ainsi qu'en 1933 ont ete decouverts les premierspositons (anti electrons de charge positive). La disparition de t'entimetiere dansI'univers est donc une enigme (. . .).

    Les parties 1, 2 et 3 sont Independantes.

    1. L'antlmatlere au voisinage de la terreLes eruptions solaires peuveni creer des paires etectron-posiion. Celie de juil/et 2002a cree un demi-kilogramme d'eniimeiiere, assez pour couvrir fa consommationd'enerqie d'un grand pays pendant plusieurs jours.

    Donnees:Particules electron positon neutron protonMasse en kg 9 109 x 10-31 9,109x10-31 1,67492 x 10 -27 1 672 62 x 10 -27, ,Celerite de la lumiere dans Ie vide: c = 2,998 x 108 rn.s"1 eV = 1,602 x 10 -19 J1 Wh = 3600 J

    1.1. Exploitation du texte :1.1.1. Einstein a propose une relation: E = rn.c", Nommer et donner l'unitedes grandeurs apparaissant dans cette relation.

    1.1.2. En s'appuyant sur cette relation, commenter la phrase en gras dans Ietexte.

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    1.2. Energie creee lors de l'eruption solaire de juillet 2002 :1.2.1. Ecrire l'equation de la reaction nucleaire entre un electron et un positonsachant que cette reaction produit deux photons y de masse nulle.

    1.2.2. Calculer l'enerqie liberee par la reaction entre un positon et un electron.1.2.3. En deduire l'enerqie creee lars de l'eruption solaire de juillet 2002 et lacomparer a la consommation journaliere moyenne d'enerqie electriquefrancalse egale a 1200 GWh en 2006.

    2. La creation d'elements radioactifs artificiels.L'eiude des-reactions nucleeires reelisees en bombardant des elements legerscomme I'aluminium par des rayons alpha va conduire Irene et Frederic Joliot-Curie aobserver, au cours de ces reactions, l'emission de neutrons et de positonsaccompagnant la creation d'un element X qu'i!s n'identifient pas tout d'abord.lis constatent ensuite que les neutrons et. les positons ne sont pas emis.slmulienement et que la reaction observee se produit en deux temps. Les particulesalpha ejecien: -d'abord des neutrons hors de I'element teqer. Dans Ie cas del'elumlnium, des noyaux de phosphore 30 (element X) sont crees suivant l'eoueiion :

    alpha + aluminium ---7 phosphore 30 + neutron (reaction 1) .Ensuite Ie phosphore 30 qui est radioactif se desintegre en emetient un positon et ense transformant en slticium 30 (reaction 2). .D'epres Ie site radioactiv_!te.com

    Donnees:14Si

    -Noyaux et particules I phosphore 30 aluminium 27 particule alpha neutronMasse en u I 29,9701 26,9744 4,001 50 1,00866

    - unite de masse atomique: 1 u =: 1,660 43 x 10 -27 kg- energie de l'unite de masse atomique:1 u correspond a une enerqie de 931,5 MeV

    2.1. Etude de la reaction 1 :2.1.1. Qu'appelle-t-on " particule alpha" ?2.1.2. En appliquant les lois de conservation, ecrlre l'equatlon de la reaction 1en utilisant les symboles des noyaux et particules mis en jeu.2.1.3. Donner I'expression de la variation d'enerqie lors de la reaction (1).2.1.4. Calculer sa valeur en MeV. Cette reaction provoque-t-elle une perte de

    masse ou un gain de masse?

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    2.2. Etude de la reaction 2 :2.2.1. En appliquant les lois de conservation, ecnre l'equation dedeslnteqration du phosphore 30 (reaction 2). De quel type dedesinteqration s'agit-il ?2.2.2. Cette reaction est-elle spontanee ou provoquee ? Justifier sans calcul sicette reaction provoque une perte ou un gain de masse.

    3. Decrolssance radioactive du phosphore.A la date to = 0, on arrete Ie bombardement des noyaux d'aluminium par lesparticules alpha. L'ectiviie Ao de t'ecnentinon de phosphore 30 est alors egale a. 7,2 x 1013 8q.A la date t., l'ectlviie A1 de i'echentitton est egale a 9,0 x 10128q.A un instant t, l 'ectivite est notee A(t).Donnee : temps de demi-vie du phosphore 30, t1/2 = 156 s.

    3.1. Deflnir l'actlvlte A(t) d'un echantillon radioactif puis donner I'expression de laloi de decroissance radioactive pour l'activite, en expliquant la signification dechaque terme.3.2. Deflnlr Ie temps de demi-vie t1f2 et montrer que: t1f2 =

    constante de desinteqration.3.3. Exprimer t1 en fonction de Ao, A1 et t1/2 et calculer sa valeur.3.4. Montrer que I'on aurait pu trouver ce resultat facilement en calculant Ie

    rapport de Ao sur A1.

    In2 'A etant la'A '

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    EXERCICE III : CONSTANTE DE RAIDEUR D'UN RESSORT (4 points)

    Au cours d'une seance de travaux pratiques, on souhaite etudier les caracteristiquesd'un pendule elesiique.Pour cela, on dispose d'un pendule etestique vertical constitue d'un ressort, demasse negligeable et de constante de raideur k, auquel on accroche un solide demasse m.Le ressort s'al/onge a/ors de la longueur fa : une position d'equitibre est etteiote.A partir de cette position d'equitibre, on etire Ie ressort verticalement puis on Ie leche.Le sysieme effectue a/ors des oscillations libres de part et d'autre de sa positiona'eqaiilbre avec une amplitude Xm et une pseutio-periode T .Le schema ci-dessous represenie Ie dispositif: (a) (b) (c)

    (a) Ressort a vide (longueur Lo)(b) Ressort a t'equllibre : phase statique(longueur Le)(c) Ressort en oscillation: phase dynamiqueLa position du centre d'inertie du solide est

    -4reperee par son ebscisse x dans Ie repere (0, i ).- .lntensite de la pesanteur : 9 = 9,8 N.kg-1

    :'t' X

    1. Etude statiqueOn mesure /'al/ongement fa du ressort pour dliterentes valeurs de masse m . Lesresultets exoerimenteux sont ressembles dans Ie tableau suivant :

    Masse m (10-3 kg) 20 40 60 80 100Allongement fa (10-2 m) 4,0 8,1 12,2 16,2 20,2

    1.1. Exprimer I'allongement f a en fonction de L a et L e .1.2. Etablir, en justifiant, la relation entre m, g, k et fa a l'equilibre.1.3. En utilisant Ie graphique figure 1 de I'annexe II a rendre avec la copie,determiner la valeur de la constante de raideur k du ressort.

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    2. Etude dynamiquePour les memes valeurs de masse m que dans la partie 1, on mesure avec unchronometre la duree de dix oscillations. Les resuitets experimenteux sont donnesdans Ie tableau suivant :

    Masse m (10-3 kg) 20 40 60 80 100Duree de dix oscillations (s) 4,06 5,75 6,95 8,03 8,96

    ~.1. Pour un oscillateur non amorti, l'equation differentielle verifiee par I'abscisse- x du centre d'inertie du solide S s'ecrit : m d2x + k.x = 0 .dF

    Dans Ie cas present, la solution de cette equation est: x = Xm.cos( ~t )._ 0

    - -- 2 .,1 .1 . Que represents To? ~.2.1.2. Montrer que : To = 2rtJW .

    2.2. En realite, I'amplitude du mouvement ne reste pas constante. Le mouvementest alors qualifie de pseudo-periodique.2.2.1. Comment evolue I'amplitude du mouvement au cours du temps?Comment Ie justifier? -.-2.2.2. A quelle condition, la pseudo-periode T est-elle tres proche de To?

    Dans la suite de I'exercice, on considerera que cette condition estverlflee, _2.2.3. Comment proceder pour que la mesure de T soit la plus precisepossible?2.2.4. Choisir I'une des representations fournies sur la figure 2 de I'annexe IIa rendre avec la copie pour determiner la valeur de k puis la calculer.

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    ANNEXE I A RENDRE AVEC LA COPIE1. Hydrolyse d'un esterQuestion 1.3.1

    equation chimique Ester + H2O = +Etat du Avancement Ouantites de matiere (mol)systems (mol)Etat initial 0Etatlntermedlatre xEtat final- - Xf

    2. Hydrolyse basique d'un esterQuestion 2.2.2

    date t (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16n ( H O - ) r e s t a n t (10-3mol) 10 8,8. 7,3 5,8 5,0 4,4 4,2 4,0 3,8x (10-3 mol) 0 1,2 5,0 5,6 5,8 6,0 6,2

    Question 2.3.1x (m m o l)

    I I I I I I I ."II I I I I I I I" 7 1 .... 1 . . ~ . ." . .~ . : . . . . ._ _ . . ~ : . . . . . ._ . . _ _ ~ _ . . . . ~ _ . . . ~_ _ " .I I I I I I I II I I I II I I I II I I I I I II I I I I I I ...6 - - _ 1 .. _ . . - _ .. - - _ . .i _--~._.__~_-_.~_.--:---_.1 - _1.. - -- ..: : : : ~ + : :r I I I I I II I I I I I I I5 .... ..!--- ---........__. ~. ..- - - - . . . . . . ~ . . . . - . . - - - : _ - - - - . . . . - - . . _ ~ _ _ . . . . . . . . - ~ - - _ . . - - - . . . . . .I I 1 I I I I II I I I I I I II I I 1 I I I II I I 1 I I I I1 I + I I I I I4 - - . . . . . . . . . . - - - . . ~ - - - - - - _ . . - - ~ . . . . . . - - . . . . - - - , _ . . . . - . . . . . . . . - - ~ - - - - - - - - - - ~ - - - - - - - - - - - : .. . . - - - - - - - - - ~ - - - - - . . - - - - ~ - - - - - - - - - -I I I I I I II I I I I I II I I I I I II I I I I I II I I I I I I I3 _-- - + - - - - - - - - - - + - - - - - - { - . . . . . . _ _ . . ~ - - _ . . ~ . . - - . . - - - - - - . .: . . . . - - - - - - - . . - ~ - - - . . - - . . - - . . ~ . . - - - - - - . . - . .t : I

    I I I II I I I I I I I2 ....- -- - - - - - + . . - - - - - - - - - + - - . . _ . . - - - - - { - - - - - - - - _ . . ~ - . . -_ . . - - _ . . - ~ - - - _ . . . . . . - _ . . - : - - - - _ . . - - - - - ~ - - - - - - - - - - ~ - - - - - - - - - . .I

    I I. . . . - - - . . - - - . . t O o " - - . . - - - - - t - - - - - - - - , - - - - _ . . _ . . - - -: - - - - - - _ . .- - -: - _ . ._ . . - - - : - - - - - - - - - : - - - - - : - - - - - --I I I I I II I II II II I

    2 6 1 2 1610t ( m i n )

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    ANNEXE II A RENDRE AVEC LA COPIEExercice III :constante de raideur du ressort1. Etude statiquequestion 1.3

    Exercice II Iconstante de raideur du ressort2. Etude dynamiquequestion 2.2.4

    , , , , , ,-r- -,,- -r- -r-,-+ = t j : - ,- -~-~--r- - ,- -ri-, , - : -;- -,-.- -.-,-, - - ' , , , , ,-r -r-n- ,- -r-i- -,--_ L - - -' .1 _ ~- _L...J_ - : - -, , , ,- . - - -10-1'- ~- -"'''1- -~-- - ' , , , , ,-r -,-1- -, - -,-,- -,--80 100 120

    figure 2b

    (10-2 m)25

    . ~ , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,~-~~-~-~-~- : -~- : -~-~~-I I I I I I I I I I I I ,-,. . . -,.-,- - 1 " - ' - 1 ' - 1 " ' - . . -~.,-~- -1--i:tj:i: j : t : : : J : - : - ~ - : - - : - - : - ~ - + - : - : t : : : 1 : t : I I I I - : - -- : -~-~~-~~-t-:- l :CJ:I : -I--I I I I I I I I -~- : -~-~-I I I I ,1-r~-i- r r r r -,-,- r -i-- 'rr rr '-I"-.-T- -r->11 I I I I I , , , , ,! _ L J _ ! _ I I I I I I I I _ L J _ ! _ L -~-:-!-~- I I , I ,-4_"'_1-01_ _1_ ..._ ...-1_ ..-1-....-+- -I--I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ,T-,.,-T- " - 1 " ' - . - , - -,-,,-,..,- -r'"'l-T-, - 1 " ' - ' - ' - 1 " ' - '-"-'-T- -r->J._LJ_.L_ ~ - } - : - - : - .1 .1.LJ_ -}-~-t-:- -~-:-~-r- ~-~-:-t- - : - -!-LJ-!- -4- .. _1- .. - -:-!-LJ- -1--1-+-1- ~-:-i-~-...-......+- -I--I I , I I I I , , I , . . , . , , , , ,t-~~-7- + _'_J_ _1_..l_L..J _ -~~-t-:- -~-:--t-~- ~-:--!-7- _ . _ -, , -:-~-~-!- ,"-I"".,-T- ~- -,- . . . . - -r-"1-T-J- -~-'-'1-"- -t -I'"~-,.- -~ -I ~- ' , :/:i:tj: ' , I I I' , I I. , I - : - -l:CJ:I: -,-,- :CJ:r::: : [ : : : 1 : [ : 1-,-.-7-"- - .. _,- .J_L-l_.L_ -,--, . , , , , , I. , , I I , I I' , , , , , I ,l_L_'_.!._ ~- : : : J : : : : i : t j : -:-~-t-:- -;--:-i-t- i-~-:-f- - : - -1_~-!_!_ "- -~I-,"-I- _1-_'_",,_1-_ .I-I--I-~ -~ -' , I , , , I' , I , , , I , I I' , , , I ,T-,..,-T- - r - -,-,- -'-T-'-'- -'-'-r-,- -,--,-,-,-- ,-r'-T- -r->-{-r-:-f- + -:-~- -:-{-}--:- -}-~-t-:- -f--:-~-}- ~-r-:-+- - : - -{-r.{-}-4 , , , , I , , , , I , I I I I , 10 . : " ,- r - -,-,- -,-,-,..,- -r,-r-.- -,-'-7-"'- '-1"'-.-. -,-J._L.J_.L_ "- _I_J_ :::!:t~t-:-i-t-:- -~-:--t_t- .J_L-l_J._ -,--!-~~_!- , , , 1 , ,,- -1- ....- -1"""1-T-I- -1'"-1-'1-"- ... - . . . . . . . -,.- -~-- i - ~ - : - + - , , , , , , , - : - ~ - T - : - ' , , , , , , I ,,- -.-,- -r-t-r-r- -r-I-I-,- 1-,-,-7- -,--( 2~ 4~ 6~ 8~ 1 e 0 120 ~(

    20

    15

    10

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