PHYSIQUE

DEVOIR COMMUN
Mai 2013
PHYSIQUE-CHIMIE
SECONDE
Sujet A
Durée de l’épreuve : 2 h
L’usage de la calculatrice est autorisé
Ce sujet comporte 6 pages numérotées
Exercice I : La caféine
La caféine est une substance présente naturellement dans divers aliments, comme le café, le thé
et le chocolat. Elle est aussi ajoutée à divers produits alimentaires, comme des boissons gazeuses,
des boissons énergisantes et des friandises. On en retrouve aussi dans plusieurs médicaments,
notamment ceux destinés à soulager les symptômes du rhume et de la grippe.
La caféine possède des propriétés stimulantes du système nerveux central et du système
cardiovasculaire. Elle se répand rapidement dans tous les tissus du corps, y compris le cerveau.
Les 3 parties suivantes sont indépendantes.
I. La caféine dans les médicaments
Document 1 : Extrait de la notice présente dans une boite de métaspirine
Acide acétylsalicylique (aspirine)..................................................................475 mg
Caféine...........................................................................................................25 mg
Autres : Amidon de maïs, Cellulose microcristalline
1. Comment s’appellent les substances d’un médicament ayant des propriétés thérapeutiques ?
2. Quelles sont ces substances dans le médicament du document 1 ?
3. Comment appelle-t-on les autres composants ?
II. Extraction de la caféine du thé
Le thé contient environ 5 % de caféine (improprement appelée « théine »), et d’autres substances
comme des sucres et des pigments.
Document 2 : Exemple de protocole d’extraction de la caféine du thé
Première partie :
•
Amener à ébullition 100 mL d’eau distillée dans un bécher sur plaque chauffante, en agitant.
•
Dès l’ébullition, retirer le bécher de la plaque chauffante, y plonger 3 sachets de thé et agiter pendant 1 à 2 min
avec une baguette de verre. Sortir les sachets de thé et les essorer au-dessus du bécher entre deux verres de
montre.
•
Refroidir le bécher jusqu’à température ambiante dans un bain de glace.
Deuxième partie :
•
Verser le contenu du bécher dans une ampoule à décanter.
•
Mesurer 20mL de dichlorométhane avec une éprouvette graduée, les ajouter dans l'ampoule, boucher, agiter
modérément pour minimiser la formation d’émulsions.
•
En cours d’agitation, laisser régulièrement échapper les vapeurs de solvant, en ouvrant le robinet après avoir
retourné l’ampoule robinet vers le haut (dégazage).
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•
Poser l’ampoule sur le support, enlever le bouchon et laisser décanter. (Pour réduire l’émulsion à la surface de
séparation, on peut faire tourner doucement une baguette de verre dans l’émulsion.)
•
Récupérer la phase organique qui se trouve en dessous.
•
Jeter la phase aqueuse restant dans l’ampoule.
Troisième partie :
•
La phase organique, qui contient la caféine, contient également des traces d’eau, difficile à évaporer. On utilise
pour éliminer ces traces un solide avide d’eau : le sulfate de magnésium ou de sodium anhydre. Ajouter le
solide spatule par spatule, en agitant et en observant. On a ajouté assez de solide quand une partie des
cristaux ajoutés ne s’agglomère pas.
•
Filtrer sur papier au-dessus d’un ballon, rincer le filtre et le bécher deux ou trois fois avec très peu de
dichlorométhane au-dessus du ballon.
Quatrième partie :
•
Évaporer le dichlorométhane à l'aide d’un évaporateur rotatif. On obtient un solide légèrement verdâtre
(présence d’impuretés, notamment de pigments comme la chlorophylle).
Document 3 : Données physico-chimiques
Caféine :
Dichlorométhane :
•
Solide blanc
•
Point d’ébullition : 40 °C
•
Point de fusion : 238 °C
•
Densité relative (eau = 1,0) : 1,3
•
Solubilité
•
Solubilité dans l’eau à 20 °C : faible
solvant
solubilité
eau froide eau chaude dichlorométhane
faible
bonne
bonne
4. Comment s’appelle la technique réalisée dans la première partie du protocole expérimental du
document 2 ?
5. Pourquoi chauffe-t-on l’eau dans cette première partie ?
6. Comment s’appelle la technique réalisée dans la deuxième partie du protocole expérimental
du document 2 ?
7. Justifier l’emploi du dichlorométhane dans cette deuxième partie.
8. Dessiner l’ampoule à décanter ainsi que son contenu après décantation en indiquant où se
trouve l’eau, le dichlorométhane et la caféine.
9. Qu’est ce que le solide verdâtre que l’on obtient dans la dernière partie ?
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III.Étude de la molécule de caféine et d’autres
Document 4 : Modèles moléculaires éclatés
Azote (N)
Chlore (Cl)
Oxygène (O)
caféine
dichlorométhane
azote
azote
oxygène
acide dihydrazide isophthalique
10. Hormis l’azote, l’oxygène et le chlore, quels sont les deux autres atomes composants les
molécules du document 4 ?
11. Donner la formule brute de ces trois molécules.
12. Dessiner les formules développées de ces trois molécules.
13. Dessiner les formules semi-développées de ces trois molécules.
14. Comparer les formules brutes, développées et semi-développées de ces trois molécules. Que
peut-on dire de deux de ces molécules ?
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Exercice II : L’exploration de l’espace
De rêve, l’exploration spatiale est devenue réalité et cette réalité a dépassé la fiction. Depuis
50 ans, des mondes inattendus ont été découverts, des théories révisées, et chaque nouvelle
mission remet en cause des résultats antérieurs. Les enjeux ? Comprendre l’origine et
l’évolution du système solaire, des planètes, de la vie.
Document 1 : Exoplanètes
« En 1995, à Genève, un résultat extraordinaire fut annoncé : les deux astronomes Michel Mayor et Didier
Queloz avaient détecté une planète « extrasolaire » (ou exoplanète), c’est-à-dire en orbite autour d’une étoile
autre que le Soleil. Il s’agissait de l’étoile « 51 Pegasi » située à 50 a.l. de la Terre, dans la constellation de
Pégase. Ils purent même estimer certaines caractéristiques de la planète, comme sa masse (la moitié de
celle de Jupiter environ) et la distance qui la sépare de « 51 Pegasi » (approximativement 7,5 millions de km
).
De nombreuses planètes extrasolaires ont été découvertes depuis. Au 30 avril 2013, 866 planètes
extrasolaires sont identifiées dans 671 systèmes planétaires différents. »
Source : site Internet http://exoplanets.org
Document 2 : Données
Vitesse de la lumière dans le vide :
c = 3,00⋅105 km⋅s−1
Unité astronomique : distance moyenne de la Terre au Soleil
Année-lumière :
1 a.l. = 9,5⋅1012 km
Distance parcourue lors d’un voyage Terre-Mars :
d = 7,8⋅107 km
Ordre de grandeur d’un résultat : puissance de dix la plus proche
Document 3 : Objectif Mars : la mission MSL et son rover Curiosity
Illustration 1: Le robot Curiosity. Source: NASA.
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Mars Science Laboratory est la nouvelle mission de l’agence spatiale américaine (NASA) visant à
explorer la planète rouge. Elle devrait décoller de Floride le 25 novembre prochain. Depuis 1960, une
trentaine de missions martiennes ont permis de découvrir que l’eau a probablement déjà coulé sur
son sol. Reste à savoir si des formes de vie microscopique auraient pu s’y développer : la réponse
pourrait être apportée par cette mission et son robot XXL, le rover Curiosity.
Un atterrissage en douceur
Après un périple de 9 mois dans un environnement très contraignant, la planète rouge sera en vue. C’est
alors que la délicate et inédite phase d’atterrissage va commencer au-dessus du cratère Gale.
Les opérations démarrent
Après avoir testé les communications avec la Terre, le mât de Curiosity (plus de 2 mètres) se
déploiera.
À son sommet : une caméra de navigation pour choisir les zones à explorer et prendre des
photos. Il faudra environ 5 jours aux ingénieurs pour contrôler tous les paramètres du rover et
déterminer sa stabilité, s’il est à plat ou en pente, si une roue est sur un rocher, etc.
Il pourra alors se mettre en mouvement au rythme moyen de 30 mètres par heure et exploiter ses dix
instruments scientifiques pour détecter d’éventuelles traces d’eau, des fossiles de protéines, d’acides
aminés, analyser les roches, les minéraux, la composition de l’atmosphère en dioxyde de carbone (CO2), en
hydrogène.
Article novembre 2011 CNES Jeune
http://www.cnes-jeunes.fr/web/CNES-Jeunes-fr/9684-objectif-mars-la-mission-msl-et-son-rovercuriosity.php
Les 2 parties suivantes sont indépendantes
I. Étude des exoplanètes.
1. Donner la définition de l’année lumière (a.l.).
2. Calculer en km la distance qui nous sépare de l’étoile « 51 Pegasi ». Donner son ordre de
grandeur.
3. Combien d’années la lumière met-elle pour nous parvenir de cette étoile ? En déduire la
faisabilité d’envoyer une sonde d’exploration sur une exoplanète autour de Pegasi.
II. Exploration de Mars :
4. En sachant qu’une sonde spatiale, hors de la gravité terrestre, voyage à une vitesse de
1,2⋅104 km.h−1 de moyenne, calculer la durée du voyage de la sonde pour atteindre Mars. Le
résultat sera donné en heure.
5. Convertir votre résultat en nombre de jour. Cela correspond-il approximativement au nombre
de mois indiqué dans le texte ?
« Après avoir testé les communications avec la Terre » : les télécommunications se font la vitesse
de la lumière c.
6. Quelle est la durée du transfert d’une télécommunication entre le Robot Curiosity et la Terre
lorsque Mars est distante de 7,8⋅107 km de la Terre ? En déduire que la durée de
transmission est égale à 4,3 min.
« le mât de Curiosity (plus de 2 mètres) se déploiera. ». Pendant le déploiement du mât le robot
est à l’arrêt ; pourtant les images provenant de la caméra située à l’extrémité du mât montrent un
mouvement.
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7. Dans quel référentiel le robot est-il immobile ?
8. Expliquer cela, en précisant dans quel référentiel les images sont observées.
« Il pourra alors se mettre en mouvement au rythme moyen de 30 mètres par heure ».
9. Convertir cette vitesse en mètres par seconde ( m.s−1 ).
10. Quelle est la distance parcourue par le robot en 4,3 min ?
11. Pourquoi ne pas choisir une vitesse de déplacement plus élevée pour le robot ?
Exercice III : Préparation d’une solution de sérum physiologique
Document 1 : Le sérum physiologique
Le sérum physiologique ou solution physiologique est une solution destinée au nettoyage des
yeux, du nez, parfois des plaies, et aussi à la réhydratation du corps.
Elle est constituée de chlorure de sodium de formule
selon la réaction suivante :
NaCl qui est dissous dans l’eau purifiée
+
−
NaCl(s)→ Na (aq)+Cl (aq) .
Pour pouvoir être compatible avec le corps humain, sa concentration massique est T =0,90 g⋅L−1 .
Document 2 : Protocole de dilution
Voir l’Illustration 2.
Étape 1 : Verser la solution initiale (solution mère) dans un bécher et rincer la pipette avec un peu
de solution. Prélever à l’aide de la pipette jaugée munie d’une poire à pipeter le volume de solution.
Introduire le volume de solution prélevé dans la fiole jaugée.
Étape 2 : Remplir la fiole au 2/3 environ avec de l’eau distillée.
Boucher la fiole et agiter.
Étape 3 : Remplir la fiole jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée. Le trait de jauge doit être
tangent au bas du ménisque.
Étape 4 : Agiter pour homogénéiser la solution obtenue appelée solution fille.
Document 3 : Données
Masses molaires :
M (Na) = 23,0 g⋅mol−1 ;
M (Cl) = 35,5 g⋅mol−1
Nombre de charge (ou numéro atomique) du sodium :
Z = 11
Lien entre la masse m d’une espèce chimique et sa quantité de matière n :
m = n×M .
La concentration massique d’une espèce chimique en solution est la masse de soluté par litre de solution.
La concentration molaire d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de soluté par litre
de solution.
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Illustration 2: Schéma des opérations réalisées lors d'une dilution.
1. Montrer que l’on doit peser m=0,23 g de soluté pour préparer un volume V =250 mL de
solution de sérum physiologique.
2. Afin de préparer un médicament, on a besoin de diluer dix fois la solution de sérum
physiologique à T =0,9 g⋅L−1 . Choisir la verrerie nécessaire dans le Tableau 1 (il peut
manquer du matériel, mais on l’oubliera pour le moment).
Éprouvettes
Erlemeyers
Béchers
Fiole jaugée
V =10 mL
V =10 mL
V =10 mL
V =10 mL
V =25 mL
V =25 mL
V =25 mL
V =25 mL
V =50 mL
V =50 mL
V =50 mL
V =50 mL
V =100 mL
V =100 mL
V =100 mL
V =100 mL
V =250 mL
V =250 mL
V =250 mL
V =250 mL
Tableau 1 : matériel à choisir pour la dilution.
3. Calculer la masse molaire du chlorure de sodium
4. Montrer que la concentration massique
molaire C=1,5×10−2 mol⋅L−1 .
NaCl .
T =0,90 g⋅L−1 correspond à une concentration
5. Donner la formule électronique de l’atome de sodium Na puis de l’ion sodium Na+ .
6. Pourquoi l’ion sodium est-il stable ?
7. Donner la composition de chacun des isotopes de l’élément sodium :
24
Na . Qu’ont-ils en commun ?
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22
Na ,
23
Na et
Barème détaillé
Exercice I : La caféine (10 points)
Questions
Éléments de réponse
Points
I.1.1.
0,5
I.1.2.
0,5
I.1.3.
0,5
I.2.1.
0,5
I.2.2.
1
I.2.3.
0,5
I.2.4.
1
I.2.5.
1
I.2.6.
0,5
I.3.1
0,5
I.3.2.
1
I.3.3.
1
I.3.4.
1
I.3.5.
0,5
Remarques
Exercice II : L’exploration de l’espace (9 points)
Questions
Éléments de réponse
Points
II.1.1
0,5
II.1.2.
1 pt
II.1.3.
1 pt
II.2.1
1 pt
II.2.2.
1 pt
II.2.3.
1 pt
II.2.4.1,
0,5 pt
II.2.4.2.
0,5
II.2.5.1
1 pt
II.2.5.2.
1 pt
II.2.5.3
0,5
Remarques
Exercice III : Préparation d’une solution de sérum physiologique (7 points)
Questions
Éléments de réponse
Points
1
Calcul utilisant la formule ou une proportionnalité
1
2
Verrerie respectant un coefficient de dilution égal à 10
1
9/10
Remarques
3
Calcul utilisant la formule ou une proportionnalité
1
4
Formule littérale et calcul
1
5
K2L8M1 et K2L8
1
6
Couche électronique externe pleine, identique à celle du
gaz noble le plus proche.
1
7
Composition de chacun des isotopes sachant que
10/10
1
La composition du noyau seul est
acceptée.