Physique
chimie, une odeur de soufre dans l'air, les ondes m�caniques,
�tude d'une centrale hydro�lectrique.
E3C : enseignement de sp�cialit� premi�re g�n�rale.
En
poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation
de Cookies vous proposant des publicit�s adapt�es � vos centres
d’int�r�ts.
|
Une odeur
de soufre dans l'air.
Des
algues provenant de la haute mer s’�chouent sur les c�tes
martiniquaises. Ces algues ne sont pas toxiques en elles-m�mes. Mais
elles meurent une fois �chou�es sur les plages. Des d�gagements
importants de gaz sont produits lors de leur d�composition, notamment
du sulfure d’hydrog�ne H2S, qui provoquent des nuisances
olfactives et des troubles sanitaires.
On se propose d’�tudier la structure la mol�cule de sulfure d’hydrog�ne
ainsi que ses propri�t�s et de les comparer � celles d’autres mol�cules
connues.
1. L'oxyg�ne, le
soufre et le s�l�nium appartiennent � la m�me colonne du tableau
p�riodique.
1.1. �tablir le
sch�ma de Lewis de la mol�cule de sulfure d’hydrog�ne, H2S,
et proposer une g�om�trie de cette entit�. Justifier votre raisonnement.
type AX2E2 : 2 paires liantes et deux
doublets
non liants autour de soufre, atome central.
Ces 4
paires se disposent autour de l'atome central, de telle mani�re
que les r�pulsions soient minimales.La
mol�cule de sulfure d'hydrog�ne � la forme d'un V : l'angle est
inf�rieur � 109 � 28 ,
la r�pulsion entre les doublets non liants �tant plus importante que la
r�pulsion entre les doublets liants.
1.2. La mol�cule de sulfure
d’hydrog�ne est-elle polaire ? Justifier votre r�ponse.
L'atome
de soufre porte deux paires d'�lectrons non liantes. l'atome de soufre
est un peu plus �lectron�gatif que l'atome d'hydrog�ne. La mol�cule de
sulfure d'hydrog�ne est polaire.
2. La
solubilit� d’une esp�ce chimique est la concentration maximale de cette
esp�ce que l’on peut dissoudre dans l’eau. Elle d�pend de la
temp�rature. Le tableau ci-dessous indique la solubilit� du gaz H2S
dans l’eau, ainsi que celles d’autres esp�ces chimiques � la pression
atmosph�rique et � une temp�rature de 25�C.
nom
|
formule
|
solubilit�
( mol / L)
|
diiode
|
I2
|
1,3
10-3
|
sulfure
d'hydrog�ne
|
H2S
|
2,5
|
ammoniac
|
NH3
|
50
|
Proposer une
interpr�tation pour expliquer l’�volution de la solubilit� dans l’eau
des esp�ces chimiques ci-dessus. Une argumentation d�taill�e est
attendue.
Le diiode n'est pas polaire. L'eau est un solvant polaire. Le diiode
est peu soluble dans l'eau.
L'atome d'azote est plus �lectron�gatif que l'atome de soufre : NH3
est une mol�cule plus polaire que H2S.
L'ammoniac est plus soluble dans l'eau que le sulfure d'hydrog�ne.
3. Des d�tecteurs
de sulfure d’hydrog�ne ont �t� plac�s aux abords des rivages o�
s’�chouent les sargasses. Certains de ces d�tecteurs contiennent des
cellules �lectrochimiques. Il s’agit de capteurs dont le principe de
fonctionnement repose sur une
transformation chimique mod�lis�e par une r�action d’oxydo-r�duction ;
le sulfure d’hydrog�ne y est oxyd� par le dioxyg�ne de l’air. Les
couples oxydants-r�ducteurs mis en jeu sont les suivants : H2SO4/H2S
et O2/H2O.
On propose ci-dessous le sch�ma de Lewis de la mol�cule d’acide
sulfurique H2SO4.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Sulfuric_acid_lewis.png
3.1.En comparant
les sch�mas de Lewis des mol�cules de sulfure d’hydrog�ne H2S
et d’acide sulfurique H2SO4, indiquer quelle est
la particularit� de l’atome de soufre dans la mol�cule d’acide
sulfurique.
Dans l'acide sulfurique, l'atome de soufre ne poss�de pas de doublets
non liants.
3.2.Montrer que
l’�quation de la r�action mod�lisant la transformation chimique au sein
du capteur est la suivante :
H2S + 2 O2 --> H2SO4.
H2S +4H2O -->H2SO4
+8H+ + 8e-.
2 fois {O2
+4H+ +4e- --> 2H2O }.
Ajouter : H2S +4H2O +2O2 +8H+ +8e-
-->H2SO4
+8H+ + 8e-+4H2O.
Simplifier : H2S +2O2 -->H2SO4
.
4.
Le sulfure d’hydrog�ne produit lors de la d�composition des algues
provient de la d�gradation d’un acide amin�,
la L-Cyst�ine dont la formule semi-d�velopp�e est repr�sent�e ci-contre.
4.1.� quelle
famille de compos�s est associ� le groupe caract�ristique entour� sur
la formule de la L-Cyst�ine ?
Le groupe carboxyle entour� est associ� � la famille des acides
carboxyliques.
4.2.Les groupes
caract�ristiques pr�sents dans cette mol�cule peuvent �tre identifi�s
gr�ce � la spectroscopie infrarouge (I.R.).
Justifier ce spectre reproduit puisse correspondre � la L-Cyst�ine.
5. De nombreuses
solutions sont envisag�es afin de traiter les sargasses collect�es
apr�s chaque �chouage. Notamment, la combustion des algues afin de
produire de l’�nergie �lectrique.
L’un des inconv�nients de la combustion de la sargasse est que le
sulfure d'hydrog�ne et son produit de combustion, le dioxyde de soufre,
SO2, r�agissent avec les m�taux et forment des produits
noirs � leur surface.
.Sachant que
l’eau est l’autre produit de la combustion de H2S, �crire l’�quation de
la r�action mod�lisant la combustion du sulfure d’hydrog�ne dans l’air.
H2S(g) +1,5 O2(g) --> SO2(g) + H2O(g).
5.2.A partir des
donn�es, �valuer l’�nergie molaire de la combustion du sulfure
d’hydrog�ne. Le sch�ma de Lewis du dioxyde de soufre est repr�sent�
ci-contre.
Liaisons rompues : 2 liaiosns S-H, 1,5 liaisons O=O.
Liaisons cr��es : 2 liaisons O-H et 2 liaisons S=O.
E =2 D S-H +1,5 DO=O -2( DS=O +DO-H).
E = 2 x350 +1,5 x500 -2(550 +450) = -550 kJ / mol.
5.3.Cette
transformation est-elle endothermique ou exothermique ? Justifier votre
r�ponse.
E est n�gatif, la r�action de combustion de H2S est
exothermique.
|
|
Les ondes
m�caniques.
Partie 1 : fabriquer des
vagues artificielles lors des JO de 2024.
1. D�finir d’une
onde m�canique.
Une onde m�canique est la propagation d'une perturbation dans un milieu
mat�riel avec transport d'�nergie, sans transport de mati�re.
2. � partir des
informations contenues dans l’�nonc�, d�terminer la valeur de la
fr�quence des vagues form�es, puis en d�duire la p�riodicit� temporelle.
Une technologie in�dite permettra d’obtenir 1 000 vagues par heure.
1000 / 3600 = 0,278 vagues par seconde.
Fr�quence f = 0,278 Hz ; p�riode T =1/ f = 3600 / 1000 = 3,6 s.
3. En exploitant le
document ci-dessus, d�terminer la p�riode spatiale des vagues form�es.
l = 75,4 / 5 ~ 15 m.
4. En d�duire la
vitesse de propagation de cette onde.
v = l / T =15
/3,6 ~4,2 m /s.
Partie 2 : les tsunamis
aux vagues destructrices.
Les tsunamis se forment g�n�ralement � la suite de divers ph�nom�nes
tels que les �ruptions volcaniques sous-marines, les glissements de
terrains, les chutes d’ast�ro�des dans les oc�ans. Le cas le plus
fr�quent reste celui des s�ismes dont l’�picentre se trouve sous
l’oc�an.
En 2011 un s�isme de magnitude 9,0 a eu lieu au large du Japon.
L’�picentre �tait localis� sous l’oc�an Pacifique, � 370 km du Nord-Est
du Japon. Les �tudes montrent que l’onde sismique, g�n�r�e par le
mouvement de subduction des deux plaques tectoniques avoisinantes, a
atteint la c�te japonaise 150 secondes apr�s sa formation. Le s�isme a
�t� ressentie � 14 h 46 min 00 s heure locale soit � 5 h 46 min 00 s
dans l’�chelle de temps universel.
Ce s�isme sous-marin a �t� � l’origine d’un �norme tsunami qui traversa
tout l’oc�an pacifique. De nombreux pays ont �t� touch�s par la houle.
C’est le cas d’une des �les de l’archipel des marquises. En effet,
l’�le de Nihu ku Hiva a �t� touch�e � 17 h 49 min 00 s dans l’�chelle de
temps universel. Cette �le se trouve � 9 900 km de l’�picentre du
s�isme.
Temps universel : il s’agit de l’heure de r�f�rence internationale.
1. D�terminer
l’heure � laquelle s’est form� le tsunami au large du Japon.
5 h 46 min 00 s -150 s = 5 h 43 min 30 s dans l'�chelle du temps
universel.
2. En d�duire la
valeur de la vitesse moyenne de propagation v1 de l’onde
sismique, l’exprimer en m.s-1.
370 103 / 150 = 2,47 103 m /s.
3. D�terminer la
valeur de la vitesse moyenne v2 de propagation du tsunami en
m.s-1.
17 h 49 min 00 s -5 h 43 min 30 s = 12 h 5 min 30 s soit 43530 s.
v2 = 9 900 103 / 43 530 ~217 m / s.
On consid�re que le document pr�c�dant repr�sente le cas du tsunami de
Nihu ku Hiva. En supposant la valeur de la vitesse moyenne v2
de propagation des vagues � la surface de l’eau constante, d�terminer
la dur�e dont dispose un habitant au bord de mer pour se mettre � l’abri
d�s lors que la mer se retire.
8 103 / 217 ~37 s.
|
Etude d'une centrale hydro�lectrique.
La
retenue, o� est stock�e l’eau � turbiner, est le barrage de Record.
L’eau est achemin�e par une conduite d’amen�e (2)et passe bri�vement
dans une chambre d’�quilibre de forme cylindrique (3) et est envoy�e
sur deux turbines identiques (5) par une conduite forc�e (4).
Le niveau des turbines est pris comme r�f�rence des altitudes.
Description du syst�me :
Cette centrale hydro�lectrique est une centrale gravitaire de moyenne
chute avec deux turbines d�livrant une puissance �lectrique globale P�l = 20 MW.
La chambre d’�quilibre est une zone tampon utilis�e lors des d�marrages et des arr�ts de la centrale hydro�lectrique.
Le barrage de Record peut contenir un volume d’eau V = 1,0 million de m3.
1.1. Sachant que la profondeur de l’eau au niveau du barrage est de AB = zB - zA = 12,4 m, montrer que la pression � l’altitude A, PA, est �gale � 2,2�10 5 Pa.
PA - PB = reau g (zB-zA) =1,0 103 x9,8 x12,4 =1,215 105 Pa.
PB = 1,01 105 Pa, pression atmosph�rique.
PA = (1,215 +1,01) 105 ~2,2 105 Pa.
1.2. La pression
moyenne exerc�e sur l’ensemble du barrage peut �tre assimil�e � la
pression � mi-hauteur (point G du sch�ma n�1). Calculer la valeur de la
pression moyenne Pmoyenne.
Pmoyenne - PB = reau g (zB-zG) =1,0 103 x9,8 x 6,2 =6,076 104 Pa.
PB = 1,01 105 Pa, pression atmosph�rique.
PG = (0,6076 +1,01) 105 ~1,6 105 Pa.
1.3.
En d�duire la valeur de la force exerc�e par l’eau sur la totalit� du
barrage de forme rectangulaire de surface S dont la largeur moyenne
vaut ℓ = 70 m.
S = 70 x 12,4 =868 m2.
F = S PG = 868 x1,6 105 =1,4 108 N.
1.4. Reproduire le
sch�ma n�1 simplifi� et repr�senter la force exerc�e par l’eau sur le
barrage au point G avec pour �chelle : 1 cm pour 4,0�10 7 N.
2. �tude m�canique.
On s’int�resse dans cette partie � une masse d’eau m = 20 tonnes qui sort du barrage pendant une dur�e Dt = 1,0 s. L’�nergie potentielle de pesanteur est choisie nulle au niveau des
turbines.
2.1. Donner l’expression litt�rale de l’�nergie potentielle de pesanteur EPPB de cette masse d’eau stock�e au point B du barrage de Record. Montrer que la valeur de cette �nergie
potentielle est EPPB = 2,7 � 10 7 J.
EPPB = mg zB =20 103 x9,8 x 136,4 =2,67 107 ~2,7 107 J.
2.2. La valeur de la vitesse de cette masse d’eau vB au point B est suppos�e nulle, en d�duire la valeur de l’�nergie m�canique EmB de cette masse d’eau au point B.
EmB = 2,7 107 J.
2.3. En supposant que l’�nergie m�canique se conserve, d�terminer la valeur vC de la vitesse de l’eau au point C � l’entr�e des turbines.
L'�nergie potentielle de pesanteur est nulle en C.
EmC = �mvC2 = 2,7 107 ; vC = (2 x 2,7 107 /(20 103))� ~52 m /s.
2.4. La puissance cin�tique de l’eau Pceau
� l’entr�e des turbines est l’�nergie cin�tique par unit� de temps
associ�e � l’eau qui rentre dans les turbines. Calculer la valeur de Pceau et
commenter le r�sultat obtenu.
Pceau = EmC / Dt = 2,7 107 W = 27 MW.
Puissance �lectrique globale = 20 MW.
Rendement : 20 / 27 = 0,74. C'est un assez bon rendement.
3. �tude �lectrique.
Consommation �lectrique des foyers fran�ais.
De la cafeti�re � la machine � laver en passant par le s�che-cheveux,
la t�l�vision et la lumi�re, l’�lectricit� donne vie � la maison et se
retrouve dans toutes les pi�ces. […]. L’�lectricit� constitue donc un
poste de d�penses d’�nergie majeur. D’apr�s l’analyse de march� de
d�tail de l’�lectricit� produite par la Commission de R�gulation de
l’�nergie au quatri�me semestre 2016, plus de 32 millions de sites
r�sidentiels avaient acc�s � l’�lectricit�, pour une consommation
annuelle totale de 158,6 TW.h. En 2017, la consommation �lectrique
fran�aise atteint environ 4 710 kW.h par foyer (le foyer est le lieu o�
habite une famille). Source : d’apr�s https://particuliers.engie.fr
Donn�es : - 1 TW.h = 1�10 12 W.h ; 1 kW.h = 3,6�106 J.
3.1. Donner la forme d’�nergie � faire appara�tre dans chaque cadre.
3.2.
�tant une source de production d’�lectricit� d’appoint, la centrale
fonctionne pendant une dur�e d’environ 3 500 h par an. D�terminer
l’�nergie �lectrique E�l, en kW.h produite
annuellement par cette centrale.
Puissance �lectrique globale P�l = 20 MW = 2,0 107 W.
E�l = 2,0 107 x 3500 =7,0 1010 Wh= 7,0 107 kWh.
3.3. D�terminer le nombre de foyers que cette centrale peut approvisionner annuellement. Commenter.
7 107 / 4710 ~1,5 104 foyers, cela est loin d'�tre n�gligeable. Cela correspond � l'alimentation d'une grande ville ( 150 000 foyers ).
|
|
|
