Physique
chimie, aspects �nerg�tiques des ph�nom�nes �lectriques, l'allanto�ne,
d�tection du tabagisme passif.
E3C : enseignement de sp�cialit� premi�re g�n�rale.
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Aspects
�nerg�tiques des ph�nom�nes �lectriques.
Partie 1 :
consommation �nerg�tique des appareils �lectrom�nagers
1.1. En utilisant
vos connaissances, choisir un ordre de grandeur pour la puissance de la
machine � caf� parmi les trois propositions suivantes : a : 10 W ; b : 1 kW (vrai) ; c : 100 kW.
1.2. Nommer le
ph�nom�ne physique commun mis en jeu pour griller les tartines dans le
grille-pain ou pour chauffer l’eau de la machine � caf� ou de la
bouilloire.
Effet Joule.
1.3. Calculer la
consommation suppl�mentaire d’�nergie qu’apporterait l'usage de la
machine � caf� et du grille-pain (puissance 1,5 kW) sur une
ann�e. En d�duire la d�pense engendr�e en euros sur une ann�e.
La famille compte utiliser le grille-pain 5 minutes par jour tous les
jours lors du petit-d�jeuner.
Les deux parents prennent chacun un caf� par jour. ( 30 secondes pour
faire un expresso).
Dur�e de fonctionnement annuel du grille pain : 5 x365 / 60 = 30,4 h.
Energie consomm�e : 1,5 x 30,4 = 45,6 kWh.
Dur�e de fonctionnement annuel de la machine � caf� : 365 /60
=6,08 h.
Energie consomm�e : 1 x6,08 ~6,1 kWh.
Total : 30,4 +6,08 ~36,5 kWh.
Prix du kWh : 0,15 €.
D�penses suppl�mentaires : 36,5 x0,15 ~5 5 €.
Partie 2 : rendement de la
bouilloire.
2.1. Pourquoi
peut-on qualifier le grille-pain ou la bouilloire de convertisseurs
d’�nergies ?
Ils re�oivent de l'�nergie �lectrique et la convertissent en �nergie
thermique.
2.2. D�finir le
rendement d’un convertisseur. Expliquer sans calcul pourquoi le
rendement de ces deux appareils �lectriques n’est pas de 100 %.
Rendement = �nergie utile / �nergie consomm�e.
Une partie de l'�nergie thermique chauffe l'appareil et l'air ext�rieur.
2.3. La bouilloire
( P = 2,2 kW) contient un volume V = 0,60 L d’eau initialement à la
temp�rature T1 = 20 �C et la chauffe � la temp�rature T2
= 90 �C en 1 min 30 s. Calculer le rendement. �tablir un bilan
�nerg�tique relatif � la bouilloire sous la forme d’un sch�ma
�nerg�tique. Commenter.
Energie re�ue par l'eau : meau Ceau ( T2-T1)
=0,60 x 4,18 x(90-20) = 176 kJ.
Energie �lectrique consomm�e : P Dt = 2,2 x(60+30) =198 kJ.
Rendement : 176 / 198 ~0,89 ( 89 %).
Partie 3 : mod�lisation
d’une r�sistance chauffante au laboratoire.
La r�sistance chauffante d’une bouilloire peut �tre assimil�e � un
conducteur ohmique.
Au laboratoire, on dispose d’un conducteur ohmique immergeable de
r�sistance R que l’on place dans un calorim�tre (r�cipient ferm� et
isol� thermiquement ; les �changes d’�nergie thermique avec l‘ext�rieur
sont ainsi tr�s faibles).
La r�sistance est en s�rie avec un g�n�rateur de tension, de force
�lectromotrice E, ainsi qu’un rh�ostat de r�sistance variable R’ = 33
Ω. Le calorim�tre est rempli d’un volume V d’eau.
Un voltm�tre indique la valeur de la tension aux bornes de la
r�sistance immergeable : U = 12,18 V.
L’amp�rem�tre indique que la valeur de l’intensit� dans le circuit est
I = 2,26 A.
On mesure �galement la valeur de la temp�rature de l’eau � l’aide d’un
thermom�tre �lectronique.
Initialement la temp�rature de l’eau est T1 = 28,1 �C.
On d�clenche le chronom�tre au moment o� allume le g�n�rateur. Les
r�sultats sont consign�s dans le tableau ci-dessous.
t(s)
|
60
|
120
|
180
|
240
|
300
|
360
|
420
|
480
|
540
|
temp�rature
T de l'eau (�C)
|
29,1
|
29,8
|
30,5
|
31,8
|
32,5
|
33,4
|
34,3
|
35
|
35,9
|
T-T1
�C
|
1
|
1,7
|
2,4
|
3,7
|
4,4
|
5,3
|
6,2
|
6,9
|
7,8
|
3.1. Calculer la
valeur de la r�sistance R immergeable.
R = U / I = 12,18 / 2,26 =5,39 ohms.
3.2. Compl�ter le
programme �crit en langage Python aux lignes 2, 3 et 4 afin que
celui-ci r�alise le trac� de l’�cart de temp�rature T-T1 en
fonction du temps exprim� en secondes.
Ligne 2 temps =(60, 120, 180, 240, 300, 360, 420 , 480, 540)
Ligne 3 �cart_T=(1, 1,7, 2,4,3,7, 4,4, 5,3, 6,2, 6,9, 7,8)
Ligne4 plt.plot(temps, ecart_T, 'ro',marker='+')
Le graphe repr�sentant T-T1 en fonction du temps est donn�
ci-apr�s.
3.3. On montre que :
(T−T1 )= R. I 2 t / (mc).
avec m la masse d’eau introduite, c la capacit� thermique massique de
l’eau. D�terminer la valeur du volume d’eau V introduit dans le
calorim�tre � l’aide du graphe. On prendra R = 5,4 Ω.
Le graphe est une droite de coefficient directeur 4,35 / 300 ~0,0145 �C
s-1.
T-T1 =0,015 t.
On identifie 0,0145 � RI2 /( mc).
m = RI2 /(0,0145 c) =5,4 x2,262 /(0,0145
x4180)=0,455 kg ( Volume d'eau : 0,455 L).
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Allanto�ne.
L’objectif
de l’exercice est d’�tudier l’acide glyoxylique et l’ur�e, puis un
protocole de synth�se de l’allanto�ne au laboratoire.
1. � propos de l’acide
glyoxylique.
L’acide glyoxylique est un solide, tr�s utilis� dans l’industrie.
1.1.Recopier sur la
copie la formule semi-d�velopp�e de la mol�cule d’acide glyoxylique et
identifier les groupes caract�ristiques qui la composent.
1.2.Repr�senter le
sch�ma de Lewis de la mol�cule.
1.3.Donner, en
justifiant, la g�om�trie de cette mol�cule autour de l’un ou l’autre
des atomes de carbone.
Autour de chaque atome de carbone il y a trois directions de
liaisons ; les carbone ne portent pas de doublets non liants.
La g�om�trie de chaque carbone est triangulaire.
2. A propos de l’ammoniac
et ur�e.
L’ur�e est un compos� organique de formule chimique semi-d�velopp�e : H2N
– CO – NH2
L’ur�e naturelle fut d�couverte en 1773 par le pharmacien Hilaire
Rouelle. Form�e dans le foie, � partir de l’ammoniac, NH3,
provenant de la d�gradation d’acides amin�s, l’ur�e naturelle est
�limin�e au niveau des reins par l’urine.
En 1828, le chimiste allemand Friedrich W�hler r�ussit � synth�tiser en
laboratoire l’ur�e, mol�cule dite � organique � � l’�poque, � partir
d’ammoniac. On consid�rait avant cette synth�se que les mol�cules �
organiques � ne pouvaient provenir que de constituants ou de
d�riv�s d’organismes vivants habit�s par la � force vitale � (vis
vitalis). Cette date, grav�e dans l’histoire, est retenue comme �tant
celle fondatrice de la chimie organique. D’apr�s
http://www.societechimiquedefrance.fr/uree.html
2.1.Donner la
configuration �lectronique de l’azote N et de l’hydrog�ne H. En d�duire
la g�om�trie de la mol�cule d’ammoniac.
H : 1 s1 ; N 1s2 2s2 3p3.
2.2. Justifier le
caract�re polaire de la mol�cule d’ammoniac.
L'atome d'azote est plus �lectron�gatif que l'atome d'hydrog�ne. Les
liaisons N-H sont polaris�es. L'atome d'azote porte un doublet non
liant. L'ammoniac est une mol�cule polaire.
2.3.On s’int�resse
au spectre Infrarouge de l’ur�e.
2.3.1. Nommer la
grandeur qui figure en abscisse du spectre Infrarouge.
Nombre d'onde en cm-1.
2.3.2. Que confirme
la bande la plus � gauche du spectre ?
Liaison C-NH2 double forte.
2.3.3. Rep�rer la
bande du spectre qui confirme la pr�sence d’une liaison C = O.
Peut-elle �tre attribu�e sans ambigu�t� � la liaison C=O de l’ur�e ?
Justifier.
Oui, la bande C=O d'un aldehyde ou d'un acide carboxylique se situe un
peu plus haut.
3. Synth�se de l’allanto�ne.
Une voie de synth�se de l’allanto�ne s’effectue � partir d’ur�e et
d’acide glyoxylique et peut �tre mod�lis�e par une r�action chimique
d’�quation suivante :
2 CH4N2O(s) + C2H2O3(aq)
→ C4H6 N4O3(s) + 2 H2O(l)
Le protocole exp�rimental d’une synth�se de l’allanto�ne, r�alis�e au
laboratoire, est d�crit ci-apr�s.:
a. Placer un barreau aimant� dans un erlenmeyer de 100 mL puis, �
l’aide d’un entonnoir � solide, verser 13,6 g d’ur�e et 10,0 mL de
solution aqueuse d’acide glyoxylique � 50% en masse. Agiter jusqu’�
l’obtention d’une solution limpide. Introduire lentement 1,5 mL d’acide
sulfurique concentr�, sous agitation magn�tique. L’acide sulfurique a
pour r�le d’acc�l�rer la r�action. Adapter un r�frig�rant ascendant.
b. Placer l’erlenmeyer dans un bain-marie. Maintenir l’agitation, le
chauffage et l’�bullition de l’eau du bain-marie pendant 45 minutes. Le
milieu r�actionnel se trouble au bout de 15 � 20 minutes avec
l’apparition d’un pr�cipit� blanch�tre.
c. Plonger ensuite le b�cher dans de la glace pendant quelques minutes.
R�cup�rer le solide � l’aide d’un dispositif de filtration sous vide de
type B�chner.
d. Laver avec suffisamment d’eau glac�e. S�cher � l’�tuve le temps
n�cessaire. e. Peser le solide obtenu.
3.1.Associer aux
diff�rentes �tapes (a, b, c, d, e) mises en oeuve les diff�rentes
�tapes d’un protocole de synth�se : transformation ; s�paration,
purification, analyse.
b : transformation ; c : s�paration ; d : purification.
3.2.Pr�ciser
Expliquer l’apparition progressive du pr�cipit� blanch�tre.
L'allanto�ne est peu soluble dans l'eau chaude ( 150 g / L dans l'eau
bouillante).
3.3.Justifier
l’utilisation de la glace dans l’�tape c.
L'allanto�ne est
tr�s peu soluble dans l'eau froide ( 5 g / L).
3.4. Justifier l’int�r�t de laver �
l’�tape d du protocole, le solide obtenu avec suffisamment d’eau glac�e.
Eliminer le r�actif en exc�s et l'acide sulfurique solubles dans l'eau.
3.5. D�terminer le
rendement de la synth�se ainsi effectu�e, sachant que la masse
d’allanto�ne s�che obtenue vaut m = 8,60 g.
Quantit� de mati�re d'ur�e : 13,6 / M(ur�e) =13,6 / 60 = 0,227 mol.
Quantit� de mati�re d'acide glycolique � 50 % en masse ( r = 1,3 g / mL):
masse : 10,0 x1,3 = 13,0 g ; 13,0 / M(acide glycolique) = 13,0 /
74 = 0,176 mol.
Une mole d'acide glycolique r�agit averc 2 moles d'ur�e.
0,176 mol d'acide glycolique r�agit avec 2 x0,176 = 0,351 mol d'ur�e.
L'ur�e est donc en d�faut.
On peut esp�rer obtenir au mieux 0,227 /2 =0,114 mol d'allanto�ne soit
0,114 x M( allanto�ne) = 0,114 x158,1=17,9 g.
Rendement = masse r�elle / masse th�orique = 8,60 / 17,9 ~0,48 (
48 %).
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Le tabagisme passif.
Le
tabagisme passif est d�fini comme l'inhalation involontaire de la fum�e
de tabac pr�sente dans l'air. Dans cette partie on cherche � d�terminer
si une femme enceinte est victime d’un
tabagisme passif.
1. Apr�s avoir
recopi� la formule semi-d�velopp�e de chacune des quatre mol�cules
repr�sent�es, identifier le groupe caract�ristique pr�sent et
l’associer � une
famille de compos�s.
2. Justifier le nom donn� � la propanone.
Trois atomes de carbone, ce qui rappelle la structure du propane.
Un groupe carbonyl sur le carbone central. On remplace le "e" terminal de propane par la terminaison "one".
3. �tablir le sch�ma de Lewis de la mol�cule de cyanure d’hydrog�ne de formule HCN et proposer une g�om�trie pour cette mol�cule.
H : un �lectron de valence, donc une liaison.
C : 4 �lectrons de valence donc 4 liaisons.
N : 5 �lectrons de valence, donc trois liaisons et un doublet non liant.
Carbone central : deux directions de liaisons et aucun doublet non liant, donc structure lin�aire.
Le cyanure d’hydrog�ne est absorb� par le corps, puis en partie d�grad� en ions thiocyanate SCN− que l’on retrouve ensuite dans la salive ou dans l’urine. Dans la salive, par exemple, les
concentrations en masse en ions thiocyanate sont en moyenne de 112 mg�L-1 chez les non fumeurs et de 349 mg�L-1 chez les fumeurs. Les ions thiocyanate peuvent donc �tre consid�r�s
comme des marqueurs biologiques du tabagisme car leur concentration
renseigne sur l’exposition d’une personne � la fum�e du tabac.
Principe du dosage.
Un �chantillon not� S de 250 μL de salive d’une femme enceinte est
pr�lev�. Les ions thiocyanate pr�sents dans l’�chantillon �tant
incolores et n’absorbant pas dans le proche
ultraviolet, on les fait r�agir avec une solution d’ions fer III, Fe3+(aq). On obtient 10,0 mL d’une solution S’ dans laquelle s’est form�e l’esp�ce ionique de formule Fe (SCN )2+, soluble dans
l’eau. La transformation chimique est mod�lis�e par la r�action d’�quation suivante :
SCN-(aq) +Fe3+aq --> Fe(SCN)2+aq.
La courbe ci-dessous repr�sente l'absorbance d'une solution aqueuse contenant l’esp�ce ionique Fe (SCN )2+ en fonction de la longueur d'onde.
4. Expliquer
pourquoi les ions thiocyanate ne peuvent pas �tre dos�s directement par
spectrophotom�trie UV-visible. Indiquer l’int�r�t de les faire r�agir
avec les ions Fe3+aq.
Ils sont incolores et n'absorbent pas dans le proche UV. Par contre Fe (SCN )2+ pr�sente un maximum d'absorption vers 490 nm (bleu)..
Pr�paration de la gamme de solution �talon et trac� de la droite d’�talonnage
On cherche � doser l’esp�ce chimique Fe (SCN )2+pr�sente dans la solution S’.
� partir d’une solution S0 de concentration C0 = 2,0�10−4 mol.L-1 en ions Fe (SCN )2+, on pr�pare la gamme d’�talonnage compos�e des solutions S0, S1, S2, S3 et S4 dont les concentrations sont
donn�es dans le tableau ci-dessous.
Solution
|
S0
|
S1
|
S2
|
S3
|
S4
|
[ Fe (SCN )2+] mol / L
|
2,0 10-4
|
1,6 10-4
|
1,0 10-4
|
0,80 10-4
|
0,40 10-4
|
5. Indiquer la verrerie n�cessaire pour pr�parer 50,0 mL de solution S2 � partir de la solution S0 en justifiant votre raisonnement.
Facteur de dilution : F = 2.
Fiole jaug�e de 50,0 mL et pipette jaug�e de 50 / 2 = 25,0 mL.
On mesure l’absorbance de chacune des solutions et on trace le
graphique ci-dessous donnant l’�volution de l’absorbance en fonction de
la concentration en ions Fe(SCN)2+.
6. Apr�s avoir
rappel� l’expression de la loi de Beer-Lambert en indiquant les unit�s
des grandeurs, d�terminer si les r�sultats exp�rimentaux obtenus sont
en accord avec cette loi.
L'absorbance A ( grandeur sans unit�) est proportionnelle � la concentration C ( mol / L).
Le graphe est une droite passant par l'origine, cette loi est donc v�rifi�e.
D�termination de la concentration en ions thiocyanate dans la salive.
Dans la solution S’ tous les ions thiocyanate contenus dans la salive de la femme enceinte ont r�agi avec les ions Fe3+ pr�sents en large exc�s. L'absorbance de la solution S’ a pour valeur
A = 0,65.
7. D�terminer la concentration en quantit� de mati�re des ions Fe (SCN )2+dans la solution S’. En d�duire leur quantit� de mati�re dans la solution de volume V = 10,0 mL.
C = 0,65 / (3,89 103) =1,67 10-4 ~1,7 10-4 mol / L.
Soit 1,7 10-4 x0,010 = 1,7 10-6 mol.
8. Recopier et
compl�ter le tableau d’avancement ci-dessous. En d�duire la relation
entre la quantit� de mati�re des ions Fe (SCN )2+ � la fin de la transformation et la quantit� de
mati�re en ions SCN−initialement pr�sente dans la solution.
|
avancement (mol)
|
SCN-(aq)
|
+Fe3+aq |
--> Fe(SCN)2+aq |
initial
|
x=0
|
1,7 10-6
|
exc�s
|
0
|
final
|
xmax =1,7 10-6
|
0
|
1,7 10-6
|
9. D�terminer la valeur de la concentration en masse des ions thiocyanate SCN− dans l’�chantillon de salive de la femme enceinte et conclure sur le potentiel tabagisme passif de
cette femme.
1,7 10-6 mol d'ion SCN- dans 250 10-6 L de salive.
Concentration : 1,7 / 250 =6,8 10-3 mol / L.
M(SCN-) = 58,0 g / mol.
Concentration massique : 6,8 10-3 x 58,0 =0,394 g / L = 394 mg / L.
Cette valeur �tant sup�rieure � 349 mg / L, la femme a �t� expos�e au tabagisme.
|
|
|
