%C% **BACCALAURÉAT GÉNÉRAL** **SESSION 2017** **PHYSIQUE-CHIMIE** **Série : S** %C% %C% Durée de l’épreuve : 3 heures 30. Coefficient : 8 %C% [TAB]((60, c, n, texte-centre, 15)) [LI] | **ENSEIGNEMENT DE SPÉCIALITÉ** ((100.00)) | [/LI] [/TAB] <<((100,30,0,40,0)) %C% __**L’usage de la calculatrice --est-- autorisé.**__ __**Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré.**__ %C% >> Ce sujet comporte trois exercices. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres. <<((100,40,0,0,0)) %C% **EXERCICE I : SYNTHÈSE DE LA CARVONE À PARTIR DU LIMONÈNE (4 points)** %C% >> La peau des oranges contient une huile essentielle constituée principalement d’un des énantiomères du limonène : le R-limonène, qui est responsable de leur odeur caractéristique. Le R-limonène sert de matière première pour produire des arômes dans l’industrie agroalimentaire, comme la R-carvone. Dans cet exercice, on s’intéresse à la synthèse de la R-carvone à partir du R-limonène. [IMG]((30)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img01.png) # [/IMG] **Données :** ➢ caractéristiques physiques : [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | Espèce chimique ((20)) | | R-limonène ((20)) | | nitrosochlorure de limonène ((20)) | | R-carvone ((20)) | | eau ((20)) | [/LI] [LI] | Masse molaire moléculaire (g.mol^^-1^^) | | 136,0 | | 201,5 | | 150,0 | | 18,0 | [/LI] [LI] | Masse volumique (g.mL^^-1^^) | | 0,84 | | – | | 0,96 | | 1,0 | [/LI] [/TAB] ➢ données de spectroscopie infrarouge : [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | Liaison ((20)) | | O – H ((20)) | | C – H ((20)) | | C = O ((20)) | | C = C ((20)) | [/LI] [LI] | Nombre d'onde (en cm^^-1^^) | | 3200 - 3400 | | 2900 - 3200 | | 1660 - 1725 | | 1640 - 1660 | [/LI] [/TAB] **1. Extraction du limonène** L'extraction de cette huile essentielle peut se faire par hydrodistillation. À partir de l’écorce de six oranges, on recueille 3,0 mL d’huile essentielle que l’on analyse par spectrophotométrie. %C% **Spectre infrarouge de l'huile essentielle obtenue à partir des écorces d'orange** %C% [IMG]((90)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img02.png) # [/IMG] %D% __D’après : Chimie des couleurs et des odeurs, M. Capon, Culture et techniques.__ %D% **1.1.** Représenter la formule semi-développée du R-limonène. **1.2.** Montrer que le spectre infrarouge de l’huile essentielle recueillie est compatible avec la structure du R-limonène. **2. Synthèse de la R-carvone** La synthèse de la R-carvone s’effectue à partir du R-limonène en trois étapes schématisées ainsi : [IMG]((90)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img03.png) # [/IMG] La première étape de cette synthèse est décrite ci-dessous. La réaction entre le limonène et le chlorure de nitrosyle $\text{NOC} \mathcal l$ en excès permet, après filtration, de recueillir un produit sous forme solide : le nitrosochlorure de limonène. [IMG]((55)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img04.png) # [/IMG] À l’issue de la synthèse, on recueille un mélange constitué de deux phases : une phase aqueuse et une phase organique constituée principalement de R-carvone. Cette phase organique est séparée de la phase aqueuse à l'aide d'une ampoule à décanter, puis la phase organique est séchée. **2.1.** La R-carvone est une molécule chirale. Justifier. **2.2.** Indiquer la catégorie de la réaction mise en jeu lors de la première étape de la synthèse. Justifier. **2.3.** Le schéma de l’ampoule à décanter utilisée à l’issue de l’étape 3 de la synthèse est donné ci-dessous. Identifier la phase (phase 1 ou phase 2) où se situe la R-carvone. Justifier. [IMG]((25)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img05.png) # [/IMG] **3. Des oranges à la carvone** On fait l’hypothèse que l’huile essentielle recueillie par hydrodistillation (partie **1.**) est uniquement constituée de R-limonène. Le rendement de la synthèse effectuée (partie **2.**) est de 30 %. **3.1.** Vérifier que la quantité de matière de R-limonène nécessaire à la synthèse de 13 g de R-carvone est égale à 0,29 mol. **3.2.** Estimer le nombre d'oranges nécessaire pour synthétiser 13 g de R-carvone à partir du R-limonène extrait des peaux d’orange. __Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n’a pas abouti.__ __La démarche suivie est évaluée et nécessite donc d'être correctement présentée.__ <<((100,40,0,0,0)) %C% **EXERCICE II : SON ET LUMIÈRE (11 points)** %C% >> Pour obtenir un feu d'artifice qui produit son, lumière et fumée, on procède à l’éclatement d’une pièce pyrotechnique. Bien que produisant des effets différents, toutes ces pièces sont conçues selon le même principe. Un dispositif permet de projeter la pièce pyrotechnique vers le haut. Une fois que ce projectile a atteint la hauteur prévue par l’artificier, il éclate, créant l’effet « son et lumière » souhaité. Le but de cet exercice est d’étudier la couleur observée, la trajectoire du projectile et le son émis. Les caractéristiques de deux pièces pyrotechniques nommées « crackling R100 » et « marron d’air » sont consignées dans le tableau ci-dessous : [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | **Caractéristiques constructeur**((60)) | | **Crackling R100**((20)) | | **Marron d’air**((20)) | [/LI] [LI] | Masse | | 2,8 × 10^^2^^ g | | 40 g | [/LI] [LI] | Vitesse initiale | | 250 km.h^^-1^^ | | 200 km.h^^-1^^ | [/LI] [LI] | Niveau d'intensité sonore estimé à 15 m du point d’éclatement | | Non renseigné | | 120 dB | [/LI] [LI] | Hauteur atteinte à l’éclatement | | 120 m | | 70 m | [/LI] [LI] | Durée entre la mise à feu et l’éclatement | | 3,2 s | | 2,5 s | [/LI] [LI] | Couleur de la lumière émise | | Rouge (intense) | | Blanc (peu intense) | [/LI] [LI] | Distance de sécurité recommandée | | 130 m | | 95 m | [/LI] [/TAB] **Données :** ➢ domaines de longueur d’onde de la lumière visible [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | Couleur ((25)) | | Violet ((12.5)) | | Bleu ((12.5)) | | Vert ((12.5)) | | Jaune ((12.5)) | | Orange ((12.5)) | | Rouge ((12.5)) | [/LI] [LI] | Domaine de longueurs d’ondes en nm | | 380 - 446 | | 446 - 520 | | 520 - 565 | | 565 - 590 | | 590 - 625 | | 625 - 780 | [/LI] [/TAB] ➢ constante de Planck : h = 6,63 × 10^^-34^^ J.s ; ➢ la valeur de la célérité de la lumière dans le vide est supposée connue du candidat ; ➢ 1 eV = 1,60 × 10^^-19^^ J ; ➢ intensité du champ de pesanteur : __g__ = 9,81 m.s^^-2^^ ; ➢ au cours de la propagation d'une onde et en l’absence d’atténuation, le niveau d’intensité sonore $L$ diminue avec la distance $d$ à la source S suivant la formule : $$L_2=L_1+20\text{.log}\left(\dfrac{d_1}{d_2}\right)$$ où $L_2$ est le niveau d’intensité sonore mesuré à la distance $d_2$ de la source et $L_1$ le niveau d’intensité sonore mesuré à la distance $d_1$ de la source (voir schéma ci-dessous). [IMG]((30)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img06.png) # [/IMG] ➢ échelle des niveaux d’intensité sonore en décibel (dB) et risques auditifs associés : [IMG]((95)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img07.png) # [/IMG] **1. Tout en couleur** Les feux d’artifice émettent de la lumière. Les phénomènes mis en jeu sont notamment l’incandescence et l’émission atomique. Il y a tout d’abord l’incandescence des particules d’oxyde métallique, formées lors de la combustion, qui va du « blanc rouge » (aux alentours de 1 000 °C) jusqu’au blanc éblouissant (vers 3 000 °C). Pour l’émission atomique, les électrons de l’atome sont excités thermiquement, ce qui leur permet de passer du niveau d’énergie fondamental à un niveau d’énergie supérieur ; au cours de leur retour vers le niveau d’énergie fondamental, l’énergie qu’ils avaient absorbée est émise sous forme de photons dont la longueur d’onde est caractéristique de l’atome. %D% __D’après : http://www.ambafrance-cn.org/Feux-d-artifice-histoire-et-technologie__ %D% **1.1.** Le texte fait référence à deux processus d’émission de lumière. Citer chacun de ces processus et préciser, dans chaque cas, si le spectre de la lumière émise est un spectre de raies ou un spectre continu. Le « crackling R100 » est principalement composé de strontium. Les photons émis par le strontium sont responsables de la couleur perçue lors de l’éclatement du « crackling R100 ». Le tableau ci-dessous regroupe les énergies des photons émis par le strontium : [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | ((0,0,0,#AFAFAF)) | | Photon 1 | | Photon 2 | | Photon 2 | [/LI] [LI] | Énergie des photons (eV) | | 1,753 | | 1,802 | | 1,825 | [/LI] [/TAB] **1.2.** Déterminer la couleur perçue lors de l’émission du photon 3. **1.3.** Sans effectuer de calcul supplémentaire, montrer que l’émission de ces trois photons permet d’expliquer la couleur de la lumière émise par le « crackling R100 ». **2. Étude des trajectoires des pièces pyrotechniques** On s’intéresse au mouvement de la pièce pyrotechnique jusqu’à son éclatement dans un référentiel terrestre supposé galiléen muni d’un repère (Ox,Oy). On étudie le mouvement d’un point M de la pièce « crackling R100 ». On prend l’instant du lancement comme origine des temps __t__ = 0 s. À cet instant, le vecteur vitesse initiale $\overrightarrow V_0$ de M fait un angle $\alpha$ = 80° par rapport à l’horizontal (schéma ci-dessous). [IMG]((25)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img08.png) # [/IMG] **2.1.** Donner les expressions littérales des coordonnées du vecteur $\overrightarrow V_0$ en fonction de $V_0$ et $\alpha$. **2.2.** Montrer que, si on néglige toute action de l’air, le vecteur accélération de M noté $\vec a_M$ est égal au vecteur champ de pesanteur $\vec g$ dès que le projectile est lancé. **2.3.** Montrer alors que les équations horaires du mouvement de M sont : $x_M(t) = 12,1t$ et $y_M(t) = -4,91t^2 + 68,4t$ en exprimant $x_M(t)$ et $y_M(t)$ en mètres et le temps « $t$ » en secondes. **2.4.** Dans le cadre de ce modèle, déterminer, à l’aide des équations horaires, l’altitude théorique atteinte par le projectile à $t$ = 3,2 s. **2.5.** Sachant que l’éclatement se produit lors de la montée, expliquer l’écart entre cette valeur et celle annoncée par le constructeur. **3. Le « marron d’air »** Au début et à la fin de chaque feu d’artifice, les artificiers utilisent une pièce pyrotechnique appelée « marron d’air » pour obtenir une détonation brève et puissante. Désireux de l’envoyer le plus haut possible, ils effectuent un tir vertical avec une vitesse initiale $v_i$ . Par la suite, on suppose que la pièce n’éclate pas avant d’atteindre sa hauteur maximale $h$. **3.1.** Dans l’hypothèse où l’énergie mécanique de la pièce pyrotechnique se conserve, montrer que la hauteur maximale $h$ atteinte par cette pièce est donnée par la relation : $$h=\dfrac{v^2_i}{2g}$$ **3.2.** Déterminer la valeur de la hauteur maximale atteinte $h$. En réalité, arrivé à une hauteur $H$ de 70 m, le « marron d’air » éclate au point E et le son émis se propage dans toutes les directions de l’espace. Un artificier A se trouve à la distance $\mathcal l = 95\text { m}$ recommandée par le constructeur du point de tir T du « marron d’air ». [IMG]((50)) ![annale sujet bac s 2017 physique-chimie](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-img09.png) # [/IMG] --Remarque-- : sur ce schéma, les échelles de distance ne sont pas respectées. **3.3.** Doit-on recommander à l’artificier le port d’un dispositif de protection auditive (casque, bouchons d’oreille, …) ? Justifier par un calcul. <<((100,40,0,0,0)) %C% **EXERCICE III : TRAITEMENT DE L’EAU D’UN BASSIN D’ORNEMENT (5 points)** %C% >> Comme tout être vivant, les poissons ne sont pas à l’abri des maladies. Celle des « points blancs » se rencontre assez fréquemment dans les aquariums et bassins d’eau douce. [IMG]((40)) ![annale sujet bac physique-chimie spécialité 2017](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-spe-img01.png) # [/IMG] Cette maladie, due à un parasite, se soigne avec du vert de malachite à condition de respecter rigoureusement les doses et les durées d’exposition préconisées. Dans un parc zoologique, se trouve un bassin d’ornement dans lequel de nombreux poissons ont les symptômes de cette maladie : présence de petits points blancs, état amorphe et irritation. [IMG]((40)) ![annale sujet bac physique-chimie spécialité 2017](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-spe-img02.png) # [/IMG] Un technicien introduit dans l’eau du bassin une solution de vert de malachite. À la fin du traitement des poissons, il souhaite éliminer le vert de malachite restant par ajout de charbon actif dans l’eau. Pour cela, le technicien réalise une analyse de l’eau du bassin pour déterminer la concentration en vert de malachite. **Données :** ➢ le vert de malachite est noté $(VM)^+$ ; ➢ masse molaire du vert de malachite : $M((VM)^+)=329\text{ g.mol}^{-1}$ ; ➢ on considère que seul le vert de malachite $(VM)^+$ absorbe dans le domaine du visible ; ➢ dimensions moyennes du bassin d’ornement contenant les poissons à traiter : <<((auto,0,0,0,50)) * profondeur : $h=0,50\text{ m}$ ; * largeur : $\mathcal l = 3,0\text{ m}$ ; * longueur : $L=8,0\text{ m}$. >> **Protocole expérimental mis en œuvre par le technicien :** * à partir d’une solution aqueuse $S_0$ de vert de malachite de concentration molaire égale à $2,2\times 10^{-5}\text{ mol.L}^{-1}$, préparer des solutions diluées $5$ fois, $2,5$ fois et $2$ fois notées respectivement $S_1$, $S_2$ et $S_3$ ; * mesurer l’absorbance $A$ des solutions aqueuses étalons de vert de malachite à la longueur d’onde du maximum d’absorption dans l’eau de cette espèce chimique : $617\text{ nm}$ ; * mesurer l’absorbance de l’eau du bassin à la longueur d’onde $617\text{ nm}$. **Résultats des mesures d’absorbance effectuées par le technicien :** [TAB]((auto, c, n, texte-centre)) [LI] | Solution | | $S_1$ | | $S_2$ | | $S_3$ | [/LI] [LI] | Dilution de la solution $S_0$ | | $S_0$ diluée $5$ fois | | $S_0$ diluée $2,5$ fois | | $S_0$ diluée $2$ fois | [/LI] [LI] | $A$ | | $0,35$ | | $0,72$ | | $0,90$ | [/LI] [/TAB] L’absorbance de l’eau du bassin mesurée par le technicien est $A_{\text{eau}} = 0,67$. **Le charbon actif en aquariophilie** Le charbon actif est un composé carboné qui est généralement fabriqué à partir de matières végétales (bois, houille). La structure microporeuse unique de ce charbon le rend idéal pour la filtration et le traitement de l'eau. [IMG]((25)) ![Alt texte](https://images.schoolmouv.fr/ts-annale-spc-2017-spe-img03.png) # [/IMG] %C% __Structure microporeuse du charbon actif__ %C% Chaque grain de charbon actif développe une surface de contact avec l’eau comprise entre $500$ et $1500\text{ m}^2$ par gramme, ce qui est énorme au regard de son faible volume ! Il acquiert alors une forte capacité de fixation, notamment vis-à-vis des molécules organiques (pesticides, colorants, médicaments…). Pour le traitement de l’eau, le charbon actif se présente en granulés ou en poudre. On admet que $1\text{ g}$ de charbon actif peut ainsi retenir au minimum $10\text{ mg}$ de vert de malachite. **Questions préliminaires** **1.** Déterminer la valeur de la concentration massique en vert de malachite $(VM)^+(aq)$ de la solution aqueuse $S_0$. **2.** Montrer que la loi de Beer-Lambert est vérifiée avec la gamme étalon réalisée par le technicien. **Problème** **3.** Déterminer le nombre de sacs de charbon actif de $500\text{ g}$ que doit utiliser le technicien pour éliminer le vert de malachite restant dans l’eau du bassin d’ornement du parc. __Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n’a pas abouti.__ __La démarche est évaluée et nécessite d’être correctement présentée.__