2014 Correction Bac Blanc physique chimie

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BACCALAURÉAT BLANC CORRECTION SESSION 2014 PHYSIQUE-CHIMIE Série S DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30. – COEFFICIENT : 6 L’usage des calculatrices EST autorisé Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 11 pages numérotées de 1 à 11, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres : I.: Des fourmis à la pompe ? (5 points) II.: Disques optiques (10 points) III.: Chimie et environnement (5 points) 1 Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars 2014 EXERCICE I – DES FOURMIS À LA POMPE ? (5 points) 1. L’acide formique dans les nouvelles chaines énergétiques 1.1. (0,75) Les avantages de l’acide formique sur l’hydrogène (sous forme de dihydrogène) sont : - Stockage plus sûr car l’acide formique est très peu inflammable (tandis le dihydrogène est très inflammable et présente des risques d’explosion) ; - Stockage plus facile : l’acide formique étant liquide à température ambiante, il est inutile de le stocker sous pression et dans un réservoir lourd et encombrant.

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• Publié par: LEtudiant.fr
• Publié le: 21 mai 2014
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BACCALAURÉAT BLANC CORRECTION © http://labolycee.org SESSION 2014 PHYSIQUE-CHIMIE SérieS DURÉE DE L’ÉPREUVE :3 h 30.– COEFFICIENT :6 L’usage des calculatricesEST autorisé Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 11 pages numérotées de 1 à 11, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres : I.: Des fourmis à la pompe ? (5 points) II.: Disques optiques (10 points) III.: Chimie et environnement (5 points)

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Bac S 2013 Nouvelle Calédonie Session de remplacement Mars 2014 Correction ©http://labolycee.org EXERCICE I – DES FOURMIS À LA POMPE ? (5 points) 1. L’acide formique dans les nouvelles chaines énergétiques 1.1.(0,75)Les avantages de l’acide formique sur l’hydrogène (sous forme de dihydrogène) sont : -Stockage plus sûr carl’acide formique est très peu inflammable (tandis le dihydrogène est très inflammable et présente des risques d’explosion) ; -Stockage plus facile: l’acide formique étant liquide à température ambiante, il est inutile de le stocker sous pression et dans un réservoir lourd et encombrant. De plus, à volume égal il permet de stocker plus d’énergie que le dihydrogène sous pression et permet donc l’utilisation de réservoirs plus petits ou une plus grande autonomie ; -Distribution plus rapide et plus facile àla pompe (un liquide est à priori plus facile à distribuer qu’un gaz sous pression. Remarque :On notera que le document ne mentionne jamais le risque de brûlures chimiques avec l’acide formique qui est corrosif. 1.2.Dans le texte on nous dit que l’acide formique « retourne de manière totale à l’état de CO 2 et d’hydrogène » (sous-entendu gaz dihydrogène), on en déduit l’équation de cette réaction : (0,5 pt)HCO 2 H|H 2 + CO 2 . m(H 2 ) = n(H 2 ).M(H 2 ) Une mole d’acide formique libère une mole de dihydrogène, soit n(HCO 2 H) = n(H 2 ) m(H 2 ) = n(HCO 2 H).M(H 2 ) m(HCO H) 2 m(H 2 ) =. M(H 2 ) M(HCO H) 2 r .V AH m(H 2 . M(H) = 2 ) M(HCO H) 2 d. r .V AH m(H 2 . M(H) = 2 ) oùρest la masse volumique de l’eau M(HCO H) 2 d. r .V AH (0,5 pt)m(H 2 ) =´2´M(H) 2´M(H)#2´M(O)#M(C) 1,22 1,0´1,0 (0,25 pt)AN : m(H) =´2´1,010,053kg153g 2´1,0#2´16,0#12,0 Il y a bien 53 g d’hydrogène dans un litre d’acide formique qui pourra être libéré par transformation chimique. 1.3. (4X 0,25)

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2. L’acide formique en milieu biologique 2.1. Piqûre de fourmi + 2.1.1. (0,25)suivantL’acide formique est un acide selon Brönsted car il peut céder un proton H + – la demi-équation : HCO 2 H = H+ HCO 2 2.1.2.(0,5)L’acide formique réagissant avec l’eau des tissus,l’équation de la réaction chimique à l’origine des brûlures est : – + HCO 2 H (aq) +H 2 O(l) HCO 2 (aq) +H 3 un équilibre car l’acide formique est unO (c’est acide faible - cf données 2.2) 2.2. L’estomac du tamanoir 2.2.1.(0,25)Dans l’estomac des tamanoirs(pH = 2) donc l’espèce prédominante est l’acide – formique car pH < pKa (HCO 2 H) / HCO 2 ). 2 HCO 2 HCO H pH pK A = 3,8 pH = 2 2.2.2. (0,5 pt)Méthode 1 (version mathématique) D’après les données, pH > – log (c) pour une solution aqueuse d’acide faible de concentrationc –pH –x en soluté apporté donc 10< c (par application de la fonction10 quiest décroissante d’où le changement de signe) –2 -1 Dans l’estomac, le pH est proche de 2 donc c > 10mol.L  Méthode2 (version « j’ai compris la notion d’acide faible ») Si l’acide formique était un acide fort, on pourrait écrire pH = – log c avec c concentration en –pH –2-1 acide formique apporté donc c = 10soit c = 10mol.L carpH = 2. Cependant, l’acide formique est un acide faible: sa réaction avec l’eau n’est pas totale; pour arriver à un pH aussi acide, la concentration en acide formique apporté doit être supérieure à –2 -1 10 mol.L. 2.2.3.(0,5 pt) Lestamanoirs se nourissant presque exclusivement de fourmis, ils écrasent les fourmis dans leur bouche et c’est l’acide formique des fourmis qui permet leur propre digestion en maintenant le pH de l’estomac du tamanoir à une faible valeur.

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EXERCICE II – DISQUES OPTIQUES (10 points) CORRECTION ©http://labolycee.org 1. Lecture d’un disque optique h.c 1.1.(0,5)Énergie d’un photon émis par la diode LASER : E =

-34 8 6,63´10´3,00´10 –19 AN : E1 =4,91×10 J %9 405´10 1.2. (0,25)une DEL, la lumière est émise par Pourémission spontanée.: un atome(non demandé préalablement excité dans un niveau d’énergie E A  sedésexcitespontanémentémettant un photon en d’énergie E = E A – E B lui permettant d’accéder à un niveau d’énergie E B plus faible.) Pour un LASER, la lumière est émise parémission stimulée.(non demandé: un photon d’énergie E = E A – E B stimuleun atome préalablement excité dans un niveau d’énergie E A pour qu’il se désexcite en émettant un photon identique au photon incident. L’émission stimulée produit donc deux photons identiques de mêmes direction et sens, de même énergie et en phase.) (0,5)Les propriétés de l’émission stimulée (+ le milieu amplificateur) font que la lumière LASER est : - Directive - Monochromatique - Concentréedans l’espace - Cohérente(les photons sont tous en phase) 1.3.(0,5)Dans le cas (a),δ= 0 (les deux faisceaux sont réfléchis sur un plat) l  Dansle cas (b),δ= 21 (le rayon (2) pénètre dans la cuvette mais pas le rayon (1) ). 4 2 1.4.1.(0,5)D’après la figure 3, l’intensité lumineuse réfléchie est élevée si le faisceau éclaire un plateau (cas (a)) et faible si le faisceau éclaire un creux (cas (b)). 1.4.2.(0,5)Dans le cas (a),δ= 0, les deux faisceaux sonten phase(δ= k.λavec k entier relatif égal à 0 ici) : ce sont des interférencesconstructives.

Dans le cas (b),δ =, les deux faisceaux sont enopposition de phase (δ =(2k+1). aveck entier 2 2 relatif égal à 0 ici) : ce sont des interférencesdestructives.

1.5.(0,5)D’après la figure 3 du document 2, lorsque l’intensité lumineuse varie brutalement, l’information codée est 1.  Lorsquel’intensité lumineuse varie peu l’information codée est 0. 2. Traitement de l’information numérique 2.1.(0,5)D’après le théorème de Shannon (voir données), la fréquence d’échantillonnage d’un signal doit être égale ou supérieure au double de la fréquence maximale contenue dans ce signal, afin de le numériser correctement. De plus, le domaine fréquentiel de l’audible s’étend jusqu’à 20 kHz (voir données). Ainsi, la fréquence d’échantillonnage doit être supérieure ou égale à 40 kHz ce qui est bien le cas ici avec 44,1 kHz. U max 2.2.(0,5)D’après les données,pn le nombre de bits soit n = 16 bits ici.= avec n 2 10 %4 AN :p= 11,5´10 V10,15 mV 16 2 4

3 2.3. (1)La fréquence d’échantillonnage est 44,1 kHzéchantillons par: cela signifie qu’il y a 44,1x10 seconde. A partir de la duréeΔt de l’enregistrement et de la fréquence d’échantillonnage f e (nombre d’échantillons par seconde), on peut déterminer le nombre d’échantillons N e : N f´ Dt e e  sansunité Hzs 2 16 Chaque échantillon est codé par 2x16 bits (2 canaux) soit par= 4 octets. 8 La quantité de données numériques d’un enregistrement de duréeΔt est donc n = 4.f E .Δt (n en octets) n Le débit binaire étant la quantité de données numériques par unité de temps : D1 t 4.f .Dt 3 51%1 E Finalement, ici, D1 14.f : A.N. D14´44,1´1011,764´10 o.s1176 ko.s  CQFD E Dt -1 -1  o.so (octet)Hz (s )  (octetpar seconde) 2.4. (0,5): Lacapacité de stockage est égale au débit binaire multiplié par la durée d’enregistrement C = D.Δt 5 2 C = 176,4 × 74 × 60 = 7,8×10ko = 7,8×10Mo 9 n 22´10 5 2.5.(0,75)Méthode 1 : t1  soit Dt1 = 1,25×10s = 35 h. 3 D 176´10 Méthode 2 :tout simplement par proportionnalité : 9 74 min780 Mo 74´22´10 Δt 1 12087 min135 h 6 780´10 Δt 22Go 3. Capacité de stockage d’un disque optique 3.1. (0,5)laser blu-ray émet une lumière de longueur d’onde dans le vide Leλ =405 nm, de couleur violette. Il aurait été logique de l’appeler purple-ray. Mais on peut penser que comme le violet et le bleu possèdent des longueurs d’onde voisines, la domination blu-ray a été retenue. 3.2.(1)Le nombre de bits disponible sur un CD est: 2 2 surface disponible S (RR )´ p C extint n1 = 1 surface occupée par 1 bitsℓ´a Données : R int = 2,5 cm ; R ext = 5,8 cm ; ℓ = 0,83 µm ; a = 1,67 µm %2 2%2 2 ((5,8 10 )%(2,5´10 ))´ p 9 n1 bits= 6,2×10 %6%6 0,83´10´1,67´10 8 32 En divisant par 8, n = 7,8×10octets, en divisant par 10alors n = 7,8×10Mo. 3.3.(2) Àsurface égale, la capacité de stockage d’un disque optique est d’autant plus grande que le diamètre du spot laser est petit. En effet, plus le faisceau laser est fin, plus les sillons sur le disque peuvent être rapprochés, et plus les dimensions des cuvettes être petites. On peut donc inscrire un plus grand nombre de cuvettes sur le disque et donc un plus grand nombre de données. 1,22 1,22´ l D’après l’expression du diamètre du spot laser d1 1 , la diminution du diamètre peut sin a O.N. se faire :- en diminuant la longueur d’ondeλdu laser utilisé - en augmentant l’ouverture numérique O.N. de la lentille de focalisation. On remarque qu’on retrouve dans cette relation le fait que la capacité de stockage est limitée par le phénomène de diffraction du faisceau laser qui est d’autant moins marqué que la longueur d’onde est faible. Ces deux paramètres sont utilisés dans un lecteur blu-ray (longueur d’onde plus faible et ouverture numérique plus élevé) pour pouvoir atteindre une capacité de stockage de 22 Go. 5

Bac S 2013 Nouvelle CalédonieEXERCICE III CORRECTION ©http://labolycee.org CHIMIE ET ENVIRONNEMENT (5 points) Questions préliminaires : 1) Pour limiter l’émission de CO 2 dans l’atmosphère on peut : ·l’utilisation de combustibles fossiles comme le charbon ou le pétrole ; Limiter · Utiliserle CO 2 produit en le piégeant dans le sous-sol par exemple ; · Éviterla déforestation ; ·le dioxyde de carbone en méthane ou un autre produit de synthèse. Transformer 3 2) Bilan énergétique global de la production et de la combustion de 1,0 mde méthane : 3 ·de dihydrogène, soit une énergie électrique de : L’unitéconsomme 4 m E él = 4×20,0 = 80,0 MJ 3 ·de COconsomme également 1 m Elle 2 , soit E = 8,0 MJ 3 · Réaliserl'hydrogénation de 1,0 mde CO 2  suivantla réaction de Sabatier nécessite 7,0 MJ. Au total E consommée = 80,0 + 8,0 + 7,0 = 95,0 MJ 3 Énergie récupérable par combustion de 1 mde méthane : E récupérable = 1000×33 = 3,3×104 kJ = 33,0 MJ Bilan global : E récupérable – E consommée = – 62,0 MJ 3 Pour produire 1 mde méthane par hydrogénation du dioxyde de carbone, il faut dépenser 62,0 MJ. Exemple de synthèse : Depuis de nombreuses années, l’augmentation du taux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère pose des problèmes environnementaux. L’Homme essaie de compenser cette augmentation en valorisant le dioxyde de carbone. On peut se poser la question : Quels sont les enjeux environnementaux et l’intérêt énergétique de la valorisation du dioxyde de carbone ? Nous pouvons voir, dans le document 1, une augmentation exponentielle de la production de dioxyde de carbone et parallèlement une augmentation de la variation de température annuelle. On peut penser que le dioxyde de carbone est responsable de ce réchauffement, le dioxyde de carbone étant un gaz à effet de serre. Il est donc nécessaire d’un point de vue écologique de diminuer la quantité de dioxyde de carbone produite. Plusieurs pistes sont étudiées, comme le stockage qu’il soit géologique ou biologique. Cependant ce stockage a un prix et de plus, dans le cas du stockage géologique, le dioxyde de carbone n’est pas éliminé. On préfère, actuellement, valoriser le dioxyde de carbone en le transformant en combustible comme le méthane, en l’utilisant comme gaz réfrigérant ou en effectuant des synthèses de matières premières pour l’industrie. Là aussi ces opérations ont un prix, par exemple la synthèse du méthane consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit. De plus la combustion du méthane entrainerait une formation de dioxyde de carbone. Actuellement de nombreux chercheurs travaillent sur ce problème, on peut penser qu’une solution à la fois économiquement rentable et écologique sera trouvée d’ici quelques années.

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NOM : Indicateurs de réussite Trois pistes clairement explicitéesA S’approprier Deux pistes clairement explicitées ou trois non explicitées ou trois ère B 1 question Q1 maisseulement dans la synthèse préliminaire Une piste ou deux dans la synthèseC Une dans la synthèseD Dépense de 62 MJ, explications bien détailléesA S’approprier éme Un oubli/erreur d’énergie ou 62 MJ mal détailléB 2 questionQ2 Deux oublis/erreursC préliminaire Bilan totalement fauxD Le CO 2 contribuerait au réchauffement climatique Q3 Utilisationdes graphiques, pas trop affirmatif, effet deA BC D serre. Enjeux de la valorisation du CO 2 : Synthèse le taux atmosphérique de COQ4 diminuer 2 D; AB C  reprendreles pistes de la question préalable Q1 Analyser Regard critique sur la valorisation : Formuler une A BC Dénergétique (reprise Q2),Q5 Coût hypothèse difficulté de captage du CO 2 Communiquer rapport est correctement rédigé et argumenté de Le manière compréhensible. Q6 Bonneutilisation des connecteurs logiques (donc, car,A BC D or, etc.) Respect longueur de la synthèse (env. 20 lignes). Fichier automatisé pour le calcul de la note http://labolycee.org/2013/2013-11-NelleCaledo-Exo3-Correction-ValorisationCO2-5pts.xlsx

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