Terminale S Devoir surveillé de physique chimie n°2 (3h30 ...europhys.stav.free.fr/TermDS2_2014-2015.pdf · crampes douloureuses après un exercice physique prolongé. L’acide

Terminale S Devoir surveillé de physique chimie n°2 (3h30) Calculatrice autorisée

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COMPETENCES

Analyser

Valider

Communiquer

Le sujet comporte 13 pages Chaque exercice sera traité sur une copie séparée

► Exercice 1 : Acide lactique et médecine animale (Liban 2013 - 8 points)

Des tests d’effort sont pratiqués par des vétérinaires afin d’évaluer la condition physique des chevaux. Celle-ci est liée à l’apparition d’acide lactique dans les muscles pouvant entraîner des crampes douloureuses après un exercice physique prolongé. L’acide lactique est également à la base de la fabrication d’un polymère biodégradable, l’acide polylactique, utilisé en chirurgie vétérinaire pour réaliser des sutures. Les parties 1 et 2 sont indépendantes. 1. L’acide lactique

La formule semi-développée de l’acide lactique est la suivante : H3C CH C

1.1. Isomérie et nomenclature L’acide lactique est le dérivé d’un acide carboxylique de formule brute C3H6O2(*). 1.1.1. Donner la formule topologique de cet acide (*)et le nommer.

1.1.2. Donner la formule semi-développée de ses isomères et les nommer.

Cet acide carboxylique peut être obtenu par oxydation d’un alcool. 1.1.3. Donner la formule semi-développée de cet alcool et le nommer. Quelle est la classe

de cet alcool ?

1.1.4. Quel oxydant peut-on utiliser ? Quels sont les 2 couples redox mis en jeu lors de la réaction entre cet oxydant et l’alcool précédent. Ecrire les demi-équations associées à ces 2 couples et en déduire l’équation de la réaction.

1.1.5. Quel composé organique peut-on obtenir si l’oxydation n’est pas assez forte (quantité

d’oxydant insuffisante, température trop faible, …) ? Donner sa formule semi-développée et le nommer.

1.1.6. Il existe un alcool isomère de l’alcool précédent. Donner sa formule semi-développée

et le nommer. Quelle est la classe de cet alcool ? Quel composé organique obtient par oxydation de cet alcool ? Donner sa formule semi-développée et le nommer.

O

OH OH


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1.2. Étude de la molécule d’acide lactique

1.2.1. Donner la formule topologique de cet acide.

1.2.2. Entourer sur la représentation précédente les groupes caractéristiques présents dans

la molécule et les nommer.

1.3. Analyse spectroscopique

1.3.1. Parmi les spectres IR proposés dans le document 1 ci-après, choisir en justifiant celui correspondant à l’acide lactique.

1.3.2. Prévoir, en justifiant la réponse, le nombre de signaux présents dans le spectre RMN

de l’acide lactique ainsi que leur multiplicité.

Donnée : - Les ions permanganates et les ions manganèse (II) forment un couple redox :

MnO4-(aq)/Mn2+

(aq) - Bandes d’absorption en spectroscopie IR

Liaison CC C=O OH (acide

carboxylique) CH

OH

(alcool)

Nombre

d’onde (cm1) 1000 - 1250 1700 - 1800 2500 - 3200 2800 - 3000 3200 - 3700


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Document 1 : Spectres IR

Spectre IR n°1

Spectre IR n°2


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Test d’effort d’un cheval

Le test d’effort d’un cheval est constitué de plusieurs phases. Durant chacune d’elles, le cheval se déplace à une vitesse constante qui est augmentée d’une phase à l’autre et on mesure sa fréquence cardiaque ainsi que sa vitesse. Une prise de sang est effectuée à l’issue de chaque temps d’effort afin de doser l’acide lactique.

Donnée : masse molaire de l’acide lactique : 90,0 g.mol1 .

2.1. Dosage de l’acide lactique après une phase du test

Le cheval court durant trois minutes à la vitesse de 500 m/min. Un vétérinaire prélève ensuite sur ce cheval un volume V = 1,00 mL de sang dont il extrait l’acide lactique. Cet acide est dissous dans l’eau pour obtenir une solution S de volume VS = (50,00 ± 0,05) mL. Il réalise le dosage de la totalité de cette solution S par

une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium Na+(aq) + HO

(aq) de concentration molaire

C1 = (1,00 ± 0,01) 103 mol.L1. L’équivalence est obtenue pour un volume de solution d’hydroxyde de sodium ajoutée VE = (4,0 ± 0,4) mL.

2.1.1. L’extraction réalisée par le vétérinaire permet d’obtenir l’intégralité de l’acide

lactique sous sa forme acide C3H6O3. A l’aide d’un diagramme de prédominance, expliquer pourquoi on ne dose pas directement le prélèvement sanguin.

2.1.2. Écrire l’équation de la réaction support du dosage en utilisant la notation AH pour l’acide lactique.

2.1.3. Exprimer la concentration molaire CS en acide lactique de la solution S puis calculer

sa valeur.

2.1.4. L’incertitude relative d’une grandeur X est définie par le rapport X

X

.

On admet qu’une incertitude relative est négligeable devant une autre, si elle est environ dix fois plus petite. Dans l’hypothèse où les incertitudes relatives sur VS et

C1 sont négligeables devant celle sur VE, on admet que l’incertitude relative S

S

C

C

est égale à E

E

V

V

.

Déterminer l’encadrement de la concentration molaire en acide lactique CS obtenue par le vétérinaire.

2.1.5. En déduire l’encadrement de la concentration molaire C en acide lactique dans le sang du cheval.

2.2. Évaluation de la condition physique du cheval

Le cheval a subi un test similaire trois semaines auparavant. À l’aide des documents 2 et 3, déterminer si le cheval examiné par le vétérinaire est actuellement en meilleure forme que trois semaines auparavant.


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Donnée : - Pour une vitesse donnée, un cheval est d’autant plus performant que la concentration en

acide lactique de son sang est faible. - pH sanguin du cheval : pH = 7,4 à 25°C

- pKa du couple acide lactique / ion lactate : pKa (C3H6O3 / C3H5O3 ) = 3,9 à 25 °C

Document 2 : Concentration massique en acide lactique à l’issue de différentes phases d’un test d’effort en fonction de la vitesse, pour un test réalisé trois semaines auparavant.

Document 3 : « paramètre V4 » Le « paramètre V4 » est défini par la valeur de la vitesse qui correspond à une concentration en

acide lactique de 0,36 g.L1. Ce paramètre est assimilable à un seuil de fatigue. Il dépend de l’âge du cheval, de son niveau d’entraînement et de sa capacité individuelle à l’effort.

D’après http://pegase.mayenne.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 100 200 300 400 500 600 700 800

con

cen

trat

ion

mas

siq

ue

en

aci

de

la

ctiq

ue

(g/L

)

vitesse (m/min)

http://pegase.mayenne/


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► Exercice 2 : Quelle teneur en cuivre dans une pièce de 5 cts (Antilles 2014 - 7 points)

La pièce de 5 centimes d’euro est composée d'un centre en acier (constitué essentiellement de fer et de carbone) entouré de cuivre. Elle a un diamètre de 21,25 mm, une épaisseur de 1,67 mm et une masse de 3,93 g. On cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en cuivre d’une telle pièce.

Le cuivre, de masse molaire 63,5 g.mol-1, est un métal qui peut être totalement oxydé en ions cuivre (II) par un oxydant puissant tel que l’acide nitrique selon la réaction d’équation :

3 Cu(s) + 8 H+(aq) + 2 NO3-(aq) 3 Cu2+(aq) + 4 H2O(l) + 2 NO(g)

Les ions cuivre (II) formés se retrouvent intégralement dissous en solution ; le monoxyde d’azote NO est un gaz peu soluble. En pratique, on dépose une pièce de 5 centimes dans un erlenmeyer de 100 mL, on place cet erlenmeyer sous la hotte et on met en fonctionnement la ventilation. Équipé de gants et de lunettes de protection, on verse dans l’erlenmeyer 20 mL d’une solution d’acide nitrique d’une concentration environ égale à 7 mol.L-1. La pièce est alors assez vite oxydée et on obtient une solution notée S1. On transfère intégralement cette solution S1 dans une fiole jaugée de 100 mL et on complète cette dernière avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On obtient une solution S2 qui contient autant d’ions cuivre (II) qu’il y avait d’atomes de cuivre dans la pièce de départ. La solution S2 contient également des ions fer (III) provenant de la réaction entre l’acide nitrique et le fer contenu dans le centre en acier de la pièce. L’absorbance de la solution S2 à 800 nm est mesurée, elle vaut 0,575.

1. Étalonnage.

1.1. Déterminer, en argumentant votre réponse, les couleurs attendues pour une solution d’ions cuivre (II) et pour une solution d’ions fer (III). Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d’onde de 800 nm ?

1.2. On fait subir à différents échantillons de métal cuivre pur le même traitement que celui décrit ci-dessus pour la pièce. On obtient alors des solutions d’ions cuivre (II) dont on mesure l’absorbance à 800 nm. Montrer, en utilisant le document 2 et en complétant l’ANNEXE PAGE 13 À RENDRE AVEC LA COPIE, que la loi de Beer-Lambert est vérifiée pour ces solutions d’ions cuivre (II).

2. Détermination de la teneur en cuivre dans la pièce.

2.1. Déterminer la masse de cuivre contenue dans la pièce de 5 centimes d’euro. 2.2. En déduire la teneur (ou « pourcentage massique ») en cuivre dans la pièce.


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3. Incertitude.

10 groupes d’élèves ont déterminé expérimentalement la masse de cuivre présente dans 10 pièces de 5 centimes de même masse. Leurs résultats sont les suivants :

3.1. Déterminer, grâce aux valeurs trouvées par les élèves, l’incertitude élargie (pour un niveau de confiance de 95 %) sur la mesure de la masse de cuivre dans une pièce.

3.2. En déduire l’intervalle dans lequel devrait se situer le résultat du mesurage de la masse de cuivre avec un niveau de confiance de 95 %.


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► Exercice 3 : Contrôles de la qualité d’un lait (Pondichéry 2014 - 5 points)

CET EXERCICE NE CONCERNE PAS LES ELEVES DE SPECIALITE Le lait de vache est un liquide biologique de densité 1,03. Il est constitué de 87 % d'eau, 4,7 % de lactose et de 3,5 à 4 % de matières grasses (proportions en masse). Il renferme aussi de la caséine, des vitamines A et D, et des ions minéraux : calcium, sodium, potassium, magnésium, chlorure... L'industrie laitière met en œuvre divers contrôles de qualité du lait, avant de procéder à sa transformation (production de yaourts par exemple) ou à sa commercialisation. Cet exercice est consacré à deux de ces tests : la détermination de l'acidité Dornic et le dosage de la teneur en ions chlorure. Données

• pKa du couple acide lactique / ion lactate : pKa (C3H6O3 / C3H5O3 ) = 3,9 à 25 °C

• Produit ionique de l'eau : pKe = 14 à 25 °C • Masses molaires atomiques :

Atome H C N O Na Cl Ag

M (g.mol1) 1,0 12,0 14,0 16,0 23,0 35,5 107,9

• Conductivités molaires ioniques à 25 °C

Ion Ag+ Cl NO3

°(mS.m2.mol1) 6,19 7,63 7,14

• Couleurs et zone de virage d'indicateurs colorés acido-basiques usuels :

Indicateur coloré Teinte de la forme acide

Zone de virage Teinte de la

forme basique

Hélianthine rouge 3,1 < pH < 4,4 jaune

Bleu de bromothymol jaune 6,0 < pH< 7,6 bleu

Phénolphtaléine incolore 8,0 < pH< 10 rosé

• Courbe de titrage suivi par pH-métrie de 20,0 mL de solution d'acide lactique de

concentration molaire 3,00 x 102 mol.L1 par une solution d'hydroxyde de sodium de

concentration molaire 5,00 x 102 mol.L1.


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Document. L'échelle d'acidité Dornic Un lait frais est légèrement acide, son pH est compris entre 6,6 et 6,8. Cependant, le lactose subit naturellement une dégradation biochimique progressive sous l'effet des bactéries, et il se transforme en acide lactique. En conséquence, plus le pH du lait est faible et moins il est frais.

Lactose C12H22O11 Acide lactique C3H6O3 L'industrie laitière utilise le degré Dornic pour quantifier l'acidité d'un lait. Cette unité doit son nom à Pierre Dornic (1864 - 1933), ingénieur agronome français. Un degré Dornic (1 °D) correspond à 0,1 g d'acide lactique par litre de lait.

Pour être considéré comme frais, un lait doit avoir une acidité inférieure ou égale à 18 °D. Entre 18 °D et 40 °D, le lait caille (il «tourne ») lorsqu'on le chauffe ; c'est la caséine qui flocule. Au-delà de 40 °D, il caille à température ambiante.

Les yaourts ont une acidité Dornic généralement comprise entre 80 °D et 100 °D.

Tableau de correspondance entre acidité Dornic et pH du lait :

Acidité Dornic (° D) pH

Inférieure à 18 Entre 6,6 et 6,8

20 6,4

24 6,1

Entre 55 et 60 5,2


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1. Méthode Dornic

Un technicien dose l'acidité d'un lait selon la méthode Dornic. C'est-à-dire qu'il réalise le

titrage à l'aide d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO

(aq)) à 0,111 mol.L1, appelée soude Dornic. Il prélève 10,0 mL de lait, y ajoute deux gouttes de phénolphtaléine et verse la soude Dornic goutte à goutte en agitant le mélange, jusqu'à obtenir une couleur rose pâle. Le volume de soude versée est alors de 2,1 ± 0,1 mL.

On admettra que l'acidité du lait est uniquement due à l'acide lactique.

1.1. Des ions lactate sont-ils présents dans un lait quel que soit son état de fraîcheur ? Justifier.

1.2. Écrire l'équation de la réaction support du titrage, en supposant que le seul acide présent dans le lait est l'acide lactique.

1.3. Justifier le choix de la phénolphtaléine comme indicateur de fin de réaction.

1.4. Pourquoi n'ajoute-t-on que deux gouttes de phénolphtaléine ?

1.5. Le lait dosé est-il frais ? Un raisonnement argumenté et des calculs rigoureux sont attendus.

2. Détermination de la teneur en ions chlorure La mammite est une maladie fréquente dans les élevages de vaches laitières. II s'agit d'une inflammation de la mamelle engendrant la présence de cellules inflammatoires et de bactéries dans le lait. La composition chimique et biologique du lait est alors sensiblement modifiée. La concentration de lactose diminue, tandis que la concentration en ions sodium et en ions chlorure augmente. Cette altération du lait le rend impropre à la consommation. Dans le lait

frais normal, la concentration massique en ions chlorure est comprise entre 0,8 g.L1 et

1,2 g.L1. Pour un lait « mammiteux », cette .concentration est égale ou supérieure à 1,4 g.L1. Dans un laboratoire d'analyse, une technicienne titre 20,0 mL de lait mélangé à 200 mL d'eau

déminéralisée par une solution de nitrate d'argent (Ag+(aq) + NO3

(aq)) de concentration molaire

5,00 x 102 mol.L1. Les ions argent réagissent avec les ions chlorure pour former un précipité de chlorure d'argent AgCI(S). Le titrage est suivi par conductimétrie. Le volume équivalent déterminé par la technicienne est 11,6 ± 0,1 mL.

2.1. Écrire l'équation de la réaction support du dosage. 2.2. Parmi les représentations graphiques suivantes, quelle est celle qui représente l'allure de

l'évolution de la conductivité σ du mélange en fonction du volume V de solution de nitrate d'argent versé ? Justifier.


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Proposition 1 Proposition 2

Proposition 3 Proposition 4

2.3. Le lait analysé est-il « mammiteux » ? Une réponse argumentée et des calculs rigoureux

sont attendus.


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ANNEXE DE L’EXERCICE 2 A RENDRE AVEC LA COPIE

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