EXERCICE I - LE SATELLITE PLANCK
Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 15 pages numérotées de 1 à 15.
.... Pour synthétiser l'éther diéthylique, on suit le protocole expérimental suivant ...
part of the document
BACCALAURÉAT GÉNÉRAL
SUJET ZERO
______
PHYSIQUE-CHIMIE
Série S
____
DURÉE DE LÉPREUVE : 3 h 30 COEFFICIENT : 6
______
Lusage d'une calculatrice EST autorisé
Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré
Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 15 pages numérotées de 1 à 15.
La page des annexes (page 15) EST À RENDRE AVEC LA COPIE, même si elle na pas été complétée.
Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres.
LE SATELLITE PLANCK (6 points)
Synthèse : la mission « Planck »
Les astrophysiciens tirent des informations précieuses de létude du rayonnement électromagnétique en provenance de lUnivers tout entier. Le satellite PLANCK a été conçu pour détecter une partie de ce rayonnement afin de mieux connaître lorigine de lUnivers.
Les documents utiles à la résolution sont donnés aux pages 3 et 4.
À laide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 30 lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante :
« Comment les informations recueillies par le satellite Planck permettent-elles de cartographier 3 l Univers fossile3 ? »
Pour cela, présenter le satellite Planck et sa mission. Préciser ensuite les principales caractéristiques du rayonnement fossile (source, nature, intensité et direction, longueur d'onde dans le vide au maximum d intensité »max). Justifier alors l intérêt de réaliser des mesures hors de l'atmosphère et conclure enfin sur la problématique posée, en expliquant notamment le lien entre cartographie du rayonnement et cartographie de lUnivers.
Analyse du mouvement du satellite Planck
Pour éviter la lumière parasite venant du Soleil, le satellite PLANCK a été mis en orbite de sorte que la Terre se trouve toujours entre le Soleil et le satellite. Les centres du Soleil, de la Terre et le satellite Planck sont toujours alignés.
La période de révolution de la Terre et celle du satellite autour du Soleil sont donc exactement les mêmes : 365 jours.
Représenter par un schéma les positions relatives du Soleil, de la Terre et de Planck.
Montrer, sans calcul, que cette configuration semble en contradiction avec une loi physique connue.
Proposer une hypothèse permettant de lever cette contradiction.
DOCUMENTS DE LEXERCICE I
Document 1 : Découverte du rayonnement fossile
En 1965, afin de capter les signaux de l'un des premiers satellites de télécommunication, deux jeunes radioastronomes du laboratoire de la Bell Telephone, Penzias et Wilson, entreprennent d'utiliser une antenne de 6 mètres installée sur la colline de Crawford, à Holmdel (USA). À leur grande surprise, les deux scientifiques tombent sur un étrange bruit de fond radio venant de toutes les directions du ciel.
La très faible intensité du signal détecté ne varie ni au fil du jour, ni au cours des saisons. Ce signal est étranger au Soleil et à la Voie Lactée.
Penzias et Wilson viennent de détecter le « rayonnement fossile ». Ils reçoivent le prix Nobel en 1978. Très vite, le rayonnement fossile procurera la « première image de lUnivers ». Il lèvera le voile sur une époque cruciale : quelques centaines de milliers dannées après le Big Bang. À cette époque, des grumeaux de matière sont déjà assemblés afin de constituer les embryons de nos galaxies.
À force danalyse et de déduction, les spécialistes sont parvenus à retracer ce qua pu être le parcours du rayonnement cosmique :
LUnivers a rapidement été composé de matière "ionisée" dans laquelle la lumière ne se propage pas ; les grains de lumière, les photons, se heurtent aux particules, sans cesse absorbés puis réémis en tout sens. Le cosmos se comporte alors comme un épais brouillard.
Puis lUnivers se dilate, la température sabaisse. Pour une valeur de la température de lordre de 3×103 K, les électrons sassemblent aux protons. On entre alors dans lère de la matière neutre : les charges électriques sapparient et se compensent. Les atomes se créent. LUnivers devient transparent : quelques centaines de milliers dannées après le Big Bang, le rayonnement émis par lUnivers se comportant comme un corps noir peut alors se propager librement. Le rayonnement fossile détecté de nos jours a ainsi cheminé pendant près de quatorze milliards dannées. Durant cette période, lUnivers sest dilaté, expliquant ainsi que le rayonnement fossile perçu à lheure actuelle correspond au rayonnement émis par un corps noir à la température de 3 K.
Daprès http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbig/decouv/xcroire/rayFoss/niv1_1.htm
Document 2 : Atmospheric opacity versus wavelength (Opacité de l atmosphère en fonction de la longueur d onde)
D après Wikipedia
Document 3 : Matière et rayonnement
- Loi de Wien : »max.T = A
A est une constante telle que A = 2,9 mm.K
»max est la longueur d onde dans le vide au maximum d intensité émise par le corps noir de température T.
- Lintensité du rayonnement émis par une source dépend de sa densité de matière.
Document 4 : Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur donde (échelle non respectée)
Document 5 : Lancement du satellite Planck
Le satellite Planck a été lancé le 14 mai 2009 par Ariane 5 depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou. Les premières observations du ciel ont commencé le 13 août 2009 pour 15 mois de balayage du ciel sans interruption.
Planck balaie lintégralité du ciel et fournit une cartographie du rayonnement cosmique fossile.
Le signal détecté varie légèrement en fonction de la direction dobservation.
Lanalyse du signal permet de révéler linhomogénéité de lUnivers primordial. Ces observations donnent des informations uniques sur lorigine et lassemblage des galaxies, et permettent de tester différentes hypothèses sur le déroulement des premiers instants qui ont suivi le Big Bang.
Daprès des communiqués de presse du CNES
LANESTHÉSIE DES PRÉMICES À NOS JOURS (9 points)
Pendant longtemps la chirurgie a été confrontée au problème de la douleur des patients. Ne disposant daucun produit permettant de la soulager, le médecin ne pouvait pratiquer une opération « à vif » du patient.
Léther diéthylique était connu depuis le XVIème siècle, mais ce nest quen 1840 que William T.G. Morton eut lidée de lutiliser afin dendormir un patient. Et il fallut attendre lautomne 1846 pour que, dans deux amphithéâtres combles, le docteur John Warren, assisté de William Morton, réussisse deux opérations chirurgicales indolores pour les patients. Lanesthésie venait de naître et allait permettre un essor bien plus rapide de la chirurgie
Données :
ComposéÉthanolÉther diéthylique ou EtherEauÉthylène
ou EthèneFormule bruteC2H6OC4H10OH2OC2H4Température débullition sous une pression de 1 bar (en°C )7835100-104Masse molaire (g.mol-1)46741828
Masse volumique dune solution aqueuse dhydroxyde de sodium : ( = 1,0 g.mL-1 ;
Masse volumique de léthanol : (éthanol = 0,81 g.mL-1 ;
Masse volumique de léther diéthylique : (éther = 0,71 g.mL-1 ;
Leau et léther ne sont pas miscibles ;
La température du laboratoire est de 20°C.
Partie A : Synthèse de léther diéthylique
Choix dun protocole
La synthèse de léther diéthylique peut se faire par déshydratation de léthanol. Cependant selon les conditions opératoires choisies, la déshydratation peut aboutir à deux produits différents.
Les deux équations de réaction correspondantes sont les suivantes :
CH3-CH2-OH ! CH2=CH2 + H2O
2 CH3-CH2-OH ! CH3-CH2-O-CH2-CH3 + H2O
La température joue un rôle important dans l orientation de la réaction : une température moyenne favorise la formation de léther diéthylique, une température élevée celle de léthylène.
On étudie deux protocoles possibles de déshydratation :
Conditions opératoires 1 : on fait passer à 300°C des vapeurs déthanol sur de lalumine ;
Conditions opératoires 2 : on chauffe léthanol à 140°C en présence dun acide fort.
Compléter le tableau donné en ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE à la page 15.
Analyse du protocole retenu
Pour synthétiser léther diéthylique, on suit le protocole expérimental suivant :
- réaliser un montage de distillation fractionnée dans lequel un ballon bicol supporte une colonne à distiller ainsi quune ampoule de coulée ;
- verser 25 mL déthanol dans le ballon et placer dans lampoule de coulée 10 mL dun acide fort, lacide sulfurique concentré ;
- sous agitation, verser goutte à goutte lacide sulfurique dans le mélange, puis chauffer ;
- récupérer le distillat lorsque la température en tête de colonne est à 35°C ;
- verser le distillat dans une ampoule à décanter, ajouter une solution aqueuse dhydroxyde de sodium Na+(aq) + HO-(aq) ;
- récupérer la phase contenant léther diéthylique. EMBED Visio.Drawing.11
Pourquoi faut-il mettre lerlenmeyer de récupération du distillat dans un bain de glace ?
Malgré les précautions prises, la formation déthylène peut avoir lieu de façon minoritaire mais pour autant on ne le trouve pas dans le distillat. À laide des données, proposer une explication.
Calculer la quantité de matière déthanol introduite dans le ballon et la masse attendue déther diéthylique.
Le distillat obtenu présente un caractère acide. Quelle étape du protocole permet déliminer les traces acides du distillat ? Justifier.
Où se trouve léther diéthylique dans lampoule à décanter ? Justifier.
Étude du mécanisme de la synthèse de léther diéthylique
Le mécanisme réactionnel proposé pour la réaction de déshydratation conduisant à léther diéthylique est proposé ci-dessous. Il comporte trois étapes.
Étape (a) : CH3-CH2-OH + H+ EMBED MSDraw.1.01 CH3-CH2-OH2+
Étape (b) : CH3-CH2-OH2+ + CH3-CH2-OH EMBED MSDraw.1.01 CH3-CH2-OH+-CH2-CH3 + H2O
Étape (c) : CH3-CH2-OH+-CH2-CH3 EMBED MSDraw.1.01 CH3-CH2-O-CH2-CH3 + H+
À laide de vos connaissances sur les sites donneurs et accepteurs de doublets délectrons, expliquer létape (a) du mécanisme.
Recopier léquation de létape (a) et faire apparaître la flèche courbe schématisant le transfert électronique.
En observant les équations des étapes (a) et (c), justifier que lacide sulfurique nest pas un réactif dans cette synthèse. Quel peut alors être son rôle dans la synthèse ?
Techniques danalyse des espèces chimiques intervenant dans la réaction
Les techniques utilisées sont la spectroscopie infrarouge IR et la spectrométrie RMN du proton.
On donne pages 8 et 9 deux spectres RMN du proton et deux spectres infrarouge (IR) correspondant à léther diéthylique et à léthanol ainsi quune table de données de spectroscopie infrarouge IR.
Associer chaque spectre infrarouge IR et RMN à la molécule correspondante en justifiant.
Attribuer un signal en RMN à chaque groupe de protons chimiquement équivalents et justifier sa multiplicité pour chacun des signaux.
Partie B : Un remplaçant de léther diéthylique
À lheure actuelle, du fait de son extrême inflammabilité, de ses nombreux effets secondaires, de sa toxicité ainsi que du risque élevé de dépendance quil entraîne, léther diéthylique nest pratiquement plus utilisé comme anesthésiant, et dautres molécules beaucoup plus spécifiques lont remplacé. Cest le cas par exemple de la kétamine, qui contient un mélange équimolaire des deux molécules ci-dessous.
Molécule A Molécule A
Etude des molécules de la kétamine
Reproduire la formule topologique de la molécule A. Entourer et identifier les groupes caractéristiques présents dans cette molécule.
Quelle est la différence entre les molécules A et A ?
Utilisation médicale de la kétamine
Du fait de son action rapide, la kétamine est principalement utilisée en médecine durgence. Elle est le plus souvent administrée via une injection intraveineuse unique avec une dose de lordre de 2 mg par kg de corps humain et sa demi-vie délimination est de 2 à 4 heures.
Par analogie avec le temps de demi-réaction défini en cinétique chimique, proposer une définition au terme de « demi-vie délimination » donné dans le texte.
EMBED Visio.Drawing.11
EMBED Visio.Drawing.11
LiaisonC-CC-OO-H (acide carboxylique)C-HO-H (alcool)Nombre donde (cm-1)1000-12501050-14502500-32002800-30003200-3700
QUAND LES ASTROPHYSICIENS VOIENT ROUGE
(5 points)
La mesure du déplacement vers le rouge, par effet Doppler, de raies caractéristiques des spectres émis par des sources lointaines (galaxies, quasars etc...) est la preuve d'un univers en expansion, aussi bien que le moyen de mesurer la vitesse déloignement de ces objets lointains. En faisant appel à des modèles cosmologiques, on peut tirer des informations sur la distance de ces sources à la Terre.
Daprès Boratav & R. Kerner, Relativité, Ellipse, 1991
Dans cet exercice, on se propose de déterminer la vitesse déloignement dune galaxie puis sa distance par rapport à un observateur terrestre.
Les documents utiles à la résolution sont donnés aux pages 12, 13 et 14.
Leffet Doppler (voir document 1)
Pour des vitesses largement inférieures à la célérité QUOTE de la lumière, on se place dans le cadre non-relativiste. Choisir, en justifiant, la relation entre »0, la longueur d onde mesurée en observant une source immobile, et » , la longueur d onde mesurée en observant la même source s éloignant à la vitesse QUOTE :
QUOTE (2) QUOTE (3) QUOTE (4) QUOTE
Détermination de la vitesse d une galaxie
Rechercher les longueurs d'onde des raies H(, H² et H( pour le spectre de l'hydrogène sur Terre et les longueurs d'onde de ces mêmes raies lorsqu'elles sont issues de la galaxie TGS153Z170. Compléter les deux premières colonnes du tableau donné en ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE à la page 15.
Choix du modèle détude
En se plaçant dans le cadre non-relativiste montrer que lexpression de la vitesse QUOTE de la galaxie est : QUOTE .
Calculer la valeur de la vitesse de la galaxie TGS153Z170 en travaillant avec les valeurs de la raie H². On donne la relation d incertitude suivante pour la vitesse : QUOTE . On exprimera le résultat sous la forme : QUOTE . Les valeurs numériques sur les spectres sont données à ±1 nm.
Dans le cadre relativiste QUOTE on montre que la vitesse QUOTE a pour expression :
QUOTE . Pour la galaxie TGS153Z170, on trouve QUOTE
Si lécart relatif entre les deux vitesses précédemment calculées est inférieur à 5%, on peut choisir le modèle non relativiste plus simple à utiliser. Justifier le choix du modèle non-relativiste pour la suite de lexercice.
Décalage vers le rouge
En comparant les longueurs donde lð0ð et ðlð , justifier l expression « décalage vers le rouge ».
On définit le décalage spectral relatif QUOTE défini par QUOTE . On montre que QUOTE ne dépend pas de la raie choisie. Compléter la troisième colonne du tableau donné en ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE à la page 15.
En déduire la meilleure estimation de z pour la galaxie TGS153Z170.
À laide de la définition de QUOTE montrer que QUOTE .
Calculer la nouvelle valeur de la vitesse déloignement de la galaxie. Expliquer pourquoi cette valeur est plus pertinente que celle calculée à la question 2.2.2.
Détermination de la distance dune galaxie
En 1929, Edwin Hubble observe depuis le Mont Wilson aux USA le décalage Doppler de dizaines de galaxies. Ses mesures lui permettent de tracer le diagramme qui porte son nom. Il en déduit une relation simple entre la vitesse d'éloignement v d'une galaxie et sa distance d par rapport à la Terre: v = H.d où H est la constante de Hubble.
Déterminer la valeur de la constante de Hubble H en km.s-1.Mpc-1.
Établir lexpression de la distance d de la galaxie à la Terre en fonction de c, z et H. En déduire la distance en Mpc de la galaxie TGS153Z170 à la Terre.
Comparaison des spectres de deux galaxies
%&0@AIem}~¨©¬¶·ñõ & ' A C D üðüèßÖÊè¾èʳʳʳ¥wèkb\b\b\b\
háaACJh~VEháaACJhNhS5CJ aJ h~VEhS5CJ$h~VEhS5>*CJ$
hâ+5CJ$hNhS5CJ$ hNhSjhá#UmHnHuhNhSCJaJhNhS5CJ$aJ$hNhS5CJaJh5CJaJhòv5CJaJhNhS5hNhS5CJ(aJ(hS$&-./0@AINOPQúÐúúúúúÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈÈ$a$gdS)$$d%d&d'dNÆÿOÆÿPÆÿQÆÿa$gdSgdS^¼½µðþþþ¶·ñòóôõD E £ ¤ û ý
?
÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷òòòòòËþ¹gd$,hgdTÓ
& F gdTÓ&$d%d&d'dNÆÿOÆÿPÆÿQÆÿgdgdS$a$gdSD E F G N Q W X ^ _ ` a c f g h } ~ ¡ £ û ü ý
>
?
@
÷ðéðéðâðØÑéÇéǻǴÇéðǤyslc]l
h$,h^Jhh$,h^J hTÓhTÓ
h^JhhÌK^Jhh^Jhh2}F^J h
