Fiche de physique - chimie
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Sujet et corrigé Bac S 2016 Polynésie de Physique Chimie

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Enseignement de spécialité


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CORRECTION BAC POLYNESIE 2016 PHYSIQUE CHIMIE TS

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EXERCICE 1 : L'ALANINE EN INFRAROUGE



1.1

1.1.1 La molécule d'alanine est une molécule organique, possède une chaine carbonée de longueur 3. En conséquence, on considère le radical propan.

Ensuite, la molécule est porteuse de deux fonctions organiques : une fonction amine primaire NH2, et une fonction acide carboxylique COOH.

NON EXIGIBLE : la fonction acide carboxylique est dite prioritaire par rapport à la fonction amine primaire, ce qui implique que le nom de la molécule se termine (suffixe) avec oïque, qui est le suffixe associé aux fonctions acide carboxylique.

La molécule est donc un dérivé de l'acide propanoïque. Plus précisément, on y greffé la fonction amine primaire NH2, à laquelle on associe le préfixe amino. Ladite fonction amine étant située sur le carbone n°2 de la chaine (dans la pratique, on numérote par rapport à la fonction prioritaire, c'est-à-dire ici COOH).

On conséquence, en nomenclature officielle, le nom de la molécule d'alanine est :
acide 2-aminopropanoïque.

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1.1.2 La molécule d'alanine comporte des liaisons simples C?C. En conséquence, elle possède bien entendu des stéréoisomères de conformation.

Toutefois, cela n'est pas tout. En effet, la molécule d'alanine possède un carbone asymétrique. Pour rappel, un carbone est dit asymétrique s'il est relié, au sein d'une molécule, à quatre atomes ou groupes d'atomes différents les uns des autres. Dans le cas de l'alanine, il s'agit du carbone n°2 (voir schéma de la question précédente).

En conséquence, il existe deux isomères de l'alanine non superposables mais images l'une de l'autre dans un miroir. On parle de symétrie chirale. On dit également que les deux isomères sont des énantiomères.

En représentation de Cram, on obtient donc :

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Le carbone asymétrique est, comme fait habituellement, repéré par une *.

1.2.1 En chimie organique, on rencontre différentes catégories de réactions :
Substitution : un atome ou un groupe d'atomes d'une molécule est remplacé par un autre atome ou un autre groupe d'atomes. Lors d'une substitution, le nombre de liaisons doubles et le nombre de liaisons triples ne varient pas.
Addition : un ou des atomes sont greffés sur une molécule, ce qui est possible dans la pratique en « ouvrant » une liaison double ou triple pour accueillir ces atomes. Ce type de réaction peut se reconnaître en observant une diminution du nombre de liaisons doubles ou une diminution du nombre de liaisons triples. Cas particulier : une dé-cyclisation d'une molécule correspond également à une réaction d'addition.
Elimination : c'est le contraire d'une addition. Des atomes quittent la molécule, ce qui a pour effet d'augmenter le nombre de liaisons doubles ou triples. Cas particulier : une cyclisation d'une molécule correspond aussi à une réaction d'élimination.
Autres : c'est le cas par exemple pour une réaction acide-base, qui ne correspond à aucune des 3 catégories citées.

Ici, on considère :

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Dans cette réaction, le nombre de liaison double ne varie pas (on a toujours COOH). Il n'y a pas de liaison triple, pas de cyclisation ou dé-cyclisation. On a en fait remplacement de Br par NH2 au sein de la molécule. Il s'agit donc d'une réaction de substitution.

1.2.2
On note n0 la quantité initiale en acide 2-bromopropanoïque. On bâtit alors le tableau d'avancement suivant (facultatif) :

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Dans des conditions idéales, il est aisé de voir que la quantité de matière en alanine produite serait égale à n0. Or, l'énoncé nous apprend que le rendement r est de 80 %. En notant xf l'avancement réel de la réaction (qui correspond ici à la quantité réelle d'alanine produite), on écrit alors que :

r = \frac{x_f}{x_{max}}=0,8, soit x_f=0n80x_{max} ou, vu que x_{max}=n_0, x_f=0,80n_ 0.

On souhaite produire une masse m_f=1,0kg d'alanine. En notant M\approx 89g/mol sa masse molaire, on a donc x_f=\frac{m_f}{M}, soit \frac{m_f}{M}=0,80n_0, ce qui nous permet d'extraire n0 :

n_0=\frac{1}{0,80}.\frac{m_f}{M}\approx \frac{1}{0,80}\times \frac{1,0\times 10^3}{89}\approx 14mol.

Pour conclure, en notant M'\approx 153g/mol la masse molaire de l'acide 2-bromopropanoïque, on trouve alors une masse mi de cette espèce chimique égale à :
m_i=n_0.M'\approx 2,1kg
(Calculatrice : 2148.88... g)

1.2.3 Commençons par les spectres RMN. On propose :

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En effet, comme indiqué par l'énoncé, les signaux associés aux protons liés aux N et O des fonctions amine et acide carboxylique ne sont pas inclus dans le spectre. D'autre part, ces H sont isolés du reste de la molécule, de par l'action de N et de O. Autrement dit, ils n'interviennent pas sur la multiplicité des autres signaux.

Certes, cette dernière information n'était pas donnée (elle est dans le cours en ce qui concerne l'action de O), mais elle se déduit des spectres observés. En d'autres termes, si l'on avait appliqué la règle des n+1 uplets en incluant à tort ces H, les multiplicités des autres signaux n'auraient pas pu correspondre à ce que l'énoncé nous proposait.

Pour l'alanine, on a donc 2 signaux :
Un associé au « proton bleu ». Comme celui-ci a 3 proches voisins (les « verts »), son signal est donc un quadruplet.
Un autre associé aux « protons verts ». Ces derniers ont le « proton bleu » comme proche voisin. Par application de la règle des n+1 uplets, on a donc un doublet.

Avec les spectres fournis par l'énoncé, on constate que le spectre RMN du composé A correspond bien à nos prédictions, mais par celui du composé B.

En ce qui concerne les spectres IR, les choses sont moins simples. En effet, pour les deux spectres, on note la large bande d'absorption à gauche du spectre, qui est typique d'un OH d'un alcool ou d'un acide carboxylique en phase aqueuse. En effet, de par la polarité de l'eau et de la liaison OH précitée, il peut y avoir formation de liaisons hydrogène, qui sont responsables de l'élargissement de la bande d'absorption de OH sur le spectre IR.

Le seul indice à peu près probant concerne les bandes d'absorptions situées vers 1600-1700cm-1 : le spectre IR du composé A n'en comporte qu'une (ou deux ...), que l'on peut assimiler, grâce aux données de l'énoncé, au C=O acide aminé. Le fait que le spectre IR du composé B en comporte davantage semble indiquer qu'il possède également des C=O ester, aldéhyde, ce que la molécule d'alanine n'a pas. Cela confirme donc l'hypothèse établie avec les spectres RMN :
l'alanine correspond au composé A.

2.1 Pour commencer, mesurons les périodes pour les 3 expériences.
Pour la première, on a environ 6,0 périodes en 4,5 s, soit T_1\approx 0,75s
Pour la deuxième, on a environ 8,0 périodes en 3,5 s, soit T_2\approx 0,44s
Pour la troisième, on a environ 3,0 périodes en 4,2 s, soit T_3\approx 1,4s

Ensuite, comparons les expériences 2 à 2 :
Entre l'expérience 1 et l'expérience 2, on multiplie la constante de raideur du ressort par 3, les autres paramètres étant inchangés. On constate que cela implique une diminution de la période du mouvement observé.
Entre l'expérience 1 et l'expérience 3, on augmente la valeur de la masse, les autres paramètres étant inchangés. On note que cela induit une augmentation de la période du mouvement.

A partir de ces résultats, on peut donc constater que la période T du mouvement augmente quand la masse augmente et/ou quand la constante de raideur diminue.
Entre l'expérience 2 et l'expérience 3, la masse augmente et la constante de raideur diminue. Cela implique une augmentation de la période. Cette observation est en accord avec notre conclusion.

2.2.1 On considère la formule \sigma = \frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha}{\mu}} et procédons à une analyse dimensionnelle :

[\sigma] = [\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha}{\mu}}] = [\frac{[\alpha]^{1/2}}{[2\pi][c][\mu]^{1/2}}]=\frac{[\alpha]^{1/2}}{[c][\mu]^{1/2}}

Vu que \mu=\frac{m_A.m_B}{m_A+m_B}, on a donc [\mu]=[\frac{m_A.m_B}{m_A.m_B}]=\frac{[M][M]}{[M]}=[M]. Si les masses sont exprimées en gramme, la masse réduite aussi.

La célérité de la lumière est bien évidemment homogène à une vitesse : [c]=\frac{[L]}{[T]}. On l'exprime ici en cm/s.

La constante de force \alpha s'exprime ici en g/s^2, et donc : [\alpha]=\frac{[M]}{[T]^2}.

En conséquence, il vient :

[\sigma]=\frac{[\sigma]^{1/2}}{[c][\mu]^{1/2}}=\frac{[T].[M]^{1/2}}{[L][T].[M]^{1/2}}=[L]^{-1} : le nombre d'onde \sigma correspond donc bien à l'inverse d'une distance, comme on peut le vérifier avec la relation \sigma=1/\lambda.

Concernant son unité utilisée ici, avec les unités des autres grandeurs utilisées dans la loi de Hooke, on écrit que \sigma en \frac{s.g^{1/2}}{cm.g^{1/2}.s}, soit \sigma en cm^{-1}.

2.2.2 Avec les valeurs fournies, on trouve :

\mu = \frac{m_C.m_H}{m_C+m_H} \approx \frac{1,99\times 10^{-23}\times 1,67\times 10^{-24}}{1,99\times 10^{-23}+1;67\times 10^{-24}}\aprox 1,54\times 10^{-24}g , soit :

\sigma=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha}{\mu}}\approx \frac{1}{2\pi\times 3,00\times 10^{10}}\sqrt{\frac{5,0\times 10^5}{1,54\times 10^{-24}}}\approx 3,0\times 10^3 cm^{-1} (Calculatrice : 3022,21...), soit environ 3000 cm-1. Cette valeur est conforme aux valeurs données en début d'énoncé (2850-3020 cm-1).

2.2.3 Dans cette question, on nous demande de comparer la liaison C?OH d'un acide carboxylique à la liaison C=O de cette même fonction. Comme l'énoncé nous le propose, on admettra que les masses réduites des groupes COH et CO sont égales. Ainsi, dans la loi de Hooke \sigma=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha}{\mu}}, la seule différence entre les deux liaisons concerne \alpha, la constante de force de la liaison. C'est donc la nature de la liaison (simple/double) qui explique la différence entre les deux valeurs de nombre d'onde.

Creusons un peu plus ce raisonnement :
la liaison simple (C?OH), on a \sigma_1\approx 1300 cm^{-1}, sa constante de force sera notée \alpha_1.
Pour la liaison double (C=O), on a \sigma_2\approx 1700 cm^{-1}, sa constante de force sera notée \alpha_2.

On a \alpha_2 > \alpha_1, ce qui nous donne, avec la loi de Hooke, \frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha_2}{\mu}}>\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha_1}{\mu}}, ce qui se simplifie en sqrt{\frac{\alpha_2}{\mu}}>\sqrt{\frac{\alpha_1}{\mu}} ou \frac{\alpha_2}{\mu}>\frac{\alpha_1}{\mu}, soit \alpha_2>\alpha_1. En passant d'une liaison simple à une liaison double (même atomes impliqués), on augmente donc la constante de force de la liaison (car liaison double plus « solide »), ce qui se traduit par un nombre d'onde plus fort.

Mais que représente la constante de force de la liaison physiquement ?

Dimensionnellement, on peut noter que le N/m correspond à des kg/s2, vu que 1N=1kg.m/s2 (seconde loi de Newton). Donc, la constante de force d'une liaison est homogène à une constante de raideur (d'un ressort).

Ensuite, la loi de Hooke peut également se mettre sous la forme :

\sigma=\frac{1}{\alpha}=\frac{1}{2\pi c}\sqrt{\frac{\alpha}{\mu}}, ou \frac{\lambda}{c}=\sqrt{2\pi}{\frac{\mu}{\alpha}}. Le rapport de la longueur d'onde \lambda par la célérité c de la lumière correspond à la période T de l'onde IR envoyée sur la liaison, et correspond également à la période T des oscillations de ladite liaison. On obtient :

T=\sqrt{2\pi}{\frac{\mu}{\alpha}},

Qui présente une forte ressemblance avec la relation \sqrt{2\pi}{\frac{\mu}{\alpha}} décrivant la période d'une oscillateur masse-ressort, comme celui étudié au début de la partie 2. de cet exercice, m étant homogène à \mu et k homogène à \alpha.

Une liaison chimique pouvant être vue comme un système oscillant masse-ressort, où la constante de raideur k est assimilée à la constante de force de la liaison, « renforcer » la liaison (passer d'une liaison simple à une liaison double) revient à augmenter la constante de raideur k. Comme vu à la question 2.1, augmenter k induit une baisse de la période T des oscillations. Puisque \lambda = c.T=\frac{1}{\sigma}, cette baisse de T entraine donc une augmentation du nombre d'onde \sigma, comme nous l'avons constaté.

EXERCICE 2 : SE CHAUFFER AVEC LE NUMÉRIQUE



1.1 Comme précisé, on souhaite que le mur extérieur du bâtiment satisfasse les contraintes du label HQE. Cela implique que, pour une superficie de 1m2 de ce mur, on ait Z\geq Z_{HQE} avec Z_{HQE}=4,00m^3.K.W^{-1}. En fait, Z peut être vue comme une résistance thermique surfacique. Comme précisé par les données, on a Z=e/\lambda.

En conséquence, on écrit que l'épaisseur recherchée e (en mètre) doit satisfaire l'inéquation : \frac{e}{\lambda_b}\geq Z^{HQE}, \text{ où } \lambda_b\approx 2,2W.K^{-1}.m^{-1}, \text{ soit } e\geq \lambda^b.Z_{HQE} \text{ ou } e\geq 2,2\times 4,00 \text{ et donc : } \\ e\geq 8,8m .

On peut évidemment remarquer que cette épaisseur minimale est très forte, et non applicable dans le cadre d'un bâtiment comme celui étudié. Cela laisse clairement entendre que le béton est utilisé pour sa solidité, et que l'isolation thermique doit être assurée par d'autres matériaux.

1.2 Considérons la relation Z=e/\lambda. On peut noter que pour une épaisseur e fixée, la valeur de Z est inversement proportionnelle à la valeur de la conductivité thermique \lambda . En d'autres termes, plus un matériau possède une conductivité thermique faible, plus sa résistance thermique surfacique Z est forte, et donc plus il constitue un isolant thermique efficace.

Parmi le tableau de l'énoncé donnant les conductivités thermiques de quelques matériaux, on observe que la laine de verre est celle qui possède la plus faible conductivité thermique des cinq matériaux proposés. C'est donc elle qui a le Z le plus fort. La laine de verre constitue donc l'isolant thermique le plus efficace des 5, ce qui justifie de son utilisation dans la construction du mur extérieur.

1.3 L'énoncé nous précise que les résistances thermiques de matériaux différents s'ajoutent lorsqu'ils sont superposés les uns aux autres (sous la forme de plaques). Dans le cas traité ici, on considère le béton, la laine de verre et le polymère, d'épaisseurs respectives eb, el, ep et de conductivités thermiques \labmda_b, \labmda_l, \labmda_p. La résistance thermique R du mur de surface S est donc :

R=\frac{e_b}{S.\lambda_b}+\frac{e_l}{S.\lambda_l}+\frac{e_p}{S.\lambda_p}.

Comme proposé par l'énoncé, on raisonne sur une surface de 1m2, de sorte que S=1m2 et donc R correspond à Z :

Z=\frac{e_b}{\lambda_b}+\frac{e_l}{\lambda_l}+\frac{e_p}{\lambda_p}. On veut satisfaire les contraintes du label HQE. On écrit donc que Z\geq Z_{HQE}, soit \frac{e_b}{\lambda_b}+\frac{e_l}{\lambda_l}+\frac{e_p}{\lambda_p}\geq Z_{HQE}. Dans cette relation, la seule inconnue est e1, que l'on cherche. En conséquence, on réécrit cette inéquation comme :

e_1\geq\lambda_l.(Z_{HQE}-\frac{e_b}{\lambda_b}-\frac{e_p}{\lambda_p}) et donc e_l\geq 0,032.(400-\frac{0,20}{2,2}-\frac{0,05}{0,18}) ou e_l\geq 0,12m
(Calculatrice : 0,116202 ...m).

Il nous faut donc une épaisseur minimale de 12 cm de laine de verre pour assurer une isolation thermique suffisante pour l'obtention du label HQE.

On notera que les épaisseurs des trois matériaux utilisés (20 cm, 12 cm, 5 cm) sont plutôt réalistes, car l'épaisseur du mur est alors assez proche de ce dont on pouvait s'attendre.

2.1 De manière générale, l'énergie thermique peut potentiellement se propager selon trois modes :
Conduction : la chaleur se propage au sein d'un matériau, par exemple solide. Les métaux sont d'ailleurs de très bons conducteurs de la chaleur.
Convection : au sein d'un fluide (liquide, gaz), un chauffage non homogène conduit à des mouvements du fluide pour propager la chaleur du chaud vers le froid.
Rayonnement : l'énergie thermique peut également se propager sous la forme d'ondes électromagnétiques. La loi de Wien vue en Première S permet d'ailleurs d'étudier ce rayonnement.

2.2 L'énoncé nous indique qu'un serveur consomme une puissance électrique de 480 W, et nous propose de considérer que l'énergie électrique correspondante est intégralement convertie en énergie thermique (effet Joule au sein des microprocesseurs, en négligeant l'énergie mécanique des ventilateurs internes de refroidissement...).

Puisque le bâtiment comporte 20 000 serveurs, on a donc en 1 seconde 480 X 20 000 Joules dégagés sous forme de chaleur par lesdits serveurs.

Etant donnés que les serveurs fonctionnent en continu, il est possible d'estimer l'énergie thermique totale Qserveurs en multipliant cette valeur trouvée par 24 et par 3600 (24 X 3600 est le nombre de secondes en une journée.).

En conséquence, il vient Q_{serveurs} \approx 480\times 20000\times 24\times 3600\approx 8,3\times 10^11J (calculatrice : 8,2944E11), ce qui correspond à la valeur à trouver.

Cela nous fait environ 830 GigaJoules.

2.3.1 Pour répondre à cette question, il nous faut considérer les relations Q=\varphi.\Delta T, \varphi = \frac{T_{in}-T_{ext}}{R_{th}} et R_{th} = \frac{Z}{S}. En les combinant ensemble, on trouve :

Q=\frac{T_{in}-T_{ext}}{Z}.S.\Delta t .

On se placera dans le cas où le sol a été isolé selon le label HQE, soit Z=Z_{HQE}\approx 4,00m^2.K.W^{-1}. En outre, la surface S du sol est donnée par S=L.l. En conséquence, avec les valeurs fournies par les divers documents de l'énoncé, il vient :

Q=\frac{T_{in}-T_{ext}}{Z_{HQE}}.L.l.\Delta t\approx\frac{23-11}{4,00}\times 80\times 50\times 24\times 3600\approx 1,0\times 10^9 J
(Calculatrice : 1,0368E9 J), soit environ 1 GigaJoule. Cette valeur est comparable aux autres valeurs données lors de la question suivante.

Remarque : pour le calcul de T_{in}-T_{ext}, il faudrait en théorie convertir les deux températures en K, mais comme un écart de température d'1°C correspond à un écart de température d'1 K, cette conversion est facultative.

2.3.2 Lors de la question 2.3.1, nous avons estimé le transfert thermique à travers le sol en une journée. Dans cette question, on nous donne les valeurs pour les murs et la toiture. En conséquence, pour trouver la valeur des pertes thermiques du bâtiment entier, il nous suffit de sommer ces trois valeurs. Ainsi, on trouve :

Q_{total}=Q_{sol}+Q_{murs}+Q_{toiture}\approx 1,0\times 10^9+9,0\times 10^8+6,8\times 10^8\approx 2,6\times 10^9 J .
(Calculatrice : 2,6168E9 J), soit environ 2,6 GigaJoules.

2.4 Raisonnons par rapport à l'intérieur du bâtiment. D'une part, les serveurs dégagent une énergie thermique journalière d'environ Q_{serveurs}\approx 830 GJ. D'autre part, nous avons une perte thermique journalière d'environ Q_{total}\approx 2,6 GJ. On a donc Q_{serveurs} > Q_{total}, c'est-à-dire que l'intérieur du bâtiment reçoit plus d'énergie thermique qu'il n'en perd. Cela signifie donc qu'il y a accumulation d'énergie thermique à l'intérieur du bâtiment. Cela pourrait engendrer une élévation de la température, ce qui pourrait endommager les serveurs. Un système de climatisation, captant l'énergie thermique à l'intérieur du bâtiment et la rejetant à l'extérieur, est ainsi indispensable dans ce cadre-là.

3.1 Notons que la valeur 1,5 X 1014J peut se retrouver en faisant Q_{serveurs}\times\frac{365}{2}, ce qui conforte la véracité de notre calcul précédent.

Pour répondre à cette question, on convertit tout d'abord 50kWh en Joule, ce qui nous fait 50\times 3,6\times 10^6\approx 1,8\times 10^8 J. Cette valeur est celle requise pour chauffer 1 mètre carré de logement récent pendant les 6 mois froids de l'année. Vu que l'on dispose de 1,5\times 10^{14} J, si l'on pouvait utiliser récupérer et utiliser totalement cette énergie thermique, on pourrait ainsi chauffer une surface Sch obtenue par le produit en croix :

S_{ch}\approx\frac{1,5\times 10^{14}}{1,8\times 10^8}\approx 8,3\times 10^5 m^2(Calculatrice : 833333 mètres carrées), soit environ .

Le texte introductif de ce sujet nous apprend qu'actuellement, le centre de données permet de chauffer une surface de 6 000 mètres carrés, mais pourrait chauffer 600 000 mètres carrés. Ainsi, si ce second chiffre peut paraître très fort au premier abord, il est cependant du même ordre de grandeur, et même inférieur, au chiffre que nous venons de trouver. La différence entre nos 830 000 mètres carrés et les 600 000 peuvent s'expliquer en disant que notre calcul suppose que toute l'énergie thermique est récupérée, sans pertes. Les 600 000 mètres carrés du texte prennent ainsi sans doute en compte d'éventuelles pertes. Cette valeur paraît donc réaliste.

3.2 La machine thermique étant un convertisseur d'énergie, on lui applique le principe de conservation de l'énergie : la somme des énergies entrantes (énergie thermique fournie par l'air + énergie électrique reçue) correspond donc à l'énergie thermique sortante. On suppose que cette dernière est totalement reçue par l'eau à chauffer, sans pertes. Ainsi, on écrit :

Q_{eau}=Q_{air}+W , soit Q_{eau}\approx 5,2\times 10^{11}+1,0\times 10^5\times 3,6\times 10^6\approx 8,8\times 10^{11}J.
NB : dans ce calcul, le 3,6 x 106 est utilisé pour convertir la valeur de W de kWh en J.

3.3 Pour répondre, on propose de raisonner sur une heure de fonctionnement du système. Ainsi, l'énergie thermique reçue par l'eau en 1 h correspond à Qeau (journalier) divisé par 24, soit :

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Pour cette réaction, on parle de fermentation alcoolique, puisque l'éthanol produit est un alcool car porteur d'un groupement hydroxyle OH sur un carbone tétragonal (impliqué dans quatre liaisons simples) :

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1.2 La zymase est une enzyme. Une enzyme est un catalyseur d'une réaction bien spécifique impliquant des réactifs spécifiques eux aussi. Son rôle est de fortement accélérer (ou de rendre possible) la réaction qui nous concerne ici, c'est-à-dire la dégradation du glucose en éthanol et en dioxyde de carbone. En effet, cette réaction ne pourrait pas se produire spontanément ou alors elle serait cinétiquement trop lente.

Tout comme catalyseur, cette enzyme participe à la réaction, mais elle est forcément régénérée en fin de réaction.

2.1 La molécule d'acide acétique a pour formule semi-développée CH3?COOH. C'est une molécule de chimie organique formée d'une chaine carbonée de longueur deux, ce qui implique que son radical est éthan.

En outre, la molécule est porteuse de la fonction organique acide carboxylique COOH. Par extensions, la molécule est donc un acide carboxylique. Elle porte donc le suffixe oïque, et est précédée de la mention «acide».

Pour résumer, selon la nomenclature, l'autre nom de l'acide acétique est acide éthanoïque.

2.2 En fonction des informations données par le texte de l'énoncé (« fixent les molécules de dioxygène sur l'éthanol, ce qui conduit à la formation d'acide acétique »), on peut proposer la réaction suivante :

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où il y a bien formation d'acide acétique (et d'eau), sous l'action du dioxygène sur l'éthanol provoquée par les micro-organismes.

Pour rappel, un oxydant oxy est une espèce chimique susceptible de capter ou un plusieurs électron(s). Lors de cette opération, il devient le réducteur red de son couple rédox oxy/red. On nomme ainsi cette transformation une réduction :

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2. Comme expliqué par l'énoncé, le dessalement de l'eau de mer peut se faire par osmose inverse. Le principe de la méthode est d'appliquer une pression suffisante afin de provoquer une migration de l'eau de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée.

Puisque ces deux solutions sont séparées par une membrane semi-perméable, seule l'eau effectue cette migration, pas les ions chlorure et sodium. En conséquence, le volume de la solution la plus concentrée diminue, car elle perd une partie de son eau, mais en gardant ses ions. Autrement dit, la concentration en ions chlorure et sodium augmente au fur et à mesure du processus au sein de la solution la plus concentrée ( ). A la fin du processus, on a donc récupéré de l'eau douce dans la solution la moins concentrée, et de la saumure (eau très salée) dans le compartiment le plus concentré.

Remarque (non exigible) : la pression à exercer dépend de la différence de concentration entre les deux solutions. Pour l'eau de mer, cette pression doit dépasser 60 bars environ si l'on veut récupérer de l'eau douce. En fin de processus, si l'on essaie de trop augmenter la pression exercée, on pourrait détériorer la membrane. Cela explique pourquoi il est illusoire d'espérer récupérer toute l'eau douce d'un prélèvement d'eau de mer par cette méthode. Nous verrons par la suite de cet exercice que la concentration en NaCl de la saumure est typiquement environ le double de la concentration naturelle en NaCl dans l'eau de mer.

3. Le titrage.

Pour déterminer la concentration en NaCl de la saumure produite par osmose inverse, on effectue un titrage des ions chlorure. Les ions sodium sont alors ions spectateurs. Par la suite, on admettra que le volume de la solution titrée reste constant pendant tout le titrage (autrement dit, l'ajout du titrant ne modifie que très peu ce volume). Cela nous permet alors de dire que la concentration en ion sodium ne variera pas.



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En conséquence, notre mélange contient environ 36 grammes de NaCl par kilogramme de solution. Le texte introductif nous précise que la salinité limite pour la plante étudiée est de 37,4 grammes par kilogramme d'eau de mer. La salinité de notre mélange est inférieure, ce qui ne mettait donc pas en danger cette plante et par extension l'écosystème marin étudié.

Ainsi, la dilution de la saumure avant son rejet dans le milieu marin, selon le protocole décrit par le sujet, constitue à priori une méthode intéressante pour ne pas mettre en péril l'écosystème marin local.

Remarque : d'autres considérations seraient éventuellement à prendre en compte afin d'évaluer l'effet du dessalement dans une zone géographique donnée, comme les besoins énergétiques de la méthode utilisée. L'osmose inverse est d'ailleurs moins gourmande en énergie que l'autre méthode utilisée pour le dessalement, à savoir la distillation. Cette dernière est d'ailleurs souvent consommatrice de ressources fossiles, ce qui induit des rejets de dioxyde de carbone?
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