Devoir commun de sciences physiques
Le nom chimique du sucre utilisé en cuisine est le saccharose, de formule C12H
22O11. Aujourd'hui l'essentiel du sucre consommé en France est du saccharose
extrait de la betterave .... Représentation de Lewis du fructose (à corriger).
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Devoir commun de sciences physiques Vendredi 05 mai 2006 (8h10 -9h55) Classe de seconde
Les 4 exercices sont à traiter dans lordre de votre choix. Il est simplement rappeler quil est important dindiquer le numéro des questions auxquelles vous répondez. Il sera tenu compte de la présentation matérielle de la copie et de la clarté de la rédaction.
La calculatrice est autorisée - lannexe est à rendre avec votre copie
Exercice 1 : La caféine (8 points)
La caféine est une substance chimique de formule brute, C8H10N4O2, présente naturellement dans le thé ou le café. Elle a, sur l'organisme, un effet excitant. On souhaite extraire, avec un solvant, la caféine des feuilles de thé. Pour cela on place 15 g de feuilles de thé, 150mL d'eau et quelques grains de pierre ponce dans un ballon. On adapte un réfrigérant sur le ballon (voir montage ci-dessous), on porte le tout à ébullition et on récupère le distillat dans un erlenmeyer.
Le distillat contient de la caféine en solution dans l'eau que l'on désire extraire à l'aide d'un solvant. Le tableau ci-dessous rassemble différentes informations concernant des solvants usuels.
NomEauEtheréthanoldichlorométhaneDiméthyl-sulfoxydeDensité1,00,70,81,31,1Température d'ébullition100 °C35 °C79 °C40°C189 °CSolubilité de la caféine à 25 ° (en g. L-1)222,14,2142180Miscibilité avec l'eauNon misciblemiscibleNon miscible
Miscible
Quelle verrerie va-t-on utiliser pour réaliser l'extraction par solvant?
Quelles sont les deux caractéristiques essentielles que doit posséder le solvant d'extraction ? En déduire, dans ces conditions le solvant choisi.
Dans la verrerie choisie au 1), on introduit le distillat recueilli précédemment et le solvant d'extraction. On agite vigoureusement le mélange et on laisse décanter. Faire un schéma légendé des phases après décantation. Le contenu et la position de chaque phase devront être justifiés.
La caféine n'est pas une substance inoffensive: à forte dose, elle induit la mort par arrêt cardiaque. La quantité de matière létale (mortelle) de caféine pour un homme adulte est nl=5,1.10-2 mol.
Calculez la masse molaire de la caféine.
Sachant qu'un sachet de thé contient en moyenne 100 mg de caféine (une tasse de café en contient de 100 à 200 mg), calculer la quantité de matière en caféine contenue dans un sachet de thé.
Combien de sachets de thé cette dose létale représente-t-elle?
DONNEES : M(C )= 12 g.mol-1 ; M(O )= 16 g.mol-1 ; M(H )= 1g.mol-1 ; M(N )= 14 g.mol-1
Exercice 2 : les sucres (12 points)
Le nom chimique du sucre utilisé en cuisine est le saccharose, de formule C12H22O11. Aujourdhui lessentiel du sucre consommé en France est du saccharose extrait de la betterave sucrière.
Cest dabord dans les feuilles vertes, qui contiennent de la chlorophylle, quest synthétisé le glucose à partir de dioxyde de carbone prélevé dans latmosphère, deau prélevée dans le sol. Puis le glucose est stocké dans la racine où les molécules sassocient de manière à former des molécules de saccharose.
Pour produire le sucre de table à partir des betteraves, on plonge des morceaux de betteraves dans de leau tiède : on obtient un sirop de sucre. On fait ensuite évaporer leau : jusquà obtenir des cristaux de sucre tels que ceux qui constituent le sucre en poudre.
Données : Symboles des noyaux des atomes présents dans la molécule de saccharose : EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3
Masse molaire du saccharose : M=180 g.mol-1.
Etude des molécules.
Le sucre ainsi obtenu est-il une espèce chimique naturelle ou synthétique ? Justifier.
La formule semi développée du glucose est représentée ci-dessous. Donner sa formule brute.
Donner, sans justifier, les noms et nombres des particules constituant un atome de carbone. Même question pour un atome dhydrogène.
Donner, sans justifier, la structure électronique de latome doxygène.
Le fructose est un isomère du glucose. Donner sa formule brute.
6. Une représentation de Lewis incomplète vous est proposée pour le fructose en annexe. Corrigez sa formule.
Dilution du sirop.
Avant évaporation de leau, une cuve de lusine contient V1=150 L de sirop de concentration en saccharose c1=0,90 mol.L-1. On veut à partir de ce sirop, préparer V2=0,10 L de solution de saccharose de concentration c2=0,18 mol.L-1.
Calculer le volume V de sirop à prélever pour préparer cette solution.
Dans la liste ci-dessous, sélectionner, puis dessiner, le matériel dont vous avez besoin pour préparer cette solution.
Erlenmeyer de 100 mL Erlenmeyer de 20 mL fiole jaugée de 100 mL Eprouvette graduée de 25 mL
bécher de 100 mL bécher de 50 mL ampoule à décanter ballon de 100 mL
pipette jaugée de 10 mL pipette jaugée de 20 mL pipette jaugée de 5 mL
Identification des sucres.
Le glucose, le fructose et le saccharose sont des molécules appartenant à la famille des glucides que lon appelle couramment les sucres. On désire identifier la nature des sucres présents dans la betterave et les comparer à ceux présents dans le raisin.
On réalise pour cela une chromatographie sur couche mince avec des solutions de sucres purs et les jus de betterave et de raisin. Léluant est un mélange dune cétone, dun alcool et dacide acétique. Le révélateur est une solution permanganate de potassium.
On obtient le chromatogramme ci-contre :
A : saccharose D : jus de raisin
B : fructose E : jus de betterave
C : glucose
Identifier les sucres présents dans la betterave et le jus de raison. Les comparer.
Justifier votre réponse.
Exercice 3 : détermination de la longueur donde de la radiation émise par un laser (9,5 points)
Données : Les limites des longueurs dondes (en nm) des couleurs du spectre dune lumière blanche sont les suivantes :
VioletBleuVertJauneOrangeRouge400-424424-491491-575575-585585-647647-700
Le premier spectre ci-dessous est celui d'une lampe à vapeur de mercure. Les longueur donde de ce spectre sont les suivantes : 615nm ; 579 nm ; 577 nm ; 546 nm ; 436 nm et 405 nm.
Le second est le spectre de la lumière émise par un laser et photographié dans les mêmes conditions.
Le troisième est celui dune solution de permanganate de potassium éclairé en lumière blanche.
Attention : le document étant en noir et blanc, une raie ou un fond coloré apparaît comme blanc sur le document.
Que faut-il placer entre les sources de lumières et lécran pour observer ces spectres ?
Les spectres obtenus sont-il démission ou dabsorption ? de raies ou de bandes ?
Compléter la 2ème ligne du tableau en annexe en indiquant la couleur des différentes raies du spectre de la lampe à vapeur de mercure.
La première raie du spectre de la lampe à vapeur de mercure correspond à la longueur donde (=615nm, elle se situe à labscisse x=0 sur laxe graduée. Mesurer, sur le spectre, la distance x séparant la 2ème de la 1ère raie. Compléter la 3ème ligne du tableau en annexe en recommençant le même travail pour les raies 3, 4, 5 et 6.
Tracer sur la feuille en annexe le graphe donnant la longueur donde ( en fonction de x.
A quelle distance de lorigine x=0 se situe la raie émise par le laser. En déduire graphiquement la longueur donde de cette radiation. Quelle est la couleur du faisceau laser ?
Justifier, à partir de son spectre, la couleur violette de la solution de permanganate de potassium.
Exercice 4 : Mobile sur une table (10,5 points)
Un mobile est en mouvement sur une table horizontale parfaitement lisse. Il est attaché à un point central A par un fil. On supposera quil évolue sans frottement sur cette table. On prendra g=9,8 N.kg-1
Manipulation :
Le mobile de masse m=250g est initialement en position 1. Il est attaché à un fil puis lancé. Il na pas le temps deffectuer un tour complet : le fil casse en position 5. Le mouvement du mobile est alors modifié, il se dirige vers une partie de la table rugueuse.
Chronophotographie :
Le document ci-dessous représente la chronophotographie dune partie du mouvement du mobile. Un centimètre sur le document représente 4 cm en réalité. Lintervalle de temps entre deux images consécutives et de 40ms. On a numéroté les positions successives du mobile.
Dans quel référentiel est étudié le mouvement du mobile ?
Décrire le mouvement (on pourra saider des numérotations pour décrire les différentes phases du mouvement). Justifier sans calcul.
Calculer la vitesse moyenne du mobile entre les positions 1 et 5. On rappelle que le périmètre dun cercle de rayon R est égal à 2(R. On donnera la réponse en m.s-1.
Faire le bilan des forces exercées sur le mobile lorsquil est en position 3. Représenter ces forces sur lannexe (sans soucis déchelle).
Enoncer le principe dinertie dans le référentiel terrestre.
Donner les caractéristiques, calculer en justifiant les valeurs des forces exercées sur le mobile entre les positions 6 et 8.
Pourquoi peut-on affirmer que le bilan des forces est modifié à partir du point 10.
ANNEXE (A RENDRE AVEC LA COPIE)
NOM Prénom : Classe :
Exercice 2
Représentation de Lewis du fructose (à corriger)
Exercice 3
1ère raie2ème raie3ème raie4ème raie5ème raie6ème raieLongueur
donde ( (nm)615579577546436405Couleur
x (cm)
0
Exercice 4
Bilan des forces en position 3 :
6ère
5ère
4ère
2ème et 3ème
1ère
MERCURE
LASER
0
x
PERMANGANATE
DE POTASSIUM
x (cm)
( (nm)
0
1
400
500
600
(=f(x)
EMBED PBrush
Réfrigérant
Erlenmeyer
Distillat
Ballon
Chauffe-ballon
Limite de la table lisse
1
3
5
10
Fil
Mobile
Figure 1 : Vue de dessus
Figure 2 : Vue de coté
Mobile
Fil
Table
A
A
A
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
Le fil casse
410
A
B
C
D
E
HOH2C-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-C-H
O
Partie de la table rugueuse
A
Table
Fil
Mobile
O
H
H
H
H
H
H
O
H
O
H
O
H
O C C C C C C O H
