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Baccalauréat · 2021

Bac 2021 Physique-chimie : sujet et corrigé

Le sujet de physique-chimie tombé en 2021, Amérique du Nord, sujet 2. Les 4 exercices sont ici en entier, avec le début de leur correction. La correction complète, pas à pas, s'ouvre gratuitement dans MethodicAi.

Exercice 1La mission GRACE-FO

L'attraction gravitationnelle de notre planète varie faiblement d'un mois à l'autre. Ces faibles variations de la gravité sont principalement dues à une infime fraction de la masse terrestre, constamment en mouvement, essentiellement de l'eau : la pluie tombe, la rosée s'évapore, les courants océaniques coulent, la glace fond…

Le 22 mai 2018, deux satellites scientifiques GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment – Follow-on) sont lancés. Ces deux satellites jumeaux situés sur la même orbite ont pour objectif de mesurer avec une grande précision les variations mensuelles du champ de gravité de la Terre afin de suivre les masses d’eau liquide ou gelée.

A. Caractéristiques de l’orbite

L’orbite des satellites de la mission GRACE-FO est quasi circulaire à l’altitude égale à . L’inclinaison du plan de la trajectoire sur l’équateur est égale à degrés ; on parle d’une orbite polaire. Les deux satellites jumeaux se déplacent sur la même orbite à une distance, notée , de l’un de l’autre. Leur altitude leur permet de parcourir environ 15 fois leur orbite polaire par jour et d’obtenir ainsi une cartographie mensuelle de l’évolution des masses d’eau.

On étudie le mouvement d’un de ces satellites, de masse , dans le référentiel géocentrique considéré galiléen.

Données :

  • constante de gravitation universelle :
  • masse de la Terre :
  • rayon de la Terre :

A.1. Sur la copie, faire un schéma, sans souci d’échelle, montrant la Terre (de centre T) et le rayon , et le satellite de centre S sur son orbite à une altitude . Représenter sur ce schéma un vecteur unitaire dirigé du satellite vers la Terre.

A.2. Donner l’expression vectorielle, en fonction de , , , , et , de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite supposé ponctuel. Représenter ce vecteur-force, sans souci d’échelle, sur le schéma réalisé à la question A.1.

A.3. En déduire l’expression vectorielle du champ gravitationnel terrestre .

A.4. En considérant uniquement l’action de la Terre, établir l’expression vectorielle de l’accélération du satellite.

A.5. Montrer que, dans le cadre de l’approximation d’une orbite circulaire, le mouvement du satellite est uniforme.

A.6. Montrer alors que l’expression de la vitesse du satellite s’exprime par la relation :

A.7. En déduire la valeur de la période de révolution du satellite et vérifier qu’elle est conforme à l’information de l’énoncé : « leur altitude leur permet de parcourir environ 15 fois leur orbite polaire par jour ».

On s’intéresse à la situation particulière schématisée ci-dessous. Le satellite de tête passe au-dessus d’une zone où le champ gravitationnel n’est pas centripète alors que le satellite survole une zone où règne un champ gravitationnel centripète.

(Schéma montrant les deux satellites sur leur orbite avec les vecteurs et )

A.8. Dans le cas de la situation schématisée, expliquer, en détaillant le raisonnement, si la distance, , entre les deux satellites reste constante, augmente ou bien diminue.

B. Principe de fonctionnement de l’interféromètre embarqué

Le satellite de tête est affecté en premier par un changement du champ gravitationnel, cela engendre alors une légère modification de la distance le séparant du satellite. La mesure, par interférométrie, des variations de distance entre les deux satellites permet d’accéder à l’évolution du champ gravitationnel dans la région survolée. À cet effet, un interféromètre laser, dont une partie est embarquée dans le satellite de tête et l’autre partie dans le satellite, détermine avec une très grande précision la variation de distance, notée , entre les deux satellites.

Le schéma simplifié du principe de fonctionnement de l’interféromètre est le suivant :

(Schéma de l'interféromètre entre SATELLITE 1 et SATELLITE 2 avec laser, miroir semi-réfléchissant A, miroir B, et détecteur D)

Le faisceau lumineux issu du laser se sépare en deux faisceaux au niveau du miroir semi-réfléchissant A : un faisceau 1 parcourant le trajet ABCD, un faisceau 2 parcourant le trajet AD. Les faisceaux 1 et 2 se réunissent en D pour atteindre le détecteur d’interférences.
Le laser utilisé émet un rayonnement infrarouge de longueur d’onde égale à dans le vide.

B.1. Justifier que le dispositif présenté par le schéma simplifié permet d’obtenir des interférences.

B.2. Définir le phénomène d’interférence constructive de deux ondes.

B.3. En utilisant les informations figurant sur le schéma, établir l’expression de la différence de marche en fonction de .

Le satellite 1 s’éloigne d’une distance du satellite 2. Les deux satellites sont maintenant distants de .

B.4. Montrer alors que la variation de la différence de marche vaut .

Le détecteur d’interférences est capable de repérer au mieux une variation de différence de marche qui correspond à deux états immédiatement successifs d’interférence constructive.

B.5. Justifier que la variation de distance correspondant à deux états immédiatement successifs d’interférence constructive est égale à .

B.6. Calculer alors la plus petite valeur de la variation de distance entre les deux satellites détectable par l’interféromètre.

C. Principe des accéléromètres

Pour accéder au champ gravitationnel terrestre de manière très précise, il est indispensable de mesurer les forces non-gravitationnelles (traînée atmosphérique, pression des radiations solaires…) susceptibles de parasiter les mesures.
Des accéléromètres ultrasensibles embarqués à bord des satellites permettent d’accéder indirectement aux forces non-gravitationnelles par la mesure de la variation des capacités de plusieurs condensateurs. Une « masse d’épreuve », maintenue en suspension au centre d’une cage électrostatique, subit un déplacement lorsqu’elle est soumise à une force non-gravitationnelle. Son déplacement se traduit par la modification de la capacité de trois paires de condensateurs.

(Schéma de la cage électrostatique et schéma d'un condensateur plan avec armature fixe et armature mobile)

On étudie le fonctionnement d’un condensateur plan dont la face gauche de la masse d’épreuve constitue l’armature mobile, l’autre armature étant fixée sur la cage électrostatique.
On applique une tension entre les armatures du condensateur plan. En l’absence de force non-gravitationnelle, la distance entre les deux armatures (fixe et mobile) est notée . En présence d’une force non-gravitationnelle, l’armature mobile subit un déplacement (compté positivement) dans la direction définie par le vecteur unitaire indiqué sur le schéma ci-dessus.

Pour un condensateur plan, la capacité s’exprime par la relation où représente la permittivité électrique du vide, la surface en regard des armatures et la distance entre les armatures.

C.1. Discuter de l’influence du déplacement , choisi positif, sur la valeur de la capacité du condensateur.

C.2. Donner l’expression du champ électrique créé entre les plaques du condensateur en fonction de , , et du vecteur unitaire .

L’armature mobile est soumise au champ créé par l’armature fixe. Les lois de l’électrostatique montrent que . Il en résulte que l’armature mobile subit une action mécanique modélisée par la force électrique . On s’intéresse à la situation où la charge électrique portée par l’armature fixe est positive.

C.3. Identifier le schéma qui, parmi les quatre suivants, représente correctement le champ électrique et la force électrique . Une argumentation est attendue.

(Quatre schémas proposant différentes orientations pour et )

Le condensateur (décrit sur le schéma précédent) est associé à un deuxième condensateur. La masse d’épreuve est mobile entre deux armatures fixes, l’une à gauche, l’autre à droite. Le dispositif est conçu de telle sorte que la force électrostatique exercée par l’armature fixe de droite sur la masse d’épreuve est exactement opposée à la force électrostatique exercée par l’armature fixe de gauche : les deux forces se compensent.

C.4. Établir la relation existant entre le champ électrique créé par l’armature fixe de droite et le champ électrique créé par l’armature fixe de gauche.

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Exercice 1 du sujet, page 1 (figures et tableaux) Exercice 1 du sujet, page 2 (figures et tableaux) Exercice 1 du sujet, page 3 (figures et tableaux) Exercice 1 du sujet, page 4 (figures et tableaux) Exercice 1 du sujet, page 5 (figures et tableaux)
Le sujet tel qu'il a été distribué.

Début de la correction

Partie A — Caractéristiques de l'orbite

A.1 — Schéma

Le schéma (à faire sur la copie) représente la Terre de centre T au centre, le satellite S sur son orbite circulaire de rayon , et le vecteur unitaire dirigé de S vers T (centripète).

A.2 — Expression de la force gravitationnelle

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Exercice 2Protection des fondations en acier des éoliennes en mer

Un projet de parc éolien en mer, celui des îles d’Yeu et de Noirmoutier, prévoit l’installation de soixante-deux éoliennes.
La méthode de protection contre la corrosion des structures immergées de ces éoliennes a été débattue. La « protection cathodique » envisagée initialement consistait à placer des anodes dites « sacrificielles », composées essentiellement d’aluminium, sur les fondations en acier (95 % de fer) des éoliennes. En effet, la réaction des anodes sacrificielles avec le dioxygène dissous dans l’eau permet par transformation électrochimique de protéger le fer de la corrosion.
Finalement, après concertation, le constructeur du parc lui a préféré un système de protection dit « par courant imposé » qui permet d’éviter le rejet de métaux dans l’environnement.
Dans cet exercice, on s’intéresse seulement au processus de protection cathodique.

A. Protection du fer par l’aluminium

On souhaite vérifier qu’en milieu oxydant on peut protéger le fer de l’oxydation en le mettant en contact électrique avec de l’aluminium qui joue alors le rôle d’anode sacrificielle. Par oxydation, le fer métallique donne des ions Fe II () et l’aluminium métallique donne des ions .
On réalise la pile suivante :

(Schéma de la pile avec plaque d'aluminium dans une solution de sulfate d'aluminium et plaque de fer dans une solution de chlorure de fer II, reliées par un pont salin et un circuit extérieur avec ampèremètre et résistance)

Dans un bécher, on verse un volume de solution aqueuse de chlorure de fer II () de concentration apportée en quantité de matière , puis on y plonge une plaque de fer.
Dans un second bécher, on verse un volume d’une solution de sulfate d’aluminium () de concentration apportée en quantité de matière , puis on y plonge une plaque d’aluminium.
Les deux béchers sont reliés par un pont salin et les deux plaques métalliques sont reliées par un ampèremètre et une résistance montés en série.
L’équation de la réaction qui modélise la transformation susceptible de se produire s’écrit :

La constante d’équilibre associée à cette réaction à est égale à .

A.1. Exprimer le quotient de réaction initial .

A.2. Calculer, à l’état initial, la valeur de la concentration en quantité de matière des ions et celle des ions .

A.3. Calculer la valeur du quotient de réaction initial puis en déduire le sens d’évolution spontanée de la transformation.

A.4. En déduire la réaction se produisant à l’électrode d’aluminium.

L’ampèremètre figurant sur le schéma indique une valeur d’intensité électrique négative.
A.5. Montrer que cette valeur négative est cohérente avec la réponse à la question précédente.

L’anode est l’électrode siège d’une oxydation. La cathode est l’électrode siège d’une réduction.
A.6. Identifier l’électrode qui joue le rôle d’anode dans la pile.

B. Masse d’aluminium nécessaire à la protection de la structure métallique d’une éolienne

Le dioxygène dissous dans l’eau réagit préférentiellement avec l’aluminium de l’anode sacrificielle plutôt qu’avec le fer de la structure immergée de l’éolienne.
On souhaite évaluer la masse d’aluminium nécessaire à la protection de la structure d’une éolienne, c’est-à-dire à la protection cathodique.

Données :

  • Couples oxydant/réducteur mis en jeu : ;
  • Demi-équation du couple :
  • Constante de Faraday
  • Constante d’Avogadro
  • Charge élémentaire
  • Masse molaire de l’aluminium
  • La capacité électrique d’une pile est reliée à l’intensité du courant électrique débité et à la durée de fonctionnement par la relation :

B.1. Écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique de corrosion de l’aluminium par le dioxygène dissous.

L’étude théorique des transferts d’électrons entre l’anode en aluminium et la structure d’une éolienne montre qu’une protection efficace correspond à un courant électrique d’intensité de l’ordre de .

B.2. En explicitant le raisonnement, calculer la masse d’aluminium nécessaire à la « protection cathodique » pendant une durée de 25 ans.

B.3. Citer au moins un argument expliquant que le constructeur ait finalement renoncé à la protection par anode sacrificielle.

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Exercice 2 du sujet, page 1 (figures et tableaux) Exercice 2 du sujet, page 2 (figures et tableaux) Exercice 2 du sujet, page 3 (figures et tableaux)
Le sujet tel qu'il a été distribué.

Début de la correction

Partie A — Protection du fer par l'aluminium

A.1. Expression du quotient de réaction initial
La réaction étudiée est :

Par convention, les solides purs n'apparaissent pas dans l'expression du quotient de réaction. Le quotient de réaction est :

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Exercice 3Additif alimentaire pour les agneaux

Dans les élevages ovins, les agneaux consomment des céréales et des protéagineux riches en phosphore qui favorisent la formation de minuscules cristaux dans l’urine de ces animaux. Ces cristaux sont à l’origine d’une maladie appelée lithiase urinaire ou gravelle.
D’après le site des partenaires de la production ovine en France (inn-ovin.fr), l’ajout quotidien de chlorure d’ammonium à l’alimentation des agneaux, à raison d’environ (à 10 % près) par kilogramme de masse corporelle, est une solution efficace pour prévenir cette maladie. Le chlorure d’ammonium est en effet un acide qui permet d’abaisser le des urines pour le bien-être des animaux.
Un éleveur administre chaque jour, à un agneau de , un litre d’une solution de chlorure d’ammonium () qu’il a préparée lui-même.
On souhaite vérifier que la préparation de l’éleveur est conforme à la préconisation du site des partenaires de la production ovine en France.

Donnée : masse molaire du chlorure d’ammonium solide :

A. Réalisation du titrage

On réalise le titrage conductimétrique d’un volume de la solution préparée par l’éleveur, diluée avec d’eau distillée, par une solution titrante d’hydroxyde de sodium de concentration apportée en quantité de matière .
L’équation de la réaction modélisant la transformation chimique mise en jeu lors du titrage est la suivante :

A.1. Indiquer, en justifiant, si la transformation chimique mise en jeu lors du titrage est une réaction acido-basique ou d’oxydoréduction.

A.2. Réaliser un schéma légendé du dispositif de titrage conductimétrique, en nommant la verrerie et les solutions.

On obtient la courbe suivante :
(Graphique de la conductivité en en fonction de en mL)

A.3. Exprimer, en fonction des données, la concentration en quantité de matière apportée de chlorure d’ammonium de la solution préparée par l’éleveur, puis calculer sa valeur.

L’incertitude-type sur la valeur de la concentration obtenue satisfait à la relation :

L’incertitude-type sur le volume à l’équivalence est estimée à .
Les incertitudes notées sur la verrerie sont :

  • burette de :
  • pipette jaugée de :
  • éprouvette graduée de :

A.4. Proposer un encadrement de la concentration de la solution préparée par l’éleveur.

A.5. Déterminer la masse de chlorure d’ammonium apportée par l’éleveur quotidiennement à l’agneau et comparer ce résultat à la valeur préconisée par le site des partenaires de la production ovine en France.

B. Simulation du titrage

Pour simuler l’évolution des quantités de matière de cinq espèces chimiques présentes en solution lors du titrage précédent : , , , et on utilise un programme en langage python.
Dans ce programme, les quantités de matière sont notées nA, nB, nC, nS_A et nS_B.

1 # Simulation du titrage dont la réaction support est de la forme
2 # a A + b B -> c C + H2O
3 # a, b, c et d sont les coefficients stoechiométriques
4 from matplotlib import pyplot as plt
5
6 a= # nombre stoechiométrique de l'espèce à titrer A COMPLETER
7 b= # nombre stoechiométrique de l'espèce titrante A COMPLETER
8 c= # nombre stoechiométrique du produit de la réaction A COMPLETER
9 Ca=0.14 # concentration de la solution à titrer (mol/L)
10 Va=10.0 # volume de la solution à titrer (mL)
11 Cb=0.10 # concentration de la solution titrante (mol/L)
12 Veq= # Calcul du volume à l'équivalence (mL) A COMPLETER
13 pasVb=0.1
14 nA,nB,nC,nS_A,nS_B=[],[],[],[],[]
15 v=[i/10 for i in range(250)]
16 for Vb in v:
17     if Vb<Veq:
18         nA.append(Ca*Va-Cb*Vb*a/b)
19         # A COMPLETER AVEC LE CALCUL DE nB
20         nC.append(c/b*Cb*Vb)
21         nS_A.append(Ca*Va)
22         nS_B.append(Cb*Vb)
23     else:
24         nA.append(0)
25         nB.append(Cb*Vb-Cb*Veq)
26         nC.append(c/b*Cb*Veq)
27         nS_A.append(Ca*Va)
28         nS_B.append(Cb*Vb)

B.1. Compléter le code à écrire aux lignes 6, 7 et 8.

B.2. Identifier les deux espèces chimiques qui correspondent aux variables nS_A et nS_B.

Chacun des cinq graphiques suivants, obtenus à l’aide du programme en langage python, représente l’évolution de la quantité de matière d’une des espèces chimiques en fonction du volume versé de solution titrante.

(Cinq graphiques de quantité de matière en mol en fonction du volume versé en mL)

B.3. En justifiant explicitement le raisonnement, indiquer pour chaque graphe l’espèce chimique correspondante.

B.4. Compléter le code des lignes 12 et 19.

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Exercice 3 du sujet, page 1 (figures et tableaux) Exercice 3 du sujet, page 2 (figures et tableaux) Exercice 3 du sujet, page 3 (figures et tableaux) Exercice 3 du sujet, page 4 (figures et tableaux)
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Début de la correction

Partie A — Réalisation du titrage

A.1 — Nature de la réaction lors du titrage

La réaction mise en jeu est :

Dans cette réaction, cède un proton à l'ion qui le capte. Il s'agit donc d'un transfert de proton : c'est une réaction acido-basique au sens de Brönsted ( est l'acide, est la base).

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Exercice 4Analyse d’un pigment à base d’oxyde de fer

Un pigment est une espèce chimique colorante, insoluble dans le milieu qu'elle colore.
Cet exercice s’intéresse à l’analyse d’une poudre colorante contenant un pigment minéral d’oxyde de fer, de formule .
Selon le fabricant de ce pigment, la teneur en oxyde de fer de cette poudre est de 5 % soit :

L’analyse quantitative de ce produit s’effectue selon un dosage par étalonnage qui se déroule en trois étapes :

  • La préparation d’une gamme étalon contenant des ions fer III.
  • La réalisation de la courbe d’étalonnage à l’aide de mesures spectrophotométriques sur des solutions de concentrations connues.
  • La préparation, puis l’analyse de l’échantillon.

Données
Masses molaires : ; ; ;

Étoile chromatique :
(Schéma d'une étoile chromatique avec les couleurs et les plages de longueurs d'onde associées)

A. Préparation d’une gamme étalon de solutions d’ion fer III

Afin d’obtenir une gamme étalon colorée, on ajoute des ions thiocyanate aux ions fer III. On réalise la gamme étalon à partir d’une solution mère contenant des ions fer III en milieu acide à la concentration en masse en ions fer III : .
On prépare de solution mère par dissolution de chlorure de fer III hexahydraté solide de formule ().

A.1. Écrire l’équation de la dissolution du chlorure de fer III hexahydraté () solide et déterminer la masse de soluté nécessaire à l’obtention de .

Pour préparer de chaque solution de la gamme d’étalonnage, on prélève un volume de solution mère auquel on ajoute de solution de thiocyanate de potassium puis on complète jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée.

Solution
Concentration en masse des ions fer III () 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

A.2. Nommer la verrerie nécessaire à la préparation de la solution en justifiant la réponse par un calcul.

On réalise le spectre d’absorption d’une solution d’ions fer III en présence d’ions thiocyanate, dans les mêmes conditions que celles appliquées aux solutions de la gamme étalon.

(Graphique du spectre d'absorption : Absorbance en fonction de la longueur d'onde en nm)

A.3. Déterminer la couleur de la solution. Justifier.

A.4. Indiquer la longueur d’onde la plus adaptée pour effectuer les mesures d’absorbance.

B. Réalisation de la courbe d’étalonnage

À l’aide d’un spectrophotomètre réglé à la longueur d’onde , on mesure l’absorbance des solutions à et on trace la courbe d’étalonnage suivante.

Solution
Absorbance 0,090 0,166 0,264 0,346 0,440

(Graphique de la courbe d'étalonnage : Absorbance en fonction de la concentration en ions fer III en )

B.1. Expliquer pourquoi la représentation graphique précédente est compatible avec la loi de Beer-Lambert.

B.2. Établir la relation exprimant l’absorbance en fonction de la concentration en masse d’ions fer III.

C. Préparation de l’échantillon

La solubilité du pigment augmente avec le caractère acide du milieu. On dissout à froid de produit commercial dans d’acide chlorhydrique concentré. Lors de la dissolution, une mole d’oxyde de fer libère deux moles d’ions fer III.
Après dissolution, on introduit le mélange dans une fiole de et on complète jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. On nomme la solution obtenue.
Après dilution au dixième de la solution , l’échantillon est préparé comme la gamme précédente par ajout d’ions thiocyanate. On mesure l’absorbance de cet échantillon à la longueur d’onde et on obtient la valeur : .

C.1. Expliquer pourquoi il est généralement nécessaire dans ce type de dosage de diluer la solution .

C.2. À partir de la valeur de l’absorbance mesurée, déterminer la valeur de la teneur de la poudre en oxyde de fer et commenter l’indication sur la teneur maximale fournie par le fabricant.

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Exercice 4 du sujet, page 1 (figures et tableaux) Exercice 4 du sujet, page 2 (figures et tableaux) Exercice 4 du sujet, page 3 (figures et tableaux)
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Début de la correction

A. Préparation d’une gamme étalon de solutions d’ion fer III

A.1. Équation de dissolution et masse de soluté

  • Équation de dissolution :
    Le chlorure de fer III hexahydraté solide a pour formule . Lors de sa dissolution dans l'eau, il libère des ions fer III , des ions chlorure et des molécules d'eau.
    L'équation s'écrit :
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