L'épreuve de Physique B en PT associe un sujet de chimie de 2 heures autour du baryum, en quatre parties indépendantes (propriétés et cristallographie, découverte par la pile de Volta, carbonatation, solubilité du diiodate de baryum), et un sujet de thermodynamique de 2 heures sur un système frigorifique cryogénique utilisant un cycle de Brayton inversé puis des techniques de refroidissement basses températures.

1Chimie A : propriétés du baryumConfiguration électronique du baryum et étude cristallographique de la maille cubique à faces centrées de l'oxyde de baryum.
2Chimie B : découverte du baryumÉtude électrochimique de la pile de Volta utilisée par Davy pour découvrir le baryum métallique.
3Chimie C : carbonatation de l'oxyde de baryumÉtude thermochimique de la réaction de formation du carbonate de baryum à partir de l'oxyde de baryum et du dioxyde de carbone.
4Chimie D : solubilité du diiodate de baryumDétermination de la solubilité de l'iodate de baryum par dosage conductimétrique des ions baryum et dosage indirect par oxydoréduction des ions iodate.
5Thermodynamique Partie 1 : système frigorifique à cycle de Brayton inverséÉtude d'un turbo-détendeur cryogénique et calcul de l'efficacité d'un cycle de réfrigération utilisant l'air comme fluide.
6Thermodynamique Partie 2 : techniques de refroidissement basses températuresÉtude de la détente de Joule-Thomson, de la température d'inversion et du système cryogénique de refroidissement des aimants du LHC.

Difficulté moyenne. En chimie, la cristallographie et la thermochimie sont assez bien maîtrisées alors que l'oxydoréduction et la chimie des solutions posent plus de difficultés. En thermodynamique, les meilleurs candidats ont pu traiter la quasi-totalité du sujet, ce qui montre qu'il est bien calibré, mais la partie sur l'efficacité est moins réussie.

Ce qu'a observé le jury

6 erreurs relevées

Pile de Volta confondue avec la pile Daniell · Inversion des activités dans la formule de Nernst · Nom de la colonne du baryum mal identifié

En chimie, la cristallographie et la thermochimie sont des domaines assez bien maîtrisés, tandis que l'oxydoréduction, sa cinétique et la chimie des solutions posent davantage de difficultés, notamment la pile de Volta souvent confondue avec la pile Daniell. En thermodynamique, les candidats ont majoritairement identifié le cycle de la machine frigorifique, mais l'épreuve révèle des confusions de signes récurrentes et un manque de rigueur dans la justification des simplifications.

Les erreurs les plus sanctionnées

1
Pile de Volta confondue avec la pile Daniell
La majorité des candidats n'a pas établi d'échelle d'oxydoréduction pour repérer correctement les espèces oxydantes et réductrices, et beaucoup confondent la pile de Volta avec la pile Daniell alors qu'aucun ion cuivre (II) n'est présent.
« Beaucoup de candidats ont confondu la pile Volta avec la pile Daniell. »
2
Inversion des activités dans la formule de Nernst
La formule de Nernst est écrite avec de nombreuses erreurs, notamment une inversion des activités de l'oxydant et du réducteur dans le terme logarithmique.
« Il est souvent relevé dans ce terme logarithmique une inversion des activités de l’oxydant et du réducteur. »
3
Nom de la colonne du baryum mal identifié
Concernant le nom de la colonne du tableau périodique contenant le baryum, de nombreux noms fantaisistes ont été proposés par les candidats.
« beaucoup de noms fantaisistes ont été relevés »
4
Confusion avec la formule de BernoulliQ.1
Dans plusieurs copies, le premier principe pour un système ouvert est confondu avec la formule de Bernoulli.
« Confusion, dans plusieurs copies, avec la formule de Bernoulli. »
5
Températures non converties en kelvinsQ.6
Dans le calcul de l'efficacité du cycle frigorifique, les températures sont parfois maintenues en degrés Celsius au lieu d'être converties en kelvins.
« Les Températures dans le calcul de l’efficacité sont maintenues en »
6
Théorème des moments mal appliquéQ.19
Le théorème des moments donne souvent lieu à une confusion entre la fraction massique de liquide et celle de vapeur.
« Le théorème des moments est souvent faux »

Ce qui a été bien réussi

La partie cristallographique de la chimie a été bien traitée, avec une configuration électronique juste dans l'ensemble.
La troisième partie de chimie, sur la carbonatation de l'oxyde de baryum, a été bien traitée et les notions de thermochimie sont bien maîtrisées.
L'exploitation du diagramme potentiel-pH de l'iode est globalement bien effectuée.
Les candidats ont réussi pour la plupart à trouver le cycle de la machine frigorifique en première partie de thermodynamique.
La deuxième partie de thermodynamique, indépendante de la première, a été abordée par tous les candidats.

Conseils du jury

Toujours indiquer l'unité d'une valeur numérique : un résultat sans unité n'a pas de sens et ne peut être crédité.
Justifier ses réponses de manière claire, concise et argumentée pour obtenir l'intégralité des points associés à la question.
Détailler les calculs intermédiaires plutôt que de donner un résultat parachuté sans démonstration.
Utiliser des notations indicées reliées aux états du cycle plutôt que des variables sans signification comme q ou w seuls.
Vérifier l'homogénéité des expressions, notamment en ne confondant pas éléments différentiels et variations finies.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

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64 questions

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Epreuve de Physique B - Thermodynamique

Durée 2 h

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, d'une part il le signale au chef de salle, d'autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies. En particulier, les résultats non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs.

CONSIGNES:

Composer lisiblement sur les copies avec un stylo à bille à encre foncée : bleue ou noire.
L'usage de stylo à friction, stylo plume, stylo feutre, liquide de correction et dérouleur de ruban correcteur est interdit.
Remplir sur chaque copie en MAJUSCULES toutes vos informations d'identification : nom, prénom, numéro inscription, date de naissance, le libellé du concours, le libellé de l'épreuve et la session.
Une feuille, dont l'entête n'a pas été intégralement renseigné, ne sera pas prise en compte.
Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d'y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance

Attention : annexe à rendre obligatoirement en fin d'épreuve même-si cette dernière n'a pas été complétée.

PARTIE 1:
Étude d'un système frigorifique avec un cycle de Brayton inversé

Document 1: Description d'un turbo-détendeur cryogénique

L'objectif de cet organe n'est pas la compression mais l'expansion du gaz à travers la turbine afin d'abaisser la température du gaz. Le design de l'admission et de la partie tournante de la turbine donnent d'abord une grande vitesse au gaz avant qu'il soit détendu par l'augmentation du volume disponible autour de l'axe. Cette détente donne un travail mécanique qu'on récupère sur l'axe et qui peut servir à compresser sur le même axe.

Cette technique d'un seul et même axe est utilisée pour les turbines à gaz dans le cycle de Brayton ou dans le cycle de Joule. Le cycle de refroidissement correspondant porte donc le nom de cycle de Brayton inversé. De multiples inventions de roulements et de lubrifications ont eu lieu et permettent des vitesses de rotation très importantes à de basses températures d'utilisation.

Document 2: Description d'un cycle de Brayton inversé avec l'air pour fluide.
Ce cycle utilisant l'air sert à réfrigérer un fluide à

- 70^\circC

, il est schématisé en annexe. Les variations d'énergie potentielles et cinétiques entre chaque organe du cycle sont négligées par rapport aux variations d'enthalpie. Les compressions et le turbinage sont considérés comme isentropiques. La transmission de puissance est supposée intégrale entre turbine et compresseur. Les échangeurs sont considérés comme isobares. Le fluide utilisé est l'air qui est de température initiale

- 20^\circC

(état

A

) à 1.0 bar. L'air est comprimé de 1,0 bar à 10 bar de manière isentropique par deux compresseurs. Le premier compresseur est entraîné par la turbine du turbo-détendeur et amène l'air à l'état (B). L'air sort à l'état (C) à

- 10^\circC

après avoir parcouru un échangeur alimenté au frigorigène R134a. La sortie du deuxième compresseur est l'état (D) à 10 bar. Ce compresseur est entraîné par un moteur électrique. L'air est ensuite refroidi à

- 10^\circC

dans un deuxième échangeur au frigorigène R134a et sort à l'état E. L'air toujours compressé entraîne ensuite la turbine en se détendant jusqu'à 1,0 bar (état F ). Pour finir, l'air en traversant deux échangeurs augmente en température. Entre la température de

- 140^\circC

- 75^\circC

, l'air refroidit un fluide qu'on cherche à réfrigérer à

- 70^\circC

et sort à l'état G . Ensuite l'air refroidit le fluide

R134a

jusqu'à revenir à l'état

A

. Il faut d'autre part refroidir le fluide R134a par un système complémentaire.

Question 1: Rappeler le premier principe avec l'enthalpie massique pour un écoulement stationnaire unidimensionnel d'un système à une entrée et une sortie.

Question 2: Compléter le schéma en annexe avec les lettres des différents états du cycle.
Question 3: En utilisant le diagramme

{log(P), h}

de l'air (R729) fourni en annexe (unité des isothermes en

^\circC

, unité des isentropes en

kJ \cdot kg^(- 1) \cdot K^(- 1)

), exprimer puis calculer le travail massique reçu par l'air lors de la détente isentropique de ( E ) à ( F ). En déduire le travail massique reçu par l'air lors de la compression de

(A)

à (B).

Question 4: Compléter le tableau de l'annexe, placer les points et tracer le cycle sur le diagramme

{log(P), h}

de l'air en annexe.

Question 5: Exprimer et calculer le transfert thermique reçu par l'air en contact avec le fluide qui est à maintenir à

- 70^\circC

Question 6: On considère deux sources à

- 70^\circC

- 25^\circC

. Redémontrer, exprimer puis calculer l'efficacité de Carnot dans le cas d'une machine réversible qui refroidit la source froide grâce à du travail apporté par l'extérieur.

Question 7: En considérant que le travail du compresseur électrique soit la seule énergie dépensée, exprimer et calculer l'efficacité du cycle. Commenter.

Question 8: Quelle dépense supplémentaire faudrait-il compter pour calculer l'efficacité du cycle?

Question 9: Exprimer et calculer le transfert thermique massique reçu du R134a par l'air dans les trois échangeurs «R134a». En déduire le transfert thermique total reçu par le R134a.

Question 10: On considère une efficacité égale à 2 pour refroidir le fluide R134a par un système complémentaire afin de compenser les échanges avec l'air. Exprimer et calculer une nouvelle efficacité pour le système.

PARTIE 2: Techniques de refroidissement basses températures

Document 3: Évaporateur de cryogènes et frigorigènes

Un système réfrigérant peut utiliser l'évaporation isobare d'un liquide dont la température d'évaporation est plus basse que la température désirée. Elle se fait souvent à pression atmosphérique dite normale. C'est l'évaporation qui permet de transférer des «frigories» du liquide vers le corps à refroidir. Si le liquide utilisé n'est pas un mélange mais est pur, l'évaporation est non seulement isobare mais aussi isotherme.

Fluide	He	$H_2$	Ne	$N_2$ R728	Air R729	Ar R740	$O_2$ R732	$C_2 H_2 F_4$ R134a
$T_(vap)$ (1bar)	$4, 2 K$	20.4	27.1 K	77K	79K	87.3 K	90K	247K
$T_(vap)$ (1bar)	$- 269^\circC$	$- 253^\circC$	$- 246^\circC$	$- 196^\circC$	$- 194^\circC$	$- 186^\circC$	$- 183^\circC$	$- 26^\circC$
$Δh_(vap)$ (1bar)	20.4 kJ/kg	$446 kJ/$ kg	84,7 kJ/kg	199 kJ/kg	---	163,5 kJ/kg	213 kJ/kg	215,9 kJ/kg

Document 4: Détente de Joule-Thomson et Température d'inversion

Pour un gaz parfait, l'enthalpie ne dépend que de la température (ou

H_(G.p.) = H(T)

). Pour un gaz réel, l'enthalpie dépend aussi de la pression (ou

H_(reel) = H(T, P)

). Une détente de Joule-Thomson est adiabatique et sans travail indiqué et se fait avec un détendeur. Si on néglige la variation d'énergie potentielle et cinétique, on montre facilement que la détente se fait sans changement de température pour un gaz parfait. Pour un gaz réel, la variation de température peut être soit positive soit négative. Pour que la variation soit négative, il faut que la température de la détente soit en dessous d'une température dite d'inversion

T_(inversion)

qui est propre à chaque gaz.

Le coefficient de Joule Thomson

μ_(J-T)

est la dérivée partielle de la température en fonction de la pression à enthalpie constante.

μ_(J - T) = ((\partialT)/(\partialP))_H. Avec C_P = ((\partialH)/(\partialT))_P

On peut montrer que

μ_(J - T) = (T \cdot ((\partialV)/(\partialT))_P - V)/(C_P)

Gaz

N_2

R 728

Air

R 729

R 740

O_2

R 732

T_(INVERSION)

43 K

260 K

623 K

603 K

815 K

761 K

Document 5: Diagramme TS de l'Hélium en dessous de 15K

Document 6: Le Large Hadron Colisionner (LHC)

«Ces performances ne seraient pas envisageables sans l'utilisation de systèmes cryogéniques. Les câbles des bobines composés de niobium-titane (NbTi) doivent être conservés à très basses températures pour atteindre un état de supraconduction. Ainsi les aimants supraconducteurs du LHC sont maintenus à

1, 9 K(- 271, 3^\circC)

grâce à un circuit fermé d'hélium liquide. Le système de réfrigération des aimants du LHC est conçu sur la base de 5 « îlots cryogéniques » devant véhiculer le fluide de refroidissement et transporter des kilowatts de puissance réfrigérante sur plusieurs kilomètres. L'ensemble du processus de refroidissement dure quelques semaines, il se déroule en trois phases. Premièrement, l'hélium est refroidi à 80 K puis

4, 5 K

, deuxièmement, il est injecté dans les masses froides des aimants et troisièmement, il est refroidi jusqu'à la température de

1, 9 K

. Au cours de la première étape, 10000 tonnes d'azote liquide, environ, sont utilisées dans les échangeurs de chaleur des réfrigérateurs pour baisser la température de l'hélium à 80 K . Ensuite des turbines entrent en jeu pour baisser la température du liquide à

4, 5 K(- 268, 7^\circC)

. Une fois les aimants remplis, le système est à nouveau refroidi par les unités de réfrigération à

1, 8 K

pour atteindre

1, 9 K(- 271, 3^\circC)

. Au total, 36000 tonnes de masses froides dans les aimants sont refroidies par le système cryogénique. En période d'exploitation de la machine, l'hélium circule en boucle fermée.»
https://home.cern/fr/science/engineering/cryogenics-low-temperatures-high-performance au 01/11/2021

Question 11: Montrer qu'une détente de Joule-Thomson est isenthalpe (

H =

constante). Ensuite montrer qu'elle est isotherme (

T =

constante) pour un gaz parfait(GP). Dans un diagramme

{log(P), h}

quelles sont donc les formes des isothermes pour un GP ?

Question 12: On souhaite abaisser la température de l'air par détente de Joule-Thomson avec un gaz réel en se situant sous la température d'inversion. Justifier dans ce cas le signe du coefficient de Joule Thomson. Calculer le coefficient de Joule-Thomson du GP.

Question 13: On étudie le turbinage adiabatique réversible d'un air à

220^\circC

d'une pression initiale de 10 bar à une pression finale de 1,0 bar. En utilisant le diagramme en annexe, évaluer la température finale

T_(F - REV)

Question 14: On considère cette fois-ci un turbinage adiabatique irréversible (

δS_i > 0

) de 10 bar à 1,0 bar et une température finale

T_(F-IRREV.)

Comparer sans calcul

T_(F-IRREV)

T_(F-REV)

en justifiant à l'aide du diagramme.

Question 15: A l'aide de la deuxième identité thermodynamique, montrer que la variation d'entropie d'un GP est égale à:

ΔS = S_F - S_I = C_P \cdot ln((T_F)/(T_I)) - n \cdot R \cdot ln((P_F)/(P_I)). Comparer alors T_(F - IRREV) et T_(F - REV).

Question 16: Si la température devient trop basse et qu'on se rapproche du domaine diphasé, quelle(s) risque(s) encour(en)t la turbine ? Donner alors un avantage et un inconvénient au turbinage pour l'abaissement de température.

Question 17: Donner un avantage et un inconvénient à la détente de Joule-Thomson pour l'abaissement de température. (regarder la forme des isenthalpes dans le diagramme TS)

Question 18: Quel(s) liquide(s) cryogène(s) peu(ven)t être utilisé(s) dans un évaporateur pour refroidir et liquéfier le diazote à pression atmosphérique ? Justifier.

Question 19: La détente de Joule-Thomsom du cycle des machines cryogéniques utilisant l'Hélium au CERN se produit à partir de 3,0 bar et

5, 5 K

. A l'aide du document 5 , relever les entropies du diagramme pour exprimer et calculer la fraction massique en liquide du mélange après détente à 1,0 bar.

Question 20: Quelle est la température de refroidissement la plus basse possible pour un corps en contact avec l'hélium liquide à pression atmosphérique? Justifier. Avec une pompe à vide, on ramène la pression de 1 bar (pression atmosphérique) à 15 mBar , quelle est la température la plus basse possible pour un corps en contact avec l'hélium liquide sous cette pression réduite ? (on s'aidera du document 5)

Question 21: A l'aide du document 6, recopier le tableau ci-dessous puis compléter le.

Phase de

refroidissement

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Objet à refroidir

Hélium à ..

Aimants à ..

Liquide réfrigérant

\dots

à ..

Hélium à ..

K avec

turbinage cryogénique

\dots

sous 1,0 bar

sous 15 mbar

Renseigner la cartouche d'identification : une feuille, dont l'entête n'a pas été intégralement renseigné, ne sera pas prise en compte.

Annexe à rendre en fin d'épreuve.

NE RIEN ECRIRE DANS CE CADRE

Question 2

Question 4

Etats		Pression	Température	$h(kJ^J.kg^(- 1))$
A	Entrée compresseur	1,0 bar	$- 20^\circC$
B	Entrée échangeur
C	Entrée compresseur		$- 10^\circC$
D	Entrée échangeur	10 bar
E	Entrée turbine	10 bar	$- 10^\circC$
F	Entrée échangeur	1,0 bar
G	Entrée échangeur	1,0 bar	$- 75^\circC$

Epreuve de Physique B - Chimie

Durée 2 h

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

Le sujet est composé de quatre parties indépendantes qui peuvent être traitées dans l'ordre de leur choix par les candidats. Dans chaque partie, de nombreuses questions sont indépendantes.

CONSIGNES:

Composer lisiblement sur les copies avec un stylo à bille à encre foncée : bleue ou noire.
L'usage de stylo à friction, stylo plume, stylo feutre, liquide de correction et dérouleur de ruban correcteur est interdit.
Remplir sur chaque copie en MAJUSCULES toutes vos informations d'identification : nom, prénom, numéro inscription, date de naissance, le libellé du concours, le libellé de l'épreuve et la session.
Une feuille, dont l'entête n'a pas été intégralement renseigné, ne sera pas prise en compte.
Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d'y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance

Autour du baryum

Le baryum de symbole

_(56)Ba(M = 137 g.mol^(- 1))

est utilisé pour piéger les gaz résiduels dans les tubes à vide, lors de la désoxydation de la fonte ou encore pour former des alliages. Les composés ioniques du baryum sont utilisés dans diverses fabrications industrielles: céramiques, peinture, verres, caoutchouc... En médecine, le sulfate de baryum est également une substance de marquage en radiographie.

Partie A. Propriétés du baryum

Q1. Donner la configuration électronique du baryum dans son état fondamental.
Q2. En déduire l'ion ou les ions le(s) plus courant(s) de cet élément.
Q3. Dans quelle période et quelle colonne du tableau périodique se situe le baryum (justifier)?
Q4. A quelle famille appartient les éléments de cette colonne?
Q5. Le baryum est-il un métal ou un non métal ? En déduire au moins deux propriétés générales de ces éléments.

Le baryum, en brûlant dans le dioxygène, donne lieu à la formation d'un oxyde de baryum solide BaO dont le paramètre de maille est égal à

0, 554 nm

. La maille élémentaire est de symétrie cubique. Les ions oxyde

O^(2 -)

forment un réseau cubique à faces centrées (CFC). Le rayon ionique de l'ion oxyde est égal à

0, 140 nm

Q6. Combien existe-t-il de motifs par maille? Justifier.
Q7. Combien y-a-t-il de sites interstitiels tétraédriques (T) et octaédriques (O) dans la maille CFC formée par les anions ? Justifier.

Q8. Sachant que les cations occupent soit

100%

des sites

T

, soit

100%

des sites

O

, établir quel type de site interstitiel occupent les ions baryum.

Q9. Placer les différents ions dans la maille que l'on dessinera.
Q10. Calculer le rayon ionique de l'ion

Ba^(2 +)

Partie B. Découverte du baryum

Le baryum métallique a été découvert en 1808 par le chimiste Davy au moyen d'un système électrochimique inspiré de la pile voltaïque. A l'origine, la pile Volta est constituée d'un empilement de disques de cuivre et de zinc alternés et séparés par du carton imbibé d'une solution aqueuse d'acide sulfurique (

H_2 SO_4

Q11. Quelles sont les réactions électrochimiques se déroulant dans la pile de Volta ? En déduire l'équation de la réaction globale qui a lieu au sein de la pile.

Q12. Indiquer le rôle de la solution aqueuse d'acide sulfurique dans l'empilement.
Q13. Faire un schéma simplifié mais détaillé de la pile en ne représentant qu'un seul disque de cuivre et un seul de zinc.

Q14. On s'intéresse à une pile Volta constituée de 10 éléments (

Cu, H_2 SO_4 aq, Zn

) associés en série. Chaque disque métallique présente une surface de

10 cm^2

. Les activités des espèces étudiées seront considérées égales à 1. Le schéma ci-dessous représente des courbes i =

f(E)

du cuivre et du zinc en solution aqueuse acidifiée. Indiquer les réactions pouvant se produire éventuellement en

A, B, C

D

Q15. Définir un système rapide. Indiquer si les systèmes étudiés sont lents ou rapides.
Q16. Quelle est la valeur de la tension à vide de la pile ?

Q17. Donner la relation entre la tension à vide d'une pile et l'enthalpie libre de réaction.
Q18. La tension à vide mesurée aux bornes de cette pile est de

5, 2 V

. Expliciter cette valeur.
Q19. Calculer la tension aux bornes de la pile en prenant en compte des chutes de tension ohmique et cinétique sachant que cette pile constituée de 10 éléments débite un courant d'intensité 100 mA . On pourra considérer que la résistance de chaque disque en carton équivaut à 1 ohm.

Q20. Calculer la puissance fournie par la pile dans les conditions de fonctionnement de la question précédente.

Q21. On constata que dans ces piles

Cu/Zn

la tension baissait de manière drastique au cours de leur fonctionnement. Proposer une explication à cette chute de tension.

Q22. La pile Volta a été par la suite améliorée en remplaçant la solution d'acide sulfurique par une solution de sulfate de cuivre. Expliquer en quoi consiste cette amélioration.

Partie C. Carbonatation de l'oxyde de baryum

Le carbonate de baryum solide

BaCO_(3(s))

peut être formé à partir de l'oxyde de baryum solide

BaO_((s))

et du dioxyde de carbone gazeux

CO_(2(g))

Q23. Ecrire l'équation de la réaction de formation du carbonate de baryum à partir de

BaO_((s))

.
Q24. Combien de paramètres faut-il fixer pour déterminer totalement la composition du système à l'équilibre? Justifier.

Q25. Calculer l'enthalpie standard de réaction de la réaction étudiée. Conclure.

Q26. Prévoir le signe de l'entropie standard de réaction, puis calculer sa valeur.
Q27. Exprimer la constante d'équilibre de cette réaction de carbonatation à 298 K en fonction des valeurs thermodynamiques obtenues précédemment. On obtient

K^\circ = 2.10^(38)

Q28. Calculer la valeur de la pression partielle du

CO_2

à l'équilibre,

PCO_2 eq

, à 298 K .
Q29. Sachant que la pression partielle du

CO_2

dans l'air vaut

3, 0.10^(- 4)

bar, est-il possible de conserver de l'oxyde de baryum à l'air libre à 298 K ?

Q30. On enferme maintenant une mole de

BaCO_(3(s))

dans un récipient initialement vide de volume variable V. La température demeure constante et égale à 298 K .
Quel est l'effet d'une augmentation de volume à température et composition constantes sur l'équilibre chimique précédemment étudié ?

Q31. En déduire l'évolution de la quantité de matière de

CO_2

dans l'enceinte en fonction de la valeur de V ( V évoluant de 0 à

\infty

). Si l'évolution n'est pas monotone, on précisera la valeur de la quantité de matière de

CO_2

au point de changement de pente.

Partie D. Solubilité du diiodate de baryum

Le diiodate de baryum

Ba(IO_3)_(2(s))

que l'on nommera par la suite iodate de baryum est un sel peu soluble en solution aqueuse dont il est possible de vérifier expérimentalement la solubilité selon le protocole suivant : Une solution saturée en iodate de baryum est filtrée pour éliminer le précipité. Un dosage par conductimétrie des ions baryum restant dans un volume donné du filtrat est effectué en les faisant précipiter par des ions sulfates à l'aide d'une solution de sulfate de sodium (

2Na^+, SO_4^(2 -)

). Parallèlement, il est possible de doser par oxydoréduction des ions iodate.

Q32. L'iode a pour numéro atomique

Z = 53

. Proposer une structure de Lewis et donner la géométrie de l'ion

IO_3^-

Q33. Ecrire l'équation de la réaction bilan de la dissolution du précipité d'iodate de baryum.
Q34. Exprimer le produit de solubilié Ks de l'iodate de baryum en fonction de la solubilité

s

Dosage conductimétrique.

On considère une solution saturée en iodate de baryum. On la filtre pour récupérer 100 mL de filtrat. Dans

50, 0 mL

du filtrat précédent, sont ajoutés environ 350 mL d'eau. La burette est remplie avec une solution de sulfate de sodium à

5, 00.10^(- 2) mol.L^(- 1)

. Le suivi du titrage par conductimétrie permet de tracer le graphe

G = f(V)

Q35. Ecrire l'équation de la réaction du titrage conductimétrique sachant que le sulfate de baryum est totalement insoluble en solution aqueuse.

Q36. Quel est le rôle des 350 mL d'eau?
Q37. Tracer et expliquer l'allure de la courbe

G = f(V)

.
On donne (en

10^(- 3) S.m^2.mol^(- 1)

) :

λ^\circ(H_3 O^+) = 35; λ^\circ(OH^-) = 20; λ^\circ(Na^+) = 5; λ^\circ(Ba^(2 +)) = 13; λ^\circ(SO_4^(2 -)) = 16; λ^\circ(IO_3^-) = 7

Q38. Calculer la concentration en baryum sachant que l'équivalence est atteinte pour un volume de

11, 0 mL

en sulfate de sodium.
2) Dosage des ions iodate :

Dans 20 mL du filtrat contenant les ions iodate, on ajoute 10 mL d'iodure de potassium (KI) molaire et quelques

cm^3

d'acide chlorhydrique. La solution devient alors marron. On dose ensuite cette solution colorée par du thiosulfate de sodium (

2Na^+, S_2 O_3^(2 -)

) à

10^(- 2) mol.L^(- 1)

Q39. On donne ci-dessous le diagramme potentiel pH muet de l'élément iode. Indiquer le nombre d'oxydation de l'élément iode dans les trois espèces. On se limitera aux espèces

I_2, I^-

IO_3^-

, la concentration de chacune des espèce étant de

0, 1 mol.L^(- 1)

Q40. Reporter ce diagramme sur votre feuille et compléter le en indiquant la correspondance des espèces avec les numéros.

Q41. Etablir l'expression littérale du potentiel

E_(23)

sur la frontière séparant les domaines 2 et 3 en fonction des concentrations de chacune des espèces. Calculer la valeur de ce potentiel frontière.

Q42. Expliquez à l'aide d'une équation d'oxydo-réduction la formation de l'espèce marron. Exprimer la constante d'équilibre associée à cette réaction et conclure.

Q43. En déduire la relation entre la quantité de

IO_3^-

et la quantité de l'espèce marron, puis relier la quantité initiale d'ions iodate avec le volume équivalent de la réaction de titrage par le thiosulfate.

Données:

Constante de Faraday F

= 96485C \cdot mol^(- 1)

Constante des gaz parfaits

R = 8, 31 J \cdot mol^(- 1) \cdot K^(- 1)

pKa(H_2 SO_4/HSO_4^-) = 0

Enthalpies standard de formation et entropies molaires standard à

298 K : Δ_f H^\circ(kJ.mol^(- 1))

S^\circ

(J.

mol^(- 1).K^(- 1)

)

	$Δ_f H^\circ(kJ \cdot mol^(- 1))$	$S^\circ(J \cdot mol^(- 1) \cdot K^(- 1))$
$BaCO_(3(s))$	-1216	112
$BaO_((s))$	-553	70
$CO_(2(g))$	-393	213

Potentiels standards :

E^\circ(Na^(2 +)/Na) = - 2, 71 V; E^\circ(Zn^(2 +)/Zn) = - 0, 76 V; E^\circ(Cu^(2 +)/Cu) = 0, 34 V

E^\circ(O_2/H_2 O) = 1, 26 V

;

E^\circ(H^+/H_2) = 0 V

E^\circ(Cl_2/Cl^-) = 1, 36 V; E^\circ(IO_3^-/I_2) = 1, 20 V; E^\circ(I_2/I^-) = 0, 62 V

E^\circ(S_4 O_6^(2 -)/S_2 O_2^(3 -)) = 0, 08 V

Questions fréquentes

4 questions

Sur quels chapitres porte le sujet de Physique B PT 2022 ?

La partie chimie porte sur le baryum : cristallographie, pile de Volta, thermochimie de la carbonatation et dosages de l'iodate de baryum. La partie thermodynamique porte sur un cycle frigorifique de Brayton inversé et sur la détente de Joule-Thomson pour les basses températures.

Ce sujet de Physique B PT 2022 est-il difficile ?

Le niveau est hétérogène : la cristallographie et la thermochimie sont assez bien maîtrisées en chimie, tandis que l'oxydoréduction pose plus de difficultés ; en thermodynamique, les meilleurs candidats ont traité la quasi-totalité du sujet mais la partie sur l'efficacité est moins réussie.

Quelles sont les erreurs les plus fréquentes relevées par le jury sur ce sujet de Physique B PT 2022 ?

Le jury relève une confusion entre la pile de Volta et la pile Daniell, une inversion des activités dans la formule de Nernst, une confusion entre le premier principe et la formule de Bernoulli, et des températures non converties en kelvins dans le calcul de l'efficacité.

Combien de temps dure l'épreuve de Physique B en PT ?

L'épreuve dure 4 heures au total, avec 2 heures consacrées au sujet de chimie et 2 heures au sujet de thermodynamique.

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Epreuve de Physique B - Thermodynamique

Durée 2 h

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

CONSIGNES:

PARTIE 1: Étude d'un système frigorifique avec un cycle de Brayton inversé

Document 1: Description d'un turbo-détendeur cryogénique

PARTIE 2: Techniques de refroidissement basses températures

Document 3: Évaporateur de cryogènes et frigorigènes

Document 4: Détente de Joule-Thomson et Température d'inversion

Document 6: Le Large Hadron Colisionner (LHC)

NE RIEN ECRIRE DANS CE CADRE

Question 2

Question 4

Epreuve de Physique B - Chimie

Durée 2 h

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

CONSIGNES:

Autour du baryum

Partie A. Propriétés du baryum

Partie B. Découverte du baryum

Partie C. Carbonatation de l'oxyde de baryum

Partie D. Solubilité du diiodate de baryum

Données:

Questions fréquentes

Sur quels chapitres porte le sujet de Physique B PT 2022 ?

Ce sujet de Physique B PT 2022 est-il difficile ?

Quelles sont les erreurs les plus fréquentes relevées par le jury sur ce sujet de Physique B PT 2022 ?

Combien de temps dure l'épreuve de Physique B en PT ?

Commentaires• Banque PT Physique B PT 2022

Commentaires• Banque PT Physique B PT 2022

PARTIE 1:
Étude d'un système frigorifique avec un cycle de Brayton inversé