CAPES physique-chimie externe 2022, épreuve 2Sujet et rapport du jury

CAPES
CONCOURS EXTERNE
ET CAFEP

SECTION PHYSIQUE-CHIMIE

EPREUVE ECRITE DISCIPLINAIRE APPLIQUEE

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -
  Concours externe du CAPES de l'enseignement public :

  Concours	Section/option	Epreuve	Matière
  E|B|E	1/5/O/OF	1|0|2	9|3/1/2

• -
  Concours externe du CAFEP/CAPES de l'enseignement privé :

  Concours	Section/option	Epreuve	Matière
  E|B|F	1/5/0/0/F	1|0|2	9/3/1/2

• 1.A. Extrait d'un livre de didactique sur la modélisation
• 1.B. Activité proposée dans le cadre de l'enseignement de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la classe de terminale de la série STL-SPCL
• 1.C. Photographies de figures obtenues sur une cuve à ondes
• 1.D. Diverses représentations ou énoncés à propos des piles
• 1.E. Activité expérimentale évaluée

• 2.A. Activité proposée en classe de terminale de la voie générale
• 2.B. Activité visant à exploiter l'expression de la poussée d'Archimède

• 3.A. Activité expérimentale traitant du quotient de réaction à l'état final
• 3.B. Résultats obtenus lors du test de l'activité par l'enseignant

• 4.A. Activité proposée dans le cadre de l'enseignement de spécialité physique-chimie et mathématiques en classe de terminale STL-SPCL
• 4.B. Activité sur le thème de l'énergie interne
• 4.C. Réponses d'élèves à deux questions d'une évaluation diagnostique

• 5.A. Activité documentaire sur la synthèse de l'arôme de framboise
• 5.B. Extrait du document distribué aux élèves lors d'une activité expérimentale portant sur la synthèse d'un composé à l'odeur de framboise
• 5.C. Protocole d'une estérification utilisant un appareil Dean Stark

Partie 1 - La modélisation en physique-chimie

• -analyser des ressources et des situations pédagogiques à la lumière de la démarche de modélisation ;
• -proposer des situations pédagogiques favorisant la mise en œuvre d'une activité de modélisation par les élèves.
• Q1.On s'intéresse dans un premier temps aux modèles qui ont une fonction descriptive : ils permettent de regrouper dans une même catégorie des dispositifs, des objets, des événements qu'on caractérise de façon identique en science en sélectionnant quelquesunes de leurs propriétés. L'annexe 1.B propose une introduction à la notion d'onde dans le cadre du programme de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la classe de terminale de la série STL-SPCL.
  • a)Affecter chacune des situations suivantes à un des ensembles repérés par les lettres A à D de la figure 1 de l'annexe 1.A que l'on reproduira sur la copie :
    • -une « échelle de perroquet » (ou ondoscope) dont on déplace une des extrémités ;
    • -une vague arrivant sur une plage ;
    • -un grondement de tonnerre ;
    • -une succession de vagues observées grâce à une « cuve à ondes ».
  • b)Rédiger la définition d'une onde que vous proposeriez aux élèves préalablement à l'activité de l'annexe 1.B.
  • c)Proposer un corrigé à destination des élèves de l'activité de l'annexe 1.B.
  • d)Indiquer, pour l'activité de l'annexe 1.B, le choix didactique fait quant au lien à établir par les élèves entre « les deux mondes » évoqués dans l'annexe 1.A.
• Q2.Pour modéliser la propagation des sons, on trouve dans certains manuels scolaires la description d'une expérience illustrant que la flamme d'une bougie placée devant un haut-parleur émettant brusquement un son fort ne s'incline pas (et ne s'éteint pas). Décrire le modèle « de la vie quotidienne » (ensemble D de l'annexe 1.A) que cette expérience vise à mettre en défaut.
• Q3.En enseignement de spécialité de la classe terminale de la voie générale, les élèves découvrent des modèles explicatifs au sujet des ondes pour interpréter différents phénomènes. On s'intéresse dans cette question au phénomène d'interférences. Pour mettre en évidence le phénomène, un enseignant réalise en classe l'expérience suivante : il alimente deux haut-parleurs identiques avec le même signal sinusoïdal de fréquence voisine de 1 kHz ; les haut-parleurs sont posés sur le bureau du professeur, ils sont distants d'environ 2 m et émettent dans la même direction (vers le fond de la salle), puis les élèves sont invités à circuler latéralement dans la salle en se bouchant une oreille.
  • a)Décrire la perception auditive d'un élève au cours de son déplacement.
  • b)Schématiser cette situation et indiquer les concepts que les élèves doivent maîtriser pour pouvoir interpréter l'observation.
  • c)Établir les conditions d'interférences constructives et destructives.

• • d)Estimer quantitativement une distance caractéristique du phénomène perçu par un élève se déplaçant latéralement au fond de la salle. Commenter. Le candidat précisera les valeurs des grandeurs qu'il jugera opportun d'introduire.
• Q4.Pour que les élèves puissent tester les conditions d'interférences constructives et destructives dans le cas de deux ondes à la surface de l'eau issues de deux sources ponctuelles en phase, un enseignant réalise deux photos de la même situation observée sur une « cuve à ondes », présentées dans l'annexe 1.C.
  • a)Justifier à l'aide d'un argument qualitatif que les zones claires de la photographie réalisée avec une grande durée d'exposition indiquent les lieux d'interférences constructives.
  • b)Traduire mathématiquement la condition d'interférences constructives. On rappelle la définition bifocale de l'hyperbole en mathématiques : ensemble des points M tels que pour deux points fixes F et F^′, |MF^′ − MF^′| = 2a où a est un réel inférieur à la distance (FF)/2. Commenter alors qualitativement l'allure de la figure obtenue avec un grand temps d'exposition.
  • c)Formuler une unique question visant à faire tester aux élèves la condition d'interférences constructives dans la situation étudiée en s'appuyant sur les photographies de l'annexe 1.C. Une dimension quantitative est attendue. Préciser la réponse attendue.
  • d)Formuler une réponse à un élève qui, après l'introduction de la notion d'interfrange en optique, demanderait à l'enseignant où l'on peut voir l'interfrange dans le cas des ondes à la surface de l'eau.
• Q5.L'annexe 1.D propose différentes représentations ou énoncés qu'on peut rencontrer dans les manuels scolaires de spécialité physique-chimie de la classe de terminale de la voie générale ou dans des productions d'élèves au sujet du fonctionnement d'une pile.
  • a)Positionner chacune des représentations de l'annexe 1.D, repérées par leur numéro, sur le document-réponse DR1 à rendre avec la copie.
  • b)L'activité décrite dans l'annexe 1.E permet de mettre en œuvre une démarche de modélisation. Sur le document-réponse DR1 à rendre avec la copie, représenter par des flèches les questions qui permettent de faire des liens entre le monde des objets et des événements et le monde des théories et modèles. Chaque flèche sera associée à une ou plusieurs lettres correspondant aux questions. Toutes les questions ne seront pas obligatoirement mentionnées.
  • c)Proposer une correction à destination des élèves de la question f de l'annexe 1.E, mettant en évidence la démarche de modélisation.
  • d)Proposer une expérience qui, par une autre méthode, permettrait d'estimer la valeur de la capacité électrique de la pile et donc de tester la cohérence de deux modèles, l'un électrochimique, l'autre électrique.
  • e)À l'issue de cette activité, un élève demande à l'enseignant pourquoi une pile s'use et comment fonctionnent les piles rechargeables ? Proposer une réponse qui s'appuie explicitement sur la modélisation.
• Q6.Citer un autre exemple de modèle descriptif, enseigné au lycée ou au collège, qui ne donne lieu à aucune expression mathématique.

Partie 2 - Étude de la poussée d'Archimède

• -analyser des activités permettant d'introduire et d'exploiter la poussée d'Archimède ;
• -identifier quelques difficultés d'apprentissage au sujet de l'étude des fluides ;
• -élaborer une séquence pédagogique, comportant deux séances, pour traiter la partie du programme de spécialité de terminale générale présentée ci-dessous :

• Q7.Pour introduire la notion de poussée d'Archimède, un enseignant de spécialité physiquechimie de la classe de terminale de la voie générale propose l'activité décrite dans l'annexe 2.A, inspirée d'une activité conçue initialement pour la classe de première STL.
  • a)Répondre, en anticipant éventuellement sur les observations, aux questions 1, 2, 3, 5 et 7.
  • b)Rédiger une fiche synthèse, à destination des élèves et faisant suite à cette activité, présentant d'une part l'origine physique de la poussée d'Archimède, d'autre part son expression vectorielle avec les conditions de sa validité.
• Q8.L'expression de la poussée d'Archimède permet aussi de déterminer expérimentalement la masse volumique d'un liquide.
  • a)Concevoir un énoncé pour une activité expérimentale faisant suite à l'activité de l'annexe 2.A, visant à exploiter l'expression de la poussée d'Archimède afin de déterminer la masse volumique d'une eau saturée en sel. L'énoncé comportera quatre questions au maximum.
  • b)Un élève mesure les valeurs suivantes :
    • -poids de l'objet immergé : 2,0 N ;
    • -tension du ressort lorsque l'objet est immergé dans l'eau saturée en sel : 1,7 N ;
    • -volume de l'objet : 25 mL.

• Q9.Pour permettre aux élèves d'exploiter la poussée d'Archimède, mais également pour les exercer à utiliser les lois de Newton de la mécanique, un enseignant propose l'activité présentée dans l'annexe 2.B (balance d'Archimède). La question 2 (exploitation) n'est proposée qu'après la prévision et l'expérience, et dépend de la prévision faite. Cette

• a)Interpréter la proposition d'une telle réponse en formulant au moins une hypothèse erronée qui peut conduire des élèves à prévoir une absence de changement.
• b)Rédiger une correction de l'activité, et en déduire une formulation de la partie manquante, indiquée en pointillés, de la question 2 qui permet d'aider les élèves n'ayant pas formulé la bonne prévision.

Élaboration d'une séquence pédagogique

• -proposera une contextualisation et une problématique pour la séquence ;
• -explicitera les objectifs et les contenus de chacune des deux séances ;
• -décrira une tâche complexe qu'il proposera aux élèves sur ce thème à l'issue de cette séquence.

Partie 3 - Quotient de réaction à l'état final

• Q11.Dans un objectif de spiralisation, l'enseignant souhaite faire réaliser un étalonnage par spectrophotométrie, ce qui constitue l'objet de la première partie de l'activité présentée dans les annexes 3.A et 3.B. La longueur d'onde de travail choisie par l'enseignant est 580 nm.
  • a)Proposer une réponse à un élève qui demanderait à l'enseignant pourquoi on apprend qu'il faut, dans la mesure du possible, choisir la longueur d'onde correspondant au maximum d'absorption.
  • b)En déduire l'inconvénient du choix fait pour la valeur de la longueur d'onde dans cette activité mais le justifier au regard de la finalité de l'expérience.
  • c)L'enseignant fait en sorte que les valeurs d'absorbance ne dépassent pas 1,5. Justifier ce choix et estimer à l'aide du spectre donné en annexe 3.B et de la longueur d'onde choisie, la valeur maximale de la concentration en [Fe(SCN)]^(2 +) pour réaliser l'étalonnage.
• Q12.Proposer la rédaction de la première partie « étalonnage par spectrophotométrie » de l'activité en cours d'élaboration de l'annexe 3.A, comportant au maximum 5 questions, et réinvestissant à la fois les notions nécessaires à la réalisation d'un dosage par étalonnage spectrophotométrique et les techniques qui lui sont liées. Cette première

• a)Calculer la valeur Q_(r, f) obtenue pour la solution S1.
• a)Interpréter la variabilité des valeurs du quotient réactionnel à l'état final obtenues expérimentalement et présentées dans l'annexe 3.B, en identifiant les choix réalisés et les étapes du protocole qui peuvent en être l'origine.

Élaboration de la séquence pédagogique

• -détaillera la nature des différentes briques élémentaires constitutives de la séquence : types d'activités, phase d'institutionnalisation, évaluations ;
• -proposera un découpage de la séquence en séances en explicitant l'objectif de chaque séance et l'articulation des briques élémentaires au sein de chaque séance ;
• -rédigera intégralement la trace écrite qui figurera dans le cahier de cours des élèves institutionnalisant les savoirs sur cette partie du programme.

Partie 4 - Le concept d'énergie : enjeux et continuité

• -produire et analyser des ressources d'enseignement au sujet de l'énergie en tenant compte des différents niveaux d'enseignement et de la polysémie du terme énergie ;
• -analyser et identifier quelques difficultés d'élèves au sujet de l'énergie.

• a)Proposer un corrigé des questions 1 à 9 de l'activité de l'annexe 4.A à destination des élèves de la classe de terminale STL.
• b)Adapter l'activité pour en faire une évaluation de fin de cycle 4, en précisant pour chaque question posée les connaissances et capacités évaluées. L'évaluation devra permettre d'évaluer particulièrement la schématisation des situations du point de vue de l'énergie et les capacités de calculs simples.

• a)Décrire une expérience réalisable en classe qui permet d'augmenter l'énergie interne d'un système par transfert mécanique ou électrique.
• b)Pour donner du sens au concept d'énergie interne, juste après son introduction, un enseignant propose l'activité décrite dans l'annexe 4.B. Proposer un corrigé de l'activité et indiquer les difficultés prévisibles des élèves en lien avec les choix faits par l'enseignant.

• a)Citer les réponses justes et les réponses fausses, puis analyser les réponses données par les élèves de manière à identifier les conceptions initiales erronées des élèves.
• b)Citer les concepts ainsi que les lois éventuelles de physique-chimie au programme de la classe qui permettent de modéliser convenablement les situations proposées dans ce questionnaire.

Partie 5 - Optimisation de la synthèse d'un arôme de framboise

• Q20.Proposer une correction, à destination des élèves, de la première partie (questions 1 à 5) de l'activité documentaire préparatoire proposée dans l'annexe 5.A.
• Q21.Indiquer la technique réalisable au lycée qui puisse correspondre à la réponse à la question 9) de l'activité préparatoire.

• Q22.Dans le cadre de la mise en œuvre du protocole de l'annexe 5.B, la présence de deux acides dans le milieu réactionnel (acide acétique et acide sulfurique) est une difficulté pour l'exploitation du titrage acide-base colorimétrique réalisé. L'enseignant choisit alors, comme stratégie d'exploitation de ce titrage, de travailler par différence en donnant un document additionnel élaboré à partir du résultat d'un titrage effectué dans les conditions précisées dans le protocole et réalisé au préalable par le professeur sur une solution aqueuse de volume total 100 mL contenant 5 mL d'acide acétique et 0,5 mL d'acide sulfurique pur. Le volume équivalent obtenu est de V_(éq) = 25, 9 mL.
  Rédiger ce document additionnel à destination des élèves ayant pour but :
  • -de leur expliquer cette stratégie d'exploitation ;
  • -de les guider dans l'exploitation de leur titrage et l'obtention du rendement de la synthèse.
• Q23.Corriger l'extrait du compte-rendu d'un élève ayant mis en œuvre le protocole de l'annexe 5.B. Il figure sur le document-réponse DR2 à rendre avec la copie. Une dimension formative est attendue.

• Q24.Dégager l'intérêt que peut présenter l'expérience décrite dans l'annexe 5.C pour illustrer la partie du programme présentée dans l'introduction. Quelques éléments sur fonctionnement d'un appareil Dean Stark devront être succinctement présentés.

Élaboration de la séquence pédagogique

• Q25.Proposer le contenu d'une séquence d'enseignement constituée de plusieurs séances visant à traiter la partie du programme présentée en introduction. L'activité expérimentale présentée dans l'annexe 5.B constituera l'une des activités de la séquence. Un temps de remédiation, consécutif à l'évaluation du compte rendu présenté dans le document-réponse DR2 à rendre avec la copie, sera intégré à la séquence. Le candidat :
  • -formulera une contextualisation et une problématique pour la séquence ;
  • -proposera un découpage de la séquence en séances en explicitant l'objectif de chaque séance et son contenu ;
  • -choisira, en justifiant, le support sur lequel s'appuiera la remédiation, et détaillera la nature des tâches que l'élève devra réaliser.

FIN DU SUJET

Annexe 1 - Ressources utiles pour la partie 1 du sujet

1.A - Extrait d'un livre de didactique sur la modélisation

Figure 1 : Outil « Relations de modélisation » (Tiberghien et al., 2009)

Un exemple est donné ci-dessous dans le cas où l'on demande à un élève de justifier à l'aide de ses connaissances en physique, l'immobilité d'un livre posé sur une table.

1.B - Activité proposée dans le cadre de l'enseignement de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la classe de terminale de la série STL-SPCL

• 1.Citer quelques situations de la vie quotidienne (hormis celles décrites ci-après) qui mettent en jeu des ondes. On citera au moins un exemple de phénomène naturel et un exemple de situation créée par l'Homme dans un domaine technologique.
• 2.On donne ci-dessous 8 situations : certaines sont mises en œuvre dans la classe, d'autres sont illustrées par des photographies ou des animations. Lesquelles font intervenir une onde ? Pour chaque situation rejetée, indiquer quel élément de la définition d'une onde n'est pas satisfait.
  Situation 1 : une corde d'escalade est étendue sur le sol de la salle de classe. Un élève tient une des extrémités et un autre donne une impulsion à l'autre extrémité.

Situation 2 : une goutte tombe sur la surface d'un plan d'eau :

Situation 3 : dans le désert, les dunes de sable forment des vagues :

Situation 5 : un jour d'orage, on voit l'éclair quelques instants après que l'impact a eu lieu.

Petit temps d'exposition

Grand temps d'exposition

1.D - Diverses représentations ou énoncés à propos des piles

(1)	(2)	(3)
④	⑤	La capacité électrique Q d'une pile est la charge électrique maximale qu'elle peut fournir au cours de son fonctionnement
Cu^(2 +)/Cu; Zn^(2 +)/Zn; 7	Cu_((aq))^(2 +) + 2e^− → Cu_((s)); Zn_((s)) → Zn_((aq))^(2 +)_((aq)) + 2e^−	Lorsqu'une pile n'a plus d'électricité, alors elle est usée. (9)

1.E - Activité expérimentale évaluée

• a)Réaliser la pile cuivre-zinc photographiée ci-contre et en faire un schéma détaillé.
• b)En repérant la lame reliée à la borne COM du multimètre orsque la valeur lue est positive, indiquer la borne positive de la pile.

• c)Prévoir le sens du courant électrique si on ferme le circuit en insérant un conducteur ohmique entre les bornes de la pile, puis vérifier expérimentalement votre prévision à l'aide d'un ampèremètre et la corriger éventuellement.
• d)En déduire les équations des réactions électrochimiques se produisant sur chaque électrode, en les écrivant dans le sens où elles se produisent effectivement.
• e)En exposant votre raisonnement, prévoir l'évolution des masses de chaque électrode puis indiquer la ou les observations qui permettent de tester qualitativement la prévision.
• f)Si on considère que le métal zinc est le réactif limitant et qu'on réalise une pile avec une électrode de zinc de 15 g, entièrement consommable, calculer la valeur de la capacité électrique de cette pile.

Annexe 2 - Ressources utiles pour la partie 2 du sujet

• -de l'eau distillée (masse volumique : ρ_(eau) = 1000 kg ⋅ m^(− 3) ) ;
• -de l'eau salée saturée (masse volumique : ρ_(eau salée) = 1, 2 × 10^3 kg ⋅ m^(− 3) );
• -des cylindres de même volume mais constitués de matériaux différents : PVC, aluminium, plomb, etc. ;
• -des cylindres de volumes différents mais constitués du même matériau.

• -Suspendre un cylindre en plomb à un dynamomètre. Celui-ci permet de mesurer la valeur de la tension T du ressort.
• -Refaire la même expérience, le cylindre étant à présent immergé dans l'eau d'une éprouvette : on mesure alors une tension T^′.
  

  

• 1.Justifier que le poids du cylindre vaut : P = T. Un schéma des forces exercées sur le cylindre est attendu pour justifier la réponse.
• 2.La force exercée par l'eau sur le cylindre est appelée « poussée d'Archimède », notée Π⃗. D'après ce que nous observons, quels sont le sens et la direction de cette force ?
• 3.Justifier que la poussée d'Archimède exercée par l'eau sur le cylindre vaut : Π = T − T^′.
• 4.Calculer numériquement la valeur de la poussée d'Archimède exercée sur le cylindre.

• 5.À l'aide du matériel disponible, proposer un protocole expérimental permettant de déterminer qualitativement l'influence du volume du solide immergé sur la valeur de la poussée d'Archimède.
• 6.Après validation par l'enseignant, réaliser le protocole proposé et conclure : de quelle manière le volume immergé du solide influe-t-il sur la valeur de la poussée d'Archimède ?

• 7.À l'aide du matériel disponible, proposer un protocole expérimental permettant de déterminer qualitativement l'influence de la masse du solide immergé sur la valeur de la poussée d'Archimède.
• 8.Après validation par l'enseignant, réaliser le protocole proposé et conclure : de quelle manière la masse du solide influe-t-elle sur la valeur de la poussée d'Archimède ?

• -une balance à affichage numérique ;
• -un bécher contenant de l'eau ;
• -un objet plus dense que l'eau suspendu par un fil à un support et pouvant être totalement immergé dans l'eau.

• 1.Prévoir, en justifiant par écrit, comment va évoluer l'indication de la balance lorsqu'on va immerger l'objet dans l'eau (augmenter, rester inchangée ou diminuer).
• Appeler le professeur pour lui présenter votre prévision.

Annexe 3 - Ressources utiles pour la partie 3 du sujet

• -d'une solution mère en ions [Fe(SCN)]^(2 +) de concentration en quantité de matière valant 2, 5mmol ⋅ L^(− 1);
• -des fioles jaugées de 50 et 100 mL ;
• -des pipettes jaugées de 5, 10, 20 et 25 mL ;
• -une pipette graduée de 25 mL ;
• -quelques béchers ;
• -une fiole d'eau distillée.

• -Réaliser les mélanges ci-dessous en utilisant une solution, appelée solution 1, de thiocyanate de potassium de concentration C_1 = 5, 0 × 10^(− 3) mol ⋅ L^(− 1) et une solution, appelée solution 2, de nitrate de fer (III) de concentration C_2 = 1, 0 × 10^(− 2) mol ⋅ L^(− 1) en ions fer (III).

• -Mesurer l'absorbance de chaque mélange selon les conditions définies dans le tableau ci-dessus et compléter la ligne du tableau correspondante.
• -Calculer la concentration C = [[Fe(SCN)]^(2 +)]_f des ions thiocyanatofer (III) dans l'état final de chaque mélange.

• 1.
  Compléter de façon littérale le tableau d'avancement ci-dessous :

  Équation de la réaction chimique		Fe^(3 +)_((aq)) + SCN^−_((aq))⇌[Fe(SCN)]^(2 +)_((aq))
  État du système	Avancement
  État initial	x = 0
  État intermédiaire	x
  État final	X_f

• 2.Montrer que l'avancement final de chaque solution S_i est donné par la formule :
  x_f = [[Fe(SCN)]^(2 +)]_f × V où V est le volume total de la solution S_i.
• 3.Écrire l'expression littérale du quotient de réaction Q_(r, f) dans l'état final pour chaque solution S_i, associée à la transformation étudiée en fonction de n_(Fe, i), n_(SCN, i), X_f et V.
• 4.Calculer pour chaque solution la valeur de Q_(r, f) et conclure.

3.B - Résultats obtenus lors du test de l'activité par l'enseignant

• -
  Tableau regroupant les mesures effectuées pour le dosage par étalonnage

  Concentration de solution de [Fe(SCN)]^(2 +) en mmol.L ^(− 1)	2, 5 × 10^(− 1)	5, 0 × 10^(− 1)	1,0	1,25	2,5
  Absorbance	0,17	0,31	0,61	0,74	1,5

• -
  Résultats obtenus pour la deuxième partie de l'activité à 25^∘C

  Solution	S1	S2	S3	S4	S5	S6
  Volume de solution 1 en mL	10,0	5,0	10,0	5,0	4,0	5,0
  Volume de solution 2 en mL	10,0	10,0	15,0	15,0	20,0	20,0
  Absorbance	0,66	0,47	0,59	0,41	0,26	0,31
  Q_(r, f)	à calculer	154	198	182	141	146

Annexe 4 - Ressources utiles pour la partie 4 du sujet

• -Pour parcourir 100 km, le moteur d'une voiture de masse moyenne doit céder en moyenne 72 MJ à ses roues par travail mécanique
• -Énergie cédée par le fioul (par unité de volume) lors de sa combustion : 37 MJ / L
• -Rendement moyen d'un moteur diesel : 42 %
• -Rendement moyen d'un moteur électrique : 90 %
• -Rendement moyen d'une centrale thermique au fioul : 39 %

1^(ère) partie : 100 km en voiture diesel
On envisage tout d'abord un parcours de 100 km dans une voiture diesel satisfaisant les valeurs moyennes données ci-dessus. La chaîne énergétique qui représente cette situation est :

• 1.Dans cette chaîne, on a choisi de ne représenter que les transferts d'énergie (pas les stockages). Sous quelle forme le gazole stocke-t-il son énergie ?
• 2.Compléter cette chaîne énergétique en orientant chacun des transferts et en attribuant à chacun d'eux un symbole de type W_1, W_2, etc. ou Q_1, Q_2, etc. selon qu'il s'agit d'un travail ou d'un transfert thermique. Les grandeurs introduites sont positives.
• 3.Exploiter la valeur du rendement du moteur diesel pour calculer la valeur de l'énergie reçue par le moteur.
• 4.En déduire le volume de carburant consommé par le parcours.

• 5.Construire la chaîne énergétique complète correspondant à ce parcours, en partant du fioul utilisé dans la centrale électrique qui produit l'électricité.

• 6.Exploiter la valeur du rendement du moteur électrique pour calculer l'énergie qu'il reçoit.
• 7.Exploiter la valeur du rendement de la centrale au fioul pour calculer la valeur de l'énergie qu'elle a dû consommer pour permettre ce parcours.
• 8.Finalement, calculer le volume de carburant consommé par ce trajet en voiture « électrique » et le comparer au résultat obtenu avec la voiture diesel.
• 9.Nous avons supposé que le rendement de l'ensemble batterie + chargeur valait 100 % mais ce n'est pas exactement le cas. Si l'on avait tenu compte de rendement véritable (environ 90 % en moyenne) : le constat de la question 8 aurait-il été atténué ou accentué ?
• 10.L'étude que nous venons de conduire est caricaturale mais donne à réfléchir. Proposer quelques pistes de réflexion en lien avec le développement de l'usage des véhicules électriques.

4.B - Activité sur le thème de l'énergie interne (enseignement de spécialité physique-chimie de la classe de terminale de la voie générale)
Dans chacune des situations ci-dessous, de l'énergie est stockée (le système qui stocke est souligné).

• 1)Attribuer chaque représentation à la forme de stockage qui vous semble prédominer, en indiquant le numéro de la situation dans une des cases du tableau ci-dessous.

• 2)En déduire, en justifiant, les systèmes pour lesquels l'énergie est stockée principalement sous forme d'énergie interne.

Annexe 5 - Ressources utiles pour la partie 5 du sujet

5.A - Activité documentaire sur la synthèse de l'arôme de framboise

Synthèse de l'arôme de framboise

6-acétoxyhexanoate d'éthyle

• -Dans un ballon de 100 mL, introduire 5,0 mL de 6-hydroxyhexanoate d'éthyle, 1,8 mL d'acide acétique, 0,5 mL d'acide sulfurique concentré et quelques grains de pierre ponce.
• -Adapter le réfrigérant à eau au ballon puis chauffer le mélange réactionnel jusqu'à l'établissement du reflux.
• -Au bout de 30 minutes, stopper le chauffage et laisser le mélange réactionnel revenir à température ambiante.
• -Verser le mélange dans une ampoule à décanter.
• -Ajouter au mélange 30 mL d'eau et 20 mL d'éther. Agiter puis laisser décanter et récupérer la phase organique dans un bécher.
• -Réintroduire dans l'ampoule à décanter la phase aqueuse.
• -Rajouter 20 mL d'éther dans la phase aqueuse et recommencer : boucher, agiter, ouvrir et laisser décanter, puis récupérer la phase organique dans le même bécher que précédemment.
• -Ajouter lentement dans le bécher 30 mL de solution basique d'hydrogénocarbonate de sodium. Agiter avec une baguette en verre jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dégagement gazeux.
• -Lorsque le dégagement gazeux a cessé, verser l'ensemble dans l'ampoule à décanter. Agiter puis laisser décanter. Éliminer la phase aqueuse.
• -Pré-sécher la phase organique en ajoutant 30 mL d'eau salée saturée dans l'ampoule à décanter. Agiter puis laisser décanter.
• -Recueillir la phase organique dans un erlenmeyer et la sécher sur du sulfate de magnésium anhydre.
• -Filtrer en recueillant le filtrat dans un ballon rodé propre et sec (préalablement pesé).
• -Évaporer le solvant à l'aide d'un évaporateur rotatif. Peser l'huile obtenue.

Mécanisme de formation de l'arôme de framboise

Questions

• 1)Indiquer le nombre d'étapes de ce mécanisme.
• 2)Il manque la ou les flèches courbes permettant d'expliquer les déplacements électroniques qui ont lieu lors de la 2^(ème) étape. Ajouter la ou les flèche(s) manquante(s).
• 3)Indiquer la catégorie (addition, élimination, substitution ou réaction acide-base) à laquelle appartient chacune des réactions qui ont lieu lors de la deuxième, troisième et quatrième étape.
• 4)Retrouver l'équation globale de la réaction modélisant la formation de l'arôme de framboise décrite par ce mécanisme.
• 5)La réaction est catalysée. Quelle espèce chimique joue le rôle de catalyseur ?
• II- Étude de la synthèse de l'arôme de framboise au laboratoire
• 6)Faire un schéma légendé du montage réalisé pour synthétiser l'arôme de framboise.
• 7)Calculer les quantités de matières initiales des réactifs.
• 8)Construire un tableau d'avancement de la réaction et déterminer l'avancement maximal x_(max).
• 9)Quelle technique réalisable en classe utiliseriez-vous pour vérifier que l'espèce synthétisée est bien l'arôme de framboise et qu'elle est pure ?
• 10)Calculer la quantité de matière de l'arôme de framboise n_(th) maximale attendue.
  • a)En déduire la masse maximale m_(th) de l'arôme de framboise attendue.
  • b)Le rendement expérimental de la synthèse est η_(exp) = 62%. Commenter sa valeur.

5.B - Extrait du document distribué aux élèves lors d'une activité expérimentale portant sur la synthèse d'un composé à l'odeur de framboise

Le Berryflor

6-acétoxyhexanoate d'éthyle

Problématique

Comment peut-on augmenter le rendement de la synthèse du Berryflor ?

Protocole proposé aux élèves

• -Dans un ballon de 100 mL, introduire 5,0 mL de 6-hydroxyhexanoate d'éthyle, 5,0 mL d'acide acétique, 0,5 mL d'acide sulfurique pur et quelques grains de pierre ponce.
• -Adapter le réfrigérant à eau au ballon puis chauffer le mélange réactionnel jusqu'à l'établissement du reflux.
• -Au bout de 30 minutes, stopper le chauffage et laisser le mélange réactionnel revenir à température ambiante.
• -Verser le mélange réactionnel dans une fiole jaugée de 100 mL et rincer le ballon avec 20 mL d'eau que l'on additionnera également dans la fiole jaugée. Compléter jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée.
• -Prélever 5,0 mL de la solution obtenue et l'introduire dans un erlenmeyer propre et sec.
• -Effectuer un titrage colorimétrique par de l'hydroxyde de sodium (Na^+, OH^−)à 0,20 mol. L^(− 1), afin de déterminer la quantité d'acide acétique restante et ainsi déterminer le rendement de la synthèse.

5.C - Protocole d'une estérification utilisant un appareil Dean Stark

• -Dans un ballon de 250 mL introduire 27 mL de pentan-1-ol, 20 mL d'acide acétique glacial (pur), 30 mL de cyclohexane, 0,5 g d'acide partoluènesulfonique et quelques grains de pierre ponce.
• -Adapter appareil de Dean-Stark et adapter un réfrigérant. Chauffer jusqu'à ce que la réaction soit terminée (45 minutes environ).
• -Refroidir et verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter. Laver la phase organique trois fois avec 20 mL d'eau. Sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium. Puis évaporer le solvant à l'évaporateur rotatif.
• -Peser le produit obtenu. Déterminer le rendement de la synthèse. Mesurer l'indice de réfraction.

Annexe 6 - Extraits de programmes officiels

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Document-réponse DR1 (partie 1)
Diagramme « des deux mondes »

Document - réponse DR2 (partie 5)

Extrait du compte rendu d'un élève