Le sujet comporte six parties indépendantes autour d'une machine à courant continu. Il étudie un conducteur ohmique et l'effet de peau, l'identification des enroulements de la machine, l'électronique de commande d'un hacheur, le refroidissement d'un transistor par une ailette, puis la puissance d'un funiculaire. Une dernière partie de chimie porte sur le chlore, la solubilité du chlorure de sodium et le dosage d'une eau de Javel.

1Partie I : conducteur ohmiqueLoi d'Ohm locale, résistance d'un conducteur cylindrique, équation de diffusion de la densité de courant et épaisseur de peau.
2Partie II : machine à courant continuIdentification de l'induit et de l'inducteur à partir de mesures, puis détermination de la constante de temps électrique à rotor bloqué.
3Partie III : commande de la machineComparaison de ponts diviseurs et d'une tension hachée, puis circuit à amplificateurs linéaires (intégrateur, comparateurs) générant la commande du hacheur série.
4Partie IV : aspects thermiquesBilans thermiques du transistor et du boîtier, analogie thermique-électrique, puis profil de température dans une ailette de refroidissement.
5Partie V : le funiculaireEstimation de la puissance électrique consommée selon la charge des rames et réflexion sur la récupération d'énergie.
6Partie VI : chlore et eau de JavelClassification périodique, solubilité du chlorure de sodium par conductimétrie, diagrammes E-pH du chlore et de l'iode, dosage iodométrique.

Difficulté moyenne. Le jury signale de nombreuses questions de cours ou d'application directe et note que la plupart des candidats ont abordé les six parties, tout en qualifiant l'épreuve de sélective.

L'épreuve en chiffres

Moyenne 10 / 20 · écart-type 3,46 · 5 085 présents · où vous situez-vous ?

Moyenne: 10/ 20
Écart-type: 3,46
Présents: 5 085
Coefficient: 19
Durée: 4 h

Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Où je me situe ?

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : document officiel du concours, épreuve du 2 juillet 2020. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

Ce qu'a observé le jury

6 erreurs relevées

Diffusion confondue avec propagation · Loi de Lenz et loi de Faraday · Oscillateur mis en équation de mémoire

La plupart des candidats ont eu le temps d'aborder les six parties, avec une réussite variable, et chaque question a été traitée correctement par au moins un candidat. La présentation est globalement convenable, mais les correcteurs déplorent un manque de justification jugé insuffisamment corrigé depuis la session précédente. Les questions de résolution de problème et la chimie des solutions sont les points faibles.

Les erreurs les plus sanctionnées

1
Diffusion confondue avec propagationQ5
Le nom de l'équation vérifiée par la densité de courant a posé problème : diffusion, propagation et conservation sont souvent confondues.
2
Loi de Lenz et loi de FaradayQ11
Pour expliquer l'évolution des résistances et inductances avec la fréquence, les candidats oublient les résultats de la partie I et confondent les deux lois.
« il y a une grosse confusion entre la loi de Lenz et la loi de Faraday »
3
Oscillateur mis en équation de mémoireQ19 à Q22
Le fait que le second amplificateur ne fonctionne pas en régime linéaire n'a pas toujours été exploité, et les questions quantitatives sur l'oscillateur ont été peu traitées.
4
Signes, homogénéité et surface d'échangeQ24, Q25, Q28
Les bilans thermiques comportent de nombreuses erreurs de signe ou d'homogénéité et une écriture maladroite des grandeurs infinitésimales. La surface d'échange latérale de l'ailette est souvent mal comprise.
5
Force, énergie et puissance confonduesQ31
Pour le funiculaire, l'idée générale est trouvée mais la modélisation est difficile, avec des confusions entre force, énergie et puissance.
« Il y a trop de confusions entre force, énergie et puissance. »
6
Chimie des solutions mal maîtriséeQ35, Q36, Q38 à Q42
Confusions entre pH-métrie et conductimétrie, oubli de la dilution au millième, diagrammes E-pH mal utilisés pour prévoir les réactions et équations bilans contenant des électrons.
« L’utilisation des diagrammes E-pH en vue de prévoir les réactions prépondérantes n’est pas comprise. »

Ce qui a été bien réussi

La question ouverte Q2 a été bien traitée dans l'ensemble.
Q13, Q15, Q18 et Q27 sont bien traitées ; le montage intégrateur a été reconnu et la rétroaction est bien comprise (Q17).
L'analogie thermique-électrique est bien comprise (Q26).
Q33, question classique de chimie, est bien traitée.
Il y a eu très peu de copies vides.

Conseils du jury

Justifier les résultats et structurer la rédaction : la qualité des justifications sera encore davantage prise en compte.
Mettre les résultats en valeur et les relire : 5 % du barème porte sur la présentation, la rigueur, l'honnêteté intellectuelle et la cohérence.
S'investir dans les séances de travaux pratiques, notamment pour distinguer pH-métrie et conductimétrie.
Exploiter les résultats des questions précédentes et ne pas délaisser les questions de fin de partie.
Pour les résolutions de problème, proposer une démarche même partielle mais raisonnable.

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

Corrigé détaillé

42 questions

Indice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.

42 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré et les remarques du jury. Chaque question est vérifiée avant publication.

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Description

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Sujet en PDF

ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PSI

PHYSIQUE - CHIMIE

Lundi 4 mai : $14h - 18 h$

N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.

RAPPEL DES CONSIGNES

Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
Ne pas utiliser de correcteur.
Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.

Les calculatrices sont interdites

Le sujet est composé de six parties.

Machine à courant continu et Hacheur
Application au funiculaire
Chlore et eau de javel

Partie I - Conducteur ohmique

Conducteur ohmique cylindrique en régime stationnaire

On considère (figure 1) un conducteur ohmique cylindrique, de conductivité électrique

γ

, de section

S

et de longueur

h

parcouru par un courant électrique constant et uniformément réparti de vecteur densité volumique de courant :

j⃗ = je⃗_y

Figure 1 - Conducteur cylindrique

Q1. Rappeler la formulation locale de la loi d'Ohm en faisant intervenir d'abord le champ électrique

E⃗

puis le potentiel électrique

V

. Donner un ordre de grandeur de la conductivité électrique du cuivre à température ambiante.

Q2. Proposer simplement une loi analogue appartenant à un autre domaine de la physique et préciser les unités de toutes les grandeurs qui interviennent.

Q3. Donner, en fonction de

γ, j

et des caractéristiques géométriques du conducteur, les expressions du courant électrique

I

traversant ce conducteur et de la différence de potentiel

U

aux bornes de ce conducteur.

Q4. En déduire en fonction de

γ

et des caractéristiques géométriques, la résistance électrique

R_Ω

de ce conducteur.

Conducteur ohmique parallélépipédique, semi-infini, en régime sinusoïdal et effet de peau
On considère (figure 2) un conducteur ohmique, parallélépipédique, semi-infini suivant

e\to_x

, de hauteur

h

e\to_y

et d'épaisseur

p

e\to_z

. On se place en régime quasi-permanent dans lequel la densité de courant dépend de x et du temps :

j⃗(x, t) = j(x, t)e⃗_y

. On admet alors que

j(x, t)

vérifie l'équation :

D(\partial^2 j⃗(x, t))/(\partialx^2) = (\partialj⃗(x, t))/(\partialt)

Q5. Comment nomme-t-on ce type d'équation ? Préciser l'unité de

D

On admettra dans la suite de cette partie que :

j⃗(x, t) = j_0 e^(- x/δ)cos(ωt - x/δ)e⃗_y

, où

δ = \sqrt(2/(μ_0 γω))

μ_0

est la perméabilité magnétique du vide et

ω

la pulsation imposée par le courant.

Figure 2 - Conducteur parallélépipédique semi-infini

Q6. Définir, à l'aide d'une intégrale double, l'expression de l'intensité instantanée

i(t)

du courant transporté par ce conducteur.
On donne une primitive:

F(u) = (- δ)/(\sqrt2)e^(- u/δ)cos(ωt - π/4 - u/δ)

de la fonction

f(u) = e^(- u/δ)cos(ωt - u/δ)

En déduire l'expression de la valeur efficace

I_(eff)

de ce courant en fonction de

p, j_0

δ

.
Q7. Rappeler l'expression de la puissance volumique instantanée dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique. L'intégration de cette grandeur sur le volume du conducteur, non demandée ici, permet de déterminer l'expression de la puissance moyenne dissipée par effet Joule dans ce conducteur :

P_(Joule) = (j_0^2 phδ)/(4γ)

.
Exprimer la résistance du conducteur en fonction de

h, p, γ

δ

et interpréter la dénomination «épaisseur de peau» associée à la grandeur

δ

Dans les questions suivantes, on considère le conducteur parcouru par un courant sinusoïdal de valeur efficace

I_(eff)

fixée.

Q8. Que peut-on dire de

P_(Joule)

dans le cas d'une conductivité infinie ? D'une conductivité nulle ?
Q9. Comparer

P_(Joule)

à haute et à basse fréquences. La résistance du conducteur dépend de la fréquence

f

suivant la loi :

R(f) = R(f_0) \times (f/(f_0))^α

, où

f_0

est une fréquence de référence quelconque. Déterminer la valeur de l'exposant

α

Partie II - Machine à Courant Continu (M.C.C.)

Dans les machines électriques, le principe de la conversion d'énergie électromécanique repose sur l'interaction entre le champ magnétique créé par l'inducteur et le courant électrique circulant dans l'induit.

Le circuit magnétique en fer amplifie et canalise les lignes de champs magnétiques. Il comporte un entrefer séparant la partie statique (le stator) de la partie en rotation (le rotor).
Dans une M.C.C. à stator bobiné, l'inducteur comporte un grand nombre de spires en série, alimentées par un courant continu de faible intensité, notée iexc. Par l'intermédiaire de pièces polaires, ce courant crée un champ radial dans l'entrefer.
Le rotor ou induit est constitué de plusieurs spires plates, connectées en parallèle les unes avec les autres. Il est alimenté par une source de tension continue qui délivre un courant d'intensité I importante.

On recherche dans cette partie à identifier la constante de temps électrique

τ_e

de l'induit d'une M.C.C..

Le bornier de la machine (figure 3) fait apparaître deux couples de bornes, l'un correspondant à l'induit et l'autre à l'inducteur. Ils sont dénommés couple A et couple B .

Figure 3 - Bornier de la M.C.C.

Dans une première expérience, on mesure pour deux fréquences différentes, à l'aide d'un impédance-mètre, à la fois la résistance

R

et l'inductance

L

des deux enroulements de la M.C.C.. Les mesures sont regroupées dans le tableau 1.

	Couple A	Couple B
$f = 120 Hz$	$R_A = 4, 61Ω; L_A = 3, 30mH$	$R_B = 160Ω; L_B = 822mH$
$f = 1kHz$	$R_A = 8, 82Ω; L_A = 3, 07mH$	$R_B = 920Ω; L_B = 568mH$

Tableau 1 - Mesures de résistances et d'inductances

Q10. Quel couple de bornes A ou B correspond a priori aux enroulements de l'induit?Aux enroulements de l'inducteur?

Q11. Comment expliquez-vous que les résistances puissent augmenter avec la fréquence ? En électromagnétisme, rappeler l'équation locale de Maxwell-Faraday ainsi que la loi de Lenz. Comment expliquez-vous que les inductances puissent diminuer avec la fréquence ?

Dans une seconde expérience, on a bloqué le rotor de la machine. On a ensuite imposé entre les deux bornes du couple A, un échelon de tension d'amplitude

V_0 = 10 V

, à l'aide d'une alimentation extérieure. On a relevé (figure 4), à l'aide d'un capteur à effet Hall, le courant

I_A(t)

circulant dans l'enroulement correspondant au couple de bornes A.

Figure 4 - Réponse à un échelon de tension, rotor bloqué

Q12. Justifier la nécessité de bloquer le rotor de la M.C.C..
Évaluer alors les valeurs de la résistance

R

, de l'inductance

L

et de la constante de temps électrique

τ^'_e

de l'association alimentation-M.C.C..
Ces valeurs sont-elles compatibles avec les relevés de la première expérience ?

Partie III - Commande de la machine

Dans une M.C.C., la force électromotrice (f.e.m.) induite est proportionnelle à la vitesse de rotation de la machine. La source d'énergie est généralement une source de tension constante notée Uo. Il convient donc de l'associer à un convertisseur statique pour pouvoir faire varier la vitesse de rotation de la machine.

Q13. Un étudiant E1 propose d'intercaler, entre la source de tension continue

U_0

et la M.C.C., un pont diviseur de tension résistif composé d'une résistance

R_1

et d'une résistance

R_2

variable (figure 5).

Figure 5 - Pont diviseur résistif

Exprimer, en supposant l'impédance de la M.C.C. grande devant la résistance

R_2

, la tension

V_(M.C.C.)

, aux bornes de la M.C.C., en fonction de

U_0

, de

R_1

et de

R_2

Q14. Un étudiant E2 suggère au contraire d'utiliser un pont diviseur de tension capacitif, dont la capacité du condensateur 2 est réglable (figure 6).

Figure 6 - Pont diviseur capacitif

Exprimer, en supposant l'impédance de la M.C.C. grande devant celles des capacités, la tension

V^'_(M.C.C.)

, aux bornes de la M.C.C., en fonction de

U_0

, de

C_1

et de

C_2

Q15. Un étudiant E3 suggère d'utiliser un amplificateur linéaire qui fonctionne en comparateur, de façon à délivrer sur une période

T

de hachage (figure 7) une tension hachée

U_l

d'amplitude

+ V_(sat)

pour

t \in [0; αT]

et d'amplitude

- V_(sat)

pour

t \in [αT; T]

Figure 7 - Tension hachée

U_l

Déterminer en fonction de

α

et de

V_(sat)

, la valeur moyenne

V_(moy)

de la tension hachée

U_l

.
Q16. Présenter les avantages et les inconvénients de ces trois propositions en une dizaine de lignes au maximum.

Industriellement, la source de tension continue d'amplitude

U_0

est connectée à la M.C.C. par l'intermédiaire d'un hacheur. On considère ici un hacheur série (figure 8), comprenant deux composants de puissance : un transistor T et une diode D .

Figure 8 - Montage avec hacheur série

Le transistor est utilisé en commutation par l'intermédiaire d'une tension de commande

V_(com)

. On désire obtenir la tension hachée

U_2

., représentée sur la figure

9

. On note

α^'

le rapport cyclique du hacheur et

f_h

la fréquence de hachage (

f_h = 1/(T_h)

Figure 9 - Tension hachée

U_2

Pour faire simple, on admettra que le transistor est passant lorsque

V_(com) = + 15 V

et qu'il est bloqué lorsque

V_(com) = - 15 V

On s'intéresse ici au circuit électronique qui permet de générer la tension de commande

V_(com)

du hacheur série.

Dans tout le sujet, les amplificateurs linéaires (A.Li.) sont supposés d'impédance d'entrée infinie et d'impédance de sortie nulle. En mode linéaire, leur gain est considéré comme infini. On note

\pm V_(sat)

leur tension de saturation, avec

V_(sat) = 15 V

.
On considère le circuit de commande de la figure 10. La résistance

R_3

est une résistance variable, les deux autres résistances sont de valeurs fixes.

Figure 10 - Circuit de commande du hacheur

Q17. Préciser pour chacun des amplificateurs linéaires, s'il fonctionne, a priori, en régime linéaire ou saturé.
Q18. Déterminer, en fonction de

R_3

C

, la fonction de transfert

H_-(jω) = (V_A)/(V_B_-)

du montage lié à l'amplificateur linéaire A.Li.1. Quelle est la fonction réalisée par cette partie du montage ?

Q19. Quelle fonction réalise le montage lié à l'amplificateur linéaire A.Li.2. ?
Q20. On suppose que

V_A(t = 0) = (R_4 V_(sat))/(R_5)

. En veillant à indiquer toutes les informations nécessaires, tracer sur un même graphe, l'allure des deux tensions

V_A

V_B

en fonction du temps. Comment sont modifiées ces tensions lorsqu'on augmente la résistance

R_3

Dans la suite du sujet, on suppose

R_5 = 2R_4

.
Q21. On connecte le point A du circuit précédent (figure 10) au point C du circuit décrit sur la figure 11. Un potentiomètre relié à un ensemble de deux condensateurs et une source de tension constante

V_m = 15 V

, permettent d'imposer le potentiel de l'entrée non inverseuse de l'amplificateur linéaire A.Li.3. On a ainsi :

V^+ = βV_m

Figure 11 - Circuit supplémentaire

Sur quel intervalle varie la grandeur

β

? Dessiner l'allure de la tension

V_D(t)

dans les deux cas correspondant à

β = 1/3

β = - 1/3

Q22. La tension

V_D(t)

est utilisée pour commander le transistor du hacheur série qui alimente la M.C.C., on a ainsi :

V_(com)(t) = V_D(t)

. Préciser les relations qui relient la fréquence de hachage

f_h

et le rapport cyclique

α^'

du hacheur aux différents éléments présents dans les circuits électroniques représentés sur les figures 10 et 11.

Partie IV - Aspects thermiques

En cours de fonctionnement, un transistor dissipe de l'énergie, il se comporte comme une source de chaleur de puissance

P_s(t)

. Il est encapsulé dans un boîtier (figure12) que l'on supposera ici en contact avec le milieu atmosphérique.
On note

C_t

la capacité thermique du transistor et

C_b

celle du boîtier. La conductance thermique transistor-boîtier est notée

G_(tb)

et celle du boîtier-extérieur est notée

G_(be)

. Les températures du transistor et du boîtier sont respectivement notées

T_t(t)

T_b(t)

. La température de l'extérieur notée

T_(ext)

est constante.

Figure 12 - Transistor et boîtier

Q23. Rappeler brièvement le lien qui existe entre une résistance thermique et une conductance thermique. Préciser l'unité d'une conductance thermique.

Q24. En faisant un bilan thermique sur le transistor, écrire l'équation différentielle reliant

P_s(t)

T_t(t), T_b(t), C_t

G_(tb)

Q25. En faisant un bilan thermique sur le boîtier, écrire l'équation différentielle reliant

T_b(t), T_(ext)

C_b, G_(tb)

G_(be)

Q26. Une analogie thermique-électrique permet de construire le schéma électrique équivalent suivant (figure13).

Figure 13 - Schéma électrique équivalent

Remplacer les bulles

B_1, B_2

B_3

par les éléments électrocinétiques adéquats. Préciser à quoi correspondent les potentiels

V_1, V_2

V_3

Pour favoriser les échanges thermiques avec le milieu extérieur, les différents composants de l'électronique de puissance (diodes, transistors) sont généralement montés sur des radiateurs (figure 14).

Figure 14 - Composants et radiateurs

On se propose ici de dimensionner la taille d'une ailette de refroidissement appartenant à l'un de ces radiateurs. L'ailette (figure 15) est assimilée à un parallélépipède d'épaisseur

e = 2 mm

, de largeur

b = 10 cm≫e

et de longueur

a = 20 cm

Figure 15 - Ailette de refroidissement

On se place en régime stationnaire, la température sur la face de l'ailette située en

x = 0

est

T_0 = 65^\circC

, la température de l'air ambiant est

T_a = 15^\circC

.
Le transfert thermique conductif est supposé unidimensionnel dans la direction de l'axe Ox. Il obéit à la loi de Fourier. La conductivité thermique de l'ailette est :

λ = 16 W \cdot m^(- 1) \cdot K^(- 1)

. Le transfert thermique de l'ailette vers l'air ambiant est tel que la puissance thermique échangée par la surface latérale

dS

d'un élément de longueur

dx

est de la forme :

dP = h(T(x) - T_a)dS

où

h

une est constante de valeur numérique : 160 SI .

Q27. Quelle est l'unité de

h

? Pourquoi est-il nécessaire, pour notre étude, de décomposer le transfert thermique entre l'ailette et l'air ambiant en éléments infinitésimaux de longueur

dx

Q28. Établir l'équation différentielle vérifiée par

T(x)

en faisant apparaître une longueur caractéristique

L

qui s'exprime en fonction de

λ, e

h

. Calculer puis comparer les valeurs de

L

a

Q29. Expliquer pourquoi on peut considérer a comme infinie, puis déterminer le profil de température

T(x)

Q30. Exprimer en fonction de

T0, Ta, b, h, λ

e

la puissance thermique totale évacuée par l'ailette. Peut-on réduire la longueur de l'ailette sans diminuer sensiblement son efficacité ? Si oui, proposer une nouvelle longueur notée

a^'

. Commenter la forme des radiateurs apparaissant sur la figure 14.

Partie V - Le funiculaire

Un funiculaire (figure 16) est un moyen de transport en site propre. Il se compose généralement de deux rames circulant sur des rails en pente et dont la traction est assurée par un câble pour s'affranchir de la déclivité du terrain. Il est utilisé comme transport en commun, notamment en milieu urbain, pour la desserte d'un territoire communal au relief difficile. On le retrouve également dans certaines stations de montagne.

Figure 16 - Funiculaire

Les rames sont reliées par un ou plusieurs câbles. Le travail du poids de la rame descendante compense tout ou partie du travail du poids de la rame montante. L'énergie à fournir pour la traction reste ainsi relativement faible. Le moteur électrique actionnant le câble permet de fournir la puissance perdue par le frottement des roues sur les rails, celle perdue dans le système pouliecâble ainsi que celle, éventuellement nécessaire, pour vaincre la différence de poids entre les deux rames.

On considère un funiculaire motorisé par une M.C.C. dont les caractéristiques principales techniques sont regroupées dans le tableau 2.

Dénivelé :	250 m
Pente $^*$ maximale :	$30%$
Longueur développée :	1000 m
Débit de montée :	1500 personnes par heure
Vitesse d'exploitation :	$2 m \cdot s^(- 1)$

Tableau 2 - Caractéristiques du funiculaire

La pente est définie comme le rapport $(dl)/(dh)$ , où $dl$ correspond à une petite longueur de voie et $dh$ la petite différence d'altitude correspondante.

Les puissances électriques consommées lorsque les deux rames sont toutes les deux pleines ou toutes les deux vides sont très peu différentes et considérées toutes les deux égales à 4 kW .

Q31. Estimer, en prenant les initiatives qui s'imposent, la puissance électrique consommée lorsque la rame de montée est pleine et la rame de descente demi-pleine.

Q32. Que pensez-vous de l'utilisation d'un hacheur série pour alimenter la M.C.C. du funiculaire ? Vous expliciterez en particulier le cas où la rame de descente est pleine et la rame de montée peu chargée et vous proposerez une ou des solution(s) pour récupérer l'énergie dans cette configuration.

Partie VI - Chlore et eau de Javel

Classification périodique des éléments

Q33. À quelle période et quelle colonne appartiennent les éléments

_(11)^(23)Na

_(17)^(35, 5)Cl

? Préciser la configuration électronique du chlore dans son état fondamental.

Q34. À quelle famille ou groupe appartient le sodium ? Le chlore ? Citer deux autres éléments appartenant à la même famille que le chlore.

Solubilité du chlorure de sodium en solution aqueuse

On appelle solubilité d'une espèce la quantité maximale de cette espèce initialement solide qu'on peut dissoudre dans un litre d'eau. Cette quantité est maximale lorsqu'il reste à l'équilibre une partie du solide non dissoute. La solubilité est notée

s

et s'exprime usuellement en

mol \cdot L^(- 1)

On se propose de déterminer expérimentalement la solubilité du chlorure de sodium en solution aqueuse à température ambiante.

Dans un bécher contenant 100 mL d'eau, on ajoute environ 60 g de chlorure de sodium. Bien qu'on agite suffisamment longtemps, il reste une partie du solide qui ne s'est pas dissout. On filtre et on récupère le filtrat qu'on dilue au millième. La mesure de la conductance de cette solution diluée donne

G = 780μ S

On a réalisé par ailleurs la courbe d'étalonnage

G = f(C)

pour différentes solutions de chlorure de sodium (figure 17), avec

C

la concentration exprimée en

mmol \cdot L^(- 1)

Figure 17 - Courbe d'étalonnage

Q35. De quoi dépend la conductivité électrique d'une solution ? Laquelle des deux cellules A ou B , photographiée (figure 18) est associée au conductimètre ? À quel type de mesure peut servir l'autre cellule?

Figure 18 - Cellules

Q36. Déterminer la solubilité

s

du chlorure de sodium à température ambiante.

Diagramme potentiel - pH ( $E - pH$ ) du chlore et de l'iode

Les espèces prises en compte dans les diagrammes

E - pH

du chlore et de l'iode (figure 19) sont respectivement

HClO, Cl^-, ClO^-, Cl_(2aq)

I_(2(aq)), IO_3^-, I^-

.
Ces diagrammes sont construits pour une concentration totale en espèce dissoute de

0, 1 mol \cdot L^(- 1)

Figure 19 - Diagrammes E-pH du chlore et de l'iode

Q37. Préciser le nombre d'oxydation du chlore dans chacune des espèces considérées. Associer à chacun des domaines (

A, B, C, D

) une espèce chimique du chlore.

Dosage d'une eau de Javel

Une eau de Javel est une solution basique supposée équimolaire de

Cl^-

et de

ClO^-

. On désire vérifier, à l'aide d'un dosage, la concentration

C_0

ClO^-

Cl^-

d'un produit commercial.

Rappels

On rappelle que le diiode est soluble dans l'eau en présence d'une quantité suffisante d'iodure de potassium et prend alors une couleur jaune brunâtre. Il forme en présence d'empois d'amidon un complexe de couleur bleue.
Attention le dichlore gazeux est un produit dangereux.

Protocole

Étape 1 : on dilue d'un facteur 100 le produit commercial. On prélève ensuite un volume

V_(init)

de solution diluée.
Étape 2 : on ajoute de l'iodure de potassium (

K^+, I^-

) en excès.
Étape 3 : on acidifie la solution en ajoutant quelques gouttes d'une solution d'acide chlorhydrique concentrée. La solution prend alors une couleur jaune brunâtre.
Étape 4 : on ajoute une faible quantité d'empois d'amidon pour que le dosage ne soit pas perturbé. La solution est alors de couleur bleue intense.

Étape 5 : on dose alors la solution par une solution de thiosulfate de sodium

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

de concentration connue

C_l

. On note

é V_(éq)

le volume de thiosulfate versé à l'équivalence, repéré par le changement de couleur.

Q38. Écrire l'équation bilan de la réaction chimique qui s'est produite lors de l'étape 2. Pourquoi faut-il mettre de l'iodure de potassium en excès ?

Q39. Écrire l'équation bilan de la réaction chimique qui s'est produite lors de l'étape 3. Quel nom porte cette équation d'oxydo-réduction?

Q40. Pourquoi ne fallait-il pas acidifier la solution avant l'ajout de l'iodure de potassium ?
Q41. Écrire l'équation bilan de la réaction qui a lieu avec le thiosulfate de sodium.
Q42. Déterminer la concentration

C_0

en fonction de

V_(init), V_(e˙q˙)

C_l

FIN

Questions fréquentes

4 questions

Sur quels chapitres porte le sujet CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Sur la conduction électrique et l'effet de peau, la machine à courant continu, l'électronique de commande d'un hacheur, la diffusion thermique, une résolution de problème énergétique sur un funiculaire, et en chimie l'oxydoréduction, les diagrammes E-pH et la conductimétrie.

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Le manque de justification, la confusion entre loi de Lenz et loi de Faraday, des erreurs de signe et d'homogénéité dans les bilans thermiques et une chimie des solutions mal maîtrisée.

Le sujet CCINP Physique-Chimie PSI 2020 était-il sélectif ?

Oui. Le jury indique un rapport moyenne sur écart-type proche de 2,5 et en conclut que l'épreuve a été sélective.

Comment sont notées les questions ouvertes en CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Une réponse même partielle a été valorisée si elle restait sérieuse. Le jury juge toutefois la rédaction de ces résolutions de problème trop fantaisiste.

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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PSI

PHYSIQUE - CHIMIE

Lundi 4 mai : 14h − 18 h

RAPPEL DES CONSIGNES

Les calculatrices sont interdites

Machine à courant continu et Hacheur Application au funiculaire Chlore et eau de javel

Partie I - Conducteur ohmique

Conducteur ohmique cylindrique en régime stationnaire

Partie II - Machine à Courant Continu (M.C.C.)

Partie III - Commande de la machine

Partie IV - Aspects thermiques

Partie V - Le funiculaire

Partie VI - Chlore et eau de Javel

Classification périodique des éléments

Solubilité du chlorure de sodium en solution aqueuse

Diagramme potentiel - pH ( E − pH ) du chlore et de l'iode

Dosage d'une eau de Javel

Rappels

Protocole

FIN

Questions fréquentes

Sur quels chapitres porte le sujet CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Le sujet CCINP Physique-Chimie PSI 2020 était-il sélectif ?

Comment sont notées les questions ouvertes en CCINP Physique-Chimie PSI 2020 ?

Commentaires• CCINP Physique Chimie PSI 2020

Commentaires• CCINP Physique Chimie PSI 2020

Lundi 4 mai : $14h - 18 h$

Machine à courant continu et Hacheur
Application au funiculaire
Chlore et eau de javel

Diagramme potentiel - pH ( $E - pH$ ) du chlore et de l'iode