Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac

1. Constitution et transformations de la matière

Composition et évolution d'un système

Ouverture de thème p. 16-17

Ch. 1

Modélisation des transformations acide-base

Ch. 2

Analyse physique d'un système chimique

Ch. 3

Méthode de suivi d'un titrage

Ch. 4

Évolution temporelle d'une transformation chimique

Ch. 5

Évolution temporelle d'une transformation nucléaire

BAC

Thème 1

Prévision et stratégie en chimie

Ouverture de thème p. 146-147

Ch. 6

Évolution spontanée d'un système chimique

Ch. 7

Équilibres acide-base

Ch. 8

Transformations chimiques forcées

Ch. 9

Structure et optimisation en chimie organique

Ch. 10

Stratégies de synthèse

BAC

Thème 1 bis

2. Mouvement et interactions

Ouverture de thème

p. 290-291

Ch. 11

Description d'un mouvement

Ch. 12

Mouvement dans un champ uniforme

Ch. 13

Mouvement dans un champ de gravitation

Ch. 14

Modélisation de l'écoulement d'un fluide

BAC

Thème 2

3. Conversions et transferts d'énergie

Ouverture de thème

p. 402-403

Ch. 15

Étude d’un système thermodynamique

Ch. 16

Bilans d'énergie thermique

BAC

Thème 3

4. Ondes et signaux

Ouverture de thème

p. 462-463

Ch. 17

Propagation des ondes

Ch. 18

Interférences et diffraction

Ch. 19

Lunette astronomique

Ch. 20

Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

Ch. 21

Évolutions temporelles dans un circuit capacitif

BAC

Thème 4

Annexes

Ch. 22

Méthode

Chapitre 10

Exercices

Objectif Bac

29
Acide lévulinique

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement
✔ VAL : Faire preuve d'esprit critique

D'après le sujet Bac S, Liban, 2017.

L'acide lévulinique est synthétisé à partir de la cellulose présente dans les déchets agricoles.

Doc. 1
Déchets contenant de la cellulose

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Mironmax Studio/Shutterstock

déchets agricoles contenant de la cellulose formule brute

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Lelivrescolaire.fr

Doc. 2
Exemples de six synthèses de l'acide lévulinique

D'après Anna Maria Galetti et al.,
Levulinic Acid production from Waste Biomass, 2012.

Les matières premières utilisées pour les synthèses sont les suivantes :

Les catalyseurs utilisés sont l'acide chlorhydrique (voies 1, 2, 3, 4 et 5 à hauteur de 0,011 5 mol pour 1 mol de cellulose) et l'acide sulfurique (voie 6 à hauteur de 0,011 5 mol pour 1 mol de cellulose).

Synthèse	1	2	3	4	5	6
Titre massique en cellulose (%)	39,4	57,6	57,6	57,1	57,1	57,1
Irradiation micro-ondes	Oui	Non	Oui	Non	Oui	Non
Durée (min)	15	60	15	60	15	60
Rendement (%)	51	37	45,8	55,1	55,5	26,5

La cellulose est une macromolécule de formule brute

(C_{6} H_{10} O_{5})_{n}

. Pour optimiser la synthèse de I'acide lévulinique, les chercheurs ont réalisé six synthèses en faisant varier différents paramètres.

Chaque synthèse a été réalisée sous agitation à 200 °C. Un volume d'eau

V = 24

mL contenant le catalyseur en quantité désirée a été mélangé à une masse

m = 1,75

g de matière première (déchets agricoles) réduite en poudre sous atmosphère inerte de diazote.

1. Citer les paramètres que les chercheurs ont fait varier pour optimiser cette synthèse.

2. Identifier le paramètre favorisant le rendement de la synthèse qui est mis en évidence dans Ies synthèses

2 et 3

. Justifier.

3. Identifier le paramètre ayant une influence sur le rendement de la synthèse qui est mis en évidence par les synthèses

2 et 4

. Préciser son influence.

4. Choisir le catalyseur le plus adapté en le justifiant.

5. Proposer l'expérience, parmi celles proposées, qui correspond à la synthèse de l'acide lévulinique la plus « verte » possible. Justifier.

➜ Retrouvez plus d'exercices dans

le Livret Bac p. 270.

Données

Masses molaires : $M (motif de la cellulose) = 162,1$ g⋅mol^-1,
$M (acide l \overset{e}{ˊ} vulinique) = 116,1$ g⋅mol^-1 et
$M (acide m \overset{e}{ˊ} thano \overset{ı}{¨} que) = 46,0$ g⋅mol^-1

Masses volumiques : $ρ (motif de la cellulose) = 1, 50$ g⋅mL^-1,
$ρ (acide l \overset{e}{ˊ} vulinique) = 1,14$ g⋅mL^-1 et
$ρ (acide m \overset{e}{ˊ} thano \overset{ı}{¨} que) = 1,22$ g⋅mL^-1

Détails du barème
TOTAL /4 pts

0,5 pt

1. Identifier les trois paramètres qui varient dans les six synthèses.

0,25 pt

2. Identifier le seul paramètre différent entre les synthèses 2 et 3.

0,25 pt

3. Identifier le seul paramètre différent entre les synthèses 2 et 4.

0,5 pt

3. Identifier le rendement le plus important au regard du changement de ce paramètre.

0,5 pt

4. Identifier le rendement le plus important en fonction des deux catalyseurs proposés, tous les autres paramètres restant identiques.

1 pt

5. Identifier le seul principe de la chimie verte identifiable dans les propositions de synthèse.

1 pt

5. En déduire la synthèse la plus favorable parmi les six proposées.

30
Synthèse de la Met-enképhaline

✔ RAI/ANA : Construire un raisonnement
✔ APP : Extraire l'information utile

D'après le sujet Bac S, Nouvelle-Calédonie, 2013.

La Met-enképhaline (aussi appelée

Tyr - Gly - Gly - Phe - Met

) est un polypeptide construit à partir de cinq acides

α

‑aminés.

I. Enjeux et défis de la synthèse peptidique

1. Identifier les quatre acides

α

‑aminés différents nécessaires à la synthèse de la Met‑enképhaline.

2. Compléter l'équation de réaction ci‑dessous entre un acide carboxylique et une amine. Entourer et nommer le nouveau groupe caractéristique :
Cliquez sur l'équation pour l'agrandir. Une fois l'équation en plein écran, appuyez sur le bouton modifier pour la compléter.

réaction entre un acide carboxylique et une amine

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

3. En déduire le nombre de dipeptides susceptibles de se former en faisant réagir deux acides

α

-aminés différents ensemble.

Doc. 1
Exemple de séquence de protection-déprotection d'une fonction amine
Protection d'une fonction amine par le tert-butylcarbamate :

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

La déprotection qui permet de retrouver la fonction amine est assurée par la décomposition du produit obtenu en milieu acide à 25 °C :

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

II. Dernière étape de synthèse

On envisage la dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline à partir des deux réactifs suivants :

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

Avec la notation simplifiée des réactifs A et B :

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

Doc. 2
Exemple de séquence de protection-déprotection
Protection d'une fonction acide carboxylique par estérification :

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Crédits : Lelivrescolaire.fr

Cette réaction est équilibrée. Pour que la réaction puisse être considérée comme totale, il est nécessaire d'éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation à l'aide d'un montage de Dean-Stark.

La déprotection de la fonction est assurée par la réaction inverse, appelée hydrolyse, à l'aide d'un catalyseur acide et d'un grand excès d'eau.

Doc. 3
Suite de transformations chimiques de la dernière étape
1. Protection du réactif B.
2. Protection du réactif A.
3. Réaction entre le réactif A protégé et le réactif B protégé.
4. Déprotection du groupe amine.
5. Déprotection du groupe acide carboxylique.

1. Donner les formules topologiques des quatre polypeptides susceptibles de se former.

2. Déduire de la question précédente quel groupe de chacun des réactifs A et B doit être protégé afin d'obtenir uniquement la Met-enképhaline.

3. Compléter la suite de transformations chimiques du

doc. 3

à mettre en place afin de réaliser la dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline.

31
2,5-Diméthylfurane, carburant d'avenir

✔ APP : Maîtriser le vocabulaire du cours
✔ VAL : Respecter le nombre de chiffres significatifs

D'après le sujet zéro de première pour le Bac 2021, Éduscol.

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Crédits : Alf Ribeiro/Shutterstock

À eux seuls, les transports représentent un quart de la consommation d'énergie et un quart des émissions de gaz à effet de serre en France. De nombreuses recherches sont conduites pour produire des carburants de substitution aux carburants conventionnels issus du pétrole.

Ainsi des « agrocarburants » sont produits à partir de matière organique d'origine végétale : c'est le cas du « bioéthanol » qui est de l'éthanol obtenu par transformation de glucides issus de la betterave, du blé ou du maïs. Les glucides sont élaborés par les plantes lors de la photosynthèse à partir du dioxyde de carbone et de l'eau, en utilisant l'énergie des rayonnements solaires.

Ainsi l'équation de la réaction de photosynthèse du fructose de formule brute

C_{6} H_{12} O_{6}

s'écrit :

6 CO_{2} (g)

+ 6 H_{2} O (l)

⇄ C_{6} H_{12} O_{6} (aq)

+ 6 O_{2} (g)

Cet exercice s'intéresse à une espèce chimique prometteuse synthétisée à partir du fructose : le 2,5‑diméthylfurane, noté DMF.

1. Donner la nature de chacune des trois étapes du protocole de synthèse du HMF à l'aide de l'un des éléments de la liste suivante : transformation du ou des réactifs, isolement du produit synthétisé, purification du produit synthétisé.

2. Repérer dans le protocole expérimental les transformations physiques pour lesquelles un apport d'énergie est nécessaire.

3. Déterminer la valeur de la masse molaire moléculaire du HMF.

4. En supposant que le solide obtenu est du HMF pur, déterminer le rendement de la synthèse du HMF à partir du fructose.

Données

Masses molaires atomiques : $M (C) = 12,0$ g⋅mol^-1,
$M (O) = 116,1$ g⋅mol^-1, $M (H) = 1,0$ g⋅mol^-1 et $M (N) = 14,0$ g⋅mol^-1
Masses molaires moléculaires : $M (fructose) = 180,2$ g⋅mol^-1 et $M (DMF) = 96,1$ g⋅mol^-1

Doc. 1
Extrait du cahier de laboratoire Étapes de la synthèse du produit intermédiaire HMF réalisée à partir du fructose :

Étape 1 : introduction dans un ballon monocol rodé de 50 mL de 1,040 g de fructose, 600 μL d'eau ainsi que les catalyseurs : 150 mg de résine Amberlyst 15TM et 3 g de TEAB. Les catalyseurs sont ajoutés pour rendre plus rapide la transformation du fructose en HMF. Réalisation d'un montage à reflux, puis chauffage au bain‑marie à l'ébullition.

Étape 2 : une fois la transformation terminée, l'eau est vaporisée à l'aide d'un évaporateur rotatif.

Étape 3 : ajout au milieu réactionnel d'éthanol et d'éthanoate d'éthyle dans lesquels le HMF est soluble, alors que la résine Amberlyst et le TEAB ne le sont pas. Une filtration permet de retirer la résine Amberlyst et le TEAB du milieu réactionnel. Le filtrat est récupéré, il contient de l'éthanol et de l'éthanoate d'éthyle dans lequel est dissous le HMF. Les solvants du filtrat sont éliminés par vaporisation à l'aide de l'évaporateur rotatif. La masse du solide obtenu est égale à

m = 672

mg.

Doc. 2
Synthèse du 2,5‑diméthylfurane La synthèse chimique du 2,5‑diméthylfurane (noté DMF) à partir du fructose est représentée ci‑dessous :

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Lelivrescolaire.fr

Elle comporte deux transformations successives, la première conduisant à la synthèse d'un produit intermédiaire, le 5‑hydroxyméthylfurfural noté HMF.
L'équation de la réaction de synthèse du produit intermédiaire, HMF, à partir du fructose est la suivante :

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Lelivrescolaire.fr

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