Les nettoyages en archéologie : bac S Amérique du Sud 2014
 


On trouve dans le commerce des appareils de nettoyage utilisant des ultrasons. Le document 1 décrit la première page de la notice d’un exemple d’appareil de ce type.
Document 1 : - réservoir amovible en acier inoxydable
- fréquence des ultrasons 42 kHz à ± 2 %
- nettoyage facile des objets immergés dans l’eau sous l’effet des ultrasons
- utiliser de préférence de l’eau fraichement tirée du robinet.
Étude des ultrasons.
Données : - célérité des ultrasons dans l’air : v = 340 m.s−1 à 25 °C.
- célérité des ultrasons dans l’eau : v’ = 1500 m.s−1.
On souhaite étudier les ultrasons émis par l’appareil décrit. Pour cela, on isole l’émetteur E à ultrasons de cet appareil et on visualise le signal émis à l’aide d’un capteur relié à la voie 1 d’un oscilloscope. Les mesures sont faites dans l’air à la température de 20 °C. On obtient le signal uE suivant :

Déterminer la période T du signal. Expliquer la méthode.
T = 144/6 = 24 µs = 2,4 10-5 s.
En déduire la fréquence f des ultrasons. Comparer avec la valeur de référence.
f = 1/T = 1/(2,4 105) =4,17 104 ~42 kHz.
Cette valeur est en accord avec la valeur de référence.
On souhaite déterminer la longueur d’onde l des ultrasons. Pour cela, on visualise à la fois le signal émis par l’appareil et appliqué sur la voie 1 d’un oscilloscope et le signal uR reçu par un récepteur R à ultrasons connecté sur la voie 2 de cet oscilloscope. On part d’une situation où les signaux délivrés par l’émetteur E et par le récepteur R placé en face sont en phase. On s’aperçoit que lorsque l’on éloigne le récepteur R tout en restant en face de l’émetteur fixe E, la courbe qui correspond au récepteur se décale vers la droite. Les signaux obtenus sont représentés sur la figure 2 lorsque les courbes reviennent pour la première fois en phase. On détermine la distance dont on a déplacé le récepteur R lorsque l’on obtient la figure 2 page suivante, et on mesure 8 mm.

Définir la valeur de la longueur d’onde l.
La longueur d'onde ou période spatiale est la distance parcourue par l'onde durant une période T à la célérité v.
Déterminer la longueur d’onde l à partir de l’expérience précédente. Que peut-on faire pour augmenter la précision de la mesure ?
Lorsque uE et uR sont en phase pour la première fois, le récepteur s'est éloigné  de l'émetteur d'une distance égale à une longueur d'onde. l = 8 mm.
Lorsque uE et uR sont en phase pour la nième fois, le récepteur s'est éloigné  de l'émetteur d'une distance égale à  n longueur d'onde. Si on prend n = 10, on améliore la précision.
Calculer la célérité v des ondes ultrasonores dans l’air. Expliquer un écart éventuel avec la valeur attendue.
v =l f = 8 10-3 *
4,17 104 ~333,6 ~3 102 m/s.
Ecart relatif : (3,4-3,336) / 3,4 ~ 2 %.
L'écart est faible et provient sans doute de l'imprécision sur la longueur d'onde
En utilisation normale de l’appareil, la longueur d'onde des ultrasons est différente de la valeur obtenue ci-dessus  et vaut 4 cm. Expliquer cette différence.
Lors du nettoyage des objets, les ultrasons sont émis dans l'eau et non pas dans l'air.
 leau = veau / f = 1500 / (4,2 104)= 3,57 10-2~3,6 cm.


Comment cela fonctionne ?
Le bain à ultrasons est composé d’une cuve contenant de l’eau dans lequel sont plongées les pièces à
nettoyer. Sur les parois, un transducteur à ultrasons génère des phases successives de compression
et dépression dans le liquide qui se propagent de proche en proche dans le liquide. Des microbulles
apparaissent, on appelle ce phénomène la « cavitation acoustique ». L’implosion1 de ces bulles, pendant la phase de
compression, crée des turbulences qui détachent les impuretés de la pièce à nettoyer.
1 Implosion : écrasement brutal d’un corps creux sous l’effet d’une pression extérieure supérieure à la pression
intérieure.
Les ondes ultrasonores sont-elles des ondes mécaniques ?
Les ondes sonores ne peuvent se propager que dans un milieu matériel : ce sont donc des ondes mécaniques.
Choisir parmi les grandeurs suivantes celle qui permet de différencier les ondes ultrasonores et les ondes sonores.
Niveau d’intensité sonore - timbre - fréquence - vitesse de propagation dans le même milieu à la même température.

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Nettoyage chimique.
On souhaite nettoyer des pièces de monnaie en utilisant du vinaigre blanc de degré 8 °. Le vinaigre blanc est une solution d’acide éthanoïque de concentration molaire C0 et le degré de vinaigre est la masse d’acide éthanoïque contenue dans 100 grammes de vinaigre. Les pièces en argent et en or ne sont pas altérées par l’acide éthanoïque. Il en est de même pour le cuivre. En revanche, les acides réagissent sur les métaux comme le fer, le zinc, le nickel, l’aluminium et ils attaquent les oxydes métalliques.
Dessiner la formule développée de l’acide éthanoïque en justifiant la chaine carbonée et le groupe caractéristique représentés.
"éthan" : la chaîne carbonée compte deux atomes de carbone.
Écrire l’équation de la réaction chimique de l’acide éthanoïque avec l’eau.
CH3-COOH aq + H2O(l) = CH3-COO-aq + H3O+aq.
On souhaite vérifier le degré d’acidité du vinaigre. Pour cela on dose VA = 10,0 mL de vinaigre dilué dix fois avec une solution d’hydroxyde de sodium de concentration CB = 0,100 mol.L−1. On ajoute au vinaigre dilué quelques gouttes de phénolphtaléine.
Rédiger avec précision le protocole à mettre en oeuvre pour diluer le vinaigre.
Prélever 10,0 mL de vinaigre à l'aide d'une pipette jaugée de 10,0 mL et introduire ce prélèvement dans une fiole jaugée de 100,0 mL contenant 1/3 d'eau distilée.
Rincer la pipette à l'eau distillée que l'on verse dans la fiole jaugée. Compléter la fiole jaugée jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée. Boucher et agiter pour rendre homogène.
À quoi sert la phénolphtaléine ?
C'est un indicateur coloré acido basique permettant de repèrer l'équivalence.
À l’équivalence, on obtient un volume d’hydroxyde de sodium ajouté VBéq = 13,3 mL : le titrage effectué donne-t-il un résultat qui valide l'inscription sur l'étiquette du vinaigre blanc concernant le degré d'acidité ?
A l'équivalence
CB VBéq = C VA ; C =CB VBéq / VA= 0,100*13,3 /10,0 = 0,133 mol/L.
Compte tenu de la diulution C0 = 10*0,133 = 1,33 mol/L.
M(vinaigre) = 60 g/mol ; densité du vinaigre ~ 1 ; il y a donc 60*1,33 = 79,8 ~80 g d'acide éthanoïque dans 1,0 kg de vinaigre.
Le degré du vinaigre est donc : 8°. Cette valeur est en accord avec celle mentionnée sur l'étiquette.
Certaines pièces anciennes contenant du fer, de l’aluminium ou du nickel, il est préférable de ne pas les nettoyer avec du vinaigre. Donner l’une des raisons qui peuvent justifier ce conseil en appuyant votre affirmation par l’équation de la réaction chimique correspondante.
Réaction entre un métal M et les ions H+ : Fe(s) + 2 H+(aq) → Fe2+(aq) +  H2(g).
Les métaux Fe, Al, Ni peuvent être détruits en milieu acide.





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