Physique chimie, une odeur de soufre dans l'air, les ondes mécaniques,
étude d'une centrale hydroélectrique.
E3C : enseignement de spécialité première générale.

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Une odeur de soufre dans l'air.
Des algues provenant de la haute mer s’échouent sur les côtes martiniquaises. Ces algues ne sont pas toxiques en elles-mêmes. Mais elles meurent une fois échouées sur les plages. Des dégagements importants de gaz sont produits lors de leur décomposition, notamment du sulfure d’hydrogène H2S, qui provoquent des nuisances olfactives et des troubles sanitaires.
On se propose d’étudier la structure la molécule de sulfure d’hydrogène ainsi que ses propriétés et de les comparer à celles d’autres molécules connues.
1. L'oxygène, le soufre et le sélénium appartiennent à la même colonne du tableau périodique.
1.1. Établir le schéma de Lewis de la molécule de sulfure d’hydrogène, H2S, et proposer une géométrie de cette entité. Justifier votre raisonnement.

type AX2E2 : 2 paires liantes et deux doublets non liants autour de soufre, atome central.
Ces 4 paires se disposent autour de l'atome central, de telle manière que les répulsions soient minimales.La molécule de sulfure d'hydrogène à la forme d'un V : l'angle est inférieur à 109 ° 28 , la répulsion entre les doublets non liants étant plus importante que la répulsion entre les doublets liants.
1.2. La molécule de sulfure d’hydrogène est-elle polaire ? Justifier votre réponse.
L'atome de soufre porte deux paires d'électrons non liantes. l'atome de soufre est un peu plus électronégatif que l'atome d'hydrogène. La molécule de sulfure d'hydrogène est polaire.
2. La solubilité d’une espèce chimique est la concentration maximale de cette espèce que l’on peut dissoudre dans l’eau. Elle dépend de la température. Le tableau ci-dessous indique la solubilité du gaz H2S dans l’eau, ainsi que celles d’autres espèces chimiques à la pression atmosphérique et à une température de 25°C.
nom
 formule
 solubilité ( mol / L)
diiode
 I2
 1,3 10-3
sulfure d'hydrogène
 H2S
 2,5
ammoniac
 NH3
 50
Proposer une interprétation pour expliquer l’évolution de la solubilité dans l’eau des espèces chimiques ci-dessus. Une argumentation détaillée est attendue.
Le diiode n'est pas polaire. L'eau est un solvant polaire. Le diiode est peu soluble dans l'eau.
L'atome d'azote est plus électronégatif que l'atome de soufre : NH3 est une molécule plus polaire que H2S.
L'ammoniac est plus soluble dans l'eau que le sulfure d'hydrogène.
3. Des détecteurs de sulfure d’hydrogène ont été placés aux abords des rivages où s’échouent les sargasses. Certains de ces détecteurs contiennent des cellules électrochimiques. Il s’agit de capteurs dont le principe de fonctionnement repose sur une
transformation chimique modélisée par une réaction d’oxydo-réduction ; le sulfure d’hydrogène y est oxydé par le dioxygène de l’air. Les couples oxydants-réducteurs mis en jeu sont les suivants : H2SO4/H2S et O2/H2O.
On propose ci-dessous le schéma de Lewis de la molécule d’acide sulfurique H2SO4.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Sulfuric_acid_lewis.png
3.1.En comparant les schémas de Lewis des molécules de sulfure d’hydrogène H2S et d’acide sulfurique H2SO4, indiquer quelle est la particularité de l’atome de soufre dans la molécule d’acide sulfurique.
Dans l'acide sulfurique, l'atome de soufre ne possède pas de doublets non liants.
3.2.Montrer que l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique au sein du capteur est la suivante :
H2S + 2 O2 --> H2SO4.
H2S +4H2O -->H2SO4 +8H+ + 8e-.
 2 fois {O2 +4H+ +4e- --> 2H2O }.
Ajouter : H2S +4H2O +2O2 +8H+ +8e- -->H2SO4 +8H+ + 8e-+4H2O.
Simplifier : H2S +2O2   -->H2SO4 .
4. Le sulfure d’hydrogène produit lors de la décomposition des algues provient de la dégradation d’un acide aminé,
la L-Cystéine dont la formule semi-développée est représentée ci-contre.
4.1.À quelle famille de composés est associé le groupe caractéristique entouré sur la formule de la L-Cystéine ?
Le groupe carboxyle entouré est associé à la famille des acides carboxyliques.
4.2.Les groupes caractéristiques présents dans cette molécule peuvent être identifiés grâce à la spectroscopie infrarouge (I.R.).
Justifier ce spectre reproduit puisse correspondre à la L-Cystéine.

5. De nombreuses solutions sont envisagées afin de traiter les sargasses collectées après chaque échouage. Notamment, la combustion des algues afin de produire de l’énergie électrique.
L’un des inconvénients de la combustion de la sargasse est que le sulfure d'hydrogène et son produit de combustion, le dioxyde de soufre, SO2, réagissent avec les métaux et forment des produits noirs à leur surface.
 .Sachant que l’eau est l’autre produit de la combustion de H2S, écrire l’équation de la réaction modélisant la combustion du sulfure d’hydrogène dans l’air.
H2S(g) +1,5 O2(g) --> SO2(g) + H2O(g).
5.2.A partir des données, évaluer l’énergie molaire de la combustion du sulfure d’hydrogène. Le schéma de Lewis du dioxyde de soufre est représenté ci-contre.
Liaisons rompues : 2 liaiosns S-H, 1,5 liaisons O=O.
Liaisons créées : 2 liaisons O-H et 2 liaisons S=O.
E =2 D S-H +1,5 DO=O -2( DS=O +DO-H).
E = 2 x350 +1,5 x500 -2(550 +450) = -550 kJ / mol.
5.3.Cette transformation est-elle endothermique ou exothermique ? Justifier votre réponse.
 E est négatif, la réaction de combustion de H2S est exothermique.


Les ondes mécaniques.
Partie 1 : fabriquer des vagues artificielles lors des JO de 2024.
1. Définir d’une onde mécanique.
Une onde mécanique est la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel avec transport d'énergie, sans transport de matière.
2. À partir des informations contenues dans l’énoncé, déterminer la valeur de la fréquence des vagues formées, puis en déduire la périodicité temporelle.
Une technologie inédite permettra d’obtenir 1 000 vagues par heure.
1000 / 3600 = 0,278 vagues par seconde.
Fréquence f = 0,278  Hz ; période T =1/ f = 3600 / 1000 = 3,6 s.
3. En exploitant le document ci-dessus, déterminer la période spatiale des vagues formées.

l = 75,4 / 5 ~ 15 m.
4. En déduire la vitesse de propagation de cette onde.
v = l / T =15 /3,6 ~4,2 m /s.

Partie 2 : les tsunamis aux vagues destructrices.
Les tsunamis se forment généralement à la suite de divers phénomènes tels que les éruptions volcaniques sous-marines, les glissements de terrains, les chutes d’astéroïdes dans les océans. Le cas le plus fréquent reste celui des séismes dont l’épicentre se trouve sous l’océan.
En 2011 un séisme de magnitude 9,0 a eu lieu au large du Japon. L’épicentre était localisé sous l’océan Pacifique, à 370 km du Nord-Est du Japon. Les études montrent que l’onde sismique, générée par le mouvement de subduction des deux plaques tectoniques avoisinantes, a atteint la côte japonaise 150 secondes après sa formation. Le séisme a été ressentie à 14 h 46 min 00 s heure locale soit à 5 h 46 min 00 s dans l’échelle de temps universel.
Ce séisme sous-marin a été à l’origine d’un énorme tsunami qui traversa tout l’océan pacifique. De nombreux pays ont été touchés par la houle. C’est le cas d’une des îles de l’archipel des marquises. En effet, l’île de Nihu ku Hiva a été touchée à 17 h 49 min 00 s dans l’échelle de
temps universel. Cette île se trouve à 9 900 km de l’épicentre du séisme.
Temps universel : il s’agit de l’heure de référence internationale.
1. Déterminer l’heure à laquelle s’est formé le tsunami au large du Japon.
5 h 46 min 00 s -150 s = 5 h 43 min 30 s dans l'échelle du temps universel.
2. En déduire la valeur de la vitesse moyenne de propagation v1 de l’onde sismique, l’exprimer en m.s-1.
370 103 / 150 = 2,47 103 m /s.
3. Déterminer la valeur de la vitesse moyenne v2 de propagation du tsunami en m.s-1.
17 h 49 min 00 s -5 h 43 min 30 s = 12 h 5 min 30 s soit 43530 s.
v2 = 9 900 103 / 43 530 ~217 m / s.

On considère que le document précédant représente le cas du tsunami de Nihu ku Hiva. En supposant la valeur de la vitesse moyenne v2 de propagation des vagues à la surface de l’eau constante, déterminer la durée dont dispose un habitant au bord de mer pour se mettre à l’abri
dès lors que la mer se retire.
 8 103 / 217 ~37 s.

 

Etude d'une centrale hydroélectrique.
La retenue, où est stockée l’eau à turbiner, est le barrage de Record. L’eau est acheminée par une conduite d’amenée (2)et passe brièvement dans une chambre d’équilibre de forme cylindrique (3) et est envoyée sur deux turbines identiques (5) par une conduite forcée (4).
Le niveau des turbines est pris comme référence des altitudes.

Description du système :
Cette centrale hydroélectrique est une centrale gravitaire de moyenne chute avec deux turbines délivrant une puissance électrique globale Pél = 20 MW.
La chambre d’équilibre est une zone tampon utilisée lors des démarrages et des arrêts de la centrale hydroélectrique.
Le barrage de Record peut contenir un volume d’eau V = 1,0 million de m3.
1.1. Sachant que la profondeur de l’eau au niveau du barrage est de AB = zB - zA = 12,4 m, montrer que la pression à l’altitude A, PA, est égale à 2,2×10 5 Pa.
PA - PB = reau g (zB-zA) =1,0 103 x9,8 x12,4 =1,215 105 Pa.
PB = 1,01 105 Pa, pression atmosphérique.
PA = (1,215 +1,01) 105 ~2,2 105 Pa.
1.2. La pression moyenne exercée sur l’ensemble du barrage peut être assimilée à la pression à mi-hauteur (point G du schéma n°1). Calculer la valeur de la pression moyenne Pmoyenne.
Pmoyenne - PB = reau g (zB-zG) =1,0 103 x9,8 x 6,2 =6,076 104 Pa.
PB = 1,01 105 Pa, pression atmosphérique.
PG = (0,6076 +1,01) 105 ~1,6 105 Pa.
1.3. En déduire la valeur de la force exercée par l’eau sur la totalité du barrage de forme rectangulaire de surface S dont la largeur moyenne vaut ℓ = 70 m.
S = 70 x 12,4 =868 m2.
F = S PG = 868 x1,6 105 =1,4 108 N.
1.4. Reproduire le schéma n°1 simplifié et représenter la force exercée par l’eau sur le barrage au point G avec pour échelle : 1 cm pour 4,0×10 7 N.

2. Étude mécanique.
On s’intéresse dans cette partie à une masse d’eau m = 20 tonnes qui sort du barrage pendant une durée Dt = 1,0 s. L’énergie potentielle de pesanteur est choisie nulle au niveau des
turbines.
2.1. Donner l’expression littérale de l’énergie potentielle de pesanteur EPPB de cette masse d’eau stockée au point B du barrage de Record. Montrer que la valeur de cette énergie
potentielle est EPPB = 2,7 × 10 7 J.
EPPB = mg zB =20 103 x9,8 x 136,4 =2,67 107 ~2,7 107 J.
2.2. La valeur de la vitesse de cette masse d’eau vB au point B est supposée nulle, en déduire la valeur de l’énergie mécanique EmB de cette masse d’eau au point B.
EmB = 2,7 107 J.
2.3. En supposant que l’énergie mécanique se conserve, déterminer la valeur vC de la vitesse de l’eau au point C à l’entrée des turbines.
L'énergie potentielle de pesanteur est nulle en C.
EmC = ½mvC2 = 2,7 107  ; vC = (2 x 2,7 107 /(20 103))½ ~52 m /s.
2.4. La puissance cinétique de l’eau Pceau à l’entrée des turbines est l’énergie cinétique par unité de temps associée à l’eau qui rentre dans les turbines. Calculer la valeur de Pceau et
commenter le résultat obtenu.
Pceau = EmC / Dt = 2,7 107 W = 27 MW.
Puissance électrique globale = 20 MW.
Rendement : 20 / 27 = 0,74. C'est un assez bon rendement.

3. Étude électrique.
Consommation électrique des foyers français.
De la cafetière à la machine à laver en passant par le sèche-cheveux, la télévision et la lumière, l’électricité donne vie à la maison et se retrouve dans toutes les pièces. […]. L’électricité constitue donc un poste de dépenses d’énergie majeur. D’après l’analyse de marché de détail de l’électricité produite par la Commission de Régulation de l’Énergie au quatrième semestre 2016, plus de 32 millions de sites résidentiels avaient accès à l’électricité, pour une consommation annuelle totale de 158,6 TW.h. En 2017, la consommation électrique française atteint environ 4 710 kW.h par foyer (le foyer est le lieu où habite une famille). Source : d’après https://particuliers.engie.fr
Données : - 1 TW.h = 1×10 12 W.h ;  1 kW.h = 3,6×106 J.
3.1. Donner la forme d’énergie à faire apparaître dans chaque cadre.

3.2. Étant une source de production d’électricité d’appoint, la centrale fonctionne pendant une durée d’environ 3 500 h par an. Déterminer l’énergie électrique Eél, en kW.h produite
annuellement par cette centrale.
Puissance électrique globale Pél = 20 MW = 2,0 107 W.
Eél = 2,0 107 x 3500 =7,0 1010 Wh= 7,0 107 kWh.
 3.3. Déterminer le nombre de foyers que cette centrale peut approvisionner annuellement. Commenter.
7 107 / 4710 ~1,5 104 foyers, cela est loin d'être négligeable. Cela correspond à l'alimentation d'une grande ville ( 150 000 foyers ).
 


  

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