Physique chimie, engager la transition vers une mobilité plus propre, un antiseptique, l'eau oxygénée, séisme : comment localiser son épicentre. E3C : enseignement de spécialité première générale. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts. . . Engager la transition vers une mobilité plus propre. L’objectif de cet exercice est d’étudier deux solutions mises en oeuvre aujourd’hui pour limiter l’impact écologique du transport routier. 1. L’évolution du parc automobile français. Le projet de « loi mobilités » fixe la fin des moteurs à combustion en 2040. Cet objectif sans précédent annonce de profonds changements pour les constructeurs automobiles. 1.1. Définir une réaction de combustion. Les combustibles fossiles brûlent dans le dioxygène de l'air en donnant du dioxyde de carbone et de l'eau. Il peut également se former des oxydes d'azote. Cette réaction chimique est exothermique. 1.2. Expliquer pourquoi les constructeurs automobiles sont encore aujourd’hui dans l’obligation de développer des moyens pour limiter les polluants rejetés par les véhicules fonctionnant à partir d’une réaction de combustion. Les vehicules utilisant l'essence ou le diesel représentent aujourd'hui près de 93 % du parc automobiles. Les véhicules hybrides et électriques ne représentent encore que 7 % de ce parc. La transition vers l'hybride ou l'électrique est très lente. Les constructeurs doivent donc mettre en oeuvre des moyens pour limiter les polluants rejetés par les véhicules essence ou diesel. 2. Cas des moteurs fonctionnant à l’essence : le bioéthanol. Face à la hausse des coûts des produits pétroliers et pour limiter l’impact écologique, l’usage de carburants obtenus à partir de végétaux cultivés ou de résidus de cultures vivrières(1) se développe. Ces carburants sont appelés « biocarburants » ou encore « agrocarburants ». Pour les véhicules à essence, il est possible d’ajouter de l’éthanol (« bioéthanol ») à l’essence usuelle ; depuis l’année 2010, les véhicules neufs peuvent rouler avec un carburant contenant jusqu’à 10 % d’éthanol et nommé 95-E10. (1) cultures vivrières : se dit des cultures dont les produits sont destinés à l'alimentation humaine 2.1. Obtention du « bioéthanol ». Les végétaux contiennent des sucres (comme le saccharose). L’hydrolyse du saccharose C12H22O11, réaction du saccharose avec de l’eau, donne du glucose et du fructose, composés chimiques de même formule brute C6H12O6. Ensuite, la fermentation du glucose permet d’obtenir de l’éthanol et du dioxyde de carbone. 2.1.1. Écrire l’équation de la réaction modélisant l’hydrolyse du saccharose et celle modélisant la fermentation du glucose. Hydrolyse : C12H22O11 + H2O --> 2 C6H12O6. Fermentation du glucose : C6H12O6 -->2C2H6O + 2CO2. 2.1.2. Pour extraire l’éthanol du moût de fermentation, une distillation est nécessaire. Parmi les deux montages proposés, identifier le montage à utiliser puis annoter-le. 2.2. Énergie molaire de la réaction de combustion de l’éthanol La combustion de l’éthanol est modélisée par la réaction d’équation suivante : 2.2.1. Compléter le tableau en dénombrant les liaisons rompues et formées au cours de la réaction de combustion de l’éthanol. Liaisons C-H C-O O-H C-C O=O C=O rompues 5 1 1 1 3 0 formées 0 0 6 0 0 4 2.2.2. Exprimer, puis calculer l’énergie molaire de la réaction de combustion de l’éthanol en fonction des énergies molaires de liaison. Interpréter le signe de cette valeur. E =5E(C-H) + E(C-O)+E(C-C) +3E(O=O) -5 E(OH) -4 E(C=O). E = 5 x415 + 358 +346 +3 x 497- 5 x463 -4 x804 = 4270 - 2315-3216=  -1261 kJ mol-1. Cette réaction est exothermique. 2.2.3. Un litre d’essence ne contenant pas de bioéthanol libère une énergie équivalente à 35,5 MJ. Indiquer si l’ajout d’éthanol modifie le pouvoir calorifique du carburant. 90 % d'esence : 0,9 x 35,5 = 31,95 MJ. 10 % d'éthanol ( 100 mL) de masse volumique 789 g / L soit 78,9 g. n(éthanol) = 78,9 / M(éthanol) = 78,9 / 46 = 1,715 mol. Energie libérée : 1,715 x 1,261 =2,16 MJ. Total : 31,95 +2,16 = 34,1 MJ. Ecart relatif entre les deux carburants : ( 35,5 -34,1) / 35,5 ~0,04  (4 %). A 4 % près, le pouvoir calorifique du carburant n'est pas modifié. 3. Cas des moteurs fonctionnant au diesel : les technologies DOC et SCR En 2014, la norme Euro 6 (norme européenne) est entrée en vigueur. Sixième du nom, elle fixe d'une façon très précise le niveau de rejet de quatre polluants présents dans les gaz d’échappement des véhicules immatriculés dans les pays d'Europe de l'Ouest : - NOx : les oxydes d’azote NO2 et NO ; - HC : les hydrocarbures n’ayant pas été consommés dans la chambre de combustion ; - CO : le monoxyde de carbone ; - PM : les particules fines. Pour répondre aux dernières exigences européennes, les constructeurs doivent équiper leurs véhicules de dispositifs pour traiter ces polluants avant qu’ils ne s’échappent dans l’atmosphère. Dans la suite du sujet, on s’intéressera à deux d’entre eux : le DOC (Diesel Oxydation Catalyst) et le SCR (Selective Catalyst Reduction). 3.1. Le dispositif DOC Les gaz d’échappement traversent une surface imprégnée de métaux précieux favorisant leur réaction à haute température avec le dioxygène de l’air. D’après le document constructeur décrivant le traitement des gaz d’échappement, donner le polluant sur lequel le DOC est inactif. Le DOC est inactif pour les particules fines. 3.2. Le dispositif SCR Le principe de ce dispositif repose sur l’usage d’un additif de type Adblue®. L’additif est une solution incolore et biodégradable contenant 32,5 % d’urée, de formule brute CON2H4, et 67,5 % d’eau. Le schéma de Lewis de la molécule d’urée est représenté  : 3.2.1. Dénombrer le nombre d’électrons de valence des atomes de carbone, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène et justifier succinctement le schéma de Lewis de la molécule d’urée. Carbone : 4 électrons de valence engagés dans 4 liaisons. H : 1 électron de valence engagé dans une liaison. O : 6 électrons de valence, deux engagés dans deux liaisons et 2 doublets non liants. N : 5 électrons de valence dont 3 engagés dans trois liaisons ( reste un doublet non liant). 3.2.3. Choisir parmi les formes géométriques suivantes -pyramidale, tétraédrique ou triangulaire- celle formée par les trois atomes autour de l’atome de carbone central. Justifier. L'atome de carbone central est lié à 3 autres atomes ( type sp2). De plus ce carbone ne possède aucun doublet non liant. Les doublets liants se disposent le plus loin possible les uns des autres. Donc structure triangulaire. Un antiseptique, l'eau oxygénée. Communément appelée « eau oxygénée », la solution aqueuse antiseptique est utilisée, notamment pour détruire les virus, champignons et bactéries. Son principe actif est le peroxyde d’hydrogène, de formule brute H2O2. Le but de cet exercice est de vérifier les indications figurant sur l’étiquette d’une solution commerciale d’eau oxygénée. 1. Préparation de la solution à titrer. Afin de procéder au titrage du peroxyde d’hydrogène contenue dans la solution commerciale par les ions permanganate, la solution commerciale S est diluée dix fois pour obtenir la solution S’. 1.1. Rédiger précisément le protocole à suivre pour réaliser cette dilution. Prélever 10,0 mL de solution mère à l'aide d'une pipette jaugée. Verser dans une fiole jaugée de 100,0 mL contenant un tiers d'eau distillée. Compléter jusqu'au  trait de jauge à l'aide d'eau distillée. Boucher, agiter pour rendre homogène. 1.2. Seuls les ions permanganate sont colorés en solution aqueuse. Justifier cette propriété et préciser la couleur de ces ions en solution aqueuse. Spectre d’absorption obtenu au laboratoire d’une solution aqueuse de permanganate de potassium : Le spectre d'absorption présente un maximum vers 530 nm ( rouge orangé). La solution à la teinte complémentaire du rouge orangé, c'est à dire le beu violet. . 2. Titrage du peroxyde d’hydrogène par les ions permanganate. Il est procédé au titrage d’oxydoréduction suivi par colorimétrie de V’=20,0 ± 0,05 mL de la solution S’ par une solution de permanganate de potassium de concentration en quantité de matière égale à C0 = (5,00 ± 0,2).10-2 mol.L-1. Lors de ce titrage colorimétrique, le volume obtenu à l’équivalence est de Véq = 13,7 ± 0,05 mL. 2.1. Schématiser le montage expérimental utilisé en le légendant. 2.2. Écrire les demi-équations électroniques mises en jeu lors du titrage permettant de retrouver l’équation de la réaction d’oxydoréduction support du titrage. 2 fois { MnO4-aq + 8H+aq + 5e- --> Mn2+aq + 4H2O. }  5 fois { H2O2 aq --> O2  +2H+aq + 2e-. } 2 MnO4-aq + 16H+aq + 10e- +5H2O2 aq--> 2Mn2+aq + 8H2O +5O2  +10 H+aq + 10e-. Simplifier : 2 MnO4-aq + 6H+aq  +5H2O2 aq--> 2Mn2+aq + 8H2O +5O2  . 2.3. Définir l’équivalence et donner, à l’équivalence, la relation entre les quantités de matière des ions permanganate introduits n(MnO4-(aq)) et du peroxyde d’hydrogène n(H2O2(aq)) initialement présent dans l’échantillon titré. A l'équivalence, les quantités de matière des réactifs sont en proportions stoechiométriques. n(H2O2(aq)) = 2,5 n(MnO4-(aq)) . 2.4. Comment l’équivalence est-elle repérée lors de ce titrage ? Avant l'équivalence, l'eau oxygénée est en excès, l'ion permanganate est en défaut ( solution incolore) ; après l'équivalence, l'ion permanganate est en excès (teinte  bleu violet ). 2.5. Déterminer C’, la concentration en quantité de matière du peroxyde d’hydrogène de la solution S’. V' C' = 2,5 C0 Véq ; C' = 2,5 C0 Véq / V' = 2,5 x 5,00 10-2 x 13,7 / 20,0 = 8,56 10-2 mol / L. 2.6. L’incertitude relative sur C vaut U(C)=0,034 mol.L-1.Proposer un encadrement de la concentration en quantité de matière C du peroxyde d’hydrogène de la solution commerciale S. C = 10 C' = 0,856 ±0,034 mol / L soit [ 0,822 ; 0,890 mol / L ]. 3. Conformité de la solution avec les indications de l’étiquette 3.1. Vérifier que la concentration Cétiquette en quantité de matière du peroxyde d’hydrogène indiquée sur l’étiquette correspond à 0,89 mol.L-1. L'étiquette indique  : eau oxygénée 10 volumes. Le titre T d’une eau oxygénée exprime le volume de dioxygène que peut libérer un litre d’eau oxygénée en volume. T = 11,2 Cétiquette ; Cétiquette = 10 / 11,2 = 0,89 mol / L. 3.2. Les indications de l’étiquette correspondent-elles à la solution commerciale analysée ? Oui, 0,89 appartient à l'intervalle [ 0,822 ; 0,890 mol / L ].   Séisme : comment localiser son épicentre. Les séismes sont des événements redoutés par l’espèce humaine car ils sont associés à des destructions massives et imprévisibles. Pourtant un réseau de surveillance existe et détecte à l’échelle planétaire les vibrations du sol dont la plupart sont inoffensives. L’objectif de cet exercice est de comprendre comment on peut localiser l’épicentre d’un séisme. Pour répondre à cette question, il faut d’abord s’intéresser aux ondes de différentes natures responsables des secousses sismiques. Nature des ondes sismiques. Les ondes P sont aussi appelées ondes longitudinales. La vibration du sol se fait par des dilatations et des compressions successives. Ces perturbations se déplacent parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Les ondes P se propagent dans les milieux solides ainsi que dans les liquides. Les ondes S sont aussi appelées ondes transversales. À leur passage, les perturbations du sol s'effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Les ondes S ne se propagent que dans les milieux solides. 1. Les ondes P et S sont qualifiées d’ondes de type mécanique. Justifier cette affirmation. Une onde mécanique est la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel avec transport d'énergie, sans transport de matière. 2. On considère ces ondes comme périodiques. Indiquer quelle est la grandeur représentée par la flèche double en pointillés sur la représentation précédente des ondes S. 3. Indiquer quel est le type d’onde (P ou S) qui traverse le noyau terrestre. Justifier. Le noyau terrestre étant liquide, seules les ondes P peuvent s'y propager. Détection des séismes. Lorsqu’un séisme se produit, les ondes sismiques ne sont pas forcément détectées par l’être humain, mais elles peuvent être suivies par les nombreux sismographes situés sur la Terre dans des stations de surveillance sismique. Un sismographe traditionnel est constitué d'un bâti fixe et d'un pendule qui réagit aux secousses. Le dispositif permet de transcrire les secousses enregistrées sous forme d'une courbe tracée si le mécanisme est mécanique, ou sous forme de données informatiques pour les sismographes numériques modernes. Ces sismographes permettent d’obtenir des sismogrammes qui peuvent être décomposés comme sur le document ci-dessous. 4. Déterminer si l’allure du sismogramme fourni est cohérente avec les informations du graphe précédent. 5. Représenter le retard de l’onde S par rapport à l’onde P. Dans un solide, la célérité des ondes P est comprises entre 8 et 13 km / s, celle des ondes S entre 5 à 7 km /s. Le sismogramme est cohérent, les ondes P sont détectées en premier. Localisation de l’épicentre. Un séisme se produit généralement à l’intérieur du globe terrestre. L’épicentre du séisme est le lieu de la surface, le plus proche de la source du séisme. C’est le premier endroit de la surface à recevoir les ondes sismiques. Un séisme dont l’épicentre se situe en Équateur, pays d’Amérique du Sud, s’est produit le 22 février 2019. L’enregistrement du sismographe de la station de surveillance LFCV située au Venezuela, un autre pays d’Amérique du Sud, a permis de mesurer les heures d’arrivée des ondes P et S. On fera les hypothèses suivantes pour modéliser simplement la situation :  hypothèse 1 : les ondes P et S se propagent quasiment à la surface de la Terre ;  hypothèse 2 : le rayon de courbure de la Terre est négligeable ;  hypothèse 3 : les ondes se déplacent avec des célérités de valeurs constantes. type d'onde heure d'arrivée à la station LFCV célérité moyenne des ondes ( km /s) distance parcourue depuis l'épicentre onde P Hp = 10 h 21 min 01 s Cp = 8,7 km / h d onde S Hs = 10 h 24 min 03s Cs = 4,7 km / s d 6. On note d la distance entre l’épicentre du séisme et la station LFCV. En notant tS et tP respectivement les durées de propagation de l’onde S et de l’onde P entre l’épicentre et la station LFCV, exprimer tS - tP en fonction de d, cS et cP. d = Cs ts ; d = Cp tp ; ts -tp = d ( 1/ Cs - 1 / Cp). 7. Exprimer la distance d puis calculer sa valeur. d = ( ts -tp) / (1/ Cs - 1 / Cp) = 182 ( 1 / 4,7 -1 / 8,7) =17,8 km. En réalité, les calculs de localisation d’épicentre prennent en compte le fait que les célérités des ondes P et S ne sont pas constantes. On réalise pour cela une hodochrone (voir ci-dessous) à partir des enregistrements obtenus par plusieurs sismographes situés en divers endroits du globe. Elle représente l’évolution du temps de propagation des ondes sismiques P et S en fonction de la distance à l’épicentre. 8. En exploitant l’hodochrone, déterminer la distance L entre l’épicentre et une station de mesure dans le cas où l’onde S arrive avec 5 min de retard par rapport à l’onde P. Environ 3800 km. L’utilisation de l’hodochrone donne pour trois stations différentes les résultats suivants : station durée ts-tp (s) distance L de la station à l'épicentre LFCV( Venezuela) 183 s 1,93 103 km HPAP ( Haïti) 231 2,39 103 km GCAPE ( Guadeloupe) 247 s 2,78 103 km On considère que, pour chaque station, l’épicentre se trouve sur un cercle de rayon L. Pour déterminer graphiquement la position de l’épicentre, on a utilisé un programme informatique en langage Python. Ce programme permet de créer un fond de carte, de positionner les trois stations LFCV, HPAP et GCAPE, de tracer des cercles dont les centres sont les stations. 9. Indiquer pourquoi deux cercles dessinés sur la carte ne permet pas de positionner précisément l’épicentre du séisme. Les cercles bleus se coupent en deux endroits : deux épicentres sont donc possibles. L'épicentre doit se trouver à l'intersection de trois cercles. 10. Indiquer l’information chiffrée manquante dans ce programme informatique, pour tracer le cercle autour de la station GCAPE. Préciser le numéro de la ligne à corriger et réécrire cette ligne entièrement sur votre copie. 11. À la ligne 27, proposer une modification du programme permettant de faire apparaître le cercle autour de GCAPE. 27 for i in rang (3) : 12. Placer l’épicentre sur la carte en expliquant votre démarche. Tracer un cercle de centre GCAPE, de rayon 7,3 cm proportionnel à 2,78 103 km.  5 cm correspond à 1,93 103 km 7,3 cm correpond à 2,78 103 km.

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