SPRINT FINAL
France métropolitaine, juillet 2024 • Physique-Chimie
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France métropolitaine • Juillet 2024
Une piscine aux Jeux olympiques
Intérêt du sujet • Ce sujet permet de réfléchir sur les normes imposées lors des Jeux olympiques, aussi bien pour les organisateurs (qualité de l’eau) que pour les athlètes (vitesse du plongeon).
ph © Mihail/stock.adobe.com
La France accueille cette année les Jeux olympiques et paralympiques durant lesquels trente-deux disciplines sportives seront à l’honneur.
Le seul équipement sportif construit pour l’occasion sera le centre aquatique, voisin du Stade de France, où se dérouleront les épreuves de natation artistique, de plongeon et de water-polo.
Partie 1. Piscine et équilibre de l’eau
Document 1
Les recommandations du Comité International Olympique spécifient une plage de pH idéale de 7,2 à 7,8 pour l’eau des bassins. Si le pH devient trop élevé, au-dessus de 8, la désinfection au « chlore » n’est plus efficace, la formation de « calcaire » augmente. Si le pH de l’eau tombe en dessous de 7, le confort des baigneurs n’est plus assuré (irritations de la peau et des yeux) et la durée de vie des équipements notamment métalliques est réduite.
D’après le guide du CIO sur le sport, l’environnement et le développement durable et https://www.ars.sante.fr
▶ 1. Donner les deux inconvénients d’une eau de piscine dont le pH est inférieur à 7. (2 points)
Document 2
Le rouge de phénol, de formule chimique C19H14O5S, est un indicateur coloré. C’est une substance qui change de couleur en fonction du pH de la solution testée. Il est ainsi utilisé pour contrôler le pH des piscines. Le tableau ci-dessous indique ses zones de coloration dans l’échelle de pH.
Couleur du rouge de phénol | Jaune | Orange | Rouge |
Zone de pH | Valeurs de pH comprises entre 0 et 6,6 | Valeurs de pH comprises entre 6,6 et 8,4 | Valeurs de pH comprises entre 8,4 et 14 |
D’après wikipedia.org
▶ 2. Un agent de maintenance souhaite vérifier le pH de l’eau de la future piscine olympique.
Il obtient une couleur rouge au résultat du test au rouge de phénol.
a) Indiquer si l’eau de la piscine, testée par l’agent de maintenance, a un caractère acide, basique ou neutre. Justifier. (4 points)
b) Sachant que dans la formule de la molécule de rouge de phénol, le symbole S correspond à l’atome de soufre, donner le nom des autres atomes qui la constituent. (2 points)
▶ 3. Dans les centres nautiques, les équipements métalliques sont essentiellement en acier inoxydable. Ainsi, le fer (Fe) n’est pas recommandé car il subit de nombreuses transformations chimiques qui le fragilisent. L’équation de réaction chimique ci-dessous modélise l’action des ions H+, responsables de l’acidité, sur les atomes de fer :
Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2.
Citer parmi les formules chimiques des espèces présentes dans l’équation de réaction ci-dessus, la formule d’une molécule, celle d’un atome et celle d’un ion. (3 points)
On peut réaliser des tests caractéristiques sur le milieu réactionnel pour mettre en évidence les produits de la réaction.
Document 3Banque de données de tests caractéristiques
Test | Ion testé ou molécule testée | Observation |
|---|---|---|
Test à la flamme | Dihydrogène | Détonation |
Test à l’allumette incandescente | Dioxygène | L’allumette se rallume |
Test à la soude | Ion Fe2+ | Précipité vert |
Test à la soude | Ion Fe3+ | Précipité rouille |
▶ 4. On a fait réagir du fer (Fe) avec les ions H+ dans un tube à essai.
En utilisant la banque de données ci-dessus et l’équation de réaction vue plus haut, identifier les numéros des propositions correctes parmi les suivantes :
P1 : On observe un précipité vert lorsque l’on ajoute de la soude ;
P2 : On observe un précipité rouille lorsque l’on ajoute de la soude ;
P3 : On entend une détonation lorsque l’on approche une flamme ;
P4 : Lorsque l’on approche une allumette incandescente, elle se rallume. (2 points)
Partie 2. Épreuve de plongeon à 10 mètres
Nous allons nous intéresser à la discipline du plongeon à 10 m. Des études ont permis de définir la tolérance du corps humain à un tel saut. Pour des raisons de sécurité, la fédération internationale de natation limite, en compétition, la vitesse atteinte lors du contact avec l’eau à 80 km/h environ.
Document 4
A. Évolution de l’énergie cinétique Ec du plongeur en fonction du temps t lors du plongeon (simulation)
B. Évolution de la vitesse v du plongeur en fonction du temps t lors du plongeon (simulation)
▶ 5. a) Décrire l’évolution de l’énergie cinétique du plongeur au cours du temps. (2 points)
b) Nommer la forme d’énergie qui est convertie en énergie cinétique au cours du plongeon. (2 points)
c) Indiquer la durée du plongeon en seconde, notée ti. (3 points)
d) À l’aide des graphiques ci-dessus, déterminer si la vitesse au moment de l’impact, notée vi, permet de respecter la norme de sécurité sur la vitesse atteinte lors du contact avec l’eau. (5 points)
Les clés du sujet
Comprendre l’énoncé
Document 1 | Le document 1 fournit quelques informations concernant le pH de l’eau de la piscine et les problèmes auxquels il faut faire face si l’eau des bassins s’écarte des normes exigibles. Ces éléments te permettront de répondre à la première question. |
Document 2 | Le document 2 porte sur un indicateur de couleur, le rouge de phénol et sa façon de réagir avec des solutions de pH différents en changeant de couleur. Les questions 2a et 2b trouvent leurs réponses dans ce document. |
Document 3 | Le document 3 indique quatre tests mettant en évidence quatre corps purs (deux gaz et deux ions). Utilise ce tableau pour répondre à la question 4. |
Document 4 | Le premier graphique représente l’évolution de l’énergie cinétique du plongeur en fonction de la durée du plongeon et le second la façon dont la vitesse v du plongeur évolue dans le temps. Il faut utiliser ces courbes et les informations qu’elles fournissent pour répondre aux questions 5a, 5c et 5d. |
Répondre aux questions
Partie 1
▶ 2. a) Il faut utiliser tes connaissances sur les valeurs des pH des solutions, en plus du tableau, pour trouver le pH de l’eau testée.
Partie 2
▶ 5. c) Sois précis dans la lecture de la durée du plongeon.
d) Suis les étapes du schéma pour répondre à cette question.
Partie 1
▶ 1. Une eau de piscine dont le pH est inférieur à 7 a l’inconvénient de causer l’inconfort du baigneur en irritant sa peau et ses yeux et de réduire la durée de vie des équipements métalliques qui risquent de réagir à long terme avec cette eau.
▶ 2. a) Le test au rouge de phénol effectué donne un résultat rouge. Cela signifie, d’après le tableau donné, que le pH de l’eau testée est compris entre 8,4 et 14.
Sachant qu’une solution dont le pH est supérieur à 7 est basique, on peut dire que l’eau testée est basique également.
b) La molécule du rouge de phénol de formule C19H14O5S est constituée de carbone C, d’hydrogène H et d’oxygène en plus du soufre S.
▶ 3. Dans l’équation présentée :
Fe est un atome (de fer) ;
H2 est une molécule (de dihydrogène) ;
H+ et Fe2+ sont des ions (respectivement d’hydrogène et de fer).
à noter
Une molécule est constituée d’atomes et un ion est chargé positivement ou négativement.
▶ 4. Les produits de la réaction sont l’ion Fe2+ et du dihydrogène H2.
attention
On teste les produits de la réaction décrite. Regarde-les dans l’équation donnée.
D’après le tableau du document 3, les propositions correctes sont :
P1 : On observe un précipité vert lorsque l’on ajoute de la soude ;
P3 : On entend une détonation lorsque l’on approche une flamme.
Partie 2
▶ 5. a) D’après le premier graphique, l’énergie cinétique Ec du plongeur diminue jusqu’à 0,2 s puis augmente en fonction du temps.
b) Lorsque le plongeur monte en haut de son plongeoir, il acquiert de l’énergie potentielle de pesanteur. En plongeant, l’énergie potentielle de pesanteur se transforme en énergie cinétique.
c) La durée du plongeon est ti = 1,62 s. Cette valeur se lit sur l’axe des abscisses des deux graphiques.
d) Le second graphique nous donne la vitesse du plongeur au moment de l’impact. On obtient par lecture vi = 14 m/s. Il faut alors convertir cette vitesse en km/h. vi = 14 × = 50,4 km/h.
Sachant que la fédération internationale de natation limite la vitesse lors du contact avec l’eau à 80 km/h et constatant que vi < 80 km/h, nous pouvons conclure que la norme de sécurité est respectée.