Sujet sans enseignement de mathématiques spécifique
Enseignement scientifique première
Durée 1h – 10 points – Thème « Une longue histoire de la matière »
L’or est un métal qui fascine l’homme depuis toujours : après avoir servi pendant des siècles à l’apparat, facilement travaillé grâce à sa ductilité*, ses propriétés pour la conduction de l’électricité en font actuellement un matériau de choix dans l’électronique.
* Ductilité : capacité d’un matériau à se déformer sans se rompre.
Partie 1 – Origine de l’or
Document 1 – Pyramide de la complexité
Source : document de l’auteur
1 – Estimer la date à laquelle les premiers atomes d’or (Au) se sont formés et l’évènement associé.
D’après le document 1 les premiers atomes d’or (Au) se sont formés vers 1 milliard d’année avec l’évolution des premières étoiles en supernova.
L’un des mécanismes de formation des noyaux d’or est une succession de réactions nucléaires à partir de noyaux de fer.
2 – Associer à chacune des réactions suivantes l’un des termes parmi : fusion nucléaire, fission nucléaire, bilan de la formation des noyaux d’or.
![\[a. {_{26}^{56}}Fe+141\ {_0^1}n\longrightarrow{_{79}^{197}}Au+53{_{-1}^0}e^-\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-2800f16b8484b8b2548faaa3b2a42391_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[b. {_{14}^{28}}Si+{_{14}^{28}}Si\longrightarrow{_{28}^{56}}Ni\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e8a09cda58d1d0a6a04a93db889f8ae7_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[c. {_{79}^{197}}Au\longrightarrow{_{77}^{171}}Ir+{_2^4}He\]](https://physik.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-8e8e694b609a18acf950c9c667b5ffe5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
a : bilan de la formation des noyaux d’or (l’or se forme dans cette réaction)
b : fusion nucléaire (deux noyaux légers se transforment en un noyau)
c : fission nucléaire (un noyau lourd se scinde en deux)
La connaissance de la structure du noyau atomique de l’or ne suffit cependant pas pour expliquer les propriétés du matériau. Il faut alors étudier sa structure cristalline.
Partie 2 – Le cristal d’or
Document 2 – Représentations en trois dimensions de plusieurs mailles d’un cristal d’or
Chaque sphère ci-dessous représente un atome d’or (Z = 79). Une maille est mise en évidence sur la représentation 2.
Représentation 1
Représentation 2
Source : logiciel MinUSc
3 – En vous appuyant sur vos connaissances, justifier que l’échantillon d’or soit qualifié de cristal.
L’échantillon d’or peut être qualifié de cristal en raison de sa structure atomique ordonnée et régulière.
Document 3 – Différents types de structures cristallines
4 – Déterminer le type de structure cristalline de l’échantillon considéré. Justifier votre réponse.
Dans cette structure, les atomes d’or sont disposés de manière régulière dans un motif cubique, avec des atomes situés aux sommets et au centre de chaque face du cube.
Le type de structure de l’échantillon considéré est cubique à faces centrées.
La découverte d’or est devenue synonyme de richesse facile et les épisodes de ruées vers l’or du 19e siècle en sont témoins. L’extraction minière de l’or se fait alors souvent au détriment de l’environnement et de la santé des populations vivant sur place.
Partie 3 – L’extraction de l’or et son impact sur l’environnement
La cyanuration est une technique d’extraction de l’or grâce à une solution de sels de cyanure (cyanure de potassium KCN, cyanure de sodium NaCN ou cyanure de calcium Ca(CN)2) et de dioxygène dissout.
Document 4 – Un déversement accidentel de fluides cyanurés en 2000 en Australie
Le Département des Ressources Naturelles, des Mines et de l’Énergie du Queensland a fait état d’un accident dans une usine de traitement de l’or, lié à la défaillance d’une cuve d’extraction de l’or par cyanuration de 200 m3.
Un débordement d’environ 50 m3 d’une solution comptant 70 μg/L de cyanures libres s’est produit.
La CL50 ou « concentration létale à 50 % » désigne la concentration d’un produit chimique dans l’air ou dans l’eau qui cause la mort de 50 % des animaux, lors d’une durée d’exposition de 4 heures. Le tableau suivant présente la CL50 de plusieurs types de dérivés cyanurés pour les poissons et leur toxicité.
| Catégorie | Dérivés cyanurés | Toxicité | CL50 en mg/L |
| Cyanures libres | CN– | forte | ≈ 0,1 |
| HCN | forte | de 0,05 à 0,18 | |
| KCN(s), Ca(CN)2(s) | forte | de 0,03 à 0,70 | |
| NaCN.2H2O(s) | forte | de 0,40 à 0,70 |
Sources : d’après Australian Government, 2010 et Note d’Analyse Association SystExt, Avril 2021
5 – Comparer la concentration en cyanures du déversement australien avec les CL50 de référence pour déterminer la gravité de cet accident sur la faune aquatique.
La concentration en cyanures du déversement australien est de 70 μg/L.
Les CL50 de référence sont donnés en mg/L.
Convertissons la concentration en cyanures du déversement australien en mg/L :
70 μg/L=0,070 mg/L
D’après l’énoncé : « La cyanuration est une technique d’extraction de l’or grâce à une solution de sels de cyanure (cyanure de potassium KCN, cyanure de sodium NaCN ou cyanure de calcium Ca(CN)2) et de dioxygène dissout. »
Selon le tableau, pour une concentration en KCN, NaCN ou Ca(CN)2 égale 0,070 mg/L , la toxicité est forte car comprise dans l’intervalle 0,03-0,70 mg/L
Pour comprendre l’effet du cyanure sur les organismes aquatiques, on étudie sa toxicité sur la respiration cellulaire. On utilise pour cela la levure, organisme unicellulaire réalisant la respiration et facile à cultiver en milieu aquatique.
Document 5 – Dispositif expérimental pour étudier la respiration des levures
La respiration cellulaire permet aux levures de produire l’énergie dont elles ont besoin pour vivre, à partir du glucose et du dioxygène prélevé dans leur environnement.
L’équation de la respiration cellulaire est :
C6H12O6 (glucose) + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Il est possible de mesurer au cours du temps les concentrations en dioxygène et en dioxyde de carbone dans un milieu de culture contenant des levures et de l’eau. L’injection d’une solution choisie par l’expérimentateur peut être réalisée dans le milieu de culture.
Le graphique suivant montre la concentration en dioxygène en fonction du temps dans une suspension de levures.
Source : document de l’auteur
6 – Expliquer pourquoi le protocole ci-dessous ne permettrait pas de mettre en évidence l’effet du cyanure sur la respiration cellulaire des levures. Justifier votre réponse.
Protocole : On réalise un enregistrement avec uniquement une injection de cyanure au bout de 300 secondes.
Pour mettre en évidence l’effet du cyanure sur la respiration cellulaire des levures, il faut comparer la respiration cellulaire avec et sans le cyanure.
Dans le protocole proposé, on réalise un enregistrement avec uniquement une injection de cyanure au bout de 300 secondes.
On ne compare donc pas la respiration cellulaire sans le cyanure.
Ainsi, le protocole ci-dessous ne permettrait pas de mettre en évidence l’effet du cyanure sur la respiration cellulaire des levures.
7 – Exploiter les résultats du document 5 pour conclure sur la toxicité du cyanure sur les êtres vivants aquatiques.
Pour les deux échantillons de levure, la concentration en dioxygène diminue au cours du temps entre 0 et 300 secondes : les deux échantillons de levure respirent.
Sans injection de cyanure, la concentration en dioxygène diminue au cours du temps entre 300 et 600 secondes : les levures respirent.
Avec injection de cyanure, la concentration en dioxygène ne diminue plus au cours du temps entre 300 et 600 secondes : les levures ne respirent plus.
Ainsi, l’injection de cyanure empêche les levures de respirer : le cyanure est toxique sur les êtres vivants aquatiques.