Le Bac S 2016 Liban en physique-chimie : vue d'ensemble
Le sujet de physique-chimie du Bac S 2016 Liban se compose de trois exercices obligatoires et d'un exercice réservé aux candidats de spécialité. L'épreuve dure 3 h 30 et est notée sur 20 points : un exercice de mécanique sur les vols Zéro-G (6 points), un long exercice mêlant chimie organique et physique autour de la soie d'araignée (9 points), puis un exercice de chimie expérimentale sur une lotion capillaire (5 points). Les candidats de spécialité traitent, à la place de ce troisième exercice, une résolution de problème sur l'extraction de la bauxite (5 points).
Ce sujet couvre une grande partie du programme de terminale S : deuxième loi de Newton, mouvement dans un champ de pesanteur, gravitation, stéréoisomérie, RMN, mécanismes réactionnels, diffraction, incertitudes de mesure, titrages conductimétriques. Il constitue une très bonne épreuve d'entraînement, à condition de garder à l'esprit que certaines notions de l'ancien programme ne sont plus exigées aujourd'hui. Voici, exercice par exercice, ce qu'il faut retenir.
Exercice 1 : Vol Zéro-G (6 points)
Cet exercice étudie les vols paraboliques au cours desquels un Airbus de 150 tonnes offre environ 22 secondes d'apesanteur à ses passagers. Il vérifie le modèle de la chute libre par trois approches complémentaires.
L'approche énergétique
Un système en chute libre n'est soumis qu'à son poids, force conservative : son énergie mécanique se conserve. Le calcul au début de la parabole (7 600 m, 527 km/h) et au sommet (8 200 m, 355 km/h) donne 1,279 × 1010 J et 1,280 × 1010 J. L'écart est inférieur à 0,1 % : le vol est compatible avec une chute libre. L'erreur à ne pas commettre est de laisser les vitesses en km/h.
La gravitation
En assimilant le poids à la force gravitationnelle, on obtient gh = G MT/(RT + h)2. Aux deux altitudes extrêmes, on trouve 9,76 N/kg : la variation, de l'ordre de 0,02 %, est négligeable et le champ de pesanteur peut être considéré comme uniforme pendant le vol.
La deuxième loi de Newton
La démonstration des équations horaires suit la chaîne classique : système, référentiel galiléen, bilan des forces, projection, primitives et conditions initiales. La durée d'apesanteur, t = 2 v0 sin α / g, vaut 21,8 s, en accord avec les 22 s annoncées. La dernière question demande un regard critique : augmenter la vitesse initiale ou l'angle allongerait la chute libre, mais un avion de cette taille offre peu de marge. Attention au mode degrés de la calculatrice.
Exercice 2 : La soie d'araignée (9 points)
C'est l'exercice le plus long et le plus varié du sujet. Il suit la soie de la néphile clavipes de sa composition chimique jusqu'à ses propriétés mécaniques.
Acides aminés et spectroscopie
La glycine et l'alanine sont des acides aminés, car elles portent un groupe amino et un groupe carboxyle. La glycine n'a pas de stéréoisomère ; l'alanine possède un carbone asymétrique et existe sous la forme de deux énantiomères, à représenter en Cram. En RMN, en suivant la consigne de l'énoncé sur les protons liés à O et N, la glycine donne trois singulets et l'alanine quatre signaux, dont un doublet et un quadruplet.
Synthèse peptidique
Le dipeptide contient une fonction amide. Les flèches courbes du mécanisme partent du doublet non liant de l'azote vers le carbone du groupe carboxyle, puis de la double liaison C=O vers l'oxygène. On identifie ensuite une réaction acido-basique intramoléculaire et une élimination. Un mélange de glycine et d'alanine peut donner quatre dipeptides ; pour n'obtenir que Gly-Ala, il faut protéger l'amine de la glycine et l'acide carboxylique de l'alanine.
Diffraction et incertitudes
La diffraction révèle le caractère ondulatoire de la lumière. La relation L = 2λD/a conduit à un diamètre de 13,1 µm, encadré entre 12,8 et 13,4 µm. La mesure au microscope donne 13 ± 2 µm : les intervalles se recouvrent, les deux mesures sont cohérentes, et la diffraction l'emporte par sa précision.
Élasticité
L'analyse dimensionnelle montre que le module de traction s'exprime en N·m-2. Les mesures redonnent environ 8 × 109 N·m-2. Plus le module est grand, moins la fibre est élastique ; le fil de soie peut porter environ 6 g avant de rompre. Le corrigé précise que la stéréoisomérie et la multiplicité des signaux de RMN ne figurent plus au programme actuel de spécialité.
Exercice 3 : Étude d'une lotion capillaire (5 points)
Cet exercice de chimie expérimentale analyse une lotion à deux phases, l'une hydroalcoolique, l'autre huileuse.
Composition et séparation
La miscibilité de l'eau et de l'éthanol s'explique par les liaisons hydrogène, justifiées par la polarisation des liaisons O–H. Le tableau des solubilités répartit les ingrédients entre les deux phases. La phase huileuse, colorée en vert par la chlorophylle, surnage : elle est moins dense. Une ampoule à décanter et deux éprouvettes de contenance adaptée permettent de vérifier les proportions de 7 % et 93 %.
Chromatographie du camphre
Le camphre est une cétone. Le protocole de chromatographie sur couche mince doit préciser le matériel, les produits, la sécurité et le dépôt d'une référence de camphre pur. On attend dans la phase huileuse une tache à la même hauteur que celle de la référence, après révélation au diiode.
Titrage conductimétrique
La prise d'essai se prélève à la pipette jaugée ; l'eau ajoutée immerge la cellule et rend la dilution négligeable. Le changement de pente s'interprète avec les conductivités molaires ioniques. Le volume équivalent lu, environ 7,8 mL, conduit à un pourcentage massique d'environ 0,094 % : l'indication de 0,1 % de l'étiquette est exacte.
Exercice 4 (spécialité) : Extraction de la bauxite (5 points)
Réservé aux candidats de spécialité, cet exercice porte sur le procédé Bayer. Après l'écriture de la réaction support du titrage, H3O+ + HO- → 2 H2O, la lecture du volume équivalent (environ 12,3 mL) et la prise en compte de la dilution au dixième donnent une concentration de soude de 12 mol/L.
Vient ensuite la résolution de problème : quelle masse d'hydroxyde de sodium solide introduire par heure ? Il faut chiffrer deux postes : la soude consommée par l'attaque des 5,0 kg d'alumine, environ 3,9 kg, et la soude perdue dans les boues, 2,5 % des quelque 166 kg apportés par la solution, soit environ 4,2 kg. Le bilan est d'environ 8 kg par heure. L'analyse critique souligne le très large excès de soude et discute la précision de la lecture graphique. Les deux oublis à éviter : la dilution et le coefficient 2 de l'équation de l'attaque de l'alumine.
Les savoir-faire transversaux du sujet
Au-delà des notions propres à chaque exercice, ce sujet évalue plusieurs compétences qui reviennent d'une épreuve à l'autre. La première est la confrontation d'un modèle à des données : l'exercice 1 vérifie la chute libre par l'énergie puis par la durée d'apesanteur, l'exercice 2 compare le module de traction calculé à la valeur du tableau, l'exercice 3 contrôle le pourcentage massique de l'étiquette. Chaque fois, la conclusion doit s'appuyer explicitement sur la comparaison chiffrée.
La deuxième compétence concerne les incertitudes et les chiffres significatifs. Le corrigé insiste sur ce point : un résultat s'écrit avec la précision de la donnée la moins précise, une incertitude s'arrondit par excès, et deux mesures se comparent par leurs intervalles. L'exercice 2 en offre une application complète avec la diffraction et le microscope.
La troisième est la rédaction expérimentale. Décrire une décantation, une chromatographie ou le prélèvement d'une prise d'essai exige de nommer la verrerie avec sa contenance, de justifier chaque choix et d'indiquer les précautions de sécurité. Enfin, la résolution de problème de spécialité demande de construire soi-même la démarche : identifier les postes à chiffrer, poser les relations littérales, faire le bilan, puis porter un regard critique sur le résultat. Ces savoir-faire restent au cœur du programme actuel, ce qui rend ce sujet utile bien au-delà de l'ancien programme.
Gestion du temps
Les barèmes donnent une indication claire : environ une heure pour l'exercice 1, une heure et demie pour l'exercice 2 et une cinquantaine de minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice de spécialité. L'exercice 2 est le plus risqué : ses quatre parties sont indépendantes, et il vaut mieux passer une question bloquante que de s'y enliser. Dans l'exercice 1, les questions de cours (1.1, 3.1) et la démonstration des équations horaires rapportent des points rapidement. Dans l'exercice 3, les protocoles demandent du soin mais peu de calcul ; gardez du temps pour le titrage final. En spécialité, réservez l'essentiel du temps au problème et à son analyse critique, qui fait partie de la réponse attendue.
Gardez enfin quelques minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs : les conversions de km/h en m/s, de nm et de µm en m, ou la dilution au dixième sont les sources d'erreurs les plus fréquentes de ce sujet.
Conclusion
Le Bac S 2016 Liban est un sujet équilibré, qui fait appel aussi bien aux démonstrations classiques de mécanique qu'à la rigueur expérimentale et à l'esprit critique. Il entraîne à confronter un modèle aux données, à exprimer un résultat avec son incertitude et à structurer une résolution de problème. Même si quelques notions, comme la stéréoisomérie ou la multiplicité des signaux de RMN, ont quitté le programme actuel, la plupart des raisonnements restent pleinement d'actualité. Travaillez chaque exercice en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question.