Le bac S 2013 de Nouvelle-Calédonie : une épreuve tournée vers l'environnement et la santé
L'épreuve de physique-chimie du bac S 2013 de Nouvelle-Calédonie dure 3 h 30 et compte 20 points. Elle se compose de deux exercices communs à tous les candidats, puis d'un troisième exercice de 5 points qui dépend de l'enseignement suivi : l'exercice 3 pour les candidats sans spécialité, l'exercice 4 pour ceux qui ont choisi la spécialité physique-chimie. Le sujet appartient à l'ancien programme de terminale S, mais une grande partie des compétences évaluées reste au cœur du programme actuel : calculs d'énergie, chimie acide-base, deuxième loi de Newton, exploitation de documents et résolution de problème.
Le fil conducteur est remarquablement cohérent. Le premier exercice part de la résonance magnétique nucléaire pour arriver à l'imagerie médicale. Les trois suivants tournent autour du dioxyde de carbone : son effet sur le pH des océans, sa valorisation chimique, puis une alternative aux carburants fossiles avec une voiture à hydrogène alimentée par l'énergie solaire. Cette page présente chaque exercice, ses passages clés et ses pièges, puis propose une stratégie de gestion du temps.
Exercice 1 : RMN et IRM (6 points, environ 1 h)
L'exercice commence par le solvant deutéré utilisé en RMN. Le noyau de deutérium contient 1 proton et 1 neutron ; avec l'hydrogène ordinaire, il forme un couple d'isotopes. La représentation de Cram de CDCl3 montre un carbone qui n'est pas asymétrique, puisqu'il porte trois atomes de chlore identiques. Le solvant ne contient pas de noyau d'hydrogène 1 afin de ne donner aucun signal sur le spectre.
Vient ensuite le calcul du photon associé à la transition. L'énergie de 1,20 µeV doit être convertie en joules, soit 1,92 × 10-25 J, avant d'appliquer ΔE = hν : on obtient ν = 2,90 × 108 Hz et λ = 1,04 m, une onde radiofréquence comme l'annonce le texte. La lecture du spectre du 2,2-diméthylpropan-1-ol s'appuie sur la courbe d'intégration : les sauts sont dans les rapports 2 : 1 : 9, ce qui attribue le pic A au CH2, le pic B au OH et le pic C aux trois groupes méthyle.
La partie IRM mobilise le numérique. L'IRM visualise les tissus mous, riches en hydrogène, mais pas les os. Un pixel mesure environ 0,98 mm, le fichier pèse 262 144 octets, l'image compte 256 niveaux de gris, et le débit nécessaire pour une image toutes les deux secondes atteint 1,05 × 106 bit/s. L'exercice se termine sur l'écriture d'un résultat de mesure : B = (1,49 ± 0,05) T avec un niveau de confiance de 95 %. Les pièges : oublier le préfixe micro, mesurer la courbe d'intégration depuis la ligne de base, répondre 255 niveaux de gris, oublier la conversion des octets en bits.
Exercice 2 : l'acidification des océans (9 points, environ 1 h 30)
C'est l'exercice le plus lourd. La première partie exploite des courbes : la teneur en CO2 de l'atmosphère augmente, la pression de CO2 dans l'océan aussi, et le pH baisse d'environ 8,11 à 8,07 entre 1990 et 2008. Le raisonnement à construire s'appuie sur la loi de Henry : plus de CO2 dans l'air entraîne plus de CO2 dissous, donc plus d'ions oxonium, donc un pH plus faible. Une baisse de 0,1 unité de pH correspond à une hausse de 26 % de la concentration en ions oxonium, puisque 100,1 = 1,26.
La deuxième partie repose sur le diagramme de distribution des espèces carbonées. Les croisements des courbes donnent pKa1 ≈ 6,3 et pKa2 ≈ 10,3, d'où les domaines de prédominance. Au pH de 8,1 des océans, l'ion hydrogénocarbonate représente environ 97 % du carbone dissous, et cette part ne varie presque pas entre pH 8,2 et 8,1. Le document 5 permet enfin d'expliquer la fragilisation des coquilles : un excès de CO2 dissous déplace l'équilibre vers la dissolution du carbonate de calcium.
La troisième partie passe à la mécanique avec le satellite IBUKI. Après un schéma de la force gravitationnelle, appliquée au satellite et dirigée vers le centre de la Terre, la deuxième loi de Newton et l'accélération d'un mouvement circulaire uniforme conduisent à T = 2π√(r³/(GMT)). Avec r = 7,047 × 106 m, la période vaut 5,89 × 103 s, environ 98 min. Le piège classique : utiliser l'altitude au lieu du rayon de l'orbite.
Exercice 3 : une voie de valorisation du dioxyde de carbone (5 points, sans spécialité)
Cet exercice est une synthèse de documents précédée de deux questions préalables. La première demande trois pistes distinctes pour limiter les émissions : réduire la consommation de combustibles fossiles, capter et stocker le CO2, capter et valoriser le CO2. La seconde est un bilan énergétique : produire 1 m³ de méthane coûte 80,0 MJ d'électrolyse, 8,0 MJ de captage et 7,0 MJ d'hydrogénation, soit 95,0 MJ, alors que sa combustion ne restitue que 33,0 MJ. Le bilan est déficitaire de 62,0 MJ.
La synthèse, d'environ vingt lignes, articule l'enjeu environnemental, appuyé sur la hausse de la production mondiale de CO2 et de la température moyenne, avec la limite énergétique du procédé, qui n'a de sens qu'avec une énergie renouvelable. Attention à ne pas confondre corrélation et causalité : le lien entre CO2 et réchauffement s'explique par l'effet de serre, qu'il faut citer.
Exercice 4 : voiture à hydrogène et panneaux photovoltaïques (5 points, spécialité)
Les candidats de spécialité affrontent une résolution de problème : 70 m² de panneaux solaires suffisent-ils à produire l'électricité nécessaire pour recharger en dihydrogène une voiture qui parcourt 20 000 km par an ? Le besoin se calcule à partir de 100 pleins de 110 L, du volume molaire du gaz comprimé, de l'énergie molaire et du rendement de 60 % de l'électrolyse : environ 7,5 × 1010 J par an. La production des panneaux, avec un rendement de 20 % et une puissance solaire moyenne de 200 W par mètre carré sur une année entière, atteint environ 8,8 × 1010 J. L'installation suffit donc en moyenne, avec une marge d'un peu moins de 20 %.
Le rapport doit être critique : marge faible, production nulle la nuit et réduite en hiver, énergie de compression non comptée, bilan carbone des panneaux. Le piège essentiel est d'inverser les rendements : on divise par 0,60 pour l'électrolyse, on multiplie par 0,20 pour le panneau.
Les compétences transversales évaluées
Au-delà des notions propres à chaque exercice, le sujet évalue plusieurs savoir-faire qui reviennent d'une épreuve à l'autre. Le premier est la maîtrise des unités : électronvolts à convertir en joules dans l'exercice 1, kilomètres à convertir en mètres pour le satellite de l'exercice 2, kilojoules par litre à ramener en mégajoules par mètre cube dans l'exercice 3, secondes d'une année entière dans l'exercice 4. Une erreur d'unité n'est jamais un détail : elle fausse l'ordre de grandeur et donc la conclusion.
Le deuxième savoir-faire est l'exploitation de documents. Courbes d'évolution du CO2 et du pH, diagramme de distribution, axe des domaines d'ondes, spectre RMN avec sa courbe d'intégration, tableaux de données énergétiques : chaque exercice demande de prélever une information précise, de la citer et de l'utiliser dans un raisonnement. Les correcteurs attendent que le document soit nommé et que la valeur lue soit écrite avec son unité.
Le troisième est la rédaction. Les raisonnements en chaîne de l'exercice 2, la synthèse de l'exercice 3 et le rapport de l'exercice 4 sont évalués autant sur la clarté de l'argumentation que sur l'exactitude des calculs. Des connecteurs logiques, une phrase de conclusion par question et une réponse explicite à la problématique font la différence.
Enfin, le sujet teste la capacité à exercer un regard critique : chiffres significatifs adaptés aux données, intervalle de confiance d'une mesure, cohérence d'une fréquence avec celle d'un spectromètre, hypothèses d'un calcul de rendement. Savoir dire ce qu'un résultat permet de conclure, et ce qu'il ne permet pas, est une compétence attendue au bac.
Gérer son temps sur l'épreuve
La répartition des points guide celle du temps. Comptez environ une heure pour l'exercice 1, dont les questions sont nombreuses mais courtes, une heure trente pour l'exercice 2, et cinquante minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice 4. Gardez une dizaine de minutes de relecture pour vérifier les unités et les chiffres significatifs. Dans les exercices 3 et 4, réservez explicitement le temps de rédaction : une synthèse ou un rapport bâclé coûte cher, même si les calculs sont justes. Si une question bloque, notez le résultat donné par l'énoncé et poursuivez : beaucoup de questions s'appuient sur des valeurs fournies.
Ce qu'il faut retenir
Ce sujet récompense la rigueur sur les unités, la lecture attentive des documents et la qualité de la rédaction. Les conversions d'énergie, la relation entre pH et concentration, la lecture des pKa sur un diagramme, la démonstration de la période d'un satellite et la gestion des rendements sont des savoir-faire qui restent utiles aujourd'hui. Certaines notions de l'exercice 1, comme la RMN ou le débit binaire, ne figurent plus au programme actuel de la spécialité ; elles n'en restent pas moins un bon entraînement au raisonnement. Travaillez chaque exercice en conditions réelles, puis comparez votre copie au corrigé question par question.