Le bac 2024 Asie Jour 1 en physique-chimie

Le sujet de spécialité physique-chimie du bac 2024 Asie, premier jour, se compose de trois exercices pour un total de 20 points, à traiter en 3 h 30. Il offre un bon équilibre entre chimie et physique : un long exercice de chimie sur 9 points, consacré à l'eau de Javel, puis deux exercices de physique, l'un d'optique sur 6 points, l'autre de thermodynamique sur 5 points. Chaque exercice part d'une situation concrète et se termine par une question ouverte qui demande de construire une démarche. C'est donc un sujet représentatif de l'épreuve, idéal pour s'entraîner en temps limité.

Les notions mobilisées couvrent une large partie du programme de terminale : diagramme de prédominance, oxydoréduction, préparation d'une solution par dilution, titrage pH-métrique, temps de demi-réaction, pouvoir séparateur de l'œil, lunette afocale, grossissement, résistance thermique, bilan de puissance et évolution exponentielle de la température.

Ce que le sujet évalue

Au-delà des connaissances, le sujet teste plusieurs compétences attendues à l'écrit. La première est l'exploitation de documents : courbe de titrage et sa dérivée, courbes de concentration en fonction du temps à trois températures, schéma de la lunette à compléter. La deuxième est la rigueur du calcul : conversions d'unités, puissances de dix, chiffres significatifs cohérents avec les données. La troisième est la rédaction : plusieurs questions commencent par « justifier », « expliquer le raisonnement » ou « discuter », et une valeur numérique sans phrase de justification n'y rapporte qu'une partie des points. Enfin, le sujet évalue la capacité à relier les questions entre elles, car de nombreux résultats intermédiaires sont réutilisés plus loin.

Exercice 1 : ne jamais mélanger eau de Javel et acide (9 points)

Le premier exercice part d'un accident domestique : le mélange d'eau de Javel et d'acide chlorhydrique libère du dichlore. Il compte seize questions et constitue à lui seul près de la moitié de la note.

Acide-base et oxydoréduction

Le diagramme de prédominance du couple HClO/ClO^- se construit autour de pK_A = 7,5. L'eau de Javel, de pH supérieur à 11,5, contient surtout des ions hypochlorite ; dans le mélange de pH voisin de 0, ils sont presque tous transformés en acide hypochloreux, le rapport [ClO^-]/[HClO] valant environ 3 × 10^-8. On écrit ensuite les demi-équations des couples Cl₂/Cl^- et HClO/Cl₂, que l'on combine pour retrouver l'équation de formation du dichlore. Avec 0,40 mol de HClO limitant, on obtient 0,40 mol de dichlore, soit 9,6 L.

Titrage de l'acide

Le titre massique de 23 % conduit à une concentration en ions oxonium d'environ 7,1 mol/L. Après une dilution d'un facteur 500, réalisée avec une pipette jaugée de 2,0 mL et une fiole jaugée de 1,0 L, le titrage pH-métrique donne V_E = 14,0 mL, d'où une concentration de 7,0 mol/L pour la solution commerciale, en accord avec l'étiquette.

Méthode pour la question ouverte de l'exercice 1

La question Q12 ne donne aucune étape : il faut les construire. Une copie efficace annonce d'abord le plan, à savoir lire le volume équivalent au maximum de la dérivée, écrire la relation à l'équivalence C_S V_S = C_b V_E, remonter à la solution commerciale grâce au facteur 500, puis comparer à la valeur estimée en Q8. L'écart d'environ 1 % permet de conclure que l'acide n'est pas en cause dans l'accident.

Cinétique de dégradation

Les temps de demi-réaction, lus à l'ordonnée 0,20 mol/L, valent environ 170 jours à 20 °C, 100 jours à 30 °C et 80 jours à 35 °C : la température accélère la dégradation, d'où la consigne « à conserver au frais ». La dernière question montre qu'une bouteille ouverte depuis 18 mois ne contient plus qu'environ 0,045 mol/L d'ions hypochlorite, ce qui explique la formation d'environ 1 L de dichlore seulement.

Pièges de l'exercice 1

Attention au coefficient 2 devant HClO dans la demi-équation, à la stœchiométrie de 1 pour 1 entre HClO et Cl₂, au titre massique à écrire 0,23 et non 23, à la verrerie jaugée exigée dans le protocole, et au facteur de dilution 500 à ne pas oublier dans la question ouverte. Pour le temps de demi-réaction, c'est la concentration que l'on divise par deux, pas la durée.

Exercice 2 : observation distante (6 points)

Le deuxième exercice demande si un observateur peut distinguer la pale de 44 m d'une éolienne située à 195 km, puis comment concevoir une lunette pour y parvenir.

De l'œil nu à la lunette afocale

L'angle sous lequel la pale est vue vaut θ = L/D = 2,3 × 10^-4 rad, inférieur au pouvoir séparateur de l'œil, 3,0 × 10^-4 rad : la pale n'est pas discernable à l'œil nu. On identifie ensuite l'objectif et l'oculaire, puis on justifie en deux temps que le foyer objet de l'oculaire doit être confondu avec le foyer image de l'objectif pour que l'image finale soit à l'infini. La distance entre les lentilles vaut alors f'₁ + f'₂.

Tracé de rayons et grossissement

Le tracé sur l'annexe fait apparaître l'image intermédiaire A₁B₁ dans le plan focal commun ; les rayons émergents sortent parallèles à la droite (B₁O₂). Les deux triangles rectangles qui partagent le côté A₁B₁ permettent de démontrer G = f'₁/f'₂. La question ouverte traduit le critère θ' ≥ 4ε en G ≥ 5,3 : seul le couple 30,0 cm et 5,0 cm convient, avec G = 6,0.

Pourquoi le réglage afocal

Une image finale à l'infini permet à l'œil d'observer sans accommoder, donc sans fatigue. C'est ce qui justifie la position confondue des foyers et ce qui fixe la longueur de l'instrument : avec les lentilles retenues, les tubes de la lunette doivent être réglés pour que les centres optiques soient distants de 35,0 cm. La vérification finale, θ' = 1,4 × 10^-3 rad, supérieur à 4ε = 1,2 × 10^-3 rad, confirme le choix.

Pièges de l'exercice 2

Il faut convertir la distance en mètres avant de calculer l'angle, écrire l'inégalité chiffrée pour conclure, et ne pas faire converger les rayons après l'oculaire : ils ressortent parallèles entre eux, mais inclinés par rapport à l'axe. Vérifiez aussi le sens du rapport des focales, puisque le grossissement doit être supérieur à 1.

Exercice 3 : au bonheur des hippocampes (5 points)

Le dernier exercice porte sur un aquarium dont l'eau doit rester entre 24 et 28 °C dans une pièce à 20 °C.

Résistance thermique et bilan de puissance

Après avoir nommé les trois modes de transfert thermique et justifié que l'eau ne peut pas descendre sous 20 °C sans chauffage, on calcule la résistance thermique des parois. La conduction se fait par les quatre parois latérales et le couvercle, soit 1,04 m², ce qui donne R_th = 4,5 × 10^-2 °C/W. Le chauffage doit compenser le flux perdu, soit environ 130 W.

Évolution de la température au Soleil

Chauffage coupé, l'eau ne reçoit que 30 W du Soleil et sa température diminue. Le temps caractéristique τ = m c R_th vaut 1,8 × 10⁴ s, environ 5 h, et la température finale tend vers 21 °C environ. La question ouverte montre que l'eau passe sous 24 °C au bout d'environ 2,8 h : le Soleil seul ne suffit pas.

Lien avec l'équation différentielle

Le bilan de puissance de Q6, appliqué avec le premier principe, conduit à l'équation différentielle donnée par l'énoncé : la variation d'énergie de l'eau par unité de temps est égale à la puissance reçue du Soleil diminuée du flux perdu à travers les parois. Sa solution est une exponentielle décroissante, de la forme θ(t) = θ_f + (θ₀ - θ_f) e^-t/τ. Savoir lire cette expression permet de répondre vite : la valeur finale s'obtient en faisant tendre t vers l'infini, et la date de passage sous 24 °C en isolant l'exponentielle puis en prenant le logarithme. Sans logarithme, un calcul de température à une date choisie suffit à conclure.

Pièges de l'exercice 3

Le fond de l'aquarium est exclu de la surface d'échange, l'épaisseur doit être convertie en mètres, et la phrase de bilan doit précéder le calcul de la puissance de chauffage. En conclusion, comparer seulement θ_f à 24 °C ne suffit pas : il faut estimer la date à laquelle l'eau sort de l'intervalle.

Gestion du temps

Pour 3 h 30 d'épreuve, une répartition proportionnelle aux points donne environ 1 h 35 pour l'exercice 1, 1 h pour l'exercice 2 et 55 minutes pour l'exercice 3. Commencez par lire l'ensemble du sujet pendant quelques minutes : les trois exercices sont indépendants, et rien n'oblige à les traiter dans l'ordre. Si l'optique vous est familière, l'exercice 2 peut constituer une bonne entrée en matière, à condition de garder du temps pour les tracés sur l'annexe, à rendre avec la copie.

Dans chaque exercice, ne restez pas bloqué sur une question : les résultats intermédiaires importants sont souvent donnés dans l'énoncé, comme les 0,40 mol de dichlore, les 7 mol/L de l'étiquette, l'angle de 2,3 × 10^-4 rad ou la puissance de 130 W. Vous pouvez donc poursuivre même sans avoir abouti. Réservez enfin une dizaine de minutes en fin d'épreuve pour relire les unités, les chiffres significatifs et les conclusions des questions ouvertes.

Conclusion

Ce sujet du bac 2024 Asie Jour 1 permet de réviser en une seule séance la chimie des solutions, la cinétique, l'optique et la thermodynamique. Ses trois questions ouvertes sont un excellent entraînement à la rédaction d'une démarche : annoncer les étapes, utiliser les résultats précédents, calculer, puis conclure en comparant à un critère. Faites le sujet en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, qui reprend chaque question avec la méthode, les calculs et les erreurs les plus fréquentes.