Le bac 2025 de physique-chimie en Asie, jour 1 : vue d'ensemble

Le sujet du jour 1 du bac 2025 de physique-chimie en Asie se compose de trois exercices indépendants pour un total de 20 points, à traiter en 3 h 30. Il est très déséquilibré : le premier exercice, consacré à une installation sanitaire, vaut à lui seul 11 points, soit plus de la moitié de la note. Les deux suivants, l'un sur la pollution ammoniacale d'une rivière (5 points), l'autre sur la synthèse d'un arôme de poire (4 points), relèvent de la chimie. L'épreuve couvre ainsi la thermodynamique, la mécanique des fluides, l'acide-base, le titrage conductimétrique, la chimie organique et l'équilibre chimique.

Ce découpage a une conséquence pratique : bien maîtriser le premier exercice est décisif. Mais les deux exercices de chimie contiennent de nombreuses questions courtes et accessibles (définitions, lecture de diagramme, choix de verrerie) qui rapportent des points rapidement. Cette analyse reprend les passages clés de chaque exercice, les pièges relevés dans le corrigé et des conseils de gestion du temps.

Exercice 1 : installation sanitaire (11 points)

L'exercice suit l'eau d'un logement : elle est chauffée par un chauffe-eau solaire, stockée dans un cumulus, puis distribuée jusqu'à un robinet situé 5 m plus haut. Ses 13 questions se répartissent en trois blocs.

Transferts thermiques et isolation

Il faut d'abord reconnaître trois modes de transfert : rayonnement au niveau du panneau solaire, conduction à travers la paroi du serpentin, convection dans le cumulus, où l'eau chaude, moins dense, monte. La résistance thermique de l'isolant en mélamine se calcule avec R_th = e/(λS) : on obtient 0,30 K·W^-1, à condition de convertir l'épaisseur de 5,0 cm en mètres. Le flux thermique Φ = Δθ/R_th vaut alors environ 83 W. Le sens du transfert découle du principe selon lequel l'énergie passe spontanément du corps chaud vers le corps froid : ici, du fluide caloporteur à 45 °C vers la structure à 20 °C.

La comparaison avec la mousse de polyuréthane se fait sans calcul : en combinant les deux relations, Φ = λSΔθ/e, le flux est proportionnel à la conductivité thermique. Celle du polyuréthane étant plus faible, ce matériau limite mieux les pertes et constitue le meilleur choix.

Premier principe et durée de chauffe

Pour l'eau du cumulus, système incompressible, ΔU = ρ_eau·V·c_eau·(θ_f − θ_i). Sans travail échangé, le premier principe donne Q = ΔU. La puissance thermique fournie par le chauffe-eau vaut P_th = r·p_R·S = 2,3 kW : on multiplie par le rendement, puisque la puissance utile est toujours inférieure à la puissance reçue. La question à initiative qui suit consiste à calculer l'énergie nécessaire, environ 2,5 × 10⁷ J pour 150 L chauffés de 10 °C à 50 °C, puis la durée Δt = Q/P_th, d'environ 1,1 × 10⁴ s, soit 3,0 h. Deux points font la différence : la conversion en heures et le commentaire. Une durée de trois heures est réaliste sur une journée ensoleillée, mais la durée réelle sera plus longue, faute d'isolation parfaite et d'éclairement constant.

Débit et relation de Bernoulli

Le débit volumique d'un fluide incompressible en écoulement permanent se conserve : D₁ = D₂. Comme D = v·S et que la section du robinet est plus petite, la vitesse y est plus grande : v₂ = 1,8 m·s^-1. La relation de Bernoulli entre l'entrée du cumulus et le robinet donne ensuite P₂ = 2,5 × 10⁵ Pa. Le point délicat est le signe des termes au moment d'isoler P₂ ; un contrôle de cohérence suffit à repérer une erreur, car l'eau monte et accélère, donc sa pression doit diminuer. Le corrigé souligne que la montée de 5 m pèse bien davantage que l'accélération. La pression au robinet, 2,5 bar, dépasse le seuil de 2,0 bar : le surpresseur n'est pas nécessaire.

Exercice 2 : pollution ammoniacale (5 points)

Cet exercice cherche à savoir si une eau de rivière est polluée par l'azote ammoniacal. Il comporte 8 questions et se termine par une démarche chiffrée.

Acide-base et structure de l'ammoniac

Un acide selon Brønsted est une espèce capable de céder un ion H⁺ ; ici, l'ion ammonium NH₄⁺ est l'acide du couple et l'ammoniac NH₃ sa base conjuguée. Le schéma de Lewis de l'ammoniac se construit à partir des électrons de valence : l'azote en possède 5, il forme trois liaisons avec les atomes d'hydrogène et conserve un doublet non liant, qu'il ne faut surtout pas oublier.

Le diagramme de prédominance place la frontière à pH = pK_A = 9,22. L'échantillon a un pH de 7,2, inférieur au pK_A : l'ion ammonium prédomine. Le corrigé précise que l'ammoniac ne représente alors qu'environ 1 % de l'azote ammoniacal.

Dilution et titrage conductimétrique

Pour préparer 50,0 mL d'une solution diluée dix fois, on prélève 5,0 mL de solution mère avec une pipette jaugée et on complète dans une fiole jaugée de 50,0 mL. Le choix de la verrerie doit être justifié par la précision requise.

L'allure de la courbe de titrage s'explique par la loi de Kohlrausch. Avant l'équivalence, l'ion sodium spectateur remplace l'ion ammonium consommé ; sa conductivité molaire ionique étant un peu plus faible, la conductivité baisse légèrement. Après l'équivalence, les ions sodium et hydroxyde s'accumulent, et la conductivité augmente nettement, l'ion hydroxyde étant très conducteur. Le volume équivalent, 11,0 mL, se lit à l'intersection des deux droites modélisant les portions rectilignes de la courbe.

Conclusion sur la pollution

À l'équivalence, les quantités de matière d'ion ammonium et d'ion hydroxyde sont égales. On en tire une concentration de 1,93 × 10^-5 mol·L^-1, puis, avec M(NH₄⁺) = 18,0 g·mol^-1, une concentration en masse d'environ 0,35 mg·L^-1. Elle dépasse le seuil de 0,10 mg·L^-1 : l'eau est polluée. Le piège classique consiste à multiplier par le facteur de dilution, alors que la dilution concernait la solution titrante et non l'échantillon.

Exercice 3 : arôme de poire (4 points)

Le dernier exercice porte sur la synthèse de l'éthanoate de pentyle, ester à l'odeur de poire, à partir de pentan-1-ol et d'acide éthanoïque. Ses 9 questions sont courtes et s'enchaînent rapidement.

Nomenclature et spectroscopie

Deux isomères de constitution ont la même formule brute mais des enchaînements d'atomes différents. Pour identifier l'éthanoate de pentyle, on repère la chaîne de 2 carbones portant le groupe C=O et la chaîne de 5 carbones liée à l'oxygène : c'est l'isomère B. Le spectre infrarouge présente la bande de la liaison C=O d'ester vers 1 740 cm^-1 et celle des liaisons C−H vers 2 950 cm^-1, sans bande O−H : il convient aux deux isomères, car l'infrarouge identifie des liaisons et non la longueur des chaînes.

Protocole, équilibre et rendement

Le chauffage à reflux accélère la transformation tout en évitant les pertes de matière grâce au réfrigérant. Le quotient de réaction initial est nul, car ni l'ester ni l'eau ne sont présents au départ ; l'eau figure ici dans le quotient puisqu'elle n'est pas le solvant. Comme Q_r,0 = 0 est inférieur à K = 4, l'évolution se fait dans le sens direct.

La quantité de pentan-1-ol, calculée à partir de la densité, vaut 0,500 mol ; avec 0,50 mol d'acide, le mélange est stœchiométrique et x_max = 0,50 mol. Le palier du graphique donne 0,33 mol d'ester à l'état final, d'où un rendement de 66 %. Pour l'améliorer, on retient l'élimination de l'eau et l'excès d'acide éthanoïque ; la température et le catalyseur n'agissent que sur la durée.

Gestion du temps sur l'épreuve

En répartissant les 3 h 30 au prorata des points, on obtient environ 1 h 55 pour l'exercice 1, 53 minutes pour l'exercice 2 et 42 minutes pour l'exercice 3. L'exercice 1 étant long et calculatoire, il est prudent de ne pas s'y enliser : les questions de mécanique des fluides, en fin d'exercice, sont en partie indépendantes du bloc thermique, puisque la valeur de v₂ est donnée dans l'énoncé. Les exercices de chimie offrent des questions rapides qu'il serait dommage de laisser de côté faute de temps.

Quelques réflexes s'appliquent aux trois exercices : convertir les unités avant tout calcul, garder des valeurs non arrondies dans la calculatrice pour les questions enchaînées, adapter le nombre de chiffres significatifs aux données et rédiger les commentaires demandés. Pour les questions de démarche, présentez clairement chaque étape et terminez par une phrase de conclusion qui répond à la question posée.

Dans quel ordre traiter les exercices ?

Rien n'oblige à suivre l'ordre du sujet. Commencer par l'exercice 3, court et très proche du cours, permet de prendre confiance et de sécuriser des points en une quarantaine de minutes. L'exercice 2 vient ensuite, avec ses définitions et sa lecture graphique. On garde alors le temps le plus long pour l'exercice 1, dont les questions s'enchaînent et demandent de la concentration. À l'inverse, un candidat à l'aise en thermodynamique peut préférer démarrer par l'exercice 1 pour en finir avec la partie la plus lourde. Dans tous les cas, numérotez clairement les questions sur la copie, signalez les résultats admis et réservez quelques minutes en fin d'épreuve pour relire les unités et les conclusions.

Conclusion

Ce sujet récompense la rigueur plus que la virtuosité : la plupart des points reposent sur des relations du cours bien appliquées, des unités maîtrisées et des justifications soignées. Le sujet officiel complet et son corrigé détaillé, question par question, avec les pièges et les méthodes, sont disponibles gratuitement en PDF pour s'entraîner dans les conditions de l'épreuve.