Le sujet 1 d'Asie 2021 : une épreuve variée, de l'espace au laboratoire
Le sujet 1 de l'épreuve de spécialité physique-chimie de la session 2021 en Asie dure 3 h 30 et est noté sur 20 points. Il suit l'organisation propre à cette session : un exercice commun de 10 points, puis trois exercices de 5 points, parmi lesquels le candidat en traite deux. Le premier exercice relève de la physique, mécanique céleste et transferts thermiques, tandis que les trois exercices au choix relèvent de la chimie : titrage acide-base et spectroscopie, synthèse organique, cinétique et titrage par oxydoréduction. Un fil commun traverse tout le sujet : comparer une valeur mesurée ou calculée à une valeur de référence à l'aide de l'écart normalisé, un savoir-faire indispensable en terminale.
Les notions mobilisées couvrent une large part du programme de terminale : lois de Kepler et deuxième loi de Newton, bilan d'énergie et transferts thermiques, couples acide-base et spectroscopie infrarouge, titrages, synthèse organique et cinétique. Les questions alternent restitution de connaissances, exploitation de documents et calculs guidés. Plusieurs résultats intermédiaires sont donnés dans l'énoncé, ce qui permet de poursuivre même en cas de blocage : c'est un point important pour ne pas perdre de points en cascade.
Exercice 1 : Parker Solar Probe (10 points)
Cet exercice commun suit la sonde Parker Solar Probe, conçue pour s'approcher du Soleil.
La trajectoire de la sonde
La force gravitationnelle exercée par le Soleil est dirigée vers S, qui occupe un foyer de l'ellipse et non son centre. La deuxième loi de Kepler établit que la sonde va plus vite au périhélie qu'à l'aphélie. La deuxième loi de Newton, écrite dans le repère de Frenet, montre ensuite qu'un mouvement circulaire est uniforme et que v = √(G·MS/r). Le calcul donne environ 1,4 × 10⁵ m/s, soit 139 km/s, à condition de convertir le rayon en mètres. Comparée aux 192 km/s annoncés, d'incertitude-type 5 km/s, cette valeur conduit à un écart normalisé voisin de 11 : le modèle circulaire est rejeté au profit de l'orbite elliptique. La troisième loi de Kepler, exploitée avec le coefficient fourni par un programme Python, donne une période d'environ 88,64 jours.
La protection thermique
Une augmentation de 35 % de la puissance thermique correspond à un facteur 1,35 : les radiateurs doivent évacuer 5,97 × 10³ W, juste sous leur maximum de 6000 W. Le bilan d'énergie sur le circuit d'eau, avec une durée convertie en secondes, conduit à une température maximale de 128 °C, inférieure à la température d'ébullition de 150 °C sous 5,0 bar. Viennent ensuite le rayonnement, seul mode de transfert dans le vide, le rôle isolant de la mousse de carbone, puis le calcul d'un flux de 2,57 × 10⁴ W et d'une résistance thermique. L'écart de température entre les faces du bouclier atteint 1,26 × 10³ K, ce qui laisse la face arrière à 438 K, soit environ 165 °C.
Ce qu'il faut retenir
C'est l'exercice le plus long du sujet. Les points se jouent sur la démonstration complète de la question 2.1, avec système et référentiel, et sur les conversions d'unités, qui reviennent à chaque application numérique.
Le premier exercice est aussi celui qui demande le plus de lecture : un programme Python, un tableau de données planétaires, des caractéristiques techniques de la sonde et un tableau de conductivités thermiques. Repérer rapidement où se trouve chaque donnée fait gagner un temps précieux.
Exercice 2 : traitement anti-acarien (5 points)
L'exercice porte sur une solution commerciale d'acide méthanoïque. Il commence par des questions de cours : définition d'un acide selon Brönsted, formule de l'ion méthanoate HCOO⁻, diagramme de prédominance autour du pKA de 3,8. L'identification du spectre infrarouge repose sur la présence simultanée de la bande O–H d'acide carboxylique, très large entre 2600 et 3200 cm⁻¹, et de la bande C=O vers 1700 cm⁻¹ : seul le spectre A convient.
La seconde partie est un titrage pH-métrique par la soude. Après le schéma légendé du dispositif et l'équation de la réaction support, le volume équivalent de 15,0 mL donne C₀ = 1,50 × 10⁻² mol/L pour la solution diluée. La solution commerciale, mille fois plus concentrée, titre 15,0 mol/L, avec une incertitude-type de 0,6 mol/L après arrondi par excès. La valeur du fabricant, environ 14,1 mol/L, conduit à un écart normalisé d'environ 1,4 : mesure et étiquette sont compatibles.
Points de vigilance : écrire l'équation sans l'ion sodium et avec une flèche simple, convertir 100 mL en litres, et citer le seuil de 2 pour conclure.
Exercice 3 : synthèse d'un biocarburant (5 points)
Cet exercice étudie la synthèse d'un ester méthylique à partir d'huile de colza et de méthanol. Il faut d'abord entourer le groupe ester complet et calculer la masse molaire du produit, 294,0 g/mol. L'analyse du protocole demande d'identifier les facteurs qui accélèrent la synthèse, le chauffage à 60 °C et la soude qui sert de catalyseur, puis de classer les étapes : transformation aux étapes 1 et 2, séparation par décantation à l'étape 3.
Le contrôle de pureté passe par la masse volumique : 0,889 g/mL, avec une incertitude-type de 0,002 g/mL. Face à la valeur de référence de 0,880 g/mL, l'écart normalisé vaut 4,5 : le produit n'est sans doute pas pur. Le bilan de matière montre que l'huile est le réactif limitant et que le méthanol est en excès, à condition de diviser chaque quantité par son nombre stœchiométrique. La masse maximale d'ester est d'environ 100 g et le rendement atteint 72,6 %.
Points de vigilance : ne pas réduire le groupe ester à la liaison C=O, ne pas attribuer au reflux un rôle d'accélérateur, et garder les valeurs non arrondies pour éviter de trouver 101 g au lieu de 100 g.
Exercice 4 : l'eau oxygénée d'une solution hydroalcoolique (5 points)
Ce dernier exercice, en quatre questions, cherche à savoir si une bouteille d'eau oxygénée est encore utilisable. La comparaison de trois conditions de stockage montre que la température et la lumière accélèrent la décomposition du peroxyde d'hydrogène : la meilleure conservation se fait au froid et à l'obscurité. Un calcul à partir du pourcentage massique de 3,0 % et de la masse volumique de 960 g/L justifie la concentration minimale de 0,85 mol/L.
Le titrage par le permanganate, avec les nombres stœchiométriques 2 et 5, puis la prise en compte d'une dilution d'un facteur 20, donne une concentration de 0,89 mol/L pour la bouteille. Enfin, la pente de la droite de décomposition, environ 6,0 × 10⁻³ mol/L par jour, montre qu'il reste environ 7 jours avant d'atteindre le seuil de 0,85 mol/L, donc moins de dix jours.
Points de vigilance : ne pas assimiler 100 g de solution à 100 mL, ne pas oublier la dilution, et ne pas lire directement une date sur le graphique, dont l'origine ne correspond pas au jour du titrage.
Les savoir-faire transversaux du sujet
L'écart normalisé
Il apparaît dans trois exercices. Le quotient de l'écart entre deux valeurs par l'incertitude-type se compare à 2 : environ 11 pour la vitesse de la sonde, 1,4 pour la concentration de l'acide méthanoïque, 4,5 pour la masse volumique du biocarburant. Deux conclusions de rejet et une conclusion de compatibilité : l'outil est le même, seule la valeur du quotient décide. Il faut à chaque fois écrire le calcul, citer le seuil et formuler la conclusion dans les termes de l'énoncé.
Les relations à l'équivalence
Deux titrages figurent dans le sujet. Pour l'acide méthanoïque, la réaction se fait mole à mole et la relation est directe. Pour le peroxyde d'hydrogène, les nombres stœchiométriques 2 et 5 doivent apparaître. Dans les deux cas, il faut ensuite tenir compte de la dilution préalable pour revenir à la solution de départ.
Les conversions et les chiffres significatifs
Kilomètres, heures, centimètres, millilitres : presque chaque application numérique cache une conversion. Les résultats s'écrivent avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données, et les incertitudes-types avec un seul chiffre, arrondi par excès.
Gestion du temps et choix des exercices
Le barème indique la répartition : environ 1 h 45 pour l'exercice 1, puis un peu moins de 55 minutes pour chacun des deux exercices choisis. Commencez par parcourir les trois exercices de 5 points pendant quelques minutes et choisissez ceux dont les notions vous sont les plus familières : l'exercice 2 privilégie l'acide-base et la spectroscopie, l'exercice 3 la synthèse organique, l'exercice 4 la cinétique et le titrage par oxydoréduction. Dans l'exercice 1, ne restez pas bloqué sur la partie mécanique : la partie thermique est largement indépendante et contient des questions rapides, comme celle sur le mode de transfert dans le vide ou l'expression de l'énergie reçue. Gardez enfin une dizaine de minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs.
Conclusion
Ce sujet récompense la méthode plus que la virtuosité calculatoire. Les mêmes savoir-faire reviennent d'un exercice à l'autre : convertir avant de calculer, écrire les relations à l'équivalence avec les nombres stœchiométriques, présenter une incertitude-type avec un seul chiffre significatif et conclure par l'écart normalisé comparé à 2. Travailler le sujet entier en conditions réelles, puis confronter sa copie au corrigé détaillé question par question, est une excellente préparation à l'épreuve de spécialité.