Une épreuve complète de 3 h 30 sur 20 points

Le sujet de physique-chimie du bac S 2019 Asie (ancien programme) comporte quatre exercices, dont un exercice de spécialité. Il se distingue par sa variété : chimie analytique avec le dosage d'un polluant domestique, chimie organique et mécanique autour du byssus de la moule, physique des satellites avec l'observation des océans, et enfin un traitement de l'eau d'un puits pour les élèves de spécialité. Le poids des exercices est inégal : 5, 9, 6 et 5 points. Bien répartir son temps est donc un enjeu à part entière. Cette page présente chaque exercice, ses questions clés, ses pièges et la façon de s'organiser pour traiter l'ensemble dans la durée.

Exercice 1 : le formaldéhyde, un polluant domestique (5 points)

Ce premier exercice, prévu pour environ 50 minutes, cherche à savoir si un matériau respecte une norme d'émission de formaldéhyde.

Identifier la molécule

Il faut d'abord écrire la formule développée du méthanal, en faisant apparaître toutes les liaisons, puis justifier sur un spectre infrarouge la présence d'un aldéhyde. Le point décisif est la double signature : la bande C=O vers 1740 cm^-1 ne suffit pas seule, ce sont les bandes C_tri–H entre 2700 et 2900 cm^-1 qui désignent un aldéhyde.

Doser par étalonnage

Le chauffage à l'étuve accélère la réaction colorée, la température étant un facteur cinétique. Le composé absorbe vers 580 nm, dans le jaune : il apparaît violet, couleur complémentaire. Le calcul de la concentration minimale en acide chromotropique, environ 1,1 g·L^-1, exige de tenir compte du coefficient 2 de l'équation et de raisonner en quantités de matière. Enfin, après avoir vérifié que l'absorbance est proportionnelle à la concentration, on trouve 4,0 mg·L^-1 dans le filtrat, soit 4,0 mg de formaldéhyde pour 100 g de matériau : la norme E1, fixée à 8 mg, est respectée.

Les pièges de l'exercice 1

Trois erreurs reviennent souvent. Répondre « jaune » pour la couleur du composé, alors que 580 nm est la radiation absorbée et non la couleur perçue. Oublier le coefficient 2 de l'équation, ou comparer des masses au lieu de quantités de matière, dans le calcul du réactif en excès. Enfin, comparer directement une concentration en mg·L^-1 à une norme exprimée en mg pour 100 g de matériau : il faut passer par la masse extraite dans les 300 mL de filtrat, puis ramener le résultat à 100 g. Le corrigé rappelle aussi qu'on suppose l'extraction complète ; si elle ne l'était pas, la teneur réelle serait plus élevée.

Exercice 2 : le byssus de la moule (9 points)

C'est le cœur de l'épreuve, avec près de la moitié des points et environ 1 h 30 de travail. Il est construit en quatre parties indépendantes.

Chimie organique

On justifie qu'une molécule est un acide aminé, on dessine ses deux énantiomères en représentation de Cram, puis on analyse une synthèse peptidique sur résine. La protection du groupe amino évite la formation d'un mélange de dipeptides. Un diagramme de prédominance montre que la forme –NH2 n'existe qu'au-delà de pH 9,4. Il faut ensuite tracer les flèches courbes d'un mécanisme, depuis le doublet non liant de l'azote, et reconnaître une addition puis une élimination.

Diffraction

La relation θ = λ/a permet d'associer chaque figure de diffraction à un fil : plus le fil est fin, plus la tache centrale est large. On établit θ = L/(2D) et l'on retrouve un diamètre de filament de 100 µm. Un calcul d'ordre de grandeur montre ensuite qu'une moule fournit environ 0,1 mg de protéines adhésives : il en faudrait de l'ordre de 10⁴ pour obtenir un gramme, d'où l'intérêt de la synthèse.

Énergie mécanique

La dernière partie modélise le byssus par un ressort. On identifie les courbes d'énergie, on calcule l'énergie initiale de 4 × 10^-2 J et un allongement maximal de 1,3 cm. Sans dissipation, la force de rappel atteindrait 6,3 N, au-delà de la force de rupture de 5,1 N. En tenant compte de l'énergie dissipée, la force descend vers 4,4 N et la moule reste accrochée. Le raisonnement repose sur la conservation, puis la non-conservation, de l'énergie mécanique.

Les pièges de l'exercice 2

Dans la partie de chimie, une flèche courbe part toujours d'un doublet, non liant ou de liaison, jamais d'un atome ni d'une charge. Dans le diagramme de prédominance, la forme portant à la fois –NH2 et –COOH ne prédomine à aucun pH. En diffraction, c'est la distance entre le fil et l'écran qui intervient, pas la distance entre le laser et le fil, et le facteur 2 vient de la demi-largeur de la tache. Pour le volume du filament, on utilise le rayon et non le diamètre, sous peine de multiplier la masse par quatre. En mécanique, la masse de 20 g doit être convertie en kilogrammes. Plusieurs données n'ont qu'un chiffre significatif : seul l'ordre de grandeur du nombre de moules a un sens.

Exercice 3 : les océans sous haute surveillance (6 points)

Cet exercice de physique, prévu pour une heure, étudie le satellite altimétrique Jason.

Le radar et le nuage

La durée d'un aller-retour vaut 2H_a/c. La traversée d'un nuage ajoute un délai de 4,0 × 10^-10 s, ce qui correspond à 12 cm : c'est plus que la précision de 5 cm recherchée, d'où la nécessité du radiomètre. Le corrigé relève une inversion des indices dans l'énoncé et montre comment contrôler le signe du résultat.

Le mouvement du satellite

On représente la force gravitationnelle, on écrit son expression vectorielle avec la distance R_T + H_S, puis on applique la deuxième loi de Newton dans le référentiel géocentrique. L'identification avec l'accélération d'un mouvement circulaire uniforme donne la vitesse, puis une période de 112 minutes, conforme à l'énoncé.

L'effet Doppler

La fréquence reçue augmente quand le satellite s'approche, diminue quand il s'éloigne. La relation de l'énoncé donne une vitesse de 7,2 km·s^-1, cohérente avec les 7,19 km·s^-1 obtenus par la mécanique. Calculatrice en degrés et signe de Δf sont les deux points de vigilance.

Les pièges de l'exercice 3

La force gravitationnelle se trace à partir du satellite, qui la subit, et non à partir du centre de la Terre. Son expression fait intervenir la distance entre les centres : écrire H_S au carré au dénominateur est une erreur fréquente. La période du satellite ne doit pas être confondue avec la période de rotation de la Terre sur elle-même. Enfin, la rédaction de la deuxième loi de Newton est évaluée : système, référentiel et bilan des forces sont attendus avant toute équation.

Exercice 4 de spécialité : le traitement de l'eau d'un puits (5 points)

Les élèves de spécialité traitent une résolution de problème d'environ 50 minutes. Il faut d'abord prouver, chiffres à l'appui, que l'eau dépasse les seuils en fer et en manganèse, et que le déferriseur 5750 convient : pH de 7,2 et somme t_Fe + 2 t_Mn de 5,8 mg·L^-1, sous la limite de 6 mg·L^-1. Après avoir rappelé que l'air contient environ 20 % de dioxygène, on calcule les masses d'ions à éliminer en une heure, les quantités de matière, puis le dioxygène nécessaire grâce aux équations d'oxydoréduction. Le débit minimal d'air est d'environ 3 L·h^-1. L'inversion des coefficients stœchiométriques et l'oubli du passage du dioxygène à l'air sont les deux erreurs à éviter.

Ce qui a changé depuis

Quelques notions de ce sujet ne figurent plus au programme actuel de spécialité de terminale : la représentation de Cram et la recherche d'énantiomères, l'énergie potentielle élastique, dont l'expression est fournie par l'énoncé, et l'enseignement de spécialité « L'eau » de l'ancien programme. Les outils mobilisés restent pourtant d'actualité : dosage par étalonnage, spectroscopie infrarouge, diffraction, deuxième loi de Newton, mouvement circulaire, conservation de l'énergie, oxydoréduction et quantité de matière. Le sujet reste donc très utile pour réviser.

Gérer son temps sur l'épreuve

Avec 3 h 30, une répartition proportionnelle aux points conduit à environ 50 minutes pour l'exercice 1, 1 h 30 pour l'exercice 2, une heure pour l'exercice 3 et 50 minutes pour la spécialité, ce qui laisse quelques minutes pour la relecture. Commencez par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions rapides : la couleur d'une solution, l'association des figures de diffraction, la composition de l'air ou le principe de l'effet Doppler se traitent en quelques lignes. L'exercice 2, le plus long, est découpé en parties indépendantes : si une question de chimie organique résiste, passez à la diffraction ou à l'énergie sans attendre. Gardez du temps pour la résolution de problème de spécialité, où une démarche clairement annoncée rapporte des points même si le calcul final n'aboutit pas.

Les réflexes communs à tous les exercices

Ce sujet récompense la rigueur sur les unités. Les conversions reviennent partout : millilitres en litres pour le dosage, grammes en kilogrammes pour l'énergie cinétique, kilomètres en mètres pour la période du satellite, kilohertz et mégahertz en hertz pour l'effet Doppler, milligrammes en microgrammes pour les seuils de l'eau. Le nombre de chiffres significatifs est aussi discuté à plusieurs reprises, notamment lorsqu'une donnée n'en comporte qu'un. Enfin, de nombreuses questions demandent une justification : une réponse juste sans argument chiffré ne rapporte qu'une partie des points.

Conclusion

Le sujet du bac S 2019 Asie (ancien programme) couvre un large éventail de compétences : lecture de spectre, dosage par étalonnage, synthèse organique, diffraction, énergie mécanique, mouvement des satellites, effet Doppler et oxydoréduction. Même si le programme a changé depuis, la plupart de ces notions restent au cœur de la spécialité physique-chimie actuelle, ce qui en fait un excellent entraînement. Travaillez-le exercice par exercice, puis refaites-le en conditions réelles pour tester votre gestion du temps.