Présentation de l'épreuve

Le sujet de physique-chimie du bac S 2020 de Nouvelle-Calédonie relève de l'ancien programme de la série S. L'épreuve dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle comprend un exercice de chimie organique, un long exercice de mécanique et, au choix selon l'enseignement suivi, un exercice de chimie des solutions ou un exercice de spécialité. Les candidats qui n'ont pas choisi la spécialité traitent les exercices 1, 2 et 3 ; ceux de spécialité traitent les exercices 1, 2 et 4, l'exercice 4 remplaçant l'exercice 3. Dans les deux cas, le total fait bien 20 points.

Le déséquilibre du barème saute aux yeux : l'exercice de mécanique pèse à lui seul 11 points. Réussir la deuxième loi de Newton et l'exploitation d'un modèle, c'est s'assurer plus de la moitié de la note. Les autres exercices restent très proches du cours et récompensent la précision des justifications. Ce sujet complet convient donc bien pour un entraînement en conditions réelles, chronomètre en main. Une remarque utile pour les élèves qui suivent le programme actuel : certaines notions de l'exercice 1, comme l'énantiomérie et le carbone asymétrique, ne figurent plus au programme de la spécialité de terminale. Le reste du sujet reste un excellent entraînement.

Exercice 1 : Odeurs (4 points)

Stéréochimie du 2-méthylbutan-1-ol

La première partie demande d'écrire la formule semi-développée du 2-méthylbutan-1-ol, d'identifier son carbone asymétrique et de représenter ses deux énantiomères en représentation de Cram. Un mélange équimolaire de ces énantiomères est un mélange racémique ; on ne peut pas les séparer par distillation, puisqu'ils ont la même température d'ébullition, 128,7 °C. Le piège consiste à les confondre avec des diastéréoisomères, qui ont des propriétés physiques différentes.

Synthèse et contrôle de l'éthanoate de butyle

La seconde partie suit une estérification entre l'acide éthanoïque et le butan-1-ol. Il faut nommer l'ester formé, retrouver l'eau comme second produit, puis identifier le réactif en excès en comparant les quantités de matière : 1,0 mol d'acide pour 0,50 mol d'alcool. Le rôle catalytique de l'acide sulfurique, l'effet de la température comme facteur cinétique et l'intérêt du lavage aux ions hydrogénocarbonate sont ensuite à justifier. La spectroscopie infrarouge permet de vérifier l'élimination des réactifs grâce à l'absence de bande O–H. Enfin, le rendement se calcule à partir du réactif limitant : 40 g obtenus pour 58 g attendus, soit 69 %.

Points de vigilance

Chaque réponse de cet exercice doit contenir sa justification. Un nom d'ester sans le groupe caractéristique, un réactif en excès désigné en comparant des masses ou un rendement calculé à partir de l'acide plutôt que de l'alcool font perdre des points faciles. Pour le spectre infrarouge, appuyez-vous sur la bande O–H et non sur la bande C=O, dont les domaines se recouvrent pour l'ester et l'acide.

Exercice 2 : Saut en parachute (11 points)

Les données de la montre connectée

L'exercice part d'un saut en tandem depuis 4 000 m. Quatre équations horaires sont à associer aux quatre phases du vol, en raisonnant sur le signe puis sur la valeur absolue du coefficient directeur, qui représente la vitesse verticale. La phase de chute parachute fermé correspond à une vitesse de 50 m/s, soit 180 km/h, compatible avec les « environ 200 km/h » annoncés.

Le modèle de la chute libre

On justifie d'abord que le champ de pesanteur peut être considéré comme constant : l'écart relatif maximal vaut 0,13 %, sous le seuil de 1 %. Viennent ensuite les étapes incontournables : système, référentiel supposé galiléen, bilan des forces, deuxième loi de Newton, puis deux intégrations successives pour établir les équations horaires et l'équation de la trajectoire parabolique. Le modèle prévoit une ouverture du parachute au-dessus de la piste, à 7,5 × 10² m, mais une phase de chute de 23 s, contre environ 50 s mesurées. La conclusion attendue est que l'action de l'air n'est pas négligeable : le modèle de la chute libre n'est pas pertinent pour cette phase.

La descente sous parachute

La dernière partie mobilise le principe d'inertie. Juste après l'ouverture, le tandem ralentit et la force de l'air dépasse le poids ; ensuite, le mouvement devient rectiligne uniforme et les deux forces se compensent. On obtient une vitesse de 4,2 m/s, une force de 1,96 × 10³ N, une constante k de 1,1 × 10² kg·m⁻¹ et une énergie cinétique de 1,8 × 10³ J à l'arrivée. Avec le parachute de secours, dont la constante est deux fois plus petite, la vitesse est multipliée par √2 et l'énergie cinétique double.

Points de vigilance

Les erreurs les plus fréquentes sont des erreurs de conversion et de signe : diviser par 3,6 au lieu de multiplier pour passer des m/s aux km/h, oublier que l'axe vertical est orienté vers le haut, ou remplacer l'altitude d'ouverture par zéro. Pour le parachute de secours, la force dépend du carré de la vitesse : diviser k par deux multiplie la vitesse par √2 seulement, pas par deux. Enfin, quand l'énoncé dit « établir » ou « montrer », la démarche compte autant que le résultat, qui est souvent déjà donné.

Exercice 3 : Le bicarbonate de sodium (5 points)

Titrage pH-métrique et degré de pureté

Cet exercice, destiné aux candidats sans spécialité, commence par la préparation d'une solution par dissolution dans une fiole jaugée. La lecture du diagramme de distribution montre que l'ion HCO₃⁻ prédomine au début du titrage et le couple (CO₂,H₂O) à la fin, ce qui conduit à l'équation de la réaction support. Après la définition de l'équivalence et l'effet nul de l'ajout d'eau sur le volume équivalent, la question centrale demande le degré de pureté : avec V_E ≈ 11,7 mL, on trouve 98,3 %. L'étape la plus souvent oubliée est le passage de la prise d'essai de 20,0 mL à la solution mère de 1,00 L.

Décomposition thermique

La seconde partie compare la quantité de dioxyde de carbone recueillie, 1,19 × 10⁻² mol, à la quantité de bicarbonate chauffée, 2,4 × 10⁻² mol, pour choisir entre deux équations. Le rapport de 2 désigne l'équation (2). L'exercice se termine sur deux applications : la pâte à gâteau qui gonfle et l'extincteur à poudre, où le gaz plus dense que l'air étouffe le feu.

Points de vigilance

La préparation de la solution doit citer la fiole jaugée, le rinçage et l'homogénéisation. L'ion hydrogénocarbonate est amphotère : face à un acide, il se comporte en base. Dans les calculs, pensez à convertir le volume équivalent et le volume de gaz en litres, et gardez trois chiffres significatifs pour la pureté, comme les données.

Exercice 4 : Spécialité, Du soleil en bouteille (5 points)

Énergie et électrolyse

L'exercice de spécialité décrit une installation solaire qui alimente un électrolyseur produisant du dihydrogène. Un bilan énergétique enchaînant deux pourcentages donne 2,0 GJ reçus par jour par l'électrolyseur. La lecture des demi-équations permet ensuite d'établir le sens des électrons et du courant : la borne positive du panneau est reliée à l'électrode 1, siège de l'oxydation de l'eau.

La résolution de problème

Il faut estimer la durée de remplissage d'une citerne de 1 400 m³ de dihydrogène. La chaîne de calcul passe par la quantité de dihydrogène, la quantité d'électrons, la charge électrique puis l'énergie nécessaire, avant la comparaison avec l'énergie quotidienne. Le résultat, environ 11 jours, est cohérent avec le texte ; il suppose un ensoleillement moyen et une électrolyse sans perte. L'oubli du facteur 2 entre électrons et dihydrogène est le piège principal.

Les compétences évaluées

Au-delà des chapitres, le sujet évalue des savoir-faire transversaux. Exploiter un document : lire une courbe de titrage, une courbe dérivée, un diagramme de distribution ou un enregistrement d'altitude. Mener un calcul en plusieurs étapes en gardant les bonnes unités et le bon nombre de chiffres significatifs. Confronter un modèle à des mesures, comme la chute libre face aux données de la montre. Enfin, conduire une résolution de problème en annonçant sa démarche et en critiquant ses hypothèses, comme dans l'exercice de spécialité. Ces compétences restent au cœur des épreuves actuelles, ce qui fait de ce sujet un bon support de révision.

Gérer son temps

Avec 3 h 30 pour 20 points, une règle simple consiste à consacrer environ 10 minutes par point. Cela donne à peu près 40 minutes pour l'exercice 1, un peu moins de deux heures pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou 4. Commencez par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions sûres. L'exercice 2 étant long, ne restez pas bloqué sur une démonstration : les résultats à établir sont souvent donnés dans l'énoncé et permettent de poursuivre. Gardez quelques minutes à la fin pour relire les unités et les chiffres significatifs.

Comment utiliser les corrigés

Le plus efficace est de traiter d'abord le sujet seul, puis de comparer sa copie au corrigé question par question. Chaque corrigé détaille la rédaction attendue, les calculs posés et les pièges à repérer. Notez les erreurs qui reviennent, qu'il s'agisse d'oublis de justification, de conversions ou de chiffres significatifs, pour les retravailler avant le prochain entraînement.

Conclusion

Ce sujet de Nouvelle-Calédonie couvre un large éventail du programme de terminale S : chimie organique, mécanique newtonienne, titrage acide-base et électrolyse. Il récompense surtout la rigueur de rédaction et la capacité à critiquer un modèle. Les corrigés détaillés de chaque exercice reprennent toutes les questions, avec les calculs posés, les méthodes et les erreurs fréquentes à éviter.