Le Bac S 2016 Asie : une épreuve très chimique, avec un grand exercice de physique
Le sujet de physique-chimie du Bac S 2016 Asie, épreuve de l'ancien programme, dure 3 h 30 et compte 20 points. Il se compose de trois exercices communs, dont l'exercice 2 sur 10 points, et d'un exercice réservé aux candidats de spécialité. Les candidats de spécialité traitent donc les exercices 1 et 2 puis l'exercice de spécialité sur la micropile ; les autres traitent les exercices 1, 2 et 3. L'épreuve fait la part belle à la chimie organique, avec deux exercices sur les molécules et leur stéréoisomérie, tandis que l'exercice sur le LIDAR rassemble l'essentiel de la physique : laser, propagation de la lumière, mesures et effet Doppler. L'exercice de spécialité est une résolution de problème autour d'une pile à combustible.
Plusieurs notions de ce sujet ne figurent plus au programme actuel de la spécialité de terminale : la stéréoisomérie de configuration, la spectroscopie RMN et le laser. Le sujet reste pourtant un excellent entraînement : la lecture des spectres IR, le dosage par étalonnage, les mesures de durée, les incertitudes, l'effet Doppler, la chimie verte et la chaîne de calcul d'une pile sont toujours des savoir-faire attendus.
Exercice 1 : un peu de chimie chez les abeilles (5 points)
L'exercice part des phéromones de la ruche. Dans l'acide 9-oxodéc-2-ènoïque, phéromone de la reine, on repère un groupe carbonyle (cétone) et un groupe carboxyle (acide carboxylique). Chaque carbone de la double liaison C=C portant deux groupes différents, la molécule existe sous deux formes, Z et E ; la phéromone est l'isomère E. Quand le groupe oxo devient un groupe hydroxy, le carbone n° 9 porte quatre groupes différents : il devient asymétrique, et la molécule cumule isomérie Z/E et énantiomérie.
La suite exploite deux spectres IR et un spectre RMN. L'heptan-2-one et l'éthanoate d'isoamyle possèdent toutes deux des liaisons C–H et C=O ; seul l'ester possède des liaisons C–O, visibles par une bande forte vers 1240 cm-1 sur le spectre n° 1. Le spectre RMN présente cinq signaux, autant que de groupes de protons équivalents, avec les multiplicités prévues par la règle des n + 1 pics.
La partie B est un dosage par étalonnage des sucres réducteurs d'un miel de sapin. Le DNS est mis en excès pour que tous les sucres réagissent. La droite A = 0,68 × Cm donne 0,59 g·L-1 dans la solution diluée ; après le facteur de dilution 10 et le passage à la masse, on trouve 49 g de sucres réducteurs pour 100 g de miel, au-dessus des 45 g exigés pour un miel de miellat. Le piège principal est l'oubli de la dilution, qui conduit à une conclusion fausse.
Pour réussir cet exercice, il faut une méthode à chaque type de question. En stéréoisomérie, on vérifie que chaque carbone de la double liaison porte deux groupes différents, puis on cherche les carbones liés à quatre groupes tous différents. En IR, on liste les liaisons de chaque molécule et on cherche celle qui n'appartient qu'à une seule. En RMN, on compte les protons voisins de chaque groupe, en se souvenant que les deux CH3 portés par un même carbone forment un seul groupe de six protons. Dans le dosage, on écrit les étapes une à une, de la solution diluée jusqu'à la teneur pour 100 g, et on compare au bon seuil : 45 g pour un miel de miellat, et non 60 g pour un miel de nectar.
Exercice 2 : les LIDAR (10 points)
C'est l'exercice le plus long, et il pèse la moitié de la note. La partie 1 commence par le laser : rayonnement monochromatique et directif, pompage par des lampes flash qui portent les atomes du niveau E0 au niveau E3. La relation λ = hc/(E3 − E0) donne 808 nm, à ne pas confondre avec les 1064 nm émis par le laser. On établit ensuite Δt = 2(H − h)/c pour l'aller-retour d'une impulsion, on en déduit que la courbe Δt(t) est le profil du relief renversé (graphique a), puis on calcule l'altitude du Puy de Dôme : 1,46 × 103 m pour Δt = 13,6 µs et H = 3,50 km. L'hypothèse d'un avion immobile est justifiée : il ne parcourt que 1,70 mm pendant la mesure.
La partie 2 porte sur le LIDAR bathymétrique. Le laser vert (532 nm) est préféré à l'infrarouge (1064 nm) car l'eau l'absorbe environ mille fois moins, ce qui se lit sur un axe logarithmique. L'écho infrarouge vient de la surface, l'écho vert du fond ; leur décalage de 0,035 µs, avec la célérité de la lumière dans l'eau, donne une profondeur d'environ 4,0 m.
La partie 3 mesure la vitesse d'un chariot de deux façons. Au chronomètre, la moyenne de dix durées et le calcul d'incertitude donnent v = (0,144 ± 0,003) m·s-1. Par effet Doppler, la fréquence reçue plus basse que la fréquence émise montre que le chariot s'éloigne, et la relation du décalage Doppler, avec la célérité des ultrasons dans l'air, donne 0,145 m·s-1 à 5 % près. Les deux intervalles se recouvrent : les mesures sont compatibles. Les erreurs classiques sont l'oubli du facteur 2, les unités non converties et le choix d'une mauvaise célérité.
Cet exercice récompense la clarté des raisonnements. Chaque résultat numérique doit être précédé de la relation littérale, puis de l'application numérique avec les unités du Système international. Dans la question sur les incertitudes, l'incertitude s'arrondit par excès à un chiffre significatif, et la valeur s'arrête au même rang décimal. La comparaison finale ne se fait pas sur les seules valeurs : il faut écrire chaque résultat sous forme d'intervalle et constater que ces intervalles se recouvrent. On remarque d'ailleurs que la mesure au chronomètre est la plus précise des deux, avec environ 2 % contre 5 %.
Exercice 3 : synthèse asymétrique du menthol (5 points)
Cet exercice compare deux procédés de fabrication du (−)-menthol. Dans le procédé au thymol, l'hydrogénation est une addition. Le (−)-menthol possède trois carbones asymétriques, donc 23 = 8 stéréoisomères ; comme le catalyseur au nickel les forme tous en quantités égales, le rendement en (−)-menthol n'est que de 12,5 %. La comparaison des représentations de Cram montre que le stéréoisomère 1, où tout est inversé, est l'énantiomère du (−)-menthol, et que le stéréoisomère 2 en est un diastéréoisomère.
Le procédé Takasago part du myrcène, qui ne présente pas d'isomérie Z/E. L'étape 2 crée un carbone asymétrique grâce à un catalyseur chiral, le (−)-BINAP-Ru+ : c'est l'étape de catalyse asymétrique ; l'étape 4 en crée deux autres. Le bilan global s'écrit avec X = H2O et Y = H2, la diéthylamine étant recyclée. La question de synthèse demande une argumentation chiffrée : catalyse sélective, et utilisation atomique UA = 1 pour le procédé Takasago contre 0,125 rapportée au seul (−)-menthol pour le procédé au thymol.
Les pièges de cet exercice sont surtout des pièges d'observation : marquer à tort le carbone central de l'isopropyle, qui porte deux groupes méthyle identiques, ou conclure à une isomérie Z/E du myrcène simplement parce qu'il contient des doubles liaisons. Pour comparer deux stéréoisomères, la méthode la plus sûre consiste à comparer les liaisons de Cram une à une. Pour le bilan global, on additionne les étapes et on raye les espèces formées puis consommées, comme la diéthylamine ; les catalyseurs n'y figurent jamais.
Exercice de spécialité : une micropile à combustible (5 points)
La question préalable fait calculer l'énergie volumique d'une batterie Li-ion : 7,98 W·h, lus sur l'étiquette, pour un volume de 15,5 cm3, soit 0,51 W·h/cm3, en accord avec le tableau. Le problème demande la taille du réservoir de méthanol d'une micropile donnant la même autonomie. La chaîne de calcul est classique : énergie en joules, charge Q = E/U sous 0,50 V, quantité d'électrons avec la constante de Faraday, quantité de méthanol grâce à la demi-équation (six électrons par molécule), masse puis volume. On trouve 4,01 cm3 pour un rendement idéal, puis environ 10 cm3 en divisant par le rendement de 40 %. Le regard critique compare ce volume à celui de la batterie et cite les limites : volume de la pile elle-même, eau consommée, toxicité et inflammabilité du méthanol.
Deux erreurs coûtent cher : multiplier par 0,40 au lieu de diviser, ce qui donne 1,6 cm3, et utiliser la tension de 3,8 V de la batterie au lieu des 0,50 V de la pile. Comme dans toute résolution de problème, la démarche est évaluée même si le résultat final est faux : il vaut mieux annoncer chaque étape par une phrase et garder les valeurs non arrondies en mémoire.
Gérer son temps pendant les 3 h 30
La répartition des points guide la gestion du temps : environ 50 minutes pour chaque exercice sur 5 points et 1 h 40 pour l'exercice sur le LIDAR. Il est raisonnable de commencer par l'exercice où l'on se sent le plus à l'aise, mais sans négliger l'exercice 2, qui vaut à lui seul la moitié de la note. Ses trois parties sont largement indépendantes : une difficulté sur le laser n'empêche pas de traiter la profondeur de l'eau ou l'effet Doppler. Dans les exercices de chimie organique, les questions de stéréoisomérie se traitent vite si l'on applique une méthode systématique ; les questions d'argumentation, comme la comparaison des procédés du menthol ou le regard critique de la micropile, demandent en revanche du temps de rédaction. Garder dix minutes en fin d'épreuve pour relire les unités, les chiffres significatifs et les facteurs oubliés (dilution, aller-retour, rendement) permet de récupérer des points faciles.
Conclusion
Le Bac S 2016 Asie demande surtout de la rigueur : relier une durée à une distance, ne pas oublier un facteur de dilution, appliquer le rendement dans le bon sens, choisir la bonne célérité. Il entraîne aussi à l'argumentation, avec une question de chimie verte et une résolution de problème. Travailler ce sujet en entier, puis comparer ta copie au corrigé détaillé de chaque exercice, est une bonne façon de repérer tes points faibles avant l'épreuve.