Le bac S 2016 Inde (Pondichéry) en physique-chimie : une épreuve complète pour s'entraîner

L'épreuve de physique-chimie du bac S passée à Pondichéry en 2016 dure 3 h 30 et est notée sur 20. Comme toujours dans l'ancien bac S, elle comporte un tronc commun et un exercice au choix selon l'enseignement suivi : tous les candidats traitent les exercices 1 et 2, puis l'exercice 3 pour ceux qui n'ont pas choisi la spécialité, ou l'exercice 4 pour les spécialistes. Les deux exercices au choix valent chacun 5 points.

Le sujet est très équilibré entre chimie et physique. L'exercice 1 relève de la chimie organique, l'exercice 2 associe ondes, transmission de l'information et mécanique, l'exercice 3 est consacré à l'acide-base, et l'exercice de spécialité porte sur l'électrolyse. Les contextes sont concrets et parlent aux élèves : un agrocarburant, un drone de loisir, un aquarium, une façade en béton. C'est un excellent sujet de bac blanc, car il exige à la fois des calculs rigoureux, des raisonnements qualitatifs et des synthèses rédigées.

Exercice 1 : le Diester (4 points)

Ce court exercice suit la fabrication du Diester par transestérification de l'huile de colza avec le méthanol. Il commence par des questions de reconnaissance : entourer le groupe hydroxyle du méthanol (fonction alcool) et le groupe ester de l'oléate de méthyle, puis choisir le nom de la glycérine. Avec trois groupes hydroxyle et aucune liaison C=O, c'est le propan-1,2,3-triol.

Vient ensuite le mécanisme réactionnel. L'étape 2 se complète avec deux flèches courbes : du doublet non liant de l'oxygène de l'ion méthanolate vers le carbone du groupe ester, puis du doublet de la liaison C=O vers l'oxygène. On justifie ensuite le terme de catalyse basique : l'ion hydroxyde, apporté par l'hydroxyde de potassium, est consommé puis régénéré, et il agit comme une base en captant un ion H⁺ du méthanol.

La fin de l'exercice est plus quantitative. La comparaison des viscosités et des indices de cétane montre pourquoi l'huile brute ne peut pas être ajoutée telle quelle au gazole. Le bilan de matière, avec trois moles de Diester par mole d'huile, donne un volume théorique d'environ 1,31 × 10³ L à partir de 1150 kg d'huile, supérieur aux 1200 L annoncés : la transformation réelle n'est pas totale et l'huile n'est pas un corps pur. Le piège principal est d'oublier ce coefficient 3. Une dernière question demande un avantage et un inconvénient des agrocarburants.

Exercice 2 : les drones grand public (11 points)

C'est le cœur de l'épreuve : plus de la moitié des points. La première partie s'intéresse à la liaison WiFi qui transmet les images du drone vers un téléphone. Après avoir identifié la chaîne de transmission, on calcule une atténuation de 60 dB à 10 m, puis une puissance reçue maximale de 1,0 × 10⁻⁴ mW. Le calcul du débit binaire d'une vidéo non compressée, environ 664 Mbits/s, montre que les 54 Mbits/s disponibles ne suffisent pas pour un direct sans compression. Attention au logarithme décimal : 60 dB divisent la puissance par 10⁶.

Les questions sur les ondes s'enchaînent ensuite. Le drone s'éloigne, donc la fréquence reçue est plus faible que la fréquence émise, mais l'écart relatif, de l'ordre de 10⁻⁸, est négligeable. La longueur d'onde vaut environ 13 cm : un tronc d'arbre, de dimension comparable, peut diffracter ces ondes. Les interférences destructives apparaissent pour une différence de marche égale à un nombre impair de demi-longueurs d'onde, soit un retard Δt = T/2 ou Δt = kT + T/2.

La seconde partie est de la mécanique. Au décollage, la dérivation du modèle z(t) = 1,0 × t² donne vz(t) = 2,0 × t, et la deuxième loi de Newton conduit à une poussée de 1,3 N, puis à une masse maximale de webcam d'environ 22 g. Enfin, après une perte de communication, le drone tombe en chute libre avec une vitesse initiale horizontale. Les équations horaires, obtenues par deux intégrations, donnent une durée de chute d'environ 1,2 s et un point d'impact à 4,8 m : le drone ne tombe pas dans la piscine, située à 20 m. Les pièges classiques sont les conversions (GHz, grammes) et l'oubli du poids dans la loi de Newton.

Exercice 3 : le pH de l'eau d'un aquarium (5 points, non spécialistes)

Cet exercice demande comment maintenir le pH d'un aquarium compatible avec plusieurs espèces de poissons, alors qu'il passe de 6,7 le matin à 7,5 le soir. On calcule d'abord le pH d'une solution acide diluée 50 fois, qui vaut 1,2. On écrit ensuite la réaction de l'acide carbonique avec l'eau, avec une double flèche puisqu'il s'agit d'un acide faible, et on en déduit qu'une injection de dioxyde de carbone fait baisser le pH.

Le diagramme de prédominance des espèces carbonatées, construit avec pKa₁ = 6,3 et pKa₂ = 10,3, montre que l'ion hydrogénocarbonate prédomine le matin comme le soir. Une question ouverte fait ensuite étudier l'ajout d'un quart de bâton de craie dans 100 L d'eau à pH 3,0 : l'ion carbonate est limitant et le pH final n'atteint que 3,3. On discute la pertinence de ce modèle, cohérent à ce pH mais éloigné d'un aquarium réel.

La synthèse finale est exigeante. Il faut expliquer la hausse du pH en journée par la photosynthèse, qui consomme le CO₂ dissous et déplace les deux équilibres, puis choisir la technique adaptée. L'écart de 0,8 unité dépasse les 0,5 admis, et le pH du soir dépasse la limite des néons et des scalaires : l'injection de CO₂ régulée par un pH-mètre convient. Une synthèse qui ne cite pas les équilibres et leur sens d'évolution reste incomplète.

Exercice 4 : la réparation des bétons armés carbonatés (5 points, spécialité)

L'exercice de spécialité porte sur un béton dont le pH a chuté sous l'effet du dioxyde de carbone de l'air, au point de ne plus protéger les armatures. La phénolphtaléine permet le diagnostic : la zone restée incolore est carbonatée, sur une profondeur d'environ 2,5 cm, ce qui donne un volume de 2,5 × 10⁻² m³ pour 1 m² de façade.

La résolution de problème consiste à évaluer la durée de la réalcalinisation. On calcule la quantité d'ions hydroxyde à régénérer, environ 20 mol, puis la charge électrique correspondante, environ 2,0 × 10⁶ C, et enfin la durée de l'électrolyse avec une intensité comprise entre 0,5 et 1 A : entre 23 et 45 jours environ. Le commentaire compare ce résultat aux une à deux semaines annoncées et discute les hypothèses du calcul. Les erreurs fréquentes sont l'oubli du facteur 2 entre hydroxyde de calcium et ions hydroxyde, et l'association de la plus forte intensité à la plus longue durée.

Les savoir-faire transversaux de l'épreuve

Les chiffres significatifs et les unités

D'un exercice à l'autre, le corrigé insiste sur le nombre de chiffres significatifs : trois pour le volume de Diester, deux pour la poussée du drone, une décimale pour un pH calculé à partir d'une concentration à deux chiffres, un simple encadrement pour la durée de réalcalinisation, puisque la densité de courant n'est connue qu'à un chiffre près. Les conversions jouent aussi un rôle décisif : kilogrammes et grammes dans les bilans de matière, gigahertz et hertz pour la longueur d'onde, secondes et jours pour la durée de l'électrolyse. Une erreur d'unité coûte souvent tout le reste de la question.

Les coefficients des équations

Trois pièges majeurs du sujet ont la même origine : un coefficient stœchiométrique oublié. Le coefficient 3 dans la transestérification, le coefficient 2 dans la réaction entre ions carbonate et ions oxonium, le facteur 2 entre hydroxyde de calcium et ions hydroxyde. Avant tout calcul de quantité de matière, relisez l'équation et écrivez explicitement la relation entre les quantités.

Rédiger les questions ouvertes

Le sujet contient plusieurs questions où l'élève doit construire seul son raisonnement : le bâton de craie, la synthèse sur la régulation du pH, la durée de réalcalinisation. Dans chaque cas, la démarche attendue est la même : annoncer la stratégie, mener les calculs avec des expressions littérales, puis revenir à la question posée et commenter le résultat en le confrontant aux documents. Un résultat juste mais non commenté perd une partie des points.

Gérer son temps pendant l'épreuve

Le barème guide la répartition du temps. Sur 3 h 30, comptez environ 40 minutes pour l'exercice 1, 1 h 50 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou 4, ce qui laisse quelques minutes de relecture. Beaucoup de candidats commencent par l'exercice de chimie organique, court et rassurant, pour engranger des points rapidement. L'exercice 2 doit ensuite recevoir l'essentiel de votre énergie : ses deux parties sont indépendantes, et si une question sur les ondes bloque, la mécanique reste accessible. Gardez enfin du temps pour la synthèse ou la résolution de problème de l'exercice au choix : ces questions rapportent beaucoup, à condition d'être rédigées avec soin.

Conclusion

Le sujet de Pondichéry 2016 couvre une large part du programme de terminale S : chimie organique, transmission de l'information, ondes, mécanique, acide-base et électrolyse. Beaucoup de ses notions restent au programme actuel de spécialité, comme les flèches courbes, l'atténuation en décibels, la deuxième loi de Newton, les diagrammes de prédominance ou la relation entre charge et intensité. Traitez-le en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé question par question : c'est la meilleure façon de repérer vos points faibles et de progresser avant l'examen.