Bac S 2014 Liban : présentation de l'épreuve de physique-chimie

Le sujet de physique-chimie du bac S 2014 au Liban relève de l'ancien programme de Terminale S. L'épreuve dure 3 h 30 et elle est notée sur 20 points. Elle comporte deux exercices communs à tous les candidats, puis un troisième exercice qui dépend de l'enseignement suivi : l'exercice 3 pour les candidats qui n'ont pas choisi la spécialité, l'exercice 4 pour ceux qui l'ont choisie. Le sujet alterne chimie et physique : l'acide lactique du lait, l'histoire de l'électron, les alcools industriels ou les tensioactifs selon le cas.

C'est un sujet équilibré, qui fait appel à des savoir-faire classiques : justifier un nom en chimie organique, exploiter un titrage, appliquer la deuxième loi de Newton à une particule chargée, raisonner sur une courbe de conductivité. Il contient aussi des questions de résolution à partir de documents et d'esprit critique, qui demandent une rédaction soignée. Plusieurs notions, comme la stéréoisomérie, la RMN ou la relation de de Broglie, ne figurent plus au programme actuel de spécialité : le sujet reste un très bon entraînement pour la méthode, à condition de savoir repérer ces passages.

Exercice 1 : du lait au yaourt (6 points)

Le premier exercice suit l'acide lactique. On commence par entourer ses groupes caractéristiques, carboxyle et hydroxyle, et par justifier son nom, acide 2-hydroxypropanoïque. Le carbone 2, asymétrique, conduit à deux énantiomères à représenter en Cram.

La suite est consacrée à l'acide-base. Pour une concentration de 1,5 mmol/L, un acide fort donnerait un pH de 2,8 ; le pH mesuré de 3,4 prouve que l'acide lactique est faible. Dans le lait frais, de pH voisin de 6,5, supérieur au pKa de 3,9, l'ion lactate prédomine.

Le titrage du lait par la soude, avec la phénolphtaléine comme indicateur, donne un volume équivalent de 1,4 mL. On en déduit une concentration en masse d'acide lactique de 1,4 g/L, soit 14 °D, sous le seuil de 18 °D : le lait est frais. Une question d'esprit critique fait remarquer qu'un volume équivalent aussi faible entraîne une incertitude relative d'environ 7 %, et le corrigé propose de titrer un volume de lait plus grand avec un suivi au pH-mètre. L'exercice se termine sur des documents : la température la plus favorable est 45 °C, et le pH passe sous 4,6, seuil de coagulation de la caséine, au bout d'environ 5,5 h.

Les pièges de cet exercice sont surtout des pièges d'attention. Il faut entourer le groupe carboxyle en entier, et non la seule double liaison C=O. Il faut convertir 1,5 mmol/L en mol/L avant de prendre le logarithme, sinon le pH obtenu est négatif. Le mot « persistante » signale l'équivalence, car une teinte rose qui disparaît en agitant apparaît localement avant elle. Enfin, les documents sur le yaourt mélangent minutes et heures : on lit la durée au passage du pH sous 4,6, et non au moment où le pH se stabilise.

Exercice 2 : les débuts de l'électron en physique (9 points)

Le deuxième exercice, le plus long, retrace trois étapes de l'histoire de l'électron. Dans l'expérience de Thomson, l'électron est dévié vers la plaque P1 : la force électrique est dirigée vers P1 et, la charge étant négative, le champ vers P2. La deuxième loi de Newton fournit les équations horaires x(t) = v0 t et y(t) = eE t²/(2 me), puis la trajectoire parabolique. Le point de sortie des plaques permet de calculer e/me = 1,8 × 10^11 C/kg, en accord avec la valeur admise de 1,76 × 10^11 C/kg à environ 1 % près.

La deuxième partie étudie des gouttelettes d'huile chargées. Sans champ, la gouttelette tombe à vitesse constante : le principe d'inertie impose que frottement et poids se compensent. On en déduit son rayon, 1,4 µm, et l'intérêt de choisir une petite gouttelette, plus lente. Le tableau du document 3 montre ensuite que toutes les charges sont des multiples entiers de 1,6 × 10^-19 C : la charge est quantifiée. On compare enfin le protocole de Millikan, qui immobilise les gouttelettes et accède à la charge, à celui de Thomson, qui n'obtient que le rapport e/me.

La troisième partie aborde la diffraction d'électrons : l'électron possède un caractère ondulatoire. La relation de de Broglie donne une longueur d'onde de 1,7 × 10^-10 m, du même ordre que la distance entre atomes dans un solide, ce qui rend la diffraction par un cristal observable.

Dans cet exercice, la méthode compte autant que le résultat. La deuxième loi de Newton se rédige toujours dans le même ordre : système, référentiel, bilan des forces, projection, puis intégrations avec les conditions initiales. Les signes demandent une attention particulière, puisque la charge de l'électron et la composante du champ sont toutes deux négatives. Pour le rayon de la gouttelette, la distance doit être convertie en mètres et la racine carrée ne doit pas être oubliée. Les résultats se donnent avec deux chiffres significatifs, même lorsque certaines données en comportent huit.

Exercice 3 : quelques alcools de l'industrie chimique (5 points, hors spécialité)

Cet exercice de chimie organique passe en revue trois alcools. Pour le méthanol, on justifie sa polarité par les électronégativités et la géométrie coudée de la molécule, on associe deux équations à ses usages, pile à combustible et production d'acide acétique, et on montre qu'il joue le rôle de réducteur. Le 2-méthylpropène ne présente pas d'isomérie Z/E, et la voie de production étudiée valorise le dioxyde de carbone en ne rejetant que de l'eau.

Pour l'éthanol, on écrit l'hydratation de l'éthène, on la classe parmi les additions, on identifie la double liaison C=C comme site donneur et l'ion H+ comme site accepteur, avec la flèche courbe correspondante, et on explique pourquoi le catalyseur H+ est régénéré. Pour le butan-2-ol, la règle de Zaïtsev donne le but-2-ène majoritaire, puis le spectre de RMN de la butanone, avec un singulet, un quadruplet et un triplet, confirme que le produit formé est bien celui attendu.

Les erreurs typiques de cet exercice tiennent en quelques lignes. Une molécule dont les liaisons sont polarisées n'est pas forcément polaire : la géométrie doit être invoquée. Le réducteur est l'espèce qui cède des électrons, et c'est lui qui est oxydé. Le catalyseur H+ n'apparaît pas parmi les réactifs de l'équation. La flèche courbe part toujours d'un doublet d'électrons, jamais d'une charge positive. En RMN, la multiplicité se compte sur les hydrogènes des carbones voisins.

Exercice 4 : tensioactifs (5 points, spécialité)

L'exercice de spécialité porte sur le dodécylsulfate de sodium, ou SDS. On identifie la tête hydrophile et la chaîne hydrophobe de l'ion, on schématise le film de tensioactifs à la surface de l'eau et on choisit le schéma B comme représentation correcte d'une micelle. Un calcul de masse molaire montre qu'une micelle compte environ 59 ions, bien plus que le schéma n'en dessine.

La dernière partie repose sur la conductimétrie. Un calcul de dilution complète le tableau, avec une concentration de 2,5 mmol/L. La courbe de conductivité présente deux portions de droite : avant la CMC, les ions sont libres et la conductivité est proportionnelle à la concentration ; au-delà, les micelles, moins mobiles, ralentissent sa progression. La rupture de pente, lue vers 6,7 mmol/L, donne une CMC d'environ 1,9 g/L. Une solution de 0,30 g de SDS dans 200 mL, à 1,5 g/L, ne contient donc pas de micelles.

Cet exercice de spécialité se joue beaucoup sur les unités et la présentation. Les deux masses molaires doivent être exprimées dans la même unité avant la division, sinon on trouve une fraction d'ion par micelle. Le volume du mélange, dans la dilution, est celui de l'eau augmenté de celui de la solution versée. La CMC lue en mmol/L doit être convertie en g/L avant d'être comparée à la concentration en masse de la solution. Les schémas, enfin, doivent porter leurs légendes : eau, air, têtes et chaînes.

Gestion du temps

Les durées indicatives suivent le barème : environ 1 h pour l'exercice 1, 1 h 30 pour l'exercice 2 et 50 min pour l'exercice 3 ou l'exercice 4. Il reste ainsi une dizaine de minutes pour relire la copie. L'exercice 2 est long mais très guidé : ne vous attardez pas sur une question bloquante, car les expressions à démontrer sont souvent données et permettent de continuer. Dans l'exercice 1, la question d'esprit critique et la résolution à partir de documents se préparent au brouillon avant d'être rédigées. Dans les exercices 3 et 4, les questions sont nombreuses et courtes : une phrase de justification suffit souvent, à condition qu'elle contienne l'argument attendu.

Conclusion et conseils

Ce sujet récompense la rigueur plus que la virtuosité. Les points se gagnent sur des réflexes simples : convertir les unités avant de calculer, écrire la relation littérale avant l'application numérique, limiter les résultats au bon nombre de chiffres significatifs, comparer une valeur calculée à une référence quand le sujet demande de conclure et légender chaque schéma. Le corrigé détaillé reprend chaque question une à une, avec les pièges les plus fréquents et une méthode à retenir. Travaillez d'abord le sujet seul, en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé pour repérer précisément ce qu'il faut consolider.