Le Bac S 2017 Métropole de physique-chimie : présentation de l'épreuve

L'épreuve de physique-chimie du Bac S 2017 en Métropole dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle comporte un exercice de chimie organique sur 4 points, un long exercice de physique sur 11 points, puis un exercice de 5 points qui dépend de l'enseignement suivi : l'exercice 3, sur le détartrage, pour les candidats sans spécialité, et l'exercice 4, sur le traitement de l'eau d'un bassin, pour les candidats de spécialité physique-chimie. Ce sujet relève de l'ancien programme de Terminale S, mais la plupart des notions qu'il mobilise restent travaillées dans la spécialité actuelle : spectroscopie, mécanique de Newton, énergie, titrages et dosages par étalonnage. C'est donc un très bon support d'entraînement, à condition de repérer les quelques notions qui ont quitté le programme, comme la chiralité.

Le fil conducteur du sujet est concret : une orange transformée en arôme de menthe, un feu d'artifice, un lave-linge entartré et un bassin de poissons. Chaque exercice part d'une situation de la vie courante et demande de mobiliser des connaissances de cours, des calculs classiques et au moins une question ouverte où l'on construit soi-même le raisonnement.

Exercice 1 : synthèse de la carvone à partir du limonène (4 points)

L'huile essentielle de peau d'orange contient du R-limonène, que l'on transforme en R-carvone. L'exercice commence par la formule semi-développée du limonène, de formule brute C10H16 et de masse molaire 136,0 g/mol. Son spectre infrarouge présente une bande C-H vers 2900 à 3000 cm-1 et une bande C=C vers 1650 cm-1, sans bande large O-H : il est compatible avec la structure.

La deuxième partie demande de justifier la chiralité de la R-carvone, qui possède un unique carbone asymétrique, de reconnaître une réaction d'addition dans la première étape de la synthèse et de situer la carvone dans l'ampoule à décanter. Avec une masse volumique de 0,96 g/mL, inférieure à celle de la phase aqueuse, la phase organique se trouve au-dessus, dans la phase 1.

La troisième partie porte sur le rendement : avec 30 % de rendement, 13 g de carvone exigent 0,29 mol de limonène. La question ouverte finale enchaîne masse, volume (environ 47 mL) et production d'huile par orange pour aboutir à environ 94 oranges, de l'ordre d'une centaine. Les pièges principaux : lire l'axe du spectre IR dans le mauvais sens, marquer un carbone doublement lié comme asymétrique, multiplier par le rendement au lieu de diviser et confondre masse et volume.

Exercice 2 : son et lumière (11 points)

C'est l'exercice central du sujet, avec plus de la moitié des points. Il suit un feu d'artifice en trois parties.

La lumière des pièces pyrotechniques

Le texte distingue l'incandescence, qui produit un spectre continu, et l'émission atomique, qui produit un spectre de raies. La relation E = hc/λ, avec l'énergie convertie en joules, donne pour le photon 3 une longueur d'onde de 681 nm, donc une lumière rouge. Sans calcul supplémentaire, on montre que les photons 1 et 2, un peu moins énergétiques, ont des longueurs d'onde un peu plus grandes mais voisines, toujours dans le rouge.

Le mouvement du projectile

La deuxième loi de Newton, appliquée au projectile dans le référentiel terrestre en négligeant l'air, montre que l'accélération est égale au champ de pesanteur. Deux intégrations successives donnent les équations horaires x(t) = 12,1 t et y(t) = -4,91 t² + 68,4 t, à condition de convertir 250 km/h en m/s. Le modèle prévoit environ 169 m d'altitude à 3,2 s, alors que le constructeur annonce 120 m : les frottements de l'air ne sont pas négligeables.

Hauteur maximale et niveau sonore

Pour un tir vertical, la conservation de l'énergie mécanique donne h = vi²/(2g), soit 157 m pour 200 km/h. La question ouverte finale combine le théorème de Pythagore, qui donne environ 118 m entre le point d'éclatement et l'artificier, et la formule fournie, qui conduit à environ 102 dB. Ce niveau étant « difficilement supportable », une protection auditive est recommandée. Les pièges : énergie laissée en électronvolts, vitesse laissée en km/h, calculatrice en radians et distance au sol prise à la place de la distance au point d'éclatement.

Exercice 3 : éliminer le tartre (5 points, sans spécialité)

L'étiquette d'un détartrant indique 9 % d'acide chlorhydrique en masse. En raisonnant sur 100 g de solution et en utilisant la masse volumique, on obtient une concentration d'environ 2,6 mol/L. Le titrage par la soude met en jeu les couples H3O+/H2O et H2O/HO-. Sans dilution, le volume équivalent atteindrait environ 260 mL, bien plus qu'une burette de 25,0 mL : les élèves ont donc dilué le détartrant 20 fois. Le titrage conductimétrique donne un volume équivalent de 12,0 mL, soit 0,12 mol/L pour la solution diluée et 2,4 mol/L pour le produit commercial, valeur compatible avec l'étiquette, à environ 8 % près.

La seconde partie est une résolution de problème. La couche de tartre déposée sur le tambour représente environ 20 cm³, soit 0,53 mol de carbonate de calcium. Il faut deux ions H3O+ par CaCO3, donc 1,1 mol, alors que le flacon de 750 mL en contient 1,8 mol : il suffit. Les pièges : confondre 100 g de solution et 100 mL, oublier de multiplier par 20 avant de comparer à l'étiquette, laisser les longueurs en centimètres ou en micromètres et oublier le coefficient 2 de l'équation.

Exercice 4 : traitement de l'eau d'un bassin d'ornement (5 points, spécialité)

Les candidats de spécialité traitaient cet exercice à la place du précédent. Le vert de malachite, utilisé pour soigner les poissons, doit être éliminé avec du charbon actif. La concentration massique de la solution mère vaut 7,2 × 10-3 g/L. Une gamme étalon obtenue par dilutions permet de vérifier la loi de Beer-Lambert : les rapports A/c sont constants aux erreurs de mesure près, autour de 8,1 × 104 L/mol.

La résolution de problème part de l'absorbance de l'eau du bassin, 0,67, pour obtenir la concentration molaire puis massique du colorant, la masse restante dans les 12 m³ d'eau (environ 33 g), la masse de charbon nécessaire (environ 3,3 kg) et enfin le nombre de sacs de 500 g : 6,6, arrondi à 7 sacs. Les pièges : diviser par la masse molaire au lieu de multiplier, se contenter de dire que l'absorbance augmente avec la concentration, oublier que 1 m³ vaut 1000 L et arrondir le nombre de sacs à l'entier inférieur.

Les compétences transversales évaluées

Au-delà des contenus, ce sujet évalue plusieurs savoir-faire qui reviennent d'une année sur l'autre. Le premier est la maîtrise des conversions : km/h en m/s dans l'exercice 2, électronvolts en joules pour l'énergie d'un photon, centimètres et micromètres en mètres pour le tartre, mètres cubes en litres et milligrammes en grammes pour le bassin. Une seule conversion oubliée peut fausser un résultat d'un facteur 3,6 ou 1000.

Le deuxième savoir-faire est la justification des modèles. Il faut nommer le système, le référentiel et le bilan des forces avant d'appliquer la deuxième loi de Newton, justifier que la vitesse est nulle au sommet d'un tir vertical, vérifier qu'une absorbance se situe dans le domaine de la gamme étalon, ou encore comparer des masses volumiques avant de situer une phase. Ces justifications sont attendues explicitement et rapportent des points.

Le troisième est l'exploitation critique d'un résultat. Le sujet demande à plusieurs reprises de confronter un calcul à une autre information : le spectre IR à la structure du limonène, l'altitude théorique à celle annoncée par le constructeur, la concentration mesurée à celle de l'étiquette, le niveau sonore à l'échelle de gêne. Une conclusion rédigée en une phrase claire, qui répond exactement à la question posée, fait la différence.

Enfin, le soin apporté aux chiffres significatifs est régulièrement valorisé. Dans ce sujet, la plupart des résultats se donnent avec deux ou trois chiffres significatifs, en suivant la donnée la moins précise, tout en conservant les valeurs non arrondies dans la calculatrice pour les étapes suivantes.

Gérer son temps sur cette épreuve

Le barème guide la répartition : environ 40 minutes pour l'exercice 1, 1 h 50 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice 4. Commence par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions de cours rapides, comme les spectres d'émission, les couples acide-base ou la catégorie de réaction. L'exercice 2 est long : ne t'y enlise pas sur une question bloquante, car beaucoup de questions sont indépendantes ou fournissent le résultat à démontrer, comme les équations horaires ou la formule de la hauteur maximale. Réserve un temps suffisant aux questions ouvertes (nombre d'oranges, protection auditive, flacon de détartrant, sacs de charbon) : elles valent souvent plusieurs points et récompensent une démarche bien rédigée même si le résultat final n'est pas atteint. Garde quelques minutes en fin d'épreuve pour vérifier les unités et les chiffres significatifs.

Conclusion

Le Bac S 2017 Métropole forme un sujet équilibré, qui fait alterner chimie organique, mécanique, énergie, ondes et chimie des solutions. Ses difficultés sont surtout méthodologiques : conversions d'unités, justification rigoureuse des modèles, lecture attentive des données et organisation des questions ouvertes. Traité en conditions réelles, puis comparé au corrigé détaillé question par question, il permet d'identifier précisément ses points faibles avant l'épreuve. Les notions sorties du programme actuel, comme la chiralité, sont signalées dans le corrigé, afin que tu puisses concentrer tes révisions sur l'essentiel.