Le sujet du Bac S Nouvelle-Calédonie 2018 en physique-chimie

Ce sujet de l'ancien programme de terminale S a été proposé en Nouvelle-Calédonie lors de la session 2018. L'épreuve dure 3 h 30 et compte 20 points répartis en trois exercices pour chaque candidat : l'exercice 1 (4 points), l'exercice 2 (11 points), puis l'exercice 3 (5 points) pour les candidats qui n'ont pas suivi l'enseignement de spécialité, ou l'exercice de spécialité (5 points) pour ceux qui l'ont choisi. Cette fiche regroupe les quatre exercices et leurs corrigés détaillés.

Le sujet est équilibré entre chimie et physique. La chimie occupe l'exercice sur le vinaigre et celui sur l'aquarium, la physique domine avec le détecteur de fumées, et la spécialité porte sur l'énergie et l'électrolyse. Plusieurs questions ouvertes ou résolutions de problème jalonnent l'épreuve : elles demandent d'annoncer une démarche, de poser des hypothèses et de conclure par une comparaison chiffrée.

Exercice 1 : du vin au vinaigre (4 points)

Ce premier exercice suit la fermentation acétique qui transforme l'éthanol du vin en acide éthanoïque. Il commence par des questions de cours : formules topologiques de l'éthanol et de l'acide éthanoïque, groupes caractéristiques (hydroxyle pour la famille des alcools, carboxyle pour celle des acides carboxyliques) et équation de la fermentation, où l'éthanol réagit avec le dioxygène pour former l'acide et de l'eau.

La lecture du spectre infrarouge repose sur deux bandes : une bande fine vers 1700 cm^-1, signature de la liaison C=O, et une bande très large entre 2500 et 3300 cm^-1, propre à la liaison O-H d'un acide carboxylique. Le spectre est donc celui de l'acide éthanoïque. Vient ensuite la question classique de la force de l'acide : pour une concentration de 2,5 mmol·L^-1, un acide fort aurait un pH de 2,6, alors que le pH mesuré vaut 3,7. L'acide éthanoïque est donc faible.

La seconde partie est un bilan de matière : 1,0 g d'éthanol donne 1,3 g d'acide. La dernière question, ouverte, part de l'étiquette d'un vinaigre à 6° pour remonter au degré alcoolique du vin. Avec l'hypothèse d'une transformation totale à volume constant, on trouve 4,6 g d'éthanol pour 100 mL, soit 5,8 mL d'éthanol pur : le vin titrait environ 5,8°. Le piège principal est de confondre le degré du vinaigre, qui est une masse d'acide, et celui du vin, qui est un volume d'éthanol.

Exercice 2 : détecteur de fumées (11 points)

C'est l'exercice central du sujet, à lui seul plus de la moitié de la note. Il présente deux types de détecteurs. Le détecteur optique utilise une DEL dont le photon a une énergie de 1,4 eV : on en déduit une longueur d'onde de 8,9 × 10^-7 m, donc un rayonnement infrarouge. Les particules de fumée, de taille comparable à cette longueur d'onde, dévient le faisceau par diffraction ; comme le récepteur n'est pas dans l'axe de la DEL, seule la lumière déviée par la fumée l'atteint et déclenche l'alarme.

Le détecteur ionique conduit à une étude de mécanique. On compare d'abord le poids d'une particule α (environ 6,51 × 10^-26 N) à la force électrostatique (9,6 × 10^-17 N) : le rapport est de l'ordre d'un milliard, le poids est négligeable. On représente le champ et la force entre les plaques, puis on établit les équations horaires par la deuxième loi de Newton et deux intégrations. La déviation après 4,0 cm parcourus n'est que de 4,5 × 10^-8 m : le mouvement est pratiquement rectiligne. L'énergie cinétique initiale, 5,3 MeV, dépasse très largement les 12 eV nécessaires pour ioniser une molécule de dioxygène.

La troisième partie est une question ouverte sur le niveau sonore de l'alarme. Il faut convertir une distance lue sur le plan avec l'échelle (3,7 m), tenir compte de la hauteur du détecteur fixé au plafond, appliquer le théorème de Pythagore (4,2 m) puis la formule fournie : on obtient environ 82 dB, au-dessus du seuil de réveil de 75 dB. L'emplacement est satisfaisant.

Exercice 3 : contrôle du dioxyde de carbone dans un aquarium (5 points, non spécialistes)

Cet exercice d'acide-base étudie le dioxyde de carbone dissous dans l'eau d'un aquarium. Le diagramme de distribution permet de lire pK_A1 = 6,4 et pK_A2 = 10,3 aux croisements des courbes à 50 %, puis de tracer les domaines de prédominance de (CO₂, H₂O), de l'ion hydrogénocarbonate et de l'ion carbonate. Un raisonnement qualitatif montre que l'ajout de dioxyde de carbone fait diminuer le pH.

La seconde partie est un titrage suivi par pH-métrie de 100,0 mL d'eau par de l'acide chlorhydrique. Après le schéma légendé du montage, on identifie l'espèce prédominante au départ (HCO₃^- à pH 7,4) et à l'équivalence (CO₂ dissous, à pH voisin de 4,4), lue par la méthode des tangentes parallèles avec V_E = 7,2 mL. La relation à l'équivalence donne une concentration en ions hydrogénocarbonate de 3,6 × 10^-3 mol·L^-1, puis la relation fournie conduit à 16 mg·L^-1 de dioxyde de carbone dissous. Le tableau final montre que les conditions sont optimales pour les plantes et les poissons. Le piège le plus fréquent est d'utiliser le pH à l'équivalence au lieu de celui de l'aquarium.

Exercice de spécialité : recycler les canettes en aluminium (5 points)

Les candidats de spécialité traitent cet exercice à la place de l'exercice 3. Après avoir établi que l'énergie d'une électrolyse s'écrit Q · U_él et calculé la variation d'énergie interne d'un kilogramme d'aluminium chauffé de 20 °C à 660 °C (environ 5,8 × 10⁵ J), il faut résoudre un problème : comparer l'énergie de recyclage d'une canette de 13,3 g et celle de sa fabrication à partir de la bauxite.

Le recyclage, avec un rendement de 45 %, demande environ 3,1 × 10⁴ J par canette. La fabrication, où l'électrolyse ne représente que 20 % de l'énergie totale, en demande environ 3,2 × 10⁶ J. Le recyclage consomme donc environ cent fois moins d'énergie. L'énergie économisée fait fonctionner un téléviseur de 3,1 h (plasma) à 6,7 h (LCD à LED) : l'affirmation des « 3 heures de télévision » est valide. Les pièges : la masse en grammes face à des énergies données par kilogramme, le facteur 3 entre électrons et aluminium, et la division par les pourcentages.

Les méthodes qui reviennent dans tout le sujet

Les questions ouvertes et résolutions de problème

Le degré alcoolique du vin, l'emplacement du détecteur et le bilan énergétique des canettes ont la même structure. Il faut d'abord identifier la grandeur à calculer et la référence à laquelle la comparer : un degré, un seuil de 75 dB, une durée de 3 heures. On liste ensuite les données utiles, on pose explicitement les hypothèses (transformation totale, volume constant, hauteur de la tête du dormeur), on calcule étape par étape, puis on conclut par une phrase qui répond à la question. Une démarche annoncée et lisible est valorisée même si le calcul final n'aboutit pas.

Les conversions et les chiffres significatifs

Le sujet multiplie les pièges d'unités : électronvolts à convertir en joules pour le photon et la particule α, millimoles par litre à convertir avant de prendre un logarithme, centimètres à passer en mètres dans le condensateur, grammes face à des énergies données par kilogramme, grammes par litre à comparer à des milligrammes par litre. Prenez l'habitude de convertir toutes les données dans le Système international avant de les remplacer dans une formule. Les résultats se rendent avec le nombre de chiffres significatifs de la donnée la moins précise, le plus souvent deux ici.

Les lectures graphiques

Spectre infrarouge, diagramme de distribution, courbe de titrage et plan à l'échelle demandent tous une lecture précise et justifiée. Indiquez la méthode employée (croisement à 50 %, tangentes parallèles, mesure convertie avec l'échelle) et donnez la valeur lue avec une précision cohérente avec les graduations.

Gestion du temps sur l'épreuve

Sur 3 h 30, une répartition proportionnelle au barème donne environ 40 minutes pour l'exercice 1, 1 h 50 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice de spécialité, ce qui laisse quelques minutes de relecture. L'exercice 2 mérite une attention particulière : sa partie sur le mouvement de la particule α est très proche du cours et rapporte sûrement si la méthode est maîtrisée. Il peut être judicieux de commencer par l'exercice où l'on se sent le plus à l'aise, en gardant les questions ouvertes pour un moment où l'on dispose de temps pour poser calmement la démarche.

Lisez chaque exercice en entier avant de commencer : les données utiles sont parfois en fin d'énoncé, et plusieurs questions réutilisent un résultat précédent. Si un calcul bloque, admettez la valeur annoncée dans l'énoncé lorsqu'elle est donnée et poursuivez.

Conclusion

Ce sujet de Nouvelle-Calédonie 2018 couvre une large part du programme de terminale S : chimie organique et spectroscopie, acide-base et titrage, énergie du photon et diffraction, mécanique dans un champ électrique, niveau sonore, électrolyse et bilans énergétiques. Il récompense surtout la rigueur : conversions d'unités, chiffres significatifs, conditions initiales citées et hypothèses annoncées dans les questions ouvertes. S'entraîner sur l'ensemble, en conditions réelles, puis confronter sa copie au corrigé détaillé de chaque exercice est une excellente préparation, y compris pour les notions qui restent au programme actuel.