Le sujet du Bac S 2016 Polynésie : une épreuve équilibrée
L'épreuve de physique-chimie du Bac S 2016 en Polynésie dure 3 h 30 et compte 20 points. Tous les candidats traitent deux exercices communs, l'alanine en infrarouge (7 points) et se chauffer avec le numérique (8 points). Le troisième exercice, sur 5 points, dépend de l'enseignement suivi : du jus de pomme au vinaigre pour l'enseignement obligatoire, dessalement de l'eau de mer pour la spécialité physique-chimie. Les quatre exercices sont corrigés ici. L'ensemble couvre un large spectre : chimie organique et spectroscopie, modèle mécanique de la liaison, thermique du bâtiment, oxydoréduction et deux titrages, l'un pH-métrique, l'autre conductimétrique. Ce sujet relève de l'ancien programme : certaines notions, comme la représentation de Cram, la RMN du proton ou l'osmose, ne sont plus exigibles aujourd'hui, mais la plupart des raisonnements restent parfaitement utiles pour s'entraîner.
Exercice 1 : l'alanine en infrarouge
Ce qui est demandé
La première partie porte sur l'alanine, un acide aminé. Il faut justifier son nom, acide 2-aminopropanoïque, en repérant une chaîne de trois carbones, le groupe carboxyle dont le carbone porte le numéro 1 et le groupe amino sur le carbone 2. Ce carbone porte quatre groupes différents : il est asymétrique, et les deux stéréoisomères de l'alanine sont des énantiomères, à représenter en Cram. La synthèse à partir de l'acide 2-bromopropanoïque et de l'ammoniac est une substitution. Pour produire 1,0 kg d'alanine avec un rendement de 80 %, il faut environ 2,1 kg d'acide bromé. Les spectres RMN permettent ensuite d'identifier l'alanine : le composé A présente un doublet et un quadruplet, comme prévu, alors que B montre deux triplets.
La seconde partie compare des oscillations d'un solide accroché à un ressort : la période augmente avec la masse et diminue quand la raideur augmente. Une analyse dimensionnelle montre que le nombre d'onde s'exprime ici en cm-1, puis le calcul pour la liaison C–H donne 3,0 × 103 cm-1, en accord avec la table. Enfin, la liaison double C=O, plus raide, absorbe à un nombre d'onde plus élevé que la liaison simple C–O.
Points de vigilance
Il faut diviser par le rendement, et non multiplier, puisqu'un rendement inférieur à 1 impose davantage de réactif. Les spectres IR de A et B se ressemblent : c'est la multiplicité des signaux de RMN qui tranche. Dans le calcul du nombre d'onde, on garde les données dans les unités prévues par la relation, grammes et cm/s, sans en convertir une partie seulement.
Exercice 2 : se chauffer avec le numérique
Ce qui est demandé
C'est l'exercice le plus lourd en points. Un centre de données doit respecter le label HQE. Avec du béton seul, le mur devrait mesurer 8,8 m d'épaisseur, ce qui est absurde. La laine de verre est retenue pour sa conductivité thermique, la plus faible des trois isolants. En additionnant les résistances thermiques des trois couches, on obtient une épaisseur minimale d'environ 12 cm de laine de verre.
Viennent ensuite les trois modes de transfert thermique, conduction, convection et rayonnement, puis le bilan énergétique d'une journée. Les serveurs libèrent environ 8,3 × 1011 J, alors que les parois n'en évacuent que 2,6 × 109 J, dont 1,0 × 109 J par le sol. L'énergie s'accumule : sans climatisation, les serveurs surchaufferaient. La dernière partie s'intéresse à la récupération de cette chaleur. L'énergie disponible permet de chauffer environ 8,3 × 105 m² de logements, ce qui rend réaliste la valeur de 600 000 m² annoncée. La conservation de l'énergie pour la machine thermique s'écrit Qeau = Qair + W, et la question ouverte finale conduit à une eau de sortie vers 54 °C, adaptée à des radiateurs.
Points de vigilance
Seules les résistances e/λ s'additionnent, jamais les épaisseurs ni les conductivités. Pour le sol, l'écart de température se calcule avec le sol à 11 °C, pas avec l'air extérieur. Les durées se convertissent en secondes pour obtenir des joules, et l'énergie électrique donnée en kW·h doit être convertie avant d'être ajoutée. Dans la question ouverte, annoncer la démarche permet de gagner des points même si le calcul n'aboutit pas.
Exercice 3 : du jus de pomme au vinaigre
Ce qui est demandé
Cet exercice de chimie suit deux fermentations. La fermentation alcoolique s'écrit C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2 ; elle est dite alcoolique car elle produit de l'éthanol. La zymase joue le rôle de catalyseur enzymatique. L'acide acétique se nomme acide éthanoïque. Lors de la fermentation acétique, l'éthanol est oxydé par le dioxygène en acide acétique et en eau ; les couples sont acide éthanoïque / éthanol et O2 / H2O.
La dernière question, ouverte, exploite un titrage pH-métrique. Le maximum de la dérivée du pH donne un volume équivalent de 12,5 mL. On en déduit la masse d'acide titrée, puis, en tenant compte de la dilution par dix et du passage à 100 mL, un degré de 4,5 g pour 100 mL. Avec l'incertitude de 0,2, le degré est compris entre 4,3 et 4,7, sous le seuil de 4,8 degrés tolérance comprise : ce cidre ne peut pas être vendu comme vinaigre.
Points de vigilance
L'oubli du facteur de dilution est l'erreur classique : il conduit à 0,45 degré. Un couple s'écrit oxydant / réducteur, l'éthanol étant le réducteur. L'incertitude s'arrondit par excès à un chiffre significatif, et la conclusion doit comparer tout l'intervalle au seuil, pas seulement la valeur centrale.
Exercice 4 de spécialité : dessalement de l'eau de mer
Ce qui est demandé
Il faut d'abord convertir une salinité de 35,6 g/kg en concentration en ions chlorure. En raisonnant sur un kilogramme d'eau de mer et en utilisant la masse volumique, on trouve 0,625 mol/L. L'osmose inverse produit des saumures car l'eau traverse la membrane sous l'effet de la pression alors que les ions restent du côté de l'eau de mer, dont la concentration augmente. La résolution de problème finale combine un titrage conductimétrique, avec un volume équivalent de 11,0 mL lu à l'intersection des droites, le facteur de dilution 500 et un calcul de mélange. La saumure, à 1,1 mol/L, mélangée à 200 fois son volume d'eau de mer, donne un rejet à 0,627 mol/L, sous le seuil de 0,657 mol/L : il ne présente pas de danger pour la posidonie.
Points de vigilance
Un kilogramme d'eau de mer occupe moins d'un litre : confondre les deux conduit à 0,609 mol/L, valeur proposée exprès. Le titrage donne la concentration de la solution diluée, pas celle de la saumure. Enfin, on compare deux grandeurs de même nature, une concentration à une concentration.
Les compétences transversales du sujet
Chiffres significatifs et unités
Presque toutes les questions de calcul de ce sujet sanctionnent la rigueur sur les unités. Le nombre d'onde de l'exercice 1 se calcule avec des grammes et des centimètres par seconde, sans conversion partielle. Dans l'exercice 2, les durées passent en secondes, les kilowattheures en joules et les épaisseurs en mètres. Dans les exercices 3 et 4, les volumes équivalents se convertissent en litres et les facteurs de dilution ne doivent pas être oubliés. Le nombre de chiffres significatifs suit la donnée la moins précise : deux chiffres pour le rendement ou la constante de force, trois pour la concentration en ions chlorure.
Les questions ouvertes
Trois questions demandent de construire soi-même un raisonnement en plusieurs étapes : la température de l'eau à la sortie de la machine thermique, le degré d'acidité du cidre et le danger du rejet de saumure. La méthode est la même dans les trois cas : annoncer la démarche en une phrase, enchaîner les calculs intermédiaires en les nommant, puis conclure en comparant le résultat à une valeur de référence donnée par le sujet, qu'il s'agisse des températures des modes de chauffage, du seuil légal du vinaigre ou du seuil d'effet sur la posidonie.
Lire un graphique
Le sujet fait aussi lire plusieurs graphiques : des courbes d'oscillations pour mesurer des périodes, des spectres IR et RMN, une courbe de pH accompagnée de sa dérivée et une courbe de conductivité à modéliser par deux droites. Pour chacun, il faut dire clairement ce que l'on lit et comment on le lit, par exemple « abscisse du maximum de la dérivée » ou « intersection des deux droites ».
Gérer son temps sur les 3 h 30
Un candidat traite trois exercices. Une répartition proportionnelle aux points donne environ 1 h 10 pour l'exercice 1, 1 h 20 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice de 5 points, obligatoire ou de spécialité, ce qui laisse une marge d'une dizaine de minutes. Commencez par une lecture rapide de l'ensemble du sujet afin de repérer les questions ouvertes, qui demandent plus de temps : la question 3.3 de l'exercice 2, la question 3 de l'exercice 3 et la question 3 de la spécialité. Les questions de cours, comme les trois modes de transfert thermique, le rôle de la zymase ou le nom de l'acide acétique, se traitent en quelques minutes et rapportent des points sûrs. Utilisez cette marge en fin d'épreuve pour vérifier les unités, les chiffres significatifs et la cohérence des ordres de grandeur.
Conclusion
Ce sujet du Bac S 2016 Polynésie est un bon entraînement car il mêle des questions de cours rapides à trois raisonnements ouverts qui demandent de structurer une démarche. Il fait travailler des compétences toujours au cœur de l'épreuve actuelle : exploiter un spectre IR, calculer un rendement, faire un bilan d'énergie, déterminer un volume équivalent et conclure en tenant compte d'une incertitude. Traitez-le d'abord en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé de chaque exercice pour repérer vos erreurs de méthode.