Bac S 2014 Polynésie en physique-chimie : présentation de l'épreuve
Le sujet de physique-chimie du bac S 2014 en Polynésie, ancien programme, se compose de quatre exercices notés sur 20 points pour une durée de 3 h 30. Les candidats de spécialité traitent les trois exercices communs, notés 5,5, 9,5 et 5 points, puis l'exercice de spécialité sur 5 points. L'épreuve est équilibrée entre chimie et physique : un titrage complet autour d'un détartrant, une étude longue d'un spectromètre de masse à temps de vol, une partie de chimie organique suivie d'une synthèse de documents sur l'homochiralité du vivant, et un exercice de spécialité consacré aux tensioactifs et à la dureté de l'eau.
Ce sujet est un excellent entraînement parce qu'il couvre une grande variété de compétences : lire une formule et un spectre, exploiter une courbe de titrage, calculer une incertitude, mener une démonstration de mécanique et rédiger une synthèse argumentée. Il demande aussi une bonne gestion du temps, car l'exercice 2 pèse presque la moitié de la note.
Exercice 1 : à propos de l'acide citrique (5,5 points)
Le fil conducteur est un sachet de détartrant présenté comme de l'acide citrique pur. Les premières questions portent sur la molécule : il faut entourer le groupe hydroxyle de la fonction alcool, porté par le carbone central, sans le confondre avec le OH d'un groupe carboxyle, puis justifier que la molécule est un triacide grâce à ses trois groupes carboxyle.
Vient ensuite le titrage pH-métrique. Le volume équivalent, lu au maximum de la courbe dérivée, vaut 31,0 mL. La relation à l'équivalence fait intervenir le coefficient 3 de l'équation de titrage, d'où CA = 1,03 × 10-1 mol·L-1. Le sachet entier étant dissous dans 2,00 L, la masse d'acide vaut 39,7 g et le pourcentage en masse 99,2 %. L'incertitude relative, calculée à partir de quatre sources, vaut environ 2 %, ce qui donne p = (99 ± 3) % : la valeur de l'étiquette est compatible avec la mesure.
Les deux dernières questions reviennent au quotidien. La température est un facteur cinétique, donc un détartrant chaud agit plus vite. Le bilan énergétique de la bouilloire donne une énergie électrique reçue de 1,2 × 105 J, une énergie utile de 1,1 × 105 J et un rendement de 94 %. Les pièges sont l'oubli du coefficient 3, la confusion entre prise d'essai et volume total, et les conversions d'unités dans le calcul énergétique.
Exercice 2 : le spectromètre de masse (9,5 points)
Cet exercice suit le parcours d'une molécule dans un spectromètre à temps de vol. La première partie porte sur le spectre de masse de la pentan-2-one. Le pic moléculaire à 86 correspond à la masse molaire de C5H10O. Deux fragments issus d'une même coupure reconstituent la molécule : le complémentaire du fragment de 71 apparaît à 15, c'est le groupe méthyle. Le pic le plus haut, à 43, vient de la coupure entre le carbone du groupe carbonyle et le CH2 voisin, qui donne deux fragments de même masse molaire.
La deuxième partie s'intéresse au laser qui fragmente et ionise les molécules. Sa longueur d'onde de 337,1 nm le place dans l'ultraviolet. Le tableau VRAI ou FAUX vérifie la lecture du document : lumière directive, monochromatique et non polychromatique, et une impulsion toutes les 100 ms pour une fréquence de 10 Hz. Le principe de l'émission stimulée est demandé avec un schéma, puis la puissance surfacique de l'impulsion, 1,0 × 108 kW·m-2, est comparée à celle du Soleil.
La troisième partie est de la mécanique. Pour un ion positif, le champ électrique a le même sens que la force et va de la cible vers la grille. Le travail de la force électrique, égal à eU, conduit à la vitesse v = √(2eU/m), soit 3,0 × 105 m·s-1, mille fois plus petite que la célérité de la lumière : la mécanique de Newton suffit. Sans force entre la grille et le détecteur, le mouvement est rectiligne uniforme. L'expression du temps de vol s'établit en deux phases, accélérée puis uniforme ; elle montre que le temps de vol est proportionnel à √m, donc que les fragments légers arrivent en premier, et qu'une grande distance L améliore la séparation. Les pièges : laisser U en kilovolts, oublier de convertir les micromètres, écrire D/v pour la phase accélérée.
Exercice 3 : l'homochiralité du vivant (5 points)
La première partie porte sur l'alanine. Ses groupes carboxyle et amino en font un acide α-aminé. Son carbone asymétrique la rend chirale : elle possède deux énantiomères, à représenter en Cram comme images l'un de l'autre dans un miroir. La formation d'un dipeptide, avec création d'une liaison peptidique et libération d'une molécule d'eau, est une substitution ; une protéine est une macromolécule car elle enchaîne un très grand nombre d'acides aminés.
La seconde partie est une analyse de documents. Après une définition de l'homochiralité et un titre pour chaque document, la synthèse finale doit expliquer pourquoi l'origine extraterrestre est privilégiée. Le corrigé articule trois arguments : l'excès d'énantiomère « gauche » mesuré dans la météorite de Murchison, l'action d'une lumière polarisée présente dans l'espace, et une expérience sur des glaces interstellaires irradiées qui reproduit un excès de plus de 1,3 %. Le piège principal est de juxtaposer les documents sans les relier.
Exercice 4 de spécialité : tensioactifs et dureté de l'eau (5 points)
Il faut choisir entre le savon de Marseille et le SDS pour laver le linge d'un nouveau-né. Dans une eau dure, les ions calcium et magnésium précipitent avec le savon et réduisent le nombre de micelles. La courbe de conductivité du SDS présente une rupture de pente qui repère sa concentration micellaire critique, que l'on calcule grâce à la dilution : 9,09 × 10-3 mol·L-1, une valeur bien plus élevée que celle du savon de Marseille. Le calcul de la dureté de l'eau de ville donne environ 6 °f, une eau douce. Avec la biodégradabilité et le caractère hypoallergénique du savon, la conclusion désigne le savon de Marseille. Attention au volume final de la dilution et aux concentrations en mg·L-1.
Gestion du temps sur l'épreuve
Sur 3 h 30, une répartition proportionnelle aux points donne environ 50 minutes pour l'exercice 1, 1 h 30 pour l'exercice 2, 50 minutes pour l'exercice 3 et 50 minutes pour la spécialité. Il est judicieux de lire tout le sujet au départ et de commencer par l'exercice où l'on se sent le plus à l'aise. Les questions de cours de l'exercice 3 et les premières questions de lecture de spectre de l'exercice 2 rapportent des points rapidement. La synthèse de l'exercice 3 demande en revanche une dizaine de minutes de rédaction : mieux vaut préparer un plan au brouillon. Garder quelques minutes à la fin pour relire les unités et les chiffres significatifs.
Méthodes transversales à retenir
Exploiter une équation de réaction
Que ce soit pour l'équivalence du titrage de l'exercice 1, pour la formation du dipeptide de l'exercice 3 ou pour la précipitation du savon dans l'exercice 4, l'équation de réaction est la clé. Lire les coefficients stœchiométriques avant d'écrire une relation entre quantités de matière évite l'erreur la plus fréquente du sujet, l'oubli du coefficient 3. Compter réactifs et produits permet aussi de classer une réaction : deux réactifs qui donnent deux produits, c'est une substitution.
Convertir avant de calculer
Le sujet multiplie les pièges d'unités : capacité thermique en kJ, durée en minutes, tension en kilovolts, dimensions en micromètres, concentrations en milligrammes par litre. La bonne habitude consiste à écrire chaque donnée en unité du Système international dans la liste des données, puis à faire l'application numérique. Un ordre de grandeur final permet souvent de repérer une erreur : une vitesse d'ion proche de celle de la lumière ou un rendement supérieur à 100 % doivent alerter.
Rédiger une démonstration et une synthèse
En mécanique, une démonstration complète précise le système, le référentiel galiléen, le bilan des forces et la loi utilisée avant la conclusion. Dans une synthèse de documents, chaque argument doit s'appuyer sur un document cité et servir la réponse à la problématique, avec des connecteurs logiques. Dans les deux cas, le correcteur évalue la cohérence du raisonnement autant que le résultat final : une expression juste sans justification ne rapporte qu'une partie des points.
Présenter un résultat
Le nombre de chiffres significatifs suit celui des données les moins précises, et une incertitude s'arrondit par excès avec un seul chiffre significatif. Une comparaison se conclut toujours par une phrase : la valeur de l'étiquette appartient à l'intervalle de mesure, la vitesse est très petite devant c, la puissance surfacique dépasse largement celle du Soleil, l'eau est douce.
Conclusion
Ce sujet de Polynésie 2014 récompense la rigueur plus que la virtuosité : coefficient stœchiométrique à l'équivalence, conversions d'unités, rédaction mécanique complète, argumentation structurée. Certaines notions, comme l'émission stimulée, la relativité restreinte ou la représentation de Cram, ne figurent plus au programme actuel de spécialité, mais le titrage, les incertitudes, le mouvement dans un champ électrique, la lecture de spectres et l'analyse de documents restent pleinement d'actualité. Traiter ce sujet en temps limité puis confronter sa copie aux corrigés détaillés permet de repérer ses points faibles avant l'épreuve.