Bac 2025 de physique-chimie, Métropole septembre jour 1 : présentation de l'épreuve

Le sujet de la session de septembre 2025 en Métropole (jour 1) se compose de trois exercices indépendants pour un total de 20 points et une durée de 3 h 30. L'équilibre entre physique et chimie y est marqué : un long exercice de physique de 11 points, puis deux exercices de chimie de 4 et 5 points. Le premier exercice représente donc plus de la moitié de la note, et sa durée conseillée, environ 1 h 55, occupe à elle seule plus de la moitié du temps disponible. Les deux suivants demandent environ 42 et 53 minutes.

Ce sujet est un bon entraînement de fin de terminale, parce qu'il couvre des chapitres très différents : condensateur et circuit RC, thermodynamique, mécanique des fluides, acide-base et titrage, oxydoréduction et électrolyse. Il alterne démonstrations littérales, lectures graphiques, schémas à réaliser et calculs numériques avec conversions d'unités. Voici une analyse de chaque exercice, avec les passages clés, les pièges et des conseils de méthode.

Exercice 1 : la physique au service du vigneron (11 points)

Cet exercice suit un vigneron pendant la fermentation de son jus de raisin, en 14 questions réparties en trois parties indépendantes. C'est l'exercice le plus long et le plus varié du sujet.

Un capteur de niveau capacitif

La tige du capteur forme la première armature d'un condensateur, le liquide la seconde. Un liquide isolant ne peut donc pas convenir : sans second conducteur, il n'y a plus de condensateur. La relation C = ε·S_C/e, avec S_C = h·ℓ, montre que la capacité est proportionnelle à la hauteur de liquide : c'est le principe même du capteur.

La démonstration de l'équation différentielle de la charge suit les trois étapes habituelles : loi des mailles, loi d'Ohm, puis i = C·du_C/dt, avant de diviser par R·C. En reportant la solution A·e^-t/τ + B, on identifie τ = R·C et B = E ; la condition initiale, condensateur déchargé, impose A = -E. Oublier cette condition est l'erreur la plus fréquente.

La question 5 combine deux graphiques. Sur la courbe de charge, la tension atteint 63 % de E, soit 3,15 V, à τ = 0,11 s. On en déduit C = τ/R = 1,8 × 10^-8 F, soit 18 nF, puis, sur la droite d'étalonnage, une hauteur d'environ 12 cm. Cette droite ne passe pas par l'origine : il faut lire la hauteur sur le graphique et non utiliser une proportionnalité.

Le bilan thermique de la cuve

L'air extérieur à 22 °C est plus chaud que le jus à 18 °C : le transfert thermique se fait spontanément de l'air vers le jus. Le flux à travers les parois vaut Φ_P = A·S·(θ_ext - θ_jus) = 432 W. Pour la puissance de fermentation, il faut d'abord convertir le volume de la cuve en masse de jus, 2 180 kg, ce qui donne P_F ≈ 277 W. Enfin, maintenir la température constante impose Δθ = 0, d'où une puissance de l'échangeur P ≈ -709 W. Le signe négatif signifie que l'échangeur refroidit le jus : il évacue à la fois l'énergie apportée par l'air et celle libérée par la fermentation.

Le mustimètre

Le mustimètre flotte sous l'action de son poids et de la poussée d'Archimède. Le principe d'inertie conduit à m₀ = ρ_jus·(V₀ + S_T·h_T), d'où l'expression de la hauteur immergée. Plus le jus est léger, plus l'appareil s'enfonce. L'enfoncement maximal de 14 cm fixe la masse volumique minimale mesurable, environ 9,8 × 10² kg·m^-3. Pour un jus trop fermenté, la surface du liquide dépasse la dernière graduation et la lecture devient impossible. Ici, les conversions (mL en m³, g en kg, cm en m) sont le principal danger.

Exercice 2 : étude d'une lessive « multi-usages » (4 points)

En 9 questions, cet exercice vérifie la teneur en carbonate de sodium d'une lessive, que le fabricant annonce entre 30 % et 60 % en masse.

Diagrammes acide-base

Avec des pK_A de 6,4 et 10,3, le diagramme de prédominance place CO₂(aq) aux pH faibles, l'ion hydrogénocarbonate au centre et l'ion carbonate aux pH élevés. Le même raisonnement permet d'attribuer les trois courbes du diagramme de distribution. Le pK_A2 se lit à l'intersection des courbes 2 et 3, là où les deux espèces sont à 50 % et où pH = pK_A2, soit environ 10,3. La réaction de l'ion carbonate avec l'eau, CO₃^2- + H₂O ⇄ HCO₃^- + HO^-, explique son caractère basique : il faut bien écrire la réaction avec l'eau, et non avec l'ion oxonium.

Dilution et titrage

Le schéma du titrage pH-métrique doit préciser le contenu de la burette et du bécher, la sonde, le pH-mètre et l'agitateur. La dilution d'un facteur 10 se fait avec une pipette jaugée de 10,0 mL et une fiole jaugée de 100,0 mL. La réaction support jusqu'à la première équivalence est CO₃^2- + H₃O⁺ → HCO₃^- + H₂O. Avec V_éq1 = 7,5 mL, on remonte à environ 1,6 g de carbonate de sodium pour 4,0 g de lessive, soit environ 40 % en masse, en accord avec le fabricant. Enfin, V_éq2 ≈ 16,9 mL dépasse 2 V_éq1 = 15,0 mL : d'autres espèces basiques, par exemple des ions hydrogénocarbonate, sont présentes. Le piège majeur est d'oublier le facteur de dilution.

Exercice 3 : traitement de surface d'une pièce de jeu d'échecs (5 points)

Cet exercice de 10 questions étudie l'anodisation d'une pièce en aluminium : une couche d'alumine doit atteindre au moins 15 µm pour que la pièce puisse être colorée.

Préparation du bain et électrolyse

L'acide sulfurique est corrosif : blouse, gants, lunettes et hotte. Pour préparer 500 mL à 180 g·L^-1 avec un acide commercial pur à 98 %, on pèse 90,0/0,98, soit environ 92 g. L'électrolyse est une transformation forcée, imposée par le générateur. L'aluminium de la pièce est oxydé en alumine selon 2 Al + 3 H₂O = Al₂O₃ + 6 H⁺ + 6 e^- : la pièce est l'anode, reliée à la borne +. Sur le graphite, la réduction 2 H⁺ + 2 e^- = H₂ explique le dégagement de dihydrogène. La combinaison des deux demi-équations redonne l'équation de l'électrolyse. Sur l'annexe, les électrons circulent dans les fils, de la pièce vers le graphite, tandis que les ions H⁺ migrent vers la cathode et les ions sulfate vers l'anode.

Bilan quantitatif

Avec I = 0,55 A pendant 40 minutes, soit 2 400 s, la charge débitée et la constante de Faraday donnent la quantité d'électrons ; divisée par 6, elle donne la quantité d'alumine, soit une masse d'environ 0,23 g. Étalée sur 25 cm², cette alumine forme une couche d'environ 23 µm, au-dessus des 15 µm requis. L'épaisseur réelle, voisine de 19 µm, conduit à un rendement d'environ 82 %. Durée en secondes, facteur 6 et conversion des centimètres en micromètres sont les trois points de vigilance.

Gérer son temps sur l'épreuve

Le barème guide la répartition du temps : environ 1 h 55 pour l'exercice 1, 42 minutes pour l'exercice 2 et 53 minutes pour l'exercice 3. Comme les trois exercices sont indépendants, rien n'oblige à les traiter dans l'ordre. Commencer par un exercice de chimie que l'on maîtrise permet de sécuriser des points rapidement, à condition de surveiller l'heure pour garder assez de temps pour le long exercice de physique. À l'intérieur de l'exercice 1, les trois parties sont elles aussi indépendantes : en cas de blocage sur le circuit RC, il vaut mieux passer au bilan thermique ou au mustimètre plutôt que d'y perdre de longues minutes. Gardez enfin quelques minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs des résultats.

Les savoir-faire à maîtriser avant de se lancer

Pour aborder ce sujet sereinement, quelques automatismes font gagner beaucoup de temps. En électricité, il faut savoir établir l'équation différentielle d'un circuit RC, la résoudre avec une condition initiale et lire le temps caractéristique à 63 % de la valeur finale. En thermodynamique, il faut connaître l'expression du flux thermique à travers une paroi et savoir écrire un bilan d'énergie avec des puissances algébriques. En mécanique des fluides, l'expression de la poussée d'Archimède et le principe d'inertie suffisent. En chimie, les diagrammes de prédominance, la relation entre pH et pK_A, l'exploitation d'une équivalence, l'écriture des demi-équations électroniques et la relation Q = I·Δt = n(e^-)·F sont indispensables. Enfin, la verrerie jaugée et les règles de sécurité au laboratoire reviennent régulièrement et rapportent des points faciles.

Conclusion

Ce sujet de septembre 2025 récompense surtout la rigueur : des démonstrations classiques bien menées, des lectures graphiques soignées et des conversions d'unités sans erreur. Il permet de réviser en une seule épreuve le circuit RC, la thermodynamique, la poussée d'Archimède, les titrages acide-base et l'électrolyse. Le sujet officiel et le corrigé détaillé de chaque exercice sont disponibles gratuitement en PDF : traitez d'abord le sujet en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé question par question pour repérer vos erreurs de méthode.