Le sujet du Bac S 2018 Inde (Pondichéry) en physique-chimie
Le sujet de physique-chimie du Bac S 2018 Inde (Pondichéry), pour les élèves ayant suivi l'enseignement de spécialité, se compose de quatre exercices notés sur 20 points, pour une durée de 3 h 30. Il relève de l'ancien programme de Terminale S, mais la majorité des compétences qu'il mobilise reste au programme actuel : dosage par étalonnage, deuxième loi de Newton, mouvement circulaire, énergie des photons, synthèse organique, réactions acide-base, quantité de matière.
Sa particularité est le poids de l'exercice 2, consacré aux éclipses solaires : à lui seul, il vaut 11 points sur 20 et couvre à la fois mécanique et spectroscopie. Les trois autres exercices, plus courts, alternent chimie analytique, chimie organique et résolution de problème. S'entraîner sur ce sujet permet donc de travailler un programme large et d'apprendre à répartir son temps sur un exercice long.
Exercice 1 : la rifamycine (4 points)
L'exercice étudie un collyre antibiotique. La couleur jaune-orangé de la solution s'explique par l'absorption dans le bleu-violet, vers 450 nm, et par le cercle chromatique. Viennent ensuite une dilution, avec un prélèvement de 25 mL à la pipette jaugée pour une fiole jaugée de 100,0 mL, puis un encadrement par échelle de teintes.
Le point délicat : le domaine de validité
La question sur la loi de Beer-Lambert attend une réponse nuancée : seules les solutions les plus diluées, jusqu'à 80 µmol par litre, donnent des points alignés avec l'origine. La droite d'étalonnage doit donc être tracée avec ces seuls points ; elle conduit à une concentration d'environ 30 µmol par litre pour la solution étudiée.
Question ouverte et conservation
La comparaison avec l'indication du laboratoire exige de convertir des unités internationales en masse, puis en concentration molaire, et de tenir compte de la dilution par 500. L'écart relatif d'environ 4 % reste sous le seuil de 10 %. Enfin, la courbe d'absorbance en fonction du temps montre que la rifamycine se dégrade à la lumière, d'où la consigne de conservation à l'abri de la lumière.
Ce qu'il faut retenir
Cet exercice résume la démarche d'un dosage par étalonnage : préparer une gamme de solutions par dilution, vérifier que la loi de Beer-Lambert s'applique, tracer la droite au plus près des points valides, puis lire la concentration inconnue. Il rappelle aussi qu'une échelle de teintes ne donne qu'un encadrement et qu'un résultat de mesure se discute toujours par un écart relatif. Deux chiffres significatifs suffisent pour une valeur lue sur un graphe : en donner davantage serait illusoire.
Exercice 2 : à propos des éclipses solaires (11 points)
Partie A : mouvements
La première partie commence par la vitesse d'un point de l'équateur, 465 m/s, calculée avec une durée de rotation de 23 h 56 min, puis celle de la ville de Columbia grâce à une formule fournie. Une mesure sur carte, rapportée au segment d'échelle, donne une vitesse de l'ombre de la Lune proche de 750 m/s, et la durée maximale de l'éclipse conduit à un diamètre d'ombre d'environ 120 km, cohérent avec la bande dessinée sur la carte.
Un argument chiffré montre ensuite que la diffraction par la Lune est négligeable : la longueur d'onde est environ 1013 fois plus petite que l'obstacle. La suite est un enchaînement classique : schéma de la force de gravitation, expression vectorielle, deuxième loi de Newton dans le référentiel géocentrique, identification dans le repère de Frenet, et calcul de la vitesse orbitale de la Lune, d'environ 1,02 × 103 m/s.
Partie B : la couronne solaire
Le spectre de la couronne est un spectre d'émission du domaine visible. L'énergie du photon de l'hélium, 2,110 eV, identifie la transition T2 du diagramme énergétique. L'étude de l'incertitude d'un spectromètre montre que la raie de l'hélium se distingue de celles du sodium. Enfin, la loi de Wien et l'élargissement de la raie H-alpha, toutes deux fournies, conduisent à quelques milliers de kelvins pour la surface et à environ un million de kelvins pour la couronne, résultat inattendu dont la dernière question discute les limites.
Ce qu'il faut retenir
La démonstration de la vitesse orbitale est un incontournable : système, référentiel supposé galiléen, bilan des forces, deuxième loi de Newton, accélération dans le repère de Frenet, identification composante par composante. La composante tangentielle donne l'uniformité du mouvement, la composante normale donne la vitesse. Côté spectroscopie, la méthode est tout aussi systématique : calculer l'énergie du photon en joules, la convertir en électronvolts, puis la comparer aux écarts entre niveaux du diagramme. Pour l'incertitude, deux mesures sont discernables lorsque leurs intervalles ne se recouvrent pas.
Exercice 3 : l'acide cinnamique (5 points)
Cet exercice de chimie organique compare la synthèse de l'acide cinnamique au laboratoire et son extraction à partir d'une plante. La première partie porte sur la molécule : masse molaire de 148 g/mol, état solide à température ambiante, groupe carboxyle et stéréoisomérie Z/E, notion qui ne figure plus au programme actuel.
La deuxième partie suit le protocole : identification du dioxyde de carbone comme sous-produit par conservation des éléments, nom officiel de l'acide malonique (acide propanedioïque), schéma légendé du chauffage à reflux, réaction acide-base avec la pyridine, puis précipitation de l'acide cinnamique quand le pH descend à 1, sous le pKA de 4,4. Le produit se récupère par filtration. Le calcul du rendement, environ 80 %, passe par l'identification du réactif limitant, le benzaldéhyde.
La troisième partie montre qu'il faudrait environ 36 kg de plante pour obtenir 10 g d'acide cinnamique par extraction : la synthèse est nettement plus économique.
Ce qu'il faut retenir
Le calcul du rendement suit toujours le même ordre : quantités de matière initiales, identification du réactif limitant à l'aide des nombres stœchiométriques, quantité maximale de produit, masse maximale, puis rapport entre masse obtenue et masse maximale. Pour la précipitation, la comparaison du pH et du pKA, éventuellement appuyée par un diagramme de prédominance, suffit à justifier quelle forme du couple domine. Enfin, le choix d'une technique de récupération dépend de l'état du produit : un solide dans un liquide se récupère par filtration, pas par extraction ni par distillation.
Exercice 4 de spécialité : du carburant à partir de l'eau de mer (5 points)
Le dernier exercice repose sur des documents décrivant un procédé qui transforme le dioxyde de carbone dissous dans l'eau de mer en alcanes. La première question demande de rapprocher la longueur de chaîne des alcanes obtenus, de 9 à 16 atomes de carbone, de celle de la coupe kérosène du raffinage.
La seconde combine l'écriture d'une équation d'ajustement, pour le tridécane 13 CO2 + 40 H2 donnent C13H28 + 26 H2O, et une résolution de problème : estimer le volume d'eau de mer nécessaire pour produire un litre de carburant. Avec des hypothèses clairement posées, la chaîne quantité d'alcane, quantité de dioxyde de carbone, masse puis volume d'eau de mer aboutit à environ 27 m3. Un regard critique montre que le choix de l'alcane modifie peu ce résultat.
Ce qu'il faut retenir
Une résolution de problème se rédige comme une enquête : annoncer les hypothèses, écrire chaque relation littérale avant le calcul, garder les unités à chaque étape et terminer par un regard critique sur l'ordre de grandeur obtenu. Le passage d'une quantité par kilogramme à un volume, par la masse volumique, est le point qui fait le plus souvent trébucher. Même si ce format n'existe plus tel quel, les outils employés, quantité de matière, masse volumique et stœchiométrie, restent au programme actuel.
Gérer son temps sur 3 h 30
Une répartition proportionnelle aux points donne environ 40 minutes pour l'exercice 1, 1 h 50 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour chacun des exercices 3 et 4. L'exercice 2 demande de la vigilance : il est long, et ses deux parties sont indépendantes. Si une question bloque dans la partie A, passe à la partie B plutôt que de perdre un temps précieux.
Beaucoup de questions sont courtes et rapides à traiter : couleur d'une solution, nature d'un spectre, groupe caractéristique, montage à reflux, choix de la technique de récupération. Les traiter avec soin dès la première lecture assure une base solide. Garde en revanche du temps pour les questions ouvertes, la comparaison avec l'indication du laboratoire dans l'exercice 1 et le volume d'eau de mer dans l'exercice 4, où la clarté de la démarche compte autant que le résultat.
Les pièges transversaux
D'un exercice à l'autre, les mêmes erreurs reviennent : conversions oubliées (kilomètres et mètres, nanomètres et mètres, milligrammes et grammes, micromoles et moles), coefficients stœchiométriques négligés, facteur de dilution omis, droite d'étalonnage tracée avec des points hors du domaine de validité. Le corrigé signale ces pièges question par question et propose pour chacun une méthode réutilisable.
Bien rédiger pour gagner des points
Dans ce sujet, de nombreuses questions commencent par « justifier », « montrer que » ou « argumenter avec des valeurs numériques ». Elles attendent une phrase de conclusion explicite, appuyée sur un document ou sur un calcul. Pour un « montrer que », le résultat est donné : ce qui est noté, c'est le raisonnement, l'expression littérale et l'application numérique avec les bonnes unités. Pour une lecture de document, cite l'information utilisée avant d'en tirer la conséquence.
Conclusion
Ce sujet est un excellent entraînement complet : il fait passer de la spectrophotométrie à la gravitation, de la spectroscopie atomique à la synthèse organique, puis à une véritable résolution de problème. Traite-le d'abord en temps limité, puis compare ta copie au corrigé détaillé pour repérer tes erreurs de méthode et de rédaction, en particulier sur les conversions et la justification des réponses.