Un exercice de 10 points au fil d'une dépollution

L'exercice 1 du sujet zéro de spécialité physique-chimie 2021 compte pour la moitié de la note et est prévu pour environ 1 h 45. Son fil conducteur est concret : utiliser le chitosane, tiré des carapaces de crevettes, pour retirer les ions cuivre(II) d'une eau polluée. Les quatre parties mobilisent la chimie organique, les dosages et la cinétique. Elles s'enchaînent, mais beaucoup de questions restent accessibles même si l'on a buté sur la précédente.

Partie 1 : deux polymères

La chitine est fabriquée par des êtres vivants : c'est un polymère naturel. Le chitosane est obtenu en la transformant chimiquement par la soude : il est artificiel. Pour le motif, le piège est l'atome d'oxygène qui relie deux cycles : il faut le prendre une seule fois, de sorte que le motif répété quatre fois redonne exactement le contenu des crochets.

Partie 2 : la synthèse du chitosane

Questions 2.1 et 2.2 : de l'amide à l'amine

La banque de réactions indique que l'ion hydroxyde coupe un groupe amide. On recopie donc le motif de la chitine en ne changeant que ce groupe : le groupe –NH–CO–CH₃ devient –NH₂. Le groupe formé est un groupe amino, de la famille des amines. Ne pas confondre avec les amides, où l'azote est lié à un carbone doublement lié à un oxygène.

Questions 2.3 et 2.4 : reflux et rendement

Le chauffage accélère la transformation, le réfrigérant évite les pertes de matière. Pour le rendement, l'erreur classique consiste à diviser 4,0 g par 8,0 g. Les deux motifs n'ont pas la même masse molaire : il faut comparer des quantités de matière. Le corrigé obtient un rendement de 0,64, soit 64 %, et signale une petite incohérence de masse molaire dans l'énoncé qui change peu le résultat.

Partie 3 : mesurer le cuivre restant

La solution de sulfate de cuivre absorbe surtout le rouge : elle paraît cyan, la couleur complémentaire. La dilution repose sur la conservation de la quantité de soluté : on prélève 2,0 mL à la pipette jaugée et l'on complète à 10,0 mL en fiole jaugée. La question 3.3, plus ouverte, demande d'abord de vérifier la loi de Beer-Lambert sur les étalons, d'en tirer la concentration finale du filtrat, puis le taux d'avancement final, qui vaut 0,73. La dépollution est réelle mais incomplète, et l'on attend une amélioration argumentée.

Partie 4 : la cinétique de la complexation

La vitesse volumique de consommation est l'opposé de la dérivée de la concentration : oublier le signe moins donne une vitesse négative. À t = 10 min, on la lit avec la tangente à la courbe, en prenant deux points éloignés sur cette tangente et non sur la courbe. La vitesse diminue au cours du temps parce que la concentration en ions cuivre(II) diminue ; citer la température serait hors sujet. Le programme Python calcule un taux de variation entre deux mesures, donc une valeur approchée de la dérivée. Enfin, l'ordre 1 exige une proportionnalité : il ne suffit pas que les points soient alignés, la droite doit passer pratiquement par l'origine.

Conseils pour cet exercice

Annoncez votre démarche dans la question ouverte, gardez deux chiffres significatifs quand les données n'en ont pas plus, et laissez visibles vos tracés de tangente. Avec un tiers du temps de l'épreuve, il faut avancer régulièrement sans s'attarder sur une seule question.