Sujet du brevet 2019 de sciences — Pays du groupe 1 (Série générale) — Physique-Chimie, Sciences de la vie et de la Terre

1. La fabrication du savon de Marseille (10 points)

1.1.1. C₁₈H₃₃O₂⁻ porte une charge électrique (le signe « − ») : c'est un ion (un ion négatif, ou anion). C₃H₈O₃ ne porte aucune charge et est formé de plusieurs atomes liés : c'est une molécule.

1.1.2. La formule C₅₇H₁₀₄O₆ contient :

• 57 atomes de carbone (symbole C) ;
• 104 atomes d'hydrogène (symbole H) ;
• 6 atomes d'oxygène (symbole O).

1.2.1. Une solution basique a un pH supérieur à 7 : la bonne proposition est la A : pH > 7. Comme la solution est très basique, son pH est même proche de 14.

1.2.2. Le caractère basique est dû à l'ion hydroxyde HO⁻, présent dans la solution (Na⁺ + HO⁻).

1.2.3. L'étiquette porte le pictogramme « Corrosif » : la solution attaque la peau et les yeux. Il faut porter des gants de protection et des lunettes de protection (on peut ajouter une blouse en coton fermée).

2. L'huile d'olive et son extraction (8 points)

2.1. Circulaire : la trajectoire de l'âne (l'ensemble des positions qu'il occupe) est un cercle, autour de la meule. Uniforme : la valeur de la vitesse de l'âne reste constante au cours du mouvement.

2.2. Schéma attendu (à dessiner sur la copie) :

• un récipient (bécher ou tube à essais) contenant deux couches de liquide bien séparées par une surface de séparation horizontale ;
• en haut, la couche légendée « huile d'olive » ;
• en bas, la couche légendée « eau ».

Justification : les deux liquides sont non miscibles, donc ils forment deux phases distinctes ; l'huile, dont la masse volumique est plus petite que celle de l'eau, se place au-dessus de l'eau.

2.3. Sur le graphique, la droite passe par l'origine et par le point (120 s ; 8 tours) : l'âne effectue 8 tours en 120 s, soit 1 tour toutes les 15 s.

Or 120 s = 2 min. La vitesse de rotation de la meule entraînée par l'âne est donc :

$$\frac{8\text{ tours}}{2\text{min}}=4\text{tr/min}$$

Le moteur tourne à 6 tr/min, ce qui est plus que 4 tr/min. En une minute, la pierre fait donc 6 tours avec le moteur contre 4 avec l'âne : elle passe plus souvent sur les olives, qui sont écrasées plus rapidement avec le moteur (1,5 fois plus vite).

3. Un label à conserver (7 points)

Masse de l'huile testée : la balance indique 15,3 g pour l'éprouvette vide (étape 1) et 26,7 g pour l'éprouvette contenant l'huile (étape 2).

$$m=26,7-15,3=11,4\text{ g}$$

Volume de l'huile : sur l'éprouvette graduée (une graduation = 0,5 mL), le niveau de l'huile se lit à V = 12,5 mL.

Masse volumique de l'huile :

$$\rho =\frac{m}{V}=\frac{11,4\text{ g}}{12,5\text{ mL}}=0,912\text{ g/mL}$$

Comparaison avec le document 3 :

• huile d'olive : entre 0,910 et 0,916 g/mL → 0,912 est dans cet intervalle ;
• huile de colza : entre 0,911 et 0,920 g/mL → 0,912 est aussi dans cet intervalle ;
• huile d'arachide (0,914 à 0,917 g/mL) et huile de maïs (0,920 à 0,924 g/mL) : 0,912 est en dehors, ces huiles sont exclues.

Conclusion : la masse volumique mesurée, 0,912 g/mL, correspond aussi bien à l'huile d'olive qu'à l'huile de colza. Le stagiaire ne peut pas conclure avec certitude que l'huile reçue est de l'huile d'olive : il peut seulement affirmer que ce n'est ni de l'huile d'arachide ni de l'huile de maïs. Il lui faudrait une autre méthode d'identification pour trancher.

1. (4 points) Je vois dans le document 1a que la cellule de l'algue Haematococcus pluvialis possède une « zone colorée d'abord en vert puis devenant rouge par production d'huile » : l'algue fabrique donc de l'huile, stockée dans sa cellule. Je vois aussi dans le document 1b que le dispositif de culture sert « à obtenir une production d'huile nécessaire à la synthèse de biocarburants », en contrôlant la lumière, le CO₂ dissous, la température et l'agitation. Je sais que les algues sont des êtres vivants chlorophylliens qui produisent leur propre matière organique grâce à la lumière et au CO₂. J'en conclus que la substance exploitée par l'être humain est l'huile (une matière grasse, c'est-à-dire des lipides) produite par l'algue, qui sert à fabriquer des biocarburants.

2. (8 points) Le document 2 indique la quantité d'huile produite, en g par jour et par m² de culture :

Les deux cultures agricoles alimentaires ont une productivité faible et voisine : le colza produit environ 3 g d'huile par jour et par m², un peu plus que le tournesol (environ 2 g par jour et par m²). Les algues produisent 40 g d'huile par jour et par m², soit environ 13 fois plus que le colza (40 ÷ 3 ≈ 13) et 20 fois plus que le tournesol (40 ÷ 2 = 20).

Conclusion : pour une même surface et une même durée, les algues sont de loin la culture la plus productive en huile, devant le colza puis le tournesol.

3. (13 points) Je vois dans le document 3 que les biocarburants de 1^re génération sont fabriqués à partir de la « production agricole alimentaire (blé, maïs, colza, tournesol, …) » et qu'on en utilise « essentiellement les graines », alors que ceux de dernière génération sont fabriqués à partir d'algues, dont on utilise « toute l'algue ».

Je vois dans le document 4 que, pour produire 10 % des besoins en carburant, il faudrait utiliser 72 % de la surface agricole avec les biocarburants de 1^re génération, contre seulement 4,2 % avec ceux de dernière génération. La dernière génération demande donc environ 17 fois moins de surface agricole (72 ÷ 4,2 ≈ 17).

Je sais que les terres agricoles servent avant tout à nourrir la population humaine, qui continue d'augmenter, et que les surfaces cultivables sont limitées.

J'en conclus que la dernière génération de biocarburants présente plusieurs intérêts :

• elle n'entre pas en concurrence avec l'alimentation : les algues ne sont pas des cultures alimentaires, alors que les biocarburants de 1^re génération utilisent du blé, du maïs, du colza ou du tournesol qui pourraient nourrir les êtres humains ;
• elle occupe beaucoup moins de surface agricole : 4,2 % au lieu de 72 % pour couvrir 10 % des besoins en carburant, ce qui laisse les terres disponibles pour produire de la nourriture ;
• elle utilise la totalité de l'organisme (toute l'algue et non seulement les graines), donc il y a moins de pertes ; et, d'après le document 2, les algues produisent beaucoup plus d'huile par m² (40 g/jour/m² contre environ 3 pour le colza).

La dernière génération de biocarburants permet donc de produire du carburant d'origine végétale, en remplacement des hydrocarbures, sans menacer la production alimentaire mondiale.