Sujets du Grand Oral en Physique-Chimie

En décembre 2017, le géant américain Apple est au cœur d'un scandale mondial. Plusieurs utilisateurs constatent que leur iPhone, pourtant en parfait état, devient subitement plus lent au bout de deux ou trois ans d'utilisation. L'enquête révèle qu'Apple a volontairement bridé les performances des appareils dont la batterie avait vieilli, officiellement pour éviter qu'ils ne s'éteignent brutalement lors des pics de consommation. L'affaire, surnommée « BatteryGate », se solde par des amendes records, environ 500 millions de dollars aux États-Unis et 25 millions d'euros en France, et un coupable principal : non pas l'entreprise, mais une réalité physico-chimique implacable. Toutes les piles et toutes les batteries, sans exception, perdent inéluctablement de leur capacité à mesure que le temps passe et qu'on les utilise. Une pile bouton oubliée dans un tiroir pendant cinq ans ne fonctionne plus. La batterie d'un ordinateur portable peine, au bout de quelques années, à tenir une heure là où elle tenait six. Mais que se passe-t-il, à l'échelle des atomes et des électrons, lorsqu'une pile « s'use » ? (…)

Le 19 septembre 1991, deux randonneurs allemands traversent un glacier des Alpes italiennes, à plus de 3 200 mètres d'altitude. Soudain, ils aperçoivent un corps émergeant de la glace. Les autorités, croyant d'abord à un accident récent, lancent une enquête. Mais quelques semaines plus tard, le verdict scientifique tombe et stupéfie le monde entier : l'homme n'est pas mort la semaine précédente, ni il y a un an, ni même il y a un siècle, il est mort il y a environ 5 300 ans, à la fin du Néolithique. Cet homme, surnommé Ötzi du nom du massif alpin où il a été découvert, est aujourd'hui l'une des momies préhistoriques les plus étudiées au monde. Mais comment, à partir d'un simple fragment de tissu congelé, les scientifiques ont-ils pu remonter avec une telle précision à une époque où la Grande Pyramide d'Égypte n'existait pas encore ? La réponse tient en deux mots : carbone 14. Mise au point par le chimiste américain Willard Libby à la fin des années 1940, et récompensée par le prix Nobel de chimie en 1960, la datation au carbone 14 a depuis transformé l'archéologie, la paléontologie et l'authentification d'œuvres d'art. Mais sur quel principe physico-chimique repose-t-elle réellement ? (…)

Le 6 mai 1937, le dirigeable allemand Hindenburg, fleuron de l'aviation civile de son époque, s'enflamme spectaculairement à son arrivée à Lakehurst, dans le New Jersey. En seulement 32 secondes, l'immense aéronef long de 245 mètres est entièrement détruit. La catastrophe, filmée et diffusée dans le monde entier, fait 36 victimes, 35 personnes à bord et 1 membre de l'équipe au sol, et marque profondément l'opinion publique. Or, ce qui assurait la sustentation du Hindenburg, c'était… l'hydrogène. Pendant des décennies, cette image a alimenté l'idée que l'hydrogène serait un gaz intrinsèquement dangereux et incontrôlable. Pourtant, près de 90 ans plus tard, ce même hydrogène est aujourd'hui présenté comme l'une des solutions clés pour décarboner les transports, l'industrie et le chauffage. Plans hydrogène nationaux, voitures à pile à combustible, trains à hydrogène, sidérurgie « verte » : les promesses sont nombreuses. Mais sont-elles fondées scientifiquement, ou s'agit-il d'un nouvel emballement technologique ? (…)

Au début des années 1960, plusieurs patients aux États-Unis sont victimes d'une grave intoxication rénale après avoir pris un antibiotique pourtant courant : la tétracycline. L'enquête médicale révèle que les flacons en cause étaient anciens et que le principe actif s'était dégradé en composés toxiques pour les reins. L'affaire fait grand bruit et conduit, en 1979, à l'introduction d'une obligation légale aux États-Unis : tous les médicaments doivent désormais porter une date de péremption. Cette histoire illustre une réalité que l'on oublie souvent : un médicament n'est pas un objet inerte. Il contient des molécules actives qui, comme toute molécule, peuvent se transformer au cours du temps. Comprendre pourquoi un médicament a une date de péremption, c'est donc descendre à l'échelle moléculaire et faire appel aux outils de la cinétique chimique. (…)

Lors de la bataille de Gettysburg, en juillet 1863, durant la guerre de Sécession américaine, les sources historiques rapportent un phénomène étonnant : le bruit des canons, inaudible à seulement dix kilomètres du champ de bataille, fut entendu clairement à Pittsburgh, à environ 240 kilomètres de distance. Le phénomène, suffisamment fréquent durant la guerre civile pour avoir reçu un nom — l'« ombre acoustique » (acoustic shadow) — a affecté plusieurs batailles majeures (Seven Pines, Gaines's Mill, Five Forks…). Plus près de nous, lors de la bataille de Waterloo en 1815, le maréchal Grouchy, alors à Walhain à 23 km au nord-est du champ de bataille, entendit très distinctement le bruit des canons. Pourtant, en plein jour, le bruit d'une simple voiture s'évanouit en quelques centaines de mètres. Comment expliquer une telle différence de portée du son ? Plus largement, pourquoi a-t-on l'impression d'entendre mieux la nuit ? Si l'observation est familière — un train qui semble plus proche après le coucher du soleil, une conversation lointaine soudain audible —, son explication relève d'une physique précise des ondes sonores et de leur propagation dans l'atmosphère.

Chaque hiver, les services de viabilité hivernale français répandent en moyenne environ 1 million de tonnes de sel sur les routes du pays, avec des pics jusqu'à 1,9 million de tonnes en 2009-2010 selon les chiffres recensés. À l'échelle mondiale, ce chiffre dépasse plusieurs dizaines de millions de tonnes par an, essentiellement dans l'hémisphère nord. Ce geste, devenu banal, repose sur une intuition partagée : le sel ferait fondre la glace. Pourtant, à y regarder de plus près, ce phénomène est en réalité contre-intuitif. La glace fond normalement à 0 °C, et le sel n'est ni chaud, ni énergétique en lui-même. Comment expliquer alors qu'un simple cristal blanc puisse provoquer la fonte d'une couche de glace, parfois à des températures bien inférieures à 0 °C ? Pour comprendre ce phénomène quotidien, il faut descendre à l'échelle microscopique et faire appel aux notions de cohésion de la matière, de dissolution et d'équilibre entre états physiques. (…)

En 2035, conformément à un règlement adopté par l'Union européenne, la vente de voitures neuves à moteur thermique sera interdite en Europe. Cette décision politique repose sur une idée largement répandue : la voiture électrique serait « propre », tandis que la voiture thermique serait « polluante ». Pourtant, dès qu'on regarde les chiffres de plus près, le tableau devient beaucoup plus nuancé. Une voiture électrique n'émet effectivement aucun gaz à l'échappement, mais sa batterie nécessite une quantité considérable d'énergie et de matières premières à fabriquer. Une voiture thermique, à l'inverse, rejette du dioxyde de carbone à chaque kilomètre, mais sa fabrication est moins coûteuse en énergie. Pour trancher honnêtement, il faut donc raisonner en physico-chimiste, c'est-à-dire en comparant les bilans énergétique et matière des deux véhicules sur l'ensemble de leur cycle de vie. (…)