Brevet 2024 Sciences : sujet et corrigé

Batterie d’un smartphone

Pour fabriquer un smartphone, il faut plus de soixante-dix matériaux différents dont une cinquantaine de métaux. L’extraction de ces métaux est coûteuse en énergie et les ressources sont limitées. Une batterie de smartphone contient entre autres des ions lithium.

Les différentes parties d’un smartphone et les éléments présents dans la batterie :
(Schéma montrant : Dalle tactile + vitre, Écran, Batterie, Boîtier, Carte et composants. Éléments de la batterie : ${}_3^{7}Li$ Lithium, $Co$ Cobalt, ${}_6^{12}C$ Carbone, ${}_9^{19}F$ Fluor, $Mn$ Manganèse, $V$ Vanadium, $P$ Phosphore, ${}_{13}^{27}Al$ Aluminium).

Question 1 : (6 points)
La fabrication d’un smartphone produit du dioxyde de carbone qui a un impact climatique, dont l’acidification des océans.
Le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau lors d’une transformation chimique.

1a- Indiquer laquelle des équations de réaction ajustées modélise la dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau. Justifier.

• Proposition A : $C{O}_2+H_{2}O\to 2H^{+}+C{O}_3^{2-}$
• Proposition B : $2H^{+}+C{O}_3^{2-}\to C{O}_2+H_{2}O$
• Proposition C : $C{O}_2+H_{2}O\to H^{+}+C{O}_3^{2-}$

1b- Nommer le matériel utilisé pour mesurer une valeur du pH de l’eau de mer par deux méthodes expérimentales différentes.

1c- Expliquer pourquoi la dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau provoque une acidification des océans.

L’empreinte carbone d’un smartphone est liée à la quantité de gaz à effet de serre émise lors de sa production, de son transport, de son utilisation et de son recyclage. Elle se mesure en « kilogramme équivalent $C{O}_2$ » dont le symbole est $kg\acute{e}qC{O}_2$.

Empreinte carbone d’un smartphone :

• Production : $83\%$
• Utilisation : $14\%$
• Transport : $2\%$
• Fin de vie : $1\%$
• Total : $50kg\acute{e}qC{O}_2$

Question 2 : (2 points)
Proposer deux solutions qu’un utilisateur pourrait mettre en œuvre pour réduire l’impact carbone de son smartphone.

Représentation d’un atome :
$$\text{Nombre de nucleˊons}{\to }_Z^{A}X\leftarrow \text{Symbole de l’eˊleˊment}$$
$$\text{Numeˊro atomique}\to Z$$

Question 3 : (7 points)
3a- Donner le symbole de l’élément lithium.
3b- Donner le nombre de protons contenus dans le noyau d’un atome de lithium.
3c- En déduire le nombre d’électrons contenus dans un atome de lithium. Justifier.

Chaque ion lithium provient d’un atome de lithium qui a perdu un électron.
3d- En déduire la formule chimique de l’ion lithium.

Dans de nombreuses gares ferroviaires, la batterie d’un smartphone peut être rechargée en pédalant sur un vélo fixé au sol.

Question 4 : (3 points)
Sans recopier le diagramme énergétique du vélo, affecter à chaque numéro une forme d’énergie.
(Schéma : $1\to [\text{Veˊlo}]\to 2\text{ et }3$)

Couramment, un chargeur « rapide » permet, avec une puissance d’environ $50W$, de recharger une batterie complètement déchargée en $30minutes$.

Question 5 : (4 points)
Déterminer, en wattheure ($Wh$), l’énergie nécessaire pour recharger la batterie en $30minutes$.

L’énergie électrique peut être produite par un panneau solaire. Une surface courante de panneau solaire est $2m^2$. Un tel panneau est capable de produire en moyenne $400kWh/an$.

Question 6 : (3 points)
Déterminer la surface d’un panneau solaire nécessaire pour une famille de quatre personnes qui rechargent chacun une fois par jour leur téléphone totalement déchargé. Commenter.

Re reconstitution d’oiseaux-éléphants de Madagascar, aujourd’hui disparus

Les oiseaux-éléphants de Madagascar sont regroupés dans deux genres différents : Æpyornis (deux espèces) et Mullerornis (une espèce), appartenant au groupe des paléognathes. Disparus il y a environ deux millénaires, ces oiseaux mesuraient entre $3m\grave{e}tres$ (mâles) et $5m\grave{e}tres$ (femelles).

Document 1 : arbre de parenté d’espèces appartenant au groupe des oiseaux
Les paléognathes et néognathes forment les deux grands groupes d’oiseaux existant aujourd’hui.
(L'arbre montre les relations entre : Æpyornis hildebrandti, Æpyornis maximus, Mullerornis, Kiwis, Émeus, Casoars, Nandous, Moas, Tinamous, Autruches et Néognathes, sur une échelle de $0$ à $100Ma$).

Question 1 (6 points) : grâce aux informations fournies par le document 1, répondre aux questions sur l’annexe (à rendre avec la copie).

Contenu de l'ANNEXE (page 9) pour la Question 1 :
Indiquer, pour chaque phrase, la bonne réponse parmi les trois propositions.
a. L’espèce la plus proche des genres Æpyornis et Mullerornis est :

• $\square$ L’autruche
• $\square$ L’émeu
• $\square$ Le kiwi
  b. Les genres Æpyornis et Mullerornis ont divergé il y a environ :
• $\square$ $95millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $30millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $2millionsd’ann\acute{e}es$
  c. Les deux espèces du genre Æpyornis ont divergé il y a environ :
• $\square$ $95millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $30millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $2millionsd’ann\acute{e}es$
  d. D’après cet arbre de parenté, l’ancêtre commun à l’ensemble des paléognathes serait vieux de :
• $\square$ $55millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $70millionsd’ann\acute{e}es$
• $\square$ $95millionsd’ann\acute{e}es$

Document 2 : extrait de l’échelle des temps géologiques
Les dates sont données en millions d’années ($Ma$).

Question 2 (4 points) : en utilisant les documents 1 et 2, indiquer, en justifiant la réponse, à quelle époque et à quelle période géologique a eu lieu la divergence entre les genres Æpyornis et Mullerornis.

Document 3 : cartes de l’hémisphère Sud il y a 41 et 32 millions d’années
Entre $-41Ma$ et $-32Ma$, la séparation entre les continents Antarctique et Amérique du Sud provoque l’ouverture du passage du Drake. Cette séparation entraîne une modification des courants marins dans l’hémisphère Sud avec l’établissement d’un courant océanique, autour de l’Antarctique.
(Cartes montrant la position de l'Afrique, l'Amérique du Sud, l'Antarctique, l'Australie, l'Inde et Madagascar, ainsi que l'ouverture du passage du Drake).

Question 3 (6 points) : grâce au document 3, expliquer l’origine de la modification des courants océaniques dans l’hémisphère Sud, entre $-41Ma$ et $-32Ma$.

Document 4 : écosystèmes de Madagascar et régimes alimentaires des oiseaux-éléphants
Avant l’ouverture du passage du Drake, le climat de Madagascar était sec et son territoire couvert de forêts d’épineux. À partir de $-32Ma$, après l’ouverture du passage, le bouleversement des courants océaniques a entraîné une modification de la pluviométrie ; le climat est devenu humide au nord de Madagascar mais est resté sec au sud.
Or, les recherches ont montré que les espèces du genre Æpyornis et Mullerornis n’avaient pas le même régime alimentaire : les individus d’Æpyornis étaient plutôt brouteurs (herbacées) tandis que les Mullerornis se nourrissaient principalement de plantes succulentes (type cactus ou euphorbes), d’insectes, et de lézards.

Question 4 (9 points) : à l’aide du document 4, expliquer en quoi l’ouverture du passage du Drake peut être à l’origine de la divergence entre les genres Æpyornis et Mullerornis.