DS PHYSIQUE-CHIME N EXERCICE 1 L acide formique et les fourmis 5 points

Transcription

1 DS PHYSIQUE-CHIME N EXERCICE 1 L acide formique et les fourmis 5 points Depuis très longtemps les scientifiques s intéressent à l acide formique de formule HCOOH. En 1671, le naturaliste anglais John Ray a isolé, par distillation d un grand nombre de fourmis mortes, un liquide incolore à forte odeur âcre et au caractère acide nommé acide formique. Les fourmis se défendent en mordant avec leurs mandibules et, pour certaines espèces, en projetant de l acide formique dans la morsure. La réaction de l acide formique avec l eau des tissus occasionne des brûlures. 1. Pourquoi l acide formique est-il un acide selon la théorie de Brönsted? Ecrire la formule de sa base conjuguée, appelée ion formiate. 2. Écrire l équation de la réaction chimique à l origine des brûlures. La digestion des aliments dans l estomac nécessite un milieu acide de ph environ égal à 2. Chez la plupart des mammifères, ce ph est atteint grâce à la production d acide chlorhydrique dans l organisme. En revanche, l appareil digestif du tamanoir est différent en raison de son régime alimentaire : il mange jusqu à fourmis par jour! Mandibules Abdomen dirigé vers la zone de morsure Données l acide formique est un acide faible dans l eau ; pk A du couple acide formique / ion formiate : 3,8 ; Tamanoir 3. Quelle est l espèce prédominante du couple acide formique / ion formiate dans l estomac des tamanoirs? Justifier. 4. La concentration en acide formique apporté dans l estomac du tamanoir est-elle égale, inférieure ou supérieure à 10 2 mol.l -1? Justifier. 5. Proposer une hypothèse justifiant le fait que les tamanoirs n ont pas besoin de produire d acide chlorhydrique pour leur digestion.

2 EXERCICE 2 ETUDE D UN COMPRIME DE VITAMINE C 6 points Document 1 : Notice d'un comprimé à croquer Dosage à 500 mg : acide ascorbique 250 mg, ascorbate de sodium 285 mg (quantité correspondante en acide ascorbique 250 mg). Excipients : mannitol, phosphate de riboflavine (sel de sodium), aspartame, talc, stéarate de magnésium, arôme orange. Cette formulation permet de préserver les estomacs sensibles. Document 2 : La vitamine C.. L'acide ascorbique, ou vitamine C, a pour formule C 6H C'est un acide faible, sa base conjuguée est l'ion ascorbate, de formule C 6H 7O 6 -. Le diagramme de distribution de l'acide ascorbique et de l'ion ascorbate donne les pourcentages relatifs des deux espèces en milieu aqueux en fonction du ph. Document 3 : Données théoriques Les concentrations d'un acide AH et de sa base conjuguée A - sont liées au ph et au pka du couple AH/A - par les relations : K a = [A ] [H 3 O + ] [AH] et ph = pk a + log [A ] [HA] Une solution tampon est une solution dont le ph varie peu par dilution, ou par ajout d'une quantité modérée d'acide ou de base. Le mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée en concentrations égales donne une solution tampon.

3 Document 4 : Dissolution du comprimé Un comprimé de vitamine C à 500 mg est dissous dans l'eau, de manière à obtenir précisément 200 ml de solution notée S. Il est admis que lors de la dissolution, les quantités de matière d'acide ascorbique et d'ion ascorbate n'évoluent pas. À partir de la solution S, on réalise les expériences suivantes : Données : Masse molaires moléculaires : M(C 6H 8O 6) = 176,0 g.mol -1 et M(C 6H 7O 6Na) = 198,0 g.mol -1 Répondre à l'aide de vos connaissances et des documents. 1. Montrer que dans une solution contenant autant d acide ascorbique que d ions ascorbate, on a ph=pka. 2. En déduire que le pka du couple acide ascorbique/ion ascorbate vaut 4,2 3. Montrer que dans la solution S, la concentration en acide ascorbique vaut 7,10x10-3 mol.l -1 et que celle en ions ascorbate vaut 7,20x10-3 mol.l En déduire la valeur théorique du ph de cette solution. Cette valeur est-elle cohérente avec la valeur mesurée? 5. Le ph de l'estomac est d'environ 1,5. Quelle est la forme prédominante de la vitamine C dans l'estomac? 6. Quelle réaction chimique subit l ion ascorbate quand il arrive dans l estomac? 7. Justifier l'expression «quantité correspondante en acide ascorbique 250 mg» du document Quelle propriété de la solution S illustre l expérience décrite dans le document 4? Page 3

4 EXERCICE 3 ACIDES α-amines 5 points Les acides α-aminés sont présents dans les protéines, utilisés dans de nombreux médicaments tels que les antibiotiques, et interviennent dans de nombreux processus réactionnels intercellulaires. Groupes caractéristiques de la thréonine La thréonine (Fig.1) est essentielle à l'homme, c'est à dire qu'elle n'est pas synthétisable par l'organisme. Fig.1 : thréonine 1. Identifier les groupes caractéristiques présents dans la molécule de thréonine. La charge globale de la proline et de l'acide aspartique On s intéresse d abord aux domaines de prédominance des formes acido-basiques de la proline. En effet, en fonction du ph, sa molécule prend des formes différentes. Voici, parmi d autres, une des formes acido-basiques que peut prendre la proline (R désigne une chaîne carbonée que l on a pas représenté par souci de simplification). Pour simplifier les notations, on emploie par la suite soit le radical R1 soit le radical R2 pour représenter une des formes de la proline. Les deux couples acido-basiques associés à la proline peuvent s'écrire : R1 CO2H / R1 CO2 - ; pka1 = 2,0 R2 NH3 + / R2 NH2 ; pka2 = 10,6 2. Sur un axe gradué en ph, indiquer les domaines de prédominance des différentes espèces acidobasiques considérées. 3. La charge globale de la proline dépend du ph de la solution dans lequel elle est dissoute, comme l'indique le diagramme ci-dessous. Expliquer ce diagramme. On s intéresse maintenant aux domaines de prédominance des formes acido-basiques de l acide aspartique. La molécule d'acide aspartique présente deux groupes carboxyliques, soit un de plus que la proline. Les couples acido-basiques de cette molécule sont décrits dans le tableau ci-dessous. ph Page 4

5 4. Montrer que quatre intervalles de ph conduisent à une charge globale différente de l'acide aspartique, selon le diagramme suivant : ph Électrophorèse de la proline et de l'acide aspartique L électrophorèse est avec la chromatographie la principale des techniques utilisées en biologie pour la séparation et la caractérisation des molécules. C est une technique d'analyse basée sur la migration différentielle de molécules ionisées, déposées sur un support soumis à une différence de potentiel. On se propose d'en comprendre le principe. On dépose sur une bandelette de papier imprégnée d'une solution tampon, une goutte d'un échantillon contenant de l'acide aspartique et de la proline dissous dans cette même solution tampon. La bandelette de papier est connectée à un générateur de tension constante qui la soumet à une différence de potentiel (Fig.3). Ainsi une des extrémités du papier est chargée positivement, alors que l autre est chargée négativement. Fig.2 : Dispositif d électrophorèse 5. Problème à résoudre : Proposer une valeur de ph pour laquelle les deux acides α-aminés ont une charge électrique différente. Comment faire pour séparer un mélange d acide aspartique et de proline à l aide du dispositif d électrophorèse? Justifier Page 5

6 EXERCICE 4 Contrôle de qualité d un vin : dosage par spectrophotométrie de l éthanol 5 points On peut lire dans le code de la santé publique depuis juin 2000 : catégorie Vins doux : vins, apéritifs à base de vin ne titrant pas plus de 18 degrés. On se propose de vérifier en laboratoire si un vin obéit à cette législation. Définition : Le titre alcoométrique, exprimé en degré, est égal au nombre de litres d'éthanol contenus dans 100 litres de vin. Données : M(éthanol) = 46,0 g.mol -1 µ(éthanol) = 0,78 g.ml -1 (masse volumique) Afin de procéder au contrôle, on réalise le titrage par spectrophotométrie du vin en suivant le protocole suivant : Première étape : Deuxième étape : On recueille l'éthanol du vin par distillation. L'éthanol est oxydé par un oxydant appelé NAD +. La réaction produit de la nicotinamide-adénine-dinucléotide réduite (NADH) en quantité de matière égale à celle de l'éthanol dosé selon l'équation : Ethanol + NAD + Ethanal + NADH + H + Troisième étape : La NADH absorbant dans le domaine UV, on mesure son absorbance par spectrophotométrie. L'étalonnage avec différentes solutions d'éthanol permet de vérifier la loi de Beer-Lambert : A = k.c m avec k = 1,6x10 3 L.mg -1 et C m la concentration massique d'éthanol dans l'échantillon. Réalisation de la mesure : On distille 10 ml de vin ; le distillat est ensuite ajusté à 100 ml avec de l'eau distillée pour obtenir une solution appelée S. On prépare l'échantillon à doser par spectrophotométrie en introduisant dans une fiole jaugée de 100 ml : - 1 ml de solution S, - NAD + en excès, On complète avec de l'eau distillée. 1. Expliquer comment a été effectué l étalonnage. L'absorbance mesurée pour cet échantillon vaut : A e = 0, Déterminer à partir de l'absorbance mesurée A e, la concentration massique C m en éthanol de l'échantillon étudié. 3. En tenant compte des deux dilutions successives :calculer les concentrations massiques en éthanol suivantes : 3.1. Calculer la concentration massique en éthanol C S dans la solution S Montrer que la concentration massique en éthanol dans le vin est C V = 94 g.l Quelle est la valeur du titre alcoométrique exprimé en degrés du vin? 5. Ce vin est-il conforme au code de la santé publique? Page 6

7 EXERCICE 5 VRAI OU FAUX? BONUS L acide nitrique HNO3 est un acide fort. On dispose d une solution A d acide nitrique de concentration c A = 0,05 mol.l -1. Répondre par vrai ou faux aux questions suivantes, en justifiant. 1. Le ph de cette solution est 2,7. 2. En mélangeant 20 ml de A à de l eau distillée pour obtenir un volume final de 100 ml, on obtient une solution de concentration 0,01 mol.l L ion éthanoate est une base faible. En mélangeant 10 ml de A à 25 ml d une solution d éthanoate de sodium de concentration 0,02 mol.l -1, on obtient une solution de ph = Si on dilue 100 fois la solution A, son ph augmente de 2. Page 7

8 CORRECTION DS N 4 EXERCICE 1 (4 points) 1. (1) L acide formique est un acide selon Brönsted car il peut céder un proton H + suivant la demi-équation : HCO 2H = H + + HCO 2 2. (1) L acide formique réagissant avec l eau des tissus, l équation de la réaction chimique à l origine des brûlures est : HCO 2H (aq) + H 2O(l) HCO 2 (aq) + H 3O + (c est un équilibre car l acide formique est un acide faible - cf données 2.2) 3. (0,5) Dans l estomac des tamanoirs (ph = 2) donc l espèce prédominante est l acide formique car ph < pka (HCO 2H) / HCO 2 ). 4. (1) Si l acide formique était un acide fort, on pourrait écrire ph = log c avec c concentration en acide formique apporté donc c = 10 ph soit c = 10 2 mol.l -1 car ph = 2. Cependant, l acide formique est un acide faible : sa réaction avec l eau n est pas totale ; pour arriver à un ph aussi acide, la concentration en acide formique apporté doit être supérieure à 10 2 mol.l (0,5) Les tamanoirs se nourissant presque exclusivement de fourmis, ils écrasent les fourmis dans leur bouche et c est l acide formique des fourmis qui permet leur propre digestion en maintenant le ph de l estomac du tamanoir à une faible valeur. EXERCICE 2 (6 points) ph = 2 HCO 2 H HCO 2 pk A = 3,8 1. (1) D après le document 3, on a : ph = pk a + log ( [C 6H 7 O 6 ] ) comme [C [C 6 H 8 O 6 ] 6H 7 O 6 ] = [C 6 H 8 O 6 ], on a : ph = pk a + log(1) soit ph = pka 2. (0,5) Le graphique du document 2 nous indique que lorsque les concentrations en ions ascorbate et en acide ascorbique sont égales, le ph de la solution est de 4,2 (point où les 2 courbes se croisent). Donc pk a = 2,2 3. (1) On connait les masses contenues dans le comprimé. 0,250 [C 6 H 8 O 6 ] = 176 0,200 = 7, mol. L 1 0,285 [C 6 H 7 O 6 ] = 198 0,200 = 7, mol. L 1 4. (1) ph = 4,2 + log ( 7, , ) = 4,2. La valeur mesurée est comprise entre 3,8 et 4,2, c est donc cohérent. 5. (0,5) ph < pk a donc C 6H 8O 6 est prédominant dans l estomac. 6. (0,5) Il réagit avec les ions H 3O + présents dans l estomac : C 6 H 7 O 6 + H 3 O + C 6 H 8 O 6 + H 2 O 7. (1) Les 285 mg d ascorbate de sodium représente une quantité de matière de 0,285 = 1, mol. Après transformation dans l estomac, on obtient donc la même quantité d acide ascorbique, ce qui réprésente une masse de 1, = 0,253 g d acide ascorbique. 8. (0,5) L expérience montre que le ph de la solution S est peu sensible à une dilution (ajout d eau) et à l ajout d acide. C est donc une solution tampon. ph Page 8

9 Exercice 3 (5 points) Page 9

10 Exercice 4 : Contrôle de qualité d'un vin : dosage par spectrophotométrie de l'éthanol (5 points) 1. (1) La droite d étalonnage a été construite en mesurant l absorbance de différentes solutions de concentrations connues en éthanol. 2. (1) D après la loi de Beer-Lambert A e = k.c m, donc C m = A k C m = 0, 15 1, = 94 mg.l 1 = 9, g.l 1 dans l échantillon dosé par spectrophotométrie (1) Pour préparer l échantillon, on a dilué la solution S avec un facteur de dilution de 100 (1 ml dans 100 ml). Donc, C s = 100 C m = 9,4 g. L (0,5) Pour préparer la solution S, le vin a été dilué 10 fois Donc C V = 10 C S = 94 g. L 1 4. (1) Le titre alcoométrique est égal au nombre de litres d'éthanol contenus dans 100 litres de vin. 100 L de vin contiennent une masse égale à m = 100.C V. Cette masse occupe un volume V = V = , 75 0, 78 Le titre alcoométrique est de 12. m = 100 C. V = 1, ml = 12 L d éthanol dans 100 litres de vin. 5. (0,5) Ce vin titre moins de 18, il est conforme au code de la santé publique.. BONUS (0,5 par question) 1. FAUX. C est une acide fort : ph = log(c) = 1,3 2. VRAI. On dilue 5 fois la solution. La concentration est donc divisée par 5 3. FAUX. La quantité d ions éthanoate introduits dans la solution est égale à la quantité d ion H 3O + apportés par l acide nitrique. Il vont réagir entre eux. Les ions éthanoate vont donc totalement se transformer en acide éthanoïque. On se retrouve donc avec une solution d acide éthanoïque dont le ph est inférieur à VRAI. La concentration en ions oxonium est divisée par 100. Donc ph = ph +log(100) = ph +2 Page 10