France métropolitaine, mai 2022 • Jour 2
Sprint final
29
pchT_2205_07_02C
France métropolitaine, mai 2022 • Jour 2
exercice 2A
L’arôme de vanille
Intérêt du sujet • La vanilline est l’une des espèces chimiques responsables de l’arôme de la vanille. Cet exercice a pour but d’étudier la molécule de vanilline et de mesurer sa présence dans un extrait de vanille.
La vanilline (figure 1) et l’éthylvanilline (figure 2) sont responsables des arômes « vanille » utilisés dans les produits alimentaires. La vanilline peut être extraite des gousses de vanille mais elle est très majoritairement synthétisée pour diminuer son coût. L’éthylvanilline est, quant à elle, exclusivement issue de la synthèse.
Figure 1. Formule semi-développée de la vanilline
Figure 2. Formule semi-développée de l’éthylvanilline
L’objectif de cet exercice est d’étudier la vanilline et de contrôler sa teneur dans un extrait de vanille.
Données
pKA du couple vanilline / ion vanillinate, noté AH / A–, à 25 °C : pKA = 7,4 ;
Masse molaire moléculaire de la vanilline : M = 152 g · mol–1 ;
Propriétés des espèces chimiques :
Partie 1. Étude de produits commerciaux « vanillés » ⏱ 25 min
On souhaite étudier trois produits du commerce « vanillés » :
produit 1 : produit commercial, liquide, obtenu par macération de gousses de vanille dans un mélange eau / éthanol ;
produit 2 : sucre vanillé ;
produit 3 : sucre vanilliné.
▶ 1. Indiquer si les molécules de vanilline et d’éthylvanilline sont des isomères de constitution. Justifier. (0,25 point)
▶ 2. Représenter la formule topologique de la molécule de vanilline. (0,25 point)
▶ 3. Sur la molécule représentée à la question 2, entourer deux groupes caractéristiques présents et nommer pour chacun d’eux la famille fonctionnelle associée. (0,5 point)
On extrait la vanilline potentiellement présente du produit 2 puis du produit 3 selon le protocole ci-dessous :
introduire, dans un erlenmeyer, 30 mL d’eau distillée et 1,0 g de produit « vanillé » ;
introduire la solution aqueuse dans une ampoule à décanter et y ajouter 10 mL d’acétate d’éthyle ainsi qu’une spatule de chlorure de sodium ;
agiter l’ensemble et dégazer régulièrement ;
laisser décanter le mélange puis récupérer la phase organique.
▶ 4. Schématiser l’ampoule à décanter après agitation dans le cas du produit 2 en précisant la position relative des phases et en indiquant celle qui contient la vanilline. Justifier. (1 point)
Pour vérifier la présence ou non de vanilline dans les trois produits du commerce, on réalise une chromatographie sur couche mince.
Après révélation sous lampe UV, on obtient le chromatogramme donné sur la figure 3.
Figure 3. Chromatogramme obtenu expérimentalement
▶ 5. Identifier, en justifiant, les produits du commerce contenant de la vanilline. (0,5 point)
Partie 2. Titrage de la vanilline contenu dans le produit 1 ⏱ 25 min
On s’intéresse dans cette partie au produit commercial obtenu par macération de gousses de vanille. La législation impose, pour obtenir l’appellation « extrait de vanille », une masse minimale de 2 g de vanilline par kilogramme d’extrait. Dans certains produits commercialisés, cette masse peut atteindre plusieurs dizaines de grammes.
Pour vérifier si le produit 1 répond à cette condition, on se propose de déterminer la masse de vanilline contenue dans un échantillon du produit commercial par un titrage suivi par pH-métrie.
On introduit 0,31 g de produit 1 dans une fiole jaugée de 100,0 mL que l’on complète jusqu’au trait de jauge avec une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium. On note S la solution obtenue.
On réalise le titrage d’une prise d’essai de 50,0 mL de solution S par une solution aqueuse d’acide chlorhydrique de concentration égale à 4,1 × 10–3 mol · L–1.
La courbe du titrage est donnée en figure 4.
Figure 4. Courbes du titrage par suivi pH-métrique
▶ 6. Justifier que la vanilline se trouve sous forme d’ion vanillinate, noté A–, au début du titrage. (0,5 point)
La courbe de la figure 4 est composée de deux sauts de pH :
un premier saut qui correspond au titrage des ions hydroxyde présents en excès ;
un deuxième saut qui correspond au titrage de l’ion vanillinate.
On admet que le volume d’acide chlorhydrique nécessaire pour titrer l’ion vanillinate est égal à la différence des deux volumes entre les deux équivalences observées.
▶ 7. Écrire l’équation de la réaction support du titrage entre l’ion vanillinate et l’acide chlorhydrique. (0,25 point)
▶ 8. Vérifier si l’appellation « extrait de vanille » peut être attribuée à l’extrait étudié. (1,75 point)
Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n’a pas abouti. La démarche suivie est évaluée et nécessite donc d’être correctement présentée.
Les clés du sujet
Le lien avec le programme
Les conseils du correcteur
Coups de pouce
Aide à la résolution de la question 8
Partie 1. Étude de produits commerciaux « vanillés »
▶ 1. Identifier une isomérie
Deux isomères de constitution ont des formules brutes identiques, or la molécule d’éthylvanilline possède 1 atome de carbone et 2 atomes d’hydrogène de plus que la molécule de vanilline. Donc, ce ne sont pas des isomères de constitution.
▶ 2. Écrire une formule topologique
attention
Une formule topologique ne mentionne jamais par leur symbole ni les atomes de carbone (C), ni les atomes d’hydrogène (H) qui sont liés à un atome de carbone.
▶ 3. Reconnaître les groupes caractéristiques et les familles fonctionnelles
Cette molécule présente deux groupes caractéristiques que vous devez connaître : le groupe caractéristique hydroxyle (entouré en bleu) et le groupe caractéristique carbonyle (entouré en vert).
Ces deux groupes sont respectivement caractéristiques de la famille des alcools et des aldéhydes (car le carbone fonctionnel n’est relié qu’à un seul autre atome de carbone).
▶ 4. Prévoir et représenter le résultat d’une extraction
attention
Justifiez toutes vos conclusions : les points sont attribués davantage sur les justifications que sur les conclusions !
L’ampoule à décanter peut être schématisée ainsi :
D’après les données fournies :
Il y a deux phases distinctes puisque l’eau et l’acétate d’éthyle ne sont pas miscibles ;
La vanilline sera présente dans la phase organique (dans l’acétate d’éthyle) puisqu’elle y est très soluble et qu’elle n’est que très peu soluble dans l’eau ;
La phase supérieure (se trouvant au-dessus) est la phase organique puisque la phase aqueuse a une densité supérieure à celle de l’acétate d’éthyle.
▶ 5. Interpréter un chromatogramme
attention
La chromatographie est une technique vue en classe de seconde qu’il faut continuer de savoir interpréter (et réaliser en TP). Ce type de question est un classique du baccalauréat !
Le dépôt « V » du chromatogramme nous indique le résultat de la migration de la vanilline lors de cette chromatographie : les produits qui contiennent de la vanilline présenteront forcément une tache à la même hauteur que ce dépôt.
Les produits contenant de la vanilline sont donc le produit 1 (le produit commercial, liquide, obtenu par macération de gousses de vanille) et le produit 2 (le sucre vanillé).
Partie 2. Titrage de la vanilline contenue dans le produit 1
▶ 6. Utiliser les domaines de prédominance
D’après la courbe de la figure 4, le pH est supérieur à 9,5 en début de titrage. Or le pKA du couple vanilline / ion vanillinate est égal à 7,4. L’espèce prédominante de ce couple est donc l’ion vanillinate.
Pour arriver à cette conclusion, on peut s’aider du diagramme de prédominance suivant :
▶ 7. Écrire l’équation de réaction support d’un titrage
Entre l’ion vanillinate et l’acide chlorhydrique, il se produit une réaction acidobasique que l’on peut écrire :
(1)
▶ 8. Déduire une valeur à partir de différentes indications pour la comparer à une valeur seuil
D’après la législation, pour obtenir l’appellation « extrait de vanille », il faut une masse minimale de 2 g de vanilline par kilogramme d’extrait.
Il faut donc déterminer la masse de vanilline présente dans un kilogramme du produit 1.
Nous savons que, lors de l’expérience décrite :
on traite 0,31 g du produit 1 ;
on ne réalise le titrage que de la moitié de cet échantillon puisque l’on titre 50 mL sur les 100 mL de solution S fabriquée ;
Et on connaît :
l’équation de titrage de l’ion vanillinate (question 7) ;
le volume d’acide chlorhydrique nécessaire pour titrer les ions vanillinates puisque l’énoncé indique que ce volume est la différence entre le volume du deuxième saut et celui du premier ; c’est-à-dire 12,6 – 2,2 = 10,4 mL soit 10,4 × 10–3 L.
On peut donc calculer la quantité d’ions vanillinates titrée.
D’après l’équation de la réaction (1) on peut écrire que ntitré(A–) = n(H3O+) où n(H3O+) est la quantité d’ion hydronium nécessaire au titrage des ions vanillinates.
On a donc : ntitré(A–) = (4,1 × 10–3) × (10,4 × 10–3) = 4,3 × 10–5 mol.
La réaction de la vanilline avec les ions hydroxyde peut s’écrire, en supposant que cette réaction est totale :
AH(aq) + HO–(aq) → A–(aq) + H2O(l)
La quantité de matière ntitré(A–) correspond donc à celle des ions vanillinates présents dans les 50 mL de solution S et est égale à celle de la vanilline avant qu’elle ne réagisse avec les ions hydroxyde : n50(AH) = ntitré(A–)
La masse de vanilline correspondant donc à 50 mL de la solution S titrée est donc :
m50(AH) = M × n50(AH)
= M × ntitré(A–)
= 152 × 4,264 · 10–5
= 6,5 · 10–3 g
attention
Il faut faire toujours attention à ne pas tronquer, ni approximer, les valeurs calculées quand elles resservent dans un deuxième calcul. Utilisez la touche « Ans » (ou « Rep ») de votre calculatrice pour reprendre les résultats du calcul précédent.
Et la masse de vanilline correspondant à 100 mL de S (c’est-à-dire celle contenue dans 0,31 g de produit 1) est donc le double :
m(AH) = 2 × m50(AH) = 1,3 × 10–2 g.
Puisque cette masse m(AH) correspond à 0,31 g de produit 1, pour 1 kg de ce produit, nous aurions : mvanilline = 42 g.
Cette masse est largement supérieure à celle de 2 g qui est le seuil minimal pour obtenir l’appellation « extrait de vanille » : l’appellation « extrait de vanille » peut (largement) être attribuée au produit 1.
Le conseil de méthode
Ici, nous avons quatre calculs consécutifs pour déterminer la masse de vanilline. Même sans approximer les valeurs entre deux calculs, la valeur de 42 g que l’on obtient finalement n’est pas pour autant d’une grande précision, car la lecture des volumes équivalents du titrage sur la figure 4 n’est pas très exacte. Selon la lecture que vous avez faite, vous pouvez obtenir 41 g ou 43 g sans que votre réponse ne soit fausse.