La chaptalisation

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Sujet zéro
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
La chaptalisation
 
 

Économiser les ressources et respecter l’environnement

Corrigé

34

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pchT_1200_14_05C

 

Sujet zéro

Exercice 2 • 5 points

L’usage d’une calculatrice est autorisé.

Du papier millimétré est mis à disposition.

Cet exercice se propose d’étudier le procédé de chaptalisation décrit par Jean-Antoine Chaptal (1756-1832) dans son essai L’Art de faire, de gouverner et de perfectionner les vins.

1. Fermentation alcoolique du glucose

Document 1

En 1801, Jean-Antoine Chaptal écrit : « Le principe sucré existe dans le moût* et en fait un des principaux caractères, il disparoît par la fermentation et est remplacé par l’alcool qui caractérise essentiellement le vin. » Le sucre mentionné est du glucose contenu dans le jus de raisin, de formule brute C6H12O6 qui, sous l’action des levures de la peau du raisin, se transforme en éthanol. Cette réaction, dite fermentation alcoolique, produit également du dioxyde de carbone.

* Le moût désigne la mixture obtenue après pression ou cuisson de fruits ou d’autres produits destinés à la fermentation.

1 Représenter la formule topologique de l’éthanol de formule brute C2H6O. (0,25 point)

2 Quelle est la classe de l’éthanol ? (0,25 point)

3 Écrire l’équation de la réaction de formation de l’éthanol lors de la fermentation alcoolique du glucose. (0,25 point)

2. Fermentation alcoolique du saccharose

Document 2

Plus loin, Chaptal précise : « Comme le but et l’effet de la fermentation spiritueuse se réduisent à produire de l’alcool, en décomposant le principe sucré, il s’ensuit que la formation de l’un est toujours en proportion de la destruction de l’autre […] c’est pour cela qu’on augmente à volonté la quantité d’alcool, en ajoutant du sucre au moût qui paroît en manquer. » Cette méthode d’ajout de sucre a gardé son nom, la chaptalisation ; elle est utilisée depuis la fin du xviiie siècle.

Le sucre utilisé pour la chaptalisation est le saccharose de formule de brute C12H22O11. L’équation de la réaction de transformation du saccharose en éthanol s’écrit :

C12H22O11+ H2O → 4 C2H6O + 4 CO2

On appelle degré alcoolique d’un vin d°, le volume V (exprimé en mL) d’éthanol pur présent dans 100 mL de ce vin. Par exemple, lorsque d° = 7, cela veut dire que dans 100 mL de vin, il y a 7 mL d’éthanol pur.

On s’intéresse à la quantité de saccharose à ajouter pour augmenter le degré alcoolique d’un vin.

Données

Masse volumique de l’éthanol ρ = 0,79 g · mL–1

Masses molaires moléculaires :

M (éthanol) = 46 g · mol−1 ; M (saccharose) = 342 g · mol−1 ;
M (glucose) = 180 g · mol−1.

1 En considérant la fermentation alcoolique à partir du saccharose comme une réaction totale, quelle est la relation liant la quantité de matière de saccharose initiale notée nsaccharose à la quantité de matière finale d’éthanol obtenue notée néthanol ? (0,25 point)

2 Montrer que la quantité de matière d’éthanol correspondant à l’augmentation d’une unité du degré alcoolique d’un litre de vin est égale à 1,7 × 10−1 mol. En déduire la masse théorique de saccharose correspondante. (1 point)

3. Peut-on chaptaliser le muscadet ?

Dans l’appellation muscadet, la chaptalisation est autorisée si la teneur en glucose du moût est inférieure à 161 g · L−1. Pour savoir s’il est légalement possible d’ajouter du saccharose dans le moût de ce vin, il est nécessaire de doser le glucose qu’il contient.

Principe du dosage

On oxyde, à chaud et en milieu basique, le glucose par l’acide 3,5-dinitrosalycilique (DNS), espèce chimique incolore. Cette réaction produit l’acide 3-amino-5-nitrosalicylique qui est un composé rouge. Une fois la réaction avec le DNS terminée, l’acide 3-amino-5-nitrosalicylique formé est dosé par spectrophotométrie visible. Cette réaction étant totale et le DNS étant en excès, la quantité d’acide formé est proportionnelle à la quantité de glucose oxydé.

Protocole du dosage

Étape 1 : à partir d’une solution mère de glucose de concentration molaire. Cglucose= 1,0 × 10−2 mol · L−1 et d’une solution contenant le DNS, un groupe d’élèves prépare cinq solutions dont ils mesurent les absorbances, une fois la réaction d’oxydation achevée. Les volumes utilisés pour préparer ces solutions et les valeurs des absorbances mesurées sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

 

Solution

1

2

3

4

5

Volume de la solution mère (mL)

0

0,30

0,60

0,90

1,20

Volume du réactif contenant le DNS (mL)

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

Volume d’eau distillée (mL)

3,0

2,7

2,4

2,1

1,8

Absorbance

0

0,25

0,51

0,74

1,1

 
  • Étape 2 : le groupe d’élèves prépare une solution X à partir d’une solution de moût du raisin muscadet que l’on a diluée 50 fois. Les volumes utilisés pour préparer cette solution et la valeur de l’absorbance mesurée sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
 

Solution

X

Volume du moût de raisin dilué (mL)

0,40

Volume du réactif contenant le DNS (mL)

2,0

Volume d’eau distillée (mL)

2,6

Absorbance

0,67

 

Exploitation

1 Pourquoi a-t-on dilué le moût avant de préparer la solution X ? (0,5 point)

2 Est-il possible de rajouter du saccharose dans le moût du raisin de muscadet dans le respect de la règlementation ? (2,5 point)

On attend pour cette question l’explicitation détaillée du raisonnement, les calculs et une conclusion.

Notions et compétences en jeu

Connaître la fonction alcool • Connaître les dilutions, l’étalonnage et le titrage d’une solution • Connaître la notion d’absorbance et son usage dans les titrages • Savoir calculer la concentration d’une solution à partir d’une courbe de titrage.

Les conseils du correcteur

Partie 3

2 Utiliser les données de l’étape 1 pour tracer un graphique d’étalonnage et déterminer la valeur de la quantité de glucose ou sa concentration.

La phrase de consigne (en italique) montre que l’on attend que la réponse soit un développement argumenté. Ne la bâclez pas ! Ici, la conclusion à laquelle on doit arriver est de savoir si la chaptalisation est possible pour ce moût de raisin. Les étapes clés de la réponse : utiliser les données pour faire un graphique ; déterminer la concentration de la solution X ; déduire la concentration massique de la solution de moût de raisin.

Corrigé

1. Fermentation alcoolique du glucose

1 Représenter une molécule en formule topologique


 

2 Reconnaître la classe
d’un alcool

 

Attention

La classe d’un alcool est donnée par le nombre d’atomes de carbone liés à l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle (la fonction alcool). L’alcool est :

  • primaire si le carbone porteur de la fonction n’est lié qu’à un seul autre carbone ;
  • secondaire si le carbone porteur de la fonction est lié à deux autres carbones ;
  • tertiaire si le carbone porteur de la fonction est lié à trois autres carbones.

L’éthanol est un alcool primaire car l’atome de carbone lié au groupe hydroxyle n’est lié qu’à un seul autre atome de carbone.

3 Écrire l’équation d’une réaction chimique

D’après le texte, le « glucose contenu dans le jus de raisin […] se transforme en éthanol. Cette réaction […] produit également du dioxyde de carbone ».

On peut donc écrire : C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2.

2. Fermentation alcoolique du saccharose

1 Calculer les quantités formées d’après la stœchiométrie de la réaction

D’après l’équation de la réaction de fermentation, 4 moles d’éthanol sont formées pour 1 mole de saccharose réagissant. On peut alors écrire avec les notations de l’énoncé néthanol4=nsaccharose.

2 Calculer la masse de réactif dans une réaction chimique

 

À retenir

Pour calculer la quantité d’une espèce liquide pure à partir de la masse volumique (ou de la densité) de cette espèce, on peut utiliser directement la formule : n=ρ×vM.

L’augmentation d’un degré alcoolique dans un litre de vin correspond à l’augmentation d’un millilitre d’éthanol pur dans 100 mL de vin donc de 10 mL d’éthanol pur dans ce litre.

Or néthanol=méthanolM(éthanol)=ρ·VéthanolM(éthanol).

Un degré alcoolique correspond donc à une quantité d’éthanol néthanol=0,79×1046=1,7·101mol.

La masse correspondante de saccharose est donc d’après la question 1 de la partie 2.

msaccharose=néthanol4×M(saccharose)=15 g.

3. Peut-on chaptaliser le muscadet ?

1 Comprendre l’intérêt d’une dilution lors d’une mesure d’absorbance

L’absorbance de la solution X est de 0,67. Si la dilution par 50 n’avait pas été effectuée, l’absorbance aurait été 50 fois plus grande, donc 3,35. Or la courbe d’étalonnage est réalisée pour des absorbances de 0 à 1,1. La solution pure est donc trop absorbante et, par conséquent, trop concentrée.

2 Développer un raisonnement à partir de données
et de résultats de mesures

La réglementation est que l’on peut ajouter du saccharose uniquement si la concentration en glucose est inférieure à 161 g · L–1. Il faut donc déterminer la concentration en glucose du moût du raisin.

Le dosage est un dosage par étalonnage dont le principe est de mesurer un paramètre, ici l’absorbance d’une solution inconnue, dans le cas présent le moût du raisin, et de comparer cette valeur à celles obtenues sur des solutions de concentrations connues.

Nous devons donc utiliser les données du tableau de l’étape 1 pour construire la courbe d’étalonnage de l’absorbance en fonction de la concentration en glucose. Puis nous déterminerons la concentration molaire en glucose de la solution diluée X. Pour finir, nous calculerons la concentration molaire puis massique en glucose dans le moût de raisin prélevé.

Calculons les concentrations Ci en glucose des cinq solutions d’étalonnage (1 i  5) :

Ci=niVtotal=Cglucose×ViVtotal

ni est la quantité de glucose introduite dans la solution d’étalonnage i, Vtotal est le volume total de la solution (Vtotal=Vi +VDNS +Veau distillée), Cglucose est définie dans l’énoncé, et Vi représente le volume de la solution mère de glucose utilisée.

Les concentrations Ci sont reprises dans le tableau ci-dessous :

 

Ci (mmol/L)

0

0,6

1,2

1,8

2,4

A

0

0,25

0,51

0,74

1,1

 

On trace alors la courbe d’étalonnage :


 

La courbe est cohérente avec les données du texte (la quantité de glucose, donc sa concentration, est proportionnelle à la quantité de l’espèce colorée formée) mais aussi avec la loi de Beer-Lambert (la concentration de l’espèce colorée, l’acide 3-amino-5-nitrosalicylique, est proportionnelle à l’absorbance).

Donc la concentration de glucose est proportionnelle à l’absorbance.

De plus, l’absorbance de la solution X est égale à 0,67 donc en se référant à cette valeur sur la droite d’étalonnage, on détermine la concentration de la solution X : CX= 1,55 mmol/L.

La solution X a été faite à partir de 0,40 mL de la solution diluée de moût de raisin pour 5,0 mL de volume total de solution X. On a donc effectué pour la mesure une dilution d’un facteur 5,00,40=12,5. Il en découle que la solution X dont on mesure l’absorbance est 12,5 fois plus concentrée que la solution diluée de moût de raisin.

On a donc Cmoût dilué= 12,5 × 1,55 = 19,4 mmol/L.

Enfin, la solution diluée de moût de raisin ayant été préparée à partir de la solution de moût de raisin que l’on a diluée 50 fois, on peut calculer la concentration massique de la solution de moût de raisin :

Cmoût= 50 × Cmoût dilué × M(glucose) = 174 g · L−1.

Conclusion : la chaptalisation est interdite puisque la concentration massique est supérieure à la limite autorisée de 161 g/L.

Autres méthodes possibles

  • Méthode similaire mais avec une variante.

On aurait pu construire un graphique reliant l’absorbance à la quantité de glucose de la solution (et non à la concentration). On aurait alors obtenu :

 

ni (µmol)

0

3

6

9

12

A

0

0,25

0,51

0,74

1,1

 

 

On en déduit la concentration de la solution diluée de moût

Cmoût dilué=niVsol. diluée=7,7×1060,4×103=19,3×103 mol·L1

Enfin, la solution diluée de moût de raisin ayant été préparée à partir de la solution de moût du raisin que l’on a diluée 50 fois, on peut calculer la concentration massique de la solution de moût de raisin :

Cmoût= 50 × Cmoût dilué × M(glucose) = 174 g · L−1

  • Deuxième méthode : utilisation de la fonction de régression linéaire de la calculatrice.

En rentrant le tableau de mesures de l’une des méthodes précédentes, une calculatrice graphique peut calculer la meilleure approximation (par régression linéaire) et donner l’équation de la droite d’étalonnage.

À partir de l’équation de cette droite, on détermine l’abscisse du point d’ordonnée (d’absorbance), elle est égale à 0,67.

On conclut de la même façon qu’avec les deux méthodes ci-dessus.