À propos de l'acide fumarique

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Sujet complet | Année : 2016 | Académie : Amérique du Nord


Amérique du Nord • Juin 2016

Exercice 1 • 10 points • 1 h 40

À propos de l’acide fumarique

Les thèmes clés

Structure et transformation de la matière • Réaction avec transfert de proton Incertitudes

 

L’acide fumarique est un composé synthétisé normalement par la peau lorsque celle-ci est exposée au soleil. Lorsque ce processus est déficient, l’être humain développe une maladie de la peau : le psoriasis. Le psoriasis touche près de 5 % de la population, il n’existe malheureusement aucun traitement pharmaceutique réellement efficace. Cependant, l’acide fumarique et certains de ses dérivés ont été utilisés avec un succès mesurable, en Europe du Nord et aux États-Unis, depuis plus de 30 ans, pour calmer les démangeaisons, la desquamation et l’inconfort caractéristiques du psoriasis. Des gélules contenant de l’acide fumarique peuvent être ingérées quotidiennement.

L’objectif de cet exercice est d’étudier quelques caractéristiques physico-chimiques de l’acide fumarique et d’effectuer un contrôle qualité des gélules vendues pour le traitement nutritionnel du psoriasis.

1. caractéristiques physiques de l’acide fumarique  30 min

Voici la formule topologique de l’acide fumarique.

pchT_1606_02_00C_01

L’acide fumarique a un stéréoisomère, l’acide maléique. Les propriétés de ces deux stéréoisomères sont données dans le tableau ci-après.

Acide maléique

Acide fumarique

Nom officiel

Acide(Z)-but-2-ène-1,4-dioïque

Acide(E)-but-2-ène-1,4-dioïque

Aspect

Solide blanc

Solide blanc

Utilisations

• Synthèse de polyesters

• Présent dans certains détergents

• Traitement du psoriasis

• Additif alimentaire en tant qu’acidifiant

Masse molaire (g · mol–1)

116

116

Solubilité avec l’eau à 25 °C

(La solubilité est la masse maximale d’un composé que l’on peut dissoudre par litre de solvant.)

Très grande : 780 g · L–1

Très faible : 6,3 g · L–1

Température de fusion

131 °C

287 °C

Masse volumique

1,59 g · cm–3

1,63 g . cm–3

Pictogramme de sécurité

pchT_1606_02_00C_01bIrritant

pchT_1606_02_00C_01bIrritant

pKa

pKa1 (AH2/AH) = 1,83

pKa2 (AH/A2–) = 6,59

pKa1 (AH2/AH) = 3

pKa2 (AH/A2–) = 4,4

1 Représenter les formules topologiques de l’acide fumarique et de l’acide maléique en faisant apparaître ce qui les distingue. (0,25 point)

2 Ces deux stéréoisomères sont-ils des énantiomères ou des diastéréo‑­isomères ? Justifier votre réponse. (0,25 point)

3 Peut-on différencier expérimentalement les deux stéréoisomères dans un laboratoire de lycée ? Justifier et décrire une expérience possible. (0,5 point)

4 Les différences de propriétés physiques et chimiques entre l’acide fumarique et l’acide maléique peuvent s’interpréter, au niveau microscopique, à l’aide des liaisons hydrogène. Une liaison hydrogène se forme lorsqu’un atome d’hydrogène H est lié à un atome A, très électronégatif, et interagit avec un atome B, également très électronégatif et porteur d’un ou plusieurs doublets d’électrons non liants.

pchT_1606_02_00C_02

Pour que ces liaisons puissent s’établir, les atomes doivent être proches.

On les représente par un trait pointillé comme sur la figure ci-contre.

On donne l’électronégativité de quelques atomes : H : 2,2 ; C : 2,6 ; O : 3,4. On considère qu’une liaison est polarisée dès lors que la différence d’électronégativité entre les deux atomes est supérieure à 0,5.

1. Expliquer, à l’aide de schémas, pourquoi l’acide fumarique ne donne que des liaisons hydrogène intermoléculaires, alors que l’acide maléique peut donner des liaisons hydrogène intermoléculaires et intramoléculaires. (0,5 point)

2. En déduire pourquoi les températures de fusion des deux acides sont différentes. (0,5 point)

5 Indiquer, en le justifiant, si l’eau est un solvant polaire ou apolaire. (0,5 point)

6 Sachant que l’acide maléique est polaire tandis que l’acide fumarique est apolaire, proposer une explication à la différence de solubilité dans l’eau de ces deux stéréoisomères. (0,25 point)

2. propriétés chimiques de l’acide fumarique 30 min

pchT_1606_02_00C_03

Pour étudier les propriétés acides de l’acide fumarique en solution aqueuse, on dissout 500 mg d’acide fumarique du laboratoire dans de l’eau distillée pour obtenir une solution de volume 100,0 mL.

La mesure du pH de la solution donne pH = 2,4.

1 Décrire précisément le protocole pour réaliser cette solution. (0,75 point)

2 Rappeler la définition d’un acide au sens de Brönsted. (0,25 point)

3 L’acide fumarique possède des propriétés acido-basiques en solution aqueuse. Expliquer pourquoi cette molécule est qualifiée de diacide. (0,5 point)

4 Calculer la concentration molaire CA apportée de l’acide fumarique dans la solution préparée. (0,25 point)

5 Un diacide fort de concentration molaire C a un pH = – log (2C). L’acide fumarique est-il un diacide fort ? (0,5 point)

6 Durant la digestion, le pH de l’estomac est voisin de 2. En déduire sous quelle forme se trouve l’acide fumarique dans l’estomac. (1 point)

3. contrôle qualité d’un traitement nutritionnel

à base d’acide fumarique  40 min

pchT_1606_02_00C_04

Vitamin Research Products®

On se propose de vérifier l’indication portée sur l’étiquette d’un traitement du psoriasis, à l’aide d’un titrage acido-basique, selon le protocole suivant :

À l’aide d’un mortier, réduire en poudre le contenu d’une gélule.

Dissoudre la poudre obtenue dans de l’eau distillée de manière à obtenir un volume V = 100,0 mL de solution.

Effectuer une prise d’essai de volume VA = 10,0 mL de la solution.

Titrer par une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) de concentration molaire CB = 1,0 × 10–1 mol · L–1.

Suivre l’évolution du pH en fonction du volume versé.

L’équation de la réaction, support du titrage, est la suivante :

AH2(aq) + 2 HO(aq) A2(aq) + 2 H2O(l)

La courbe d’évolution du pH en fonction du volume de solution versé est donnée ci-dessous.

pchT_1606_02_00C_05

1 Avec quelle verrerie doit-on effectuer le prélèvement de la solution titrée ? (0,5 point)

2 Schématiser et légender le dispositif expérimental réalisé. (1 point)

3 Déterminer, en explicitant votre démarche, la valeur expérimentale mexp de la masse d’acide fumarique contenu dans une gélule. (1 point)

4 L’incertitude relative 2736134-Eqn1 dans les conditions de l’expérience est donnée par la relation :

2736134-Eqn2

Incertitude sur un volume mesuré à la burette graduée : ± 0,1 mL

Incertitude sur un volume mesuré à la pipette jaugée : ± 0,1 mL

Incertitude sur un volume mesuré à la pipette graduée : ± 0,2 mL

Incertitude sur la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium : ± 0,3 × 10–2 mol · L–1.

Quelle source d’erreur apporte la plus grande contribution à l’incertitude associée au résultat expérimental ? (0,5 point)

5 Donner un encadrement de la masse mexp d’acide fumarique contenu dans une gélule dans le cas d’un prélèvement à la pipette jaugée. Commenter. (0,5 point)

6 Parmi les trois indicateurs colorés suivants, quel est le plus approprié pour effectuer le titrage de l’acide fumarique ? Justifier la réponse. (0,5 point)

Indicateur coloré

Teinte acide

Zone de virage

Teinte basique

Hélianthine

Rouge

3,1 – 4,4

Jaune

Rouge de crésol

Jaune

7,2 – 8,8

Rouge

Jaune d’alizarine R

Jaune

10,1 – 12,1

Violet

Les clés du sujet

Partie 1

1 L’isomérie Z/E est souvent faite en 1re S et reprise en terminale ; elle distingue deux façons de disposer la chaîne carbonée de part et d’autre d’une liaison double C=C.

2 Pensez à utiliser les températures de fusion ou les valeurs des solubilités données dans le tableau sur l’acide fumarique et maléique.

4 2. La température de fusion dépend du nombre de liaisons inter­moléculaires à rompre. Vous devez donc étudier le nombre de liaisons intermoléculaires faites par chacun des acides.

Partie 2

4 Il s’agit de la concentration apportée en acide fumarique (non de la concentration effective), donc il s’agit de raisonner uniquement sur ce qui a été introduit dans la solution quelle que soit la suite.

6 Faites un diagramme de prédominance (cela vous aidera à trouver la réponse et servira de justification).

Partie 3

3 Calculez la quantité d’acide titré, à partir de la propriété à l’équivalence :

2736134-Eqn3

Déduisez ensuite la masse d’acide titré et n’oubliez pas enfin que l’on n’a pas titré toute la gélule mais une partie seulement.

4 Calculez les incertitudes relatives 2736134-Eqn4 correspondant aux trois grandeurs VA, VE et CB puis comparez les valeurs obtenues.

5 Calculez 2736134-Eqn5 puis U(mexp), avec un seul chiffre significatif. Enfin, présentez votre réponse sous la forme mexpU(mexp) mexp mexp + U(mexp).