A propos de l'acide fumarique. Bac S Amérique du nord 2016.

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1. Caractéristiques physiques de l'acide fumarique.
L'acide fumarique a un stéréoisomère, l'acide maléique. les propriétés de ces deux acides sont données dans le tableau suivant :

Acide maléique
Acide fumarique
Nom officiel
Acide (Z)-but-2ène-1,4-dioïque
Acide (E)-but-2ène-1,4-dioïque
Utilisations
Synthèse de polyesters
Présent dans certains détergents
Traitement du psoriasis
Additif alimentaire ( acidifiant).
masse molaire
116 g/mol
116 g/mol
Solubilité dans l'eau à 25°C
très grande 780 g/L
Très faible 6,3 g/L
Tfusion °C
131
287
Masse volumique g cm-3
1,59
1,63
Pictogramme sécurité
Irritant
Irritant
pKa
pKa1(AH2/AH-)=1,83
pKa2(AH-/A2-)=6,59
pKa1(AH2/AH-)=3
pKa2(AH-/A2-)=4,4

1 .1 Représenter les formules topologiques de l'acide fumarique et de l'acide maléique en faisant apparaître ce qui les distingue.

1 .2  Ces deux stéréoisomères sont-ils énantiomères ou diastéréoisomères ? Justifier.
Absence d'atome de carbone asymétrique : ce ne sont pas des énantiomères.
Isomérie de type Z E : ce sont deux diastéréoisomères.
1 .3 Peut-on différencier expérimentalement les deux stéréoisomères dans un laboratoire de lycée ? Justifier et décrire une expérience possible.
Mesure du point de fusion des solides sur banc Koffler.
Dissolution des solides dans l'eau : ajouter à 100 mL d'eau 10 g de chaque solide à 25°C. Agiter.
L'acide maléique se dissout entièrement ; l'acide fumarique se dissout partiellement ( solution saturée).
1 .4 Les différences de propriétés physiques et chimiques entre ces deux acides peuvent s'interpréter, au niveau microscopique, à l'aide des liaisons hydrogène. Pour que ces liaisons puissent s'établir, les atomes doivent être très proches.On les représentent en traitpointillé.
1.4.1. Expliquer à l'aide de schémas, pourquoi l'acide fumarique ne donne que des liaisons hydrogène intermoléculaires, alors que l'acide malèique peut donner des liaisons hydrogène intermoléculaires et intramoléculaires.

Liaison hydrogène ( en pointillé ) : (1) intermoléculaire ; (2) intramoléculaire.
1.4.2. En déduire pourquoi les températures de fusion sont différentes.
Conséquence sur les températures de fusion : la température de fusion de l'acide maléique (2) est de 130°C, bien inférieure à celle de l'acide fumarique (1).
La présence de liaison hydrogène intramoléculaire diminue les interactions intermoléculaires, donc la température de fusion.
1.5. Indiquer, en justifiant, si l'eau est un solvant polaire.
Les liaisons O-H sont polarisées, l'atome d'oxygène étant plus électronégatif que l'atome d'hydrogène. L'expérience suivante met en évidence ce caractère polaire de l'eau.
Une règle en plexiglas est électrisée par frottements ; on l'approche d'un mince filet d'eau coulant du robinet : le filet d'eau est dévié.
1.6. 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.
Une molécule apolaire ( comme I2) est très soluble dans un solvant apolaire ( benzène) ; par contre une molécule apolaire est peu soluble dans un solvant polaire ( eau).




2. Propriétés chimiques de l'acide fumarique.
On dissout 500 mg d'acide fumarique 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.
2.1. Décrire précisément le protocole pour réaliser cette solution.
Sur une balance de précision, peser 500 mg de solide ( coupelle et spatule).
Verser le solide dans une fiole jaugée de 100,0 mL ; rincer la coupelle à l'eau distillée ( celle-ci est versée dans la fiole jaugée). Ajouter environ 70 mL d'eau distillée dans la fiole jaugée. Agiter jusqu'à dissolution complète.
Compléter jusqu'au trait de jauge avec de l'eau distillée. Agiter pour rendre homogène.
2.2. Rappeler la définition d'un acide au sens de Brönsted.
Un acide est une espèce, ion ou molécule susceptible de céder un proton H+.
2. 3. Expliquer pourquoi l'acide fumarique est qualifié de diacide.
L'acide fumarique est susceptible de céder deux protons H+.
2.4. Calculer la concentration molaire CA apportée de l'acide fumarique dans la solution préparée.
n = m / M = 0,500 / 116 = 4,31 10-3 mol ; CA = n /V = 4,31 10-3 / 0,100 = 4,31 10-2 mol/L.
2.5. Un diacide fort de concentration molaire C a un pH = -log (2C). L'acide fumarique est-il un diacide fort ?
-log (2CA) = -log (8,62 10-2) =1,06.
Le pH mesuré étant supérieur à
-log (2CA), l'acide fumarique n'est pas un diacide fort.
2.6. 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.
A pH inférieur à pKa1, la forme AH2 de l'acide fumarique prédomine dans l'estomac.










3. Contrôle de qualité.
On se propose de vérifier l'indication portée par l'étiquette d'un traitement du psoriasis.( 500 mg d'acide fumarique dans une gellule).
    A l'aide d'un mortier, écraser le contenu d'une gélule.
Dissoudre la poudre obtenue dans V = 100,0 mL d'eau distillée.
Effectuer une prise d'essai VA = 10,0 mL de la solution.
Titrer par une solution d'hydroxyde de sodium de concentration molaire CB = 0,10 mol/L.
Suivre l'évolution du pH en fonction du volume versé.
L'équation de la réaction, support du titrage est :
AH2aq + 2HO-aq --> A2-aq + 2H2O(l).

3 .1 Avec quelle verrerie doit-on éffectuer le prélevement de la solution titrée ?
Pipette jaugée de 10,0 mL.
3 .2 Schématiser et légender le dispositif expérimental.

3 .3 Déterminer la valeur expérimentale mexp de la masse d'acide fumarique contenu dans une gelule.
Quantité de matière de soude versée à l'équivalence n = CB VE = 0,10 * 8,3 = 0,83 mmol.
Quantité de matière d'acide fumarique : ½n ~0,42 mmol dans 10,0 ML de la prise.
Soit 4,2 mmol dans 100,0 mL ou dans une gelule.
mexp = 4,2 *116 = 4,8 102 mg.
Incertitude : [U(mexp) / mexp]2 =
[U(VA) / VA]2 + [U(VE) / VE]2 + [U(CB) / CB]2.
[U(mexp) / mexp]2 = [0,1 / 10,0]2 + [0,1) / 8,3]2 + [0,003 / 0,10]2 =1,15 10-3 ; U(mexp) / mexp = 3,4 10-2.
U(mexp) = 3,4 10-2 *4,8 102~16 mg.
mexp = (4,8 ±0,2) 102 mg. En accord avec l'indication de l'étiquette.
3 .4 Quelle source d'erreur apporte la plus grande contribution à l'incertitude associée au résultat expérimental ?
La détermination du volume équivalent VE.
3.5. Quel indicateur coloré est le plus approprié pour effectuer le titrage de cet acide ? Justifier.
La zone de virage de l'indicateur coloré doit contenir le pH du point équivalent ( ~8,5 dans ce cas ). Le rouge de crésol convient.

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