La vanilline : extraction, voies de synthèse et contrôle d'authenticité
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Le sujet étudie la vanilline, principal arôme de la vanille, à travers trois parties de chimie complétées de questions pédagogiques liées à l'enseignement en STL-SPCL. Il traite le dosage spectrophotométrique de la vanilline et son coefficient de partage eau-octanol, plusieurs voies de synthèse à partir de l'eugénol et de la lignine, puis le contrôle de l'authenticité des produits vanillés par chromatographie et RMN.
1Partie I.1 : dosage de la vanilline en solution aqueuseÉtudie le dosage spectrophotométrique de la vanilline à l'aide de la loi de Beer-Lambert et de ses propriétés acido-basiques.
2Partie I.2 : détermination du log Pow de la vanilline par dosageDétermine par dosage le coefficient de partage de la vanilline entre l'eau et l'octan-1-ol, puis étudie le coefficient de distribution en fonction du pH et le choix d'une solution tampon adaptée.
3Partie II.1 : étude de la voie de synthèse à partir de l'eugénolAnalyse la synthèse de la vanilline proposée par Erlenmeyer en 1876 à partir de l'eugénol, avec calcul de rendement, exploitation d'un spectre infrarouge et évaluation du protocole au regard des principes de la chimie verte.
4Partie II.2 : obtention de la vanilline à partir de la lignineÉtudie trois voies d'oxydation de la lignine en vanilline, par le dioxygène (cinétique d'ordre 1 et mécanisme via un intermédiaire quinone), par le mélange hypochlorite/bromure (diagramme potentiel-pH), et par l'ion peroxodicarbonate (structure de Lewis, courbes intensité-potentiel, électrolyse et rendement faradique).
5Partie III.1 : détermination des teneurs en vanilline et autres constituantsÉtudie la séparation par chromatographie des constituants d'un produit vanillé et exploite une donnée thermochimique sur l'acide vanillique.
6Partie III.2 : contrôle de l'authenticité par RMNUtilise la RMN du proton quantitative, notamment l'échange avec l'eau lourde, pour distinguer la vanilline naturelle de la vanilline de synthèse.
Description
Sujet officiel Agrégation interne en physique-chimie, session 2026.
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Durée : 5 heures
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La vanilline
La vanille est le fruit d'une orchidée dont l'odeur et la saveur sont très appréciées par les consommateurs. L'extrait de vanille obtenu après traitement des gousses de vanille est constitué principalement de vanilline ou 4-hydroxy-3-méthoxybenzaldehyde :
Représentation topologique de la vanilline
Il existe différentes voies d'obtention de la vanilline : extraction des gousses de vanille (moins de 1% de la production mondiale), synthèse à partir de guaiacol (85 %), ou bien hémisynthèse à partir de la lignine (15 %).
Ce sujet explorera ces différentes voies de synthèse avant d'étudier comment différencier la vanilline obtenue selon ces procédés.
Des données utiles pour l'ensemble de l'épreuve sont rassemblées à la fin du sujet.
Les questions sont posées à l'aide d'un ou plusieurs verbes d'action en gras. L'évaluation tient compte du respect de chacune des consignes ainsi formulées.
Des questions pédagogiques et didactiques reliées aux concepts abordés dans les différentes parties sont insérées dans le corps du texte. Elles sont signalées par l'indication QP et représentent environ vingt pour cent du total des points attribués.
Certaines questions sont repérées par une barre noire dans la marge gauche. Leur résolution demande une prise d'initiative de la part du candidat ou de la candidate. L'évaluation des réponses par le jury porte tout particulièrement sur l'analyse physique des situations étudiées, l'intelligibilité et la clarté de la rédaction et la mise en place d'une démarche raisonnée de résolution.
Contenu du sujet
I. Extraction de la vanilline des gousses de vanille ..... 3
Dosage de la vanilline en solution aqueuse ..... 3
Détermination du logP_(ow) de la vanilline par dosage ..... 4
II. Synthèse de la vanilline ..... 6
Étude de la voie de synthèse à partir de l'eugénol ..... 6
Obtention de la vanilline à partir de la lignine ..... 7
2.a. Étude de l'oxydation de la lignine par O_2(g) ..... 8
2.b. Étude de l'oxydation de la lignine par le mélange NaClO, NaBr ..... 10
2.c. Étude de l'oxydation de la lignine par l'ion peroxodicarbonate ..... 12
III. Contrôle de l'authenticité des produits vanillés par étude du profil aromatique ..... 13
Détermination des teneurs en vanilline et autres constituants ..... 13
Contrôle de l'authenticité par RMN ..... 14
Données numériques ..... 16
Données spectroscopiques ..... 18
Table des déplacements chimiques δ du proton entre 0 et 11 ppm ..... 18
Table de correspondance en spectroscopie infrarouge ..... 18
Annexe 1 : Les compétences de la démarche scientifique en première STL-SPCL ..... 19
Extraits du programme ..... 19
Les compétences de la démarche scientifique ..... 19
Analyses physico-chimiques ..... 20
Mesures et incertitudes ..... 20
Activité expérimentale ..... 21
Annexe 2 : Extraits de programme autour de la notion de solvant ..... 22
Cycle 4 ..... 22
Seconde ..... 22
Première ..... 22
Annexe 3 : Protocole adapté de l'épreuve pratique des ONC 2001 ..... 24
Protocole de l'étape 1 ..... 24
Données utiles ..... 25
Annexe 4 : Les douze principes de la chimie verte (d'après le site du CEA) ..... 26
Annexe 5 : Diagramme potentiel-pH de l'élément chlore ( C = 1 mol ⋅ L^(− 1) ) ..... 27
Annexe 6 : La loi de Nernst en terminale STL-SPCL ..... 28
Extrait de programme ..... 28
Activité 1 : Vérification de la loi de Nernst ..... 28
Annexe 7 : Activité d'analyse d'erreurs en classe de seconde ..... 29
I. Extraction de la vanilline des gousses de vanille
L'extraction des composés odoriférants des gousses de vanille, dont la vanilline, se fait principalement par macération des gousses dans un solvant d'extraction. Afin de connaître les conditions optimales pour réaliser cette extraction, on se propose :
-d'étudier une méthode de dosage de la vanilline en solution aqueuse,
-d'utiliser cette méthode de dosage pour déterminer le coefficient de partage de la vanilline entre l'eau et un solvant organique (ici, l'octan-1-ol).
1. Dosage de la vanilline en solution aqueuse
La concentration de la vanilline en solution aqueuse peut être déterminée par méthode spectroscopique en réalisant une gamme d'étalonnage à partir de solutions contenant de la vanilline dissoute dans de la soude à 0, 10 mol ⋅ L^(− 1). L'absorbance de ces différentes solutions est mesurée à 345 nm :
Figure 1. Absorbance d'une solution aqueuse de vanilline à différentes concentrations
La vanilline est un acide faible (noté par la suite AH) de pK_A = 7, 4.
Q1.Représenter la formule topologique de l'ion vanillinate, noté A', base conjuguée de la vanilline.
Q2.Calculer la valeur du pH d'une solution aqueuse de vanilline à 0, 0020 g ⋅ L^(− 1) et en déduire la valeur du rapport ([A^−])/([AH]). Conclure quant à la nature de l'espèce majoritaire dans cette solution aqueuse de vanilline.
Q3.Énoncer la loi de Beer-Lambert et rappeler ses conditions de validité.
Q4.À l'aide des spectres UV-visible présentés dans la figure 2, justifier l'utilisation de la soude à 0, 10 mol ⋅ L^(− 1) comme solvant pour la mesure d'absorbance.
Figure 2. Spectres d'absorbance d'une solution aqueuse de vanilline à 0, 012g ⋅ L^(− 1) à différents pH
On donne en annexe 1 des extraits du programme de Première STL-SPCL et une activité proposée sur le site « STL-SPCL les collections numériques ».
Q5.(QP) Identifier pour chacune des questions 1 à 5 de l'activité la compétence principale qu'il est possible d'évaluer.
Q6.(QP) Reformuler la question 6 de cette activité de manière à renforcer le travail de la compétence valider.
2. Détermination du logP_(ow) de la vanilline par dosage
Pour caractériser une espèce chimique, il est utile de recenser logP_(ow) qui correspond au logarithme décimal de P_(ow), le coefficient de partage de l'espèce entre l'eau et l'octan-1-ol, solvants considérés comme totalement non-miscibles à l'état liquide :
P_(ow)(AH) = ([AH]_(octanol))/([AH]_(aq))
Le protocole utilisé pour déterminer le coefficient de partage de la vanilline est le suivant : une masse de 0,183 g de vanilline est dissoute dans un mélange de 20 mL d'octan-1-ol et 50 mL d'eau à 25 °C. Le mélange est soumis à une agitation intense pendant 30 min . Après décantation, un échantillon de 10,0 mL de la phase aqueuse est recueilli et complété à 1,0 L avec de la soude à 0, 10 mol ⋅ L^(− 1).
Q7. Lister la verrerie nécessaire à la réalisation de ce protocole.
La mesure de l'absorbance de la solution obtenue à 345 nm vaut A = 0, 614.
Q8.Exploiter les données expérimentales et la figure 1 afin de déterminer la valeur de logP_(ow) de la vanilline à 25 °C.
Q9.Interpréter la valeur de logP_(ow) de la vanilline au regard des interactions intermoléculaires.
En réalité, étant donné les propriétés acido-basiques de la vanilline, il est préférable de discuter du coefficient de distribution D_(ow), paramètre qui prend en compte le caractère acido-basique de l'espèce.
Figure 3. Schéma illustrant l'influence du pH sur l'extraction de la vanilline par une solution aqueuse tamponnée
Q10. Expliquer qualitativement pourquoi le pH de la solution aqueuse est un paramètre qui influence l'équilibre de partage de la vanilline entre l'octan-1-ol et la solution aqueuse.
Le coefficient de distribution D_(ow) a pour expression :
La figure n°4 suivante représente l'évolution du coefficient de distribution D_(ow) en fonction du pH :
Figure 4. Coefficient de distribution D_(ow) de la vanilline en fonction du pH
Q11. Exprimer D_(ow) en fonction du pH , du pK_A de la vanilline et de P_(ow).
Q12. Retrouver la valeur de P_(ow) obtenue précédemment et celle du pK_A de la vanilline à partir du graphique obtenu figure 4.
Plusieurs solutions tampons sont disponibles au laboratoire :
Solution tampon 1
Solution tampon 2
Solution tampon 3
Solution tampon 4
Solution tampon 5
Solution équimolaire de HSO_4^−et de SO_4^(2 −)
Solution équimolaire de CH_3 CO_2 H et de CH_3 CO_2^−
Solution équimolaire de NH_4^+et de NH_3
Solution équimolaire de H_2 PO_4^−et de HPO_4^(2 −)
Solution équimolaire de HPO_4^(2 −) et de PO_4^(3 −)
Q13. Définir une solution tampon et, à l'aide des données numériques en fin d'énoncé, choisir la solution tampon la plus adaptée pour extraire la vanilline dissoute dans l'octan-1-ol.
On donne dans l'annexe 2 des extraits des programmes de cycle 4, seconde et première spécialité physique-chimie de la voie générale et relatifs à la notion de solvant.
Q14. (QP) Reproduire et compléter le tableau ci-dessous :
Niveau
Vocabulaire clé
Caractéristiques du modèle mobilisé parmi : microscopique / macroscopique / phénoménologique / théorique / quantitatif / prédictif
Cycle 4
Seconde GT
Première générale spécialité PC
II. Synthèse de la vanilline
En 1876, Erlenmeyer propose une synthèse de la vanilline à partir de l'eugénol extrait des clous de girofle, dont les étapes principales sont présentées dans la figure 5.
Figure 5. Synthèse de la vanilline à partir de l'eugénol
1. Étude de la voie de synthèse à partir de l'eugénol
En 2001, les Olympiades nationales de chimie (ONC) présentaient en épreuve pratique la mise en œuvre des deux dernières étapes de la synthèse proposée par Erlenmeyer. Un extrait du protocole est présenté en annexe 3.
L'étape 1 peut être modélisée par l'équation de réaction suivante, dans laquelle un seul stéréoisomère de l'acétate d'isoeugényle est représenté :
Q15. Représenter l'autre stéréoisomère de l'acétate d'isoeugényle, attribuer le descripteur stéréochimique correspondant et préciser si l'acétate d'isoeugényle doit être stéréochimiquement pur pour la synthèse.
L'aliquot 336 est un chlorure d'ammonium dont la formule est représentée dans l'annexe 3. Il joue le rôle de « catalyseur de transfert de phase ».
Q16. Schématiser le contenu de l'erlenmeyer en précisant la localisation des réactifs et de l'aliquot 336. Justifier l'appellation « catalyseur de transfert de phase ».
Q17. Identifier les deux espèces chimiques éliminées lors de la filtration.
Q18. Décrire succinctement les deux dernières opérations «Sécher la phase organique» et « Éliminer le solvant», du protocole expérimental de l'étape 1 donné en annexe 3.
Q19. Déterminer le rendement de l'étape 1 de la réaction, décrite ci-dessus.
La pureté du produit obtenu peut être contrôlée par spectroscopie IR.
Q20. Mettre en évidence les bandes caractéristiques notables à rechercher pour s'assurer de la présence de l'acétate de vanilline et de l'absence des produits indésirables (réactifs et sousproduits éventuels).
Q21. (QP) Relever dans le protocole deux aspects qui ne sont pas conformes aux principes de la chimie verte rappelés dans l'annexe 4, en précisant lesquels, et indiquer pour chacun une amélioration que pourrait proposer un élève de cycle terminal.
2. Obtention de la vanilline à partir de la lignine
La prise de conscience des enjeux environnementaux a conduit au développement de synthèses alternatives de la vanilline, notamment à partir de lignine. En effet, la lignine, un des constituants du bois, a longtemps été considérée comme un déchet de l'industrie papetière alors qu'elle constitue un réservoir important de composés phénoliques.
La synthèse de la vanilline à partir de la lignine constitue donc un exemple idéal de synthèse biosourcée : le produit formé est à haute valeur ajoutée (utilisation dans de nombreuses industries, précurseur de polymères issus de la biomasse) et la source (la lignine) est un déchet industriel dont la production n'entre pas en compétition avec la production agricole alimentaire. Actuellement, 15 % de la vanilline est synthétisée par oxydation de la lignine.
Le processus d'oxydation de la lignine en vanilline a fait l'objet de nombreuses études, notamment cinétiques, pour permettre d'optimiser les conditions opératoires (nature de l'oxydant, présence de catalyseur, température, etc.).
Le schéma de la figure 6 récapitule les différentes étapes du processus d'oxydation de la lignine, qui n'est représenté que partiellement.
Figure 6. Étapes du processus d'oxydation de la lignine ^1
Q22. Justifier, par l'écriture des formules mésomères de l'intermédiaire quinone, que les sites a et b sont des sites électrophiles et décrire le mécanisme de l'étape 1 de la figure 6 à l'aide du formalisme des flèches courbes.
Q23. Proposer un mécanisme réactionnel en milieu basique pour l'étape nommée « rétro-aldolisation »
Différents produits peuvent être formés lors de ce processus, dont la vanilline et l'acétovanillone, respectivement acides conjugués de l'ion vanillinate et de l'ion acétovanillonate.
Q24. Dans un but de valorisation des sous-produits, présenter une voie de synthèse de la vanilline à partir de l'acétovanillone.
2.a. Étude de l'oxydation de la lignine par O_2(g)
Plusieurs oxydants ont été proposés pour réaliser l'oxydation de la lignine et ont donné lieu à de nombreuses publications. Une des méthodes utilisées industriellement consiste à réaliser l'oxydation de la lignine en présence de dioxygène gazeux. La concentration en vanilline en fonction du temps et pour une pression de dioxygène égale à 2,1 bar est représentée dans la figure 7.
Figure 7. Concentration en vanilline en fonction du temps pour P_(02) = 2, 1 bar
On modélisera l'oxydation de la lignine par l'équation de réaction suivante :
L→−^(k_1) V où L représente la lignine, V la vanilline et k_1 la constante de vitesse.
Q25. Établir l'expression suivante dans le cadre d'une modélisation cinétique d'ordre 1 par rapport à L :
ln(1 − ([V]_t)/([ V]_∞)) = − k_1 t
Q26. Démontrer qu'à P_(O2) = 2, 1 bar, les résultats expérimentaux donnés dans le tableau sont en accord avec une modélisation cinétique d'ordre 1 par rapport à L.
Q27. Estimer la valeur numérique du temps de demi-réaction d'après la modélisation effectuée et vérifier la valeur obtenue à l'aide de la figure 7.
Pour des pressions de dioxygène plus importantes, une dégradation oxydante de la vanilline se déroule à la suite de sa formation, modélisée selon le schéma cinétique suivant :
étape 1 : L→−^(k_1) V; étape 2 : V→−^(k_2)P
où L, V, P représentent respectivement la lignine, la vanilline et le produit d'oxydation de la vanilline.
Les deux étapes seront considérées comme des réactions d'ordre 1.
Q28. Établir les équations vérifiées par (d[L])/(dt), (d[V])/(dt) et (d[P])/(dt) en fonction de k_1, k_2, [ L] et [V].
Les simulations des profils de concentration en fonction du temps, pour différents couples de valeurs de k_1 et k_2, sont données ci-après, figure 8.
k_1 = 0, 016 min^(− 1); k_2 = 0, 0016 min^(− 1)
k_1 = 0, 016 min^(− 1); k_2 = 0, 016 min^(− 1)
k_1 = 0, 016min^(− 1); k_2 = 0, 16min^(− 1)
Figure 8. Concentrations en fonction du temps de L, V et P, pour différents couples de valeurs de k_1 et k_2
Q29. Attribuer les courbes (A), (B) et (C) de la figure 8 aux concentrations de L, V et P et énoncer un critère sur le rapport k_2/k_1 pour l'optimisation de la synthèse de la vanilline.
La réaction d'oxydation par le dioxygène débute par la formation de l'anion superoxyde O_(2^−)dont la réactivité peut s'expliquer par la construction du diagramme d'orbitales moléculaires.
Q30. Énoncer les deux critères à respecter pour que deux orbitales puissent interagir.
Q31. Construire le diagramme d'orbitales moléculaires de O_2^−en supposant que l'écart énergétique entre les orbitales 2s et 2p de l'atome d'oxygène est suffisamment grand pour négliger les interactions 2s/2p.
Q32. Schématiser les orbitales moléculaires les plus hautes occupées (HO).
Q33. Représenter O_2^−selon le formalisme de Lewis et discuter de la compatibilité entre la description de la répartition électronique selon le modèle orbitalaire et celui de Lewis.
Q34. Justifier que l'anion superoxyde soit réducteur.
2.b. Étude de l'oxydation de la lignine par le mélange NaClO, NaBr
Dans un article de Angewandte Chemie, Zirbes et al. dressent un panorama de différentes voies d'oxydation de la lignine ^2 :
Figure 9. Stratégies d'oxydation de la lignine
La première voie utilise du nitrobenzène dont les pictogrammes associés sont les suivants :
Figure 10. Pictogrammes de sécurité du nitrobenzène
Q35. Indiquer la signification des pictogrammes de sécurité du nitrobenzène et nommer le document contenant ce type d'information.
La deuxième voie de synthèse utilise un mélange d'hypochlorite de sodium et de bromure de sodium en présence d'un catalyseur, le Fe@MagTEMPO. Pour identifier l'espèce responsable de l'oxydation de la lignine, on se propose d'étudier la réactivité des ions hypochlorite ClO-(aq) avec les ions bromure Br^−(aq) à l'aide des diagrammes E-pH du brome et du chlore.
Le tracé du diagramme E-pH de l'élément chlore est proposé dans l'annexe 5. Les espèces considérées sont HClO(aq), ClO^−(aq), Cl_2(aq) et Cl^−(aq). Par convention, toutes les concentrations des espèces en solution sont égales à 1 mol ⋅ L^(− 1) et on se placera à 298 K .
Q36. Identifier les espèces A, B, C et D en justifiant brièvement.
Dans les conditions de pH de l'expérience (prédominance de ClO − (aq) ), le couple à considérer pour I'ion bromure est le couple BrO_3^−(aq)/Br^−(aq).
Q37. Tracer la frontière relative à ce couple en conservant les mêmes conventions de tracé que pour l'élément chlore. Positionner les domaines de prédominance de BrO_3^−(aq) et Br^−(aq).
Q38. Conclure sur la coexistence de l'ion bromure et de l'ion hypochlorite et identifier l'espèce responsable de l'oxydation de la lignine.
On donne en annexe 6 l'extrait du programme de terminale STL-SPCL relatif à l'oxydo-réduction ainsi que l'énoncé d'une activité proposée aux élèves d'une classe de ce niveau.
Q39. (QP) Identifier dans l'activité quatre questions demandant aux élèves de prendre des initiatives et expliciter brièvement pour chacune d'elles, ce qui est attendu de l'élève. Proposer pour chacune de ces étapes une aide synthétique pour accompagner les élèves qui en auraient besoin.
Q40. (QP) Proposer et décrire succinctement deux formes de restitution du travail par les élèves autres que la réponse écrite aux questions de l'activité. Expliquer leurs avantages pédagogiques.
2.c. Étude de l'oxydation de la lignine par l'ion peroxodicarbonate
L'ion peroxodicarbonate C_2 O_6^(2 −) peut être obtenu par électrolyse d'une solution de carbonate de sodium à basse température. Les conditions de l'électrolyse sont les suivantes :
« At a maximum current of 3 A, which corresponds to a current density of 955 mA ⋅ cm^(− 2), the electrolysis of a 1.5 mol ⋅ L^(− 1), 250 mLNa_2 CO_3 solution takes 4 h and 11 min^3 ».
Q41. Représenter le schéma de Lewis de l'ion carbonate CO_3^(2 −) et de l'ion peroxodicarbonate C_2 O_6^(2 −)(une liaison O-O est présente dans l'édifice C_2 O_6^(2 −) ). Écrire la demi-équation redox associée au couple redox (C_2 O_6^(2 −)/CO_3^(2 −)).
Q42. (QP) Rédiger à l'attention d'un élève d'enseignement de spécialité physique-chimie de terminale générale une explication synthétique lui permettant d'élaborer le schéma de Lewis de l'ion carbonate à partir de sa formule brute.
Q43. Tracer l'allure des courbes intensité-potentiel ( i − E ), à 298 K dans les conditions standards, des couples de l'eau et de l'ion CO_3^(2 −) en supposant les couples rapides. Montrer qu'à température ambiante et sans choix spécifique de l'électrode, l'oxydation de l'ion carbonate n'est pas possible.
On supposera pour la suite que le choix d'une électrode adaptée permet de réaliser l'oxydation de l'ion carbonate en ion peroxodicarbonate.
Q44. Réaliser un schéma de l'électrolyseur et le légender en indiquant la nature des électrodes, le sens du courant, les polarités, les demi-équations modélisant les transformations se déroulant à chacune des électrodes (aucun processus redox autre que ceux de l'eau et de l'oxydation de l'ion carbonate ne sera considéré).
Q45. Définir, calculer et commenter le rendement faradique de cette électrolyse en supposant que la transformation des ions carbonate est totale au bout de 4 h 11 min.
Q46. Justifier que l'ion peroxodicarbonate soit qualifié d'oxydant « vert ».
III. Contrôle de l'authenticité des produits vanillés par étude du profil aromatique
L'extrait de vanille est constitué non seulement de vanilline mais également d'autres composés, la complexité du mélange donnant son caractère particulier à l'arôme de vanille par rapport à la vanilline seule.
Composé
Vanilline
Acide vanillique
4-hydroxybenzaldehyde
Acide 4hydroxybenzoïque
Formule
Teneur (en g pour 100 g d'extrait de vanille)
2,24
0,16
0,11
0,04
Figure 11. Composition d'un extrait de vanille naturelle
Une enquête réalisée par la Direction générale de la Concurrence, de la Consommation et de la Répression des fraudes (DGCCRF) en 2019 a mis en évidence des pratiques frauduleuses sur le marché de la vanille : de la vanilline de synthèse est ajoutée en proportion importante par rapport à la vanilline provenant des gousses de vanille. Cet ajout de vanilline « synthétique » peut être détecté en étudiant les rapports en teneur des composés cités précédemment mais également en analysant le spectre RMN^1 H de la vanilline présente dans l'échantillon.
1. Détermination des teneurs en vanilline et autres constituants
La chromatographie est l'outil de choix pour identifier et quantifier des espèces présentes dans un mélange. La chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur à ionisation de flamme permet de déterminer la quantité d'un composé dans un mélange. En effet, le détecteur est constitué d'une flamme dans laquelle le composé est dégradé en ions, permettant ainsi l'apparition d'un courant électrique.
Q47. Décrire brièvement le principe général de la chromatographie.
L'intensité du courant électrique, I, mesurée par le détecteur du chromatographe est proportionnelle à la concentration en espèce :
I = β ⋅ C avec C, la concentration en espèce.
Le coefficient de réponse β du détecteur dépend de l'espèce considérée. Pour caractériser ce coefficient, plusieurs modèles ont été proposés dont certains prédisent que β est une fonction croissante de la valeur absolue de l'enthalpie standard de combustion.
L'enthalpie standard de combustion d'un composé est définie, dans cette partie, comme l'enthalpie standard de la réaction d'une mole de composé avec du dioxygène gazeux formant CO_2 et H_2 O à l'état gazeux.
Q48. Calculer la valeur de l'enthalpie standard de combustion de l'acide vanillique à l'état solide à l'aide des valeurs d'enthalpie standard de formation tabulées en fin d'énoncé.
Q49.Évaluer l'enthalpie standard de combustion du 4-hydroxybenzaldehyde à l'état solide grâce aux valeurs des enthalpies standard de dissociation tabulées en fin d'énoncé.
L'enthalpie de combustion de la vanilline solide peut être déterminée par des mesures calorimétriques : une masse m = 1, 0 g de vanilline est placée dans une enceinte fermée en contact avec 200 mL d'eau, initialement à la même température. La vanilline est alors mise à brûler. Après combustion, la température de l'eau s'est élevée de 30 °C.
Q50.Évaluer l'enthalpie standard de la réaction de combustion de la vanilline solide, en réalisant les approximations nécessaires.
Q51.À partir des valeurs des enthalpies standards des réactions de combustion de ces trois molécules, comparer les coefficients de réponse de ces différentes espèces et discuter l'intérêt de la chromatographie en phase gazeuse pour repérer l'ajout de vanilline de synthèse dans de l'extrait de vanille naturelle.
2. Contrôle de l'authenticité par RMN
Les spectres RMN ^1 H de la vanilline et de l'acide vanillique sont présentés ci-dessous :
Figure 12. Spectres RMN 1H (300 MHz) d'une solution de vanilline et d'acide vanillique
Q52.Attribuer les différents signaux du spectre de la vanilline aux noyaux d'hydrogène présents dans sa structure.
Q53．Interpréter le fait que le signal à 6，2 ppm puisse disparaître en présence d＇eau lourde D_2 O ．
Q54．Le rapport massique entre l＇acide vanillique et la vanilline peut se calculer à partir du rapport des aires des signaux respectivement à 3，85 ppm pour l＇acide vanillique et à 9，85 ppm pour la vanilline．Justifier le choix de ces deux signaux et évaluer le rapport d＇aire moyen attendu．
La RMN ^1 H peut être également utilisée pour vérifier l＇origine de la vanilline contenue dans un échantillon vanillé．En effet，le rapport atomique entre hydrogène (^1 H) et deutérium (^2 H, noté aussi D) varie en fonction de l＇origine de la vanilline，selon qu＇elle est obtenue par l＇oxydation de la lignine，du guaiacol ou par métabolisme de la plante．
Q55．Proposer une explication à la différence entre les températures d＇ébullition de H_2 O(100^∘C à P = 1, 013 bar）et de D_2 O（101，3 °C à P = 1, 013 bar）．
Q56．Expliquer qualitativement pourquoi les transformations chimiques intervenant dans les processus biologiques peuvent induire une évolution de la répartition des atomes d＇hydrogène et de deutérium au sein des molécules．
Q57．Justifier succinctement l＇emploi de la RMN ^1 H quantitative dans le processus d＇identification de l＇origine de la vanilline．
L＇annexe 7 correspond à une activité de remédiation proposée par un professeur à ses élèves de seconde sur la composition de l＇atome．L＇enseignant a compilé les erreurs commises par les élèves dans leurs copies et demande à sa classe de les analyser．
Q58．（QP）Rédiger les réponses attendues des élèves pour accomplir la « mission » de l＇activité．
Données numériques
Grandeurs usuelles
Constante de Faraday : F = 96500C ⋅ mol^(− 1)
Constante des gaz parfaits : R = 8, 31 J ⋅ mol^(− 1) ⋅ K^(− 1)
Valeur approchée du rapport (R7n10)/F à 298 K : (R7n10)/F = 0, 06 V
Constantes d'acidité à 25 °C
Couples acide/base
pK_A
H_3 PO_4/H_2 PO_4^−
2,0
H_2 PO_4^−/HPO_4^(2 −)
7,1
HPO_4^(2 −)/PO_4^(3 −)
12,1
Couples acide/base
pK_A
H_2 SO_4/HSO_4^−
- 3,0
HSO_4^−/SO_4^(2 −)
2,1
Couples acide/base
pK_A
CH_3 CO_2 H/CH_3 CO_2
4,8
vanilline / ion vanillinate
7,4
NH_4^+/NH_3
9,2
Potentiels standards à 25^∘C
oxydant
réducteur
Potentiel standard (en V)
O_2(g)
H_2 O(ℓ)
1,23
H^+(aq)
H_2(g)
0,00
BrO_3^−(aq)
Br^−(aq)
1,50
C_2 O_6^(2 −)(aq)
CO_3^(2 −)(aq)
estimé à 3,0
Masse molaire de la vanilline
M_v = 152, 15 g ⋅ mol^(− 1)
Énergies des orbitales atomiques de valence de l'atome d'oxygène (Z = 8)
E_(2s)(eV)
- 32,4
E_(2p)(eV)
- 15,9
Capacité thermique de l'eau liquide à P^∘ = 1 bar
C_p(H_2 O(ℓ)) = 4, 18 J ⋅ g^(− 1) ⋅ K^(− 1)
Enthalpies standard de formation à 298 K
Composé
O_2(g)
H_2 O(g)
CO_2(g)
Acide vanillique(s)
Δ_f H^∘(kJ ⋅ mol^(− 1))
0
-242
-394
-749
Enthalpies standard de dissociation à 298 K
L'enthalpie standard de dissociation Δ_(diss)H^∘ d'une liaison A-B est l'enthalpie standard associée à la transformation :
A − B(g) = A(g) + B(g)
Liaison
C-H
C-C
C=C
C=C aromatique
O=O
C-O
C=O
O-H
H-H
Δ_(diss)H^∘(kJ ⋅ mol^(− 1))
415
350
615
505
495
351
727
462
435
Enthalpie de sublimation à 298 K du 4-hydroxybenzaldehyde
Δ_(sub)H^∘ = 100 kJ ⋅ mol^(− 1)
Données spectroscopiques
Table des déplacements chimiques δ du proton entre 0 et 11ppm^4
Table de correspondance en spectroscopie infrarouge
Liaison
Nombre d'onde ( cm^(− 1) )
O-H alcool
3200-3650
N-H amine
3300-3500
C-H
2800-3300
C_(tri) − H aldéhyde
2700-2900
O-H acide carboxylique
2500-3200
C=O ester
1735-1750
C=O aldéhyde et cétone
1700-1740 abaissement de ~ 20 à 30 cm^(− 1) si conjugaison
C=O acide carboxylique
1700-1725
C=C
1620-1690
C=C aromatique
1450-1600
C_(tet) − O − C_(tet) (étheroxydes)
1070-1150
C_(tet) − OH (alcools)
1010-1200
C_(tet) − O − C_(tri) (esters)
1050-1300
Annexe 1: Les compétences de la démarche scientifique en première STL-SPCL
4.1 Extraits du programme
Les compétences de la démarche scientifique
Les compétences retenues pour caractériser la démarche scientifique visent à structurer la formation et l'évaluation des élèves. L'ordre de leur présentation ne préjuge en rien de celui dans lequel les compétences seront mobilisées par l'élève dans le cadre d'activités. Quelques exemples de capacités associées précisent les contours de chaque compétence, l'ensemble n'ayant pas vocation à constituer un cadre rigide.
Compétences
Quelques exemples de capacités associées
S'approprier
-Énoncer une problématique.
-Rechercher et organiser l'information en lien avec la problématique étudiée.
-Représenter la situation par un schéma.
Analyser/ Raisonner
-Formuler des hypothèses.
-Proposer une stratégie de résolution.
-Planifier des tâches.
-Évaluer des ordres de grandeur.
-Choisir un modèle ou des lois pertinentes.
-Choisir, élaborer, justifier un protocole.
-Faire des prévisions à l'aide d'un modèle.
-Procéder à des analogies.
Réaliser
-Mettre en œuvre les étapes d'une démarche.
-Utiliser un modèle.
-Effectuer des procédures courantes (calculs, représentations, collectes de données etc.).
-Mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles de sécurité.
Valider
-Faire preuve d'esprit critique, procéder à des tests de vraisemblance.
-Identifier des sources d'erreur, estimer une incertitude, comparer à une valeur de référence.
-Confronter un modèle à des résultats expérimentaux.
-Proposer d'éventuelles améliorations de la démarche ou du modèle.
Communiquer
À l'écrit comme à l'oral : - présenter une démarche de manière argumentée, synthétique et cohérente ; utiliser un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentation appropriés ; - échanger entre pairs.
Le niveau de maîtrise de ces compétences dépend de l'autonomie et de l'initiative requises dans les activités proposées aux élèves sur les notions et capacités exigibles du programme.
Analyses physico-chimiques
Dosages par étalonnage spectrophotométrique.
- Connaître et utiliser la loi de Beer-Lambert et ses limites.
Capacité expérimentale : concevoir et mettre en œuvre un protocole pour déterminer la concentration d'une solution à l'aide d'une gamme d'étalonnage.
Capacité numérique : tracer et exploiter une courbe d'étalonnage à l'aide d'un tableur.
Mesures et incertitudes
[...] En complément du programme de la classe de seconde générale et technologique, les programmes des enseignements de spécialité de la classe de première STL introduisent l'identification des sources d'erreurs ainsi que les notions de justesse et fidélité d'une mesure. L'approche statistique et l'évaluation de l'incertitude associée (type A) sont complétées par l'introduction de la notion de répétabilité. L'évaluation de type B d'une incertitude-type est abordée dans le cas d'une mesure effectuée avec un instrument de mesure dont les caractéristiques sont données.
La différence entre le résultat d'une mesure et la valeur de référence, si elle existe, est appréciée en l'évaluant en nombre d'incertitudes-types
Notions et contenu
Capacités exigibles
Sources d'erreurs.
Variabilité de la mesure d'une grandeur physique.
Justesse et fidélité.
Dispersion des mesures, incertitude-type sur une série de mesures.
Incertitude-type sur une mesure unique.
Expression du résultat.
Valeur de référence.
- Identifier les principales sources d'erreurs lors d'une mesure.
- Exploiter des séries de mesures indépendantes (histogramme, moyenne et écart-type) pour comparer plusieurs méthodes de mesure d'une grandeur physique, en termes de justesse et de fidélité.
- Procéder à une évaluation de type A d'une incertitude-type.
- Procéder à une évaluation de type B d'une incertitude-type pour une source d'erreur en exploitant une relation fournie et/ou les notices constructeurs.
- Exprimer un résultat de mesure avec le nombre de chiffres significatifs adaptés et l'incertitudetype associée.
- Discuter de la validité d'un résultat en comparant la différence entre le résultat d'une mesure et la valeur de référence d'une part et l'incertitude-type d'autre part.
Capacités numériques :
À l'aide d'un tableur ou d'un programme informatique :
- traiter des données expérimentales ;
- représenter les histogrammes associés à des séries de mesures.
4.2 Activité expérimentale ^5
ACTIVITÉ 2 : L'eau de Dakin
Fiches liées à cette séquence :
-Fiche de synthèse Séquence 5
-Fiche méthode Spectrophotométrie
L'eau de Dakin est un liquide antiseptique utilisé pour le lavage des plaies et des muqueuses. Sa couleur rose est due aux ions permanganate présents en solution aqueuse.
On se propose de vérifier la teneur en permanganate de potassium figurant sur l'étiquette du flacon.
DOCUMENT 1 : Etiquette d'un flacon d'eau de Dakin
1.
A partir d'une solution mère S_0 de permanganate de potassium ( K^+ + MnO_4^−) à la concentration C_0 = 5, 00.10^(− 3) mol.L^(− 1), préparer une échelle de teintes constituée de 5 solutions S_i de concentration molaire C_i.
N° fiole
1
2
3
4
5
C_i(× 10^(− 4) mol.L^(− 1))
0,40
0,80
1,20
1,60
2,00
2.Tracer le spectre de l'absorbance A_5 de la solution S_5 en fonction de la longueur d'onde λ. Quelle information peut-on déduire de ce résultat expérimental ?
3.Mesurer l'absorbance A_i de chacune des solutions de concentration C_i dans les conditions expérimentales déduites de la question 2.
4.Tracer la courbe A_i = f(C_i)
5.Déterminer la concentration molaire en ions permanganate dans la solution commerciale de Dakin.
6.Comparer ce résultat expérimental avec les données fournies sur l'étiquette du flacon puis conclure.
Annexe 2 : Extraits de programme autour de la notion de solvant
5.1 Cycle 4
Décrire la constitution et les états de la matière
Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges. Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l'eau. - Solubilité. - Miscibilité. - Composition de l'air
Ces études sont l'occasion d'aborder la dissolution de gaz (notamment celle du CO2) dans l'eau au regard de problématiques liées à la santé et l'environnement. Ces études peuvent prendre appui ou illustrer les différentes méthodes de traitement des eaux (dépollution, purification, désalinisation...). Elles permettent de sensibiliser les élèves au traitement des solutions avant rejet.
Remarque : les termes solution et solvant sont absents du programme
5.2 Seconde
A) Description et caractérisation de la matière à l'échelle macroscopique
Les solutions aqueuses, un exemple de mélange. Solvant, soluté. Concentration en masse, concentration maximale d'un soluté.
Identifier le soluté et le solvant à partir de la composition ou du mode opératoire de préparation d'une solution. Distinguer la masse volumique d'un échantillon et la concentration en masse d'un soluté au sein d'une solution. Déterminer la valeur de la concentration en masse d'un soluté à partir du mode opératoire de préparation d'une solution par dissolution ou par dilution. Mesurer des masses pour étudier la variabilité du volume mesuré par une pièce de verrerie ; choisir et utiliser la verrerie adaptée pour préparer une solution par dissolution ou par dilution.
Remarque : les activités expérimentales support de la formation sont indiquées en italique.
5.3 Première
B) De la structure des entités à la cohésion et à la solubilité/miscibilité d'espèces chimiques
Cohésion dans un solide. Modélisation par des interactions entre ions, entre entités polaires, entre entités apolaires et/ou par pont hydrogène.
Dissolution des solides ioniques dans l'eau. Équation de réaction de dissolution.
Expliquer la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l'analyse des interactions entre entités.
Expliquer la capacité de l'eau à dissocier une espèce ionique et à solvater les ions. Modéliser, au niveau macroscopique, la dissolution d'un composé ionique dans l'eau par une équation de réaction, en utilisant les notations (s) et (aq). Calculer la concentration des ions dans la solution obtenue.
Extraction par un solvant. Solubilité dans un solvant. Miscibilité de deux liquides.
Expliquer ou prévoir la solubilité d'une espèce chimique dans un solvant par l'analyse des interactions entre les entités. Comparer la solubilité d'une espèce solide dans différents solvants (purs ou en mélange). Interpréter un protocole d'extraction liquide-liquide à partir des valeurs de solubilités de l'espèce chimique dans les deux solvants. Choisir un solvant et mettre en œuvre un protocole d'extraction liquide-liquide d'un soluté moléculaire.
Remarque : les activités expérimentales support de la formation sont indiquées en italique.
Annexe 3 : Protocole adapté de l'épreuve pratique des ONC 2001
Le schéma de la manipulation est le suivant (un seul isomère de l'acétate d'isoeugényle est représenté) :
Protocole de l'étape 1 :
Dans un erlenmeyer, introduire quantitativement
-Une masse m_1 = 3, 8 g de permanganate de potassium KMnO_4
-Une masse m_2 = 3, 8 g de sulfate de magnésium hydraté (MgSO_4, 7H_2 O)
-Un volume V_1 = 0, 1 L d'eau distillée
-Un volume V_2 = 0, 1 L de dichlorométhane CH_2 Cl_2
-À l'aide d'une pipette jetable, introduire 6 gouttes d'aliquot 336.
Sous agitation magnétique, introduire progressivement et quantitativement une masse m_3 = 2, 0 g d'acétate d'isoeugényle et en fin d'addition, rincer les parois de l'erlenmeyer avec environ 5 mL d'eau et 5 mL de dichlorométhane. Maintenir l'agitation magnétique pendant 15 min.
Observer l'évolution du contenu de l'erlenmeyer.
Sous pression réduite, filtrer le contenu de l'erlenmeyer (attention, la filtration peut être lente).
Rincer avec 25 mL de dichlorométhane.
Au contenu de la fiole à vide, ajouter goutte à goutte une solution d'hydrogénosulfite de sodium à 10 % en masse jusqu'à disparition de la couleur brune. Transvaser le contenu de la fiole dans une ampoule à décanter.
Identifier les deux couches et noter leur position. Recueillir la majeure partie de la phase organique dans un erlenmeyer de 500 mL sec et laisser la phase aqueuse dans l'ampoule à décanter.
Extraire le contenu de la phase aqueuse par 20 mL de dichlorométhane. Noter la position des deux couches et les identifier.
Rassembler les phases organiques.
Sécher la phase organique.
Éliminer le solvant.
La masse obtenue de solide vaut m = 1, 5 g.
Données utiles :
Nom
M(g ⋅ mol^(− 1))
d à 25^∘C
Températures de changement d'état
Solubilités
Acétate d'isoeugényle C_(12)H_(14)O_3
206
T_(fus) = 80^∘C
Soluble dans le dichlorométhane, l'acétone. Insoluble dans l'eau
Acétate de vanilline C_(10)H_(10)O_4
194
T_(fus) = 78^∘C
Soluble dans le dichlorométhane, l'acétone, l'éthanol. Peu soluble dans l'eau
Permanganate de potassium KMnO_4
158
Soluble dans l'eau Insoluble dans le dichlorométhane
Éthanal
44
Soluble dans l'eau Peu soluble dans le dichlorométhane
Dioxyde de manganèse MnO_2
87
Insoluble dans l'eau et dans le dichlorométhane
Sulfate de magnésium heptahydraté MgSO_4, 7H_2 O
246
Soluble dans l'eau Insoluble dans le dichlorométhane
Hydroxyde de magnésium Mg(OH)_2
58
Insoluble dans l'eau et dans le dichlorométhane
Aliquot 336 C_(25)H_(54)CℓN(C_8 H_(17)^((+))N^′ C_8 H_(17); C_8 H_(17); Cl^⊖)
404
Soluble dans l'eau, le dichlorométhane et l'acétone
Acétone C_3 H_6 O
58
0,78
T_(eb) = 56^∘C
Miscible à l'eau en toutes proportions
Ethanol C_2 H_6 O
0,79
T_(eb) = 78^∘C
Miscible à l'eau en toutes proportions
Dichlorométhane CH_2 Cl_2
85
1,4
T_(eb) = 40^∘C
Non miscible à l'eau
Annexe 4 : Les douze principes de la chimie verte (d'après le site du CEA)
Prévenir la pollution à la source : c'est imaginer un procédé chimique qui évite la production de futurs résidus qui deviendront des déchets.
Economiser la matière première : l'économie d'atomes, c'est être capable, au sein d'une même matière première, de récupérer toutes les molécules utilisables pour diverses applications dans l'énergie, la cosmétique, l'agro-alimentaire. Il faut pour cela des outils de séparation très puissants.
Travailler dans des conditions plus sûres : c'est envisageable grâce à l'utilisation de conditions opératoires douces (température ambiante, faible pression...) et l'utilisation préférentielle de produits peu ou pas toxiques pour l'homme et l'environnement.
Concevoir des produits chimiques moins toxiques : il faut mettre au point de nouvelles molécules à la fois plus efficaces et non toxiques. L'innocuité est évaluée par des études toxicologiques à l'échelle cellulaire et au niveau de l'organisme.
Utiliser des solvants non toxiques : c'est rechercher des alternatives aux solvants organiques toxiques et polluants, tels que le benzène, le chloroforme, le dichlorométhane, le trichloréthylène, produits chimiques de sinistre réputation.
Economiser de l'énergie : c'est limiter les dépenses énergétiques et mettre au point de nouveaux matériaux efficaces pour le stockage de l'énergie. C'est aussi rechercher de nouvelles sources d'énergie à faible teneur en carbone pour générer de faibles émissions de gaz à effet de serre.
Utiliser des ressources renouvelables : c'est préférable à l'utilisation de ressources fossiles. La biomasse, qui représente l'ensemble de la matière organique qui compose les plantes, les arbres, les déchets animaux, agricoles ou urbains, peut judicieusement servir de matière première renouvelable. Dans le même esprit, ce concept peut être étendu à l'utilisation d'énergies renouvelables.
Réduire l'utilisation de molécules intermédiaires : c'est préférer (lorsque c'est possible) mettre en œuvre des réactions directes. En effet, les étapes intermédiaires consomment des produits chimiques qui vont, fatalement devenir des déchets.
Préférer les procédés catalytiques aux procédés classiques : un catalyseur est une substance rajoutée à une solution chimique et qui rend possible une réaction chimique. Il accélère la vitesse de réaction en abaissant l'énergie nécessaire à apporter pour que deux molécules réagissent entre elles. Le catalyseur sort inchangé du processus chimique, il est donc recyclable.
Concevoir un produit chimique en vue de sa dégradation finale : un produit chimique finira irrémédiablement par devenir un déchet. Lorsque cela est possible, il vaut mieux le concevoir avec l'idée que tout ou partie du déchet qu'il va devenir peut être recyclé. Il doit de plus être conçu de manière à ce que sa dégradation future, naturelle ou accélérée, ne conduise pas à la création de sous-produits dangereux.
Analyser en temps réel les produits chimiques et leur empreinte dans l'environnement : c'est prévenir la pollution, en contrôlant le suivi direct des réactions chimiques. Il faut être capable de détecter et de quantifier la présence d'agents chimiques et biologiques réputés toxiques, même à l'état de traces.
Développer une chimie fondamentalement plus sûre : c'est choisir judicieusement les matières premières chimiques pour prévenir les accidents, explosions, incendies et les émissions de composés dangereux. La forme du produit chimique est en outre importante : une molécule gazeuse diffuse plus dans l'environnement que la même molécule sous forme solide...
Annexe 5 : Diagramme potentiel-pH de l'élément chlore ( C = 1 mol ⋅ L^(− 1) )
Annexe 6 : La loi de Nernst en terminale STL-SPCL
Extrait de programme
Oxydo-réduction
Réaction d'oxydo-réduction. Tests d'identification. Électrode de référence : électrode standard à hydrogène (ESH). Potentiel, potentiel standard. Relation de Nernst. Quotient de réaction, constante d'équilibre. Blocage cinétique. Titrages redox directs et indirects.
- Ecrire l'équation d'une réaction d'oxydo-réduction en milieu acide ou basique. - Connaître les tests d'identification des aldéhydes (liqueur de Fehling et miroir d'argent). - Définir l'électrode standard à hydrogène comme une demi-pile de référence permettant de déterminer le potentiel d'un couple redox correspondant à une autre demi-pile. - Déterminer le potentiel d'un couple donné en utilisant la relation de Nernst, la composition du système étant donnée. - Prévoir l'influence des concentrations sur la valeur du potentiel d'un couple. - Calculer une constante d'équilibre à partir des potentiels standard.
Activité : Vérification de la loi de Nernst ^6
Objectif : Vérifier la relation entre le potentiel d'un couple redox et la concentration des ions intervenant dans sa demi-équation électronique.
Nous choisissons de travailler avec le couple Ag^+/Ag_((s)).
DOCUMENT : Matériel et produits à disposition
-Béchers de 100 mL mol/L
-Fioles jaugées de 100,0 mL
-Pipettes jaugées de 10, 0 mL + propipette
-Potentiomètre + câbles
-Électrode d'argent
-Électrode de platine
Donnée : E^∘_(ECS) = 0, 245 V
1.Rédiger un protocole expérimental permettant de retrouver la relation mathématique existant entre la concentration et le potentiel du couple Ag^+(aq)/Ag(s).
2.Après concertation avec le professeur et le reste de la classe, réaliser les manipulations et mesures.
3.Noter vos mesures dans un tableau.
4.Tracer, à l'aide d'un logiciel de traitement des données, le graphe E_(Ag + /Ag) = f(log[Ag^+]).
5.Modéliser la courbe obtenue.
6.Imprimer la courbe et la modélisation.
7.Déduire de la modélisation le potentiel standard du couple Ag^+/Ag : E^∘(Ag^+/Ag).
8.Montrer que la loi de Nernst est vérifiée.
Annexe 7 : Activité d'analyse d'erreurs en classe de seconde
Analyse d'erreurs
Evaluation des connaissances
Mission
Votre mission : pour chaque question de l'évaluation, repérer la ou les erreurs dans la copie et expliquer en quoi ce sont des erreurs. Proposer les réponses correctes ou pistes d'amélioration. La réponse pourra prendre la forme d'un tableau.
Déroulement du travail :
Travailler en groupe de 4 : analyser la copie
Lors de la mise en commun, chaque groupe désignera un porte-parole chargé de présenter une erreur analysée à la classe.
Énoncé de l'évaluation
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre après l'oxygène et constitue 25,7 % de sa masse. En revanche, il n'est présent qu'en relativement faible quantité dans a matière constituant le vivant.
L'écriture conventionnelle de son noyau est la suivante: _(14)^(28)Si
Données :
Masse d'un nucléon : m_(nucléon) = 1, 67.10^(− 27) kg;
Rayon de l'atome : r_(atome) = 1, 1.10^(− 10) m;
Rayon du noyau : r_(noyau) = 3, 6.10^(− 15) m.
Questions :
1.Donner la composition du noyau de l'atome de silicium.
2.Calculer la masse d'un atome de silicium.
3.Comparer l'ordre de grandeur des rayons de l'atome de silicium et de son noyau.
4.Écrire la configuration électronique de l'atome de silicium.
Copie d'élève support de l'activité
1.La composition du noyau de l'atome est 28 protons et 14 électrons.
2.La masse d'un atome est égale à la somme de la masse de ses nucléons : m_(atome) = A × m_(nucléon).
Pour le silicium, il y a 28 nucléons, donc m_(atome) = 28 × 1, 67.10^(− 27) = 46, 76.10^(− 27). La masse d'un atome de silicium est de 4, 676.10^(− 28).
3.Pour calculer l'ordre de grandeur des rayons de l'atome de silicium, on fait (r_(noyau))/(r_(atome)) = (3, 6 ⋅ 10^(− 15))/(1, 1 ⋅ 10^(− 10)) = 3, 27 ⋅ 10^(− 5) m.
L'atome est alors 3, 27.10^(− 5) fois plus grand que son noyau.
^1 D'après C. Cabral Almada, Étude sur la dépolymérisation catalytique de la lignine en milieu oxydant, 2015
^2 Peroxodicarbonate as a Green Oxidizer for the Selective Degradation of Kraft Lignin into Vanillin, Zirbes et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202219217
^3 Ziogas et al, Peroxodicarbonate: Electrosynthesis and first directions to green industrial applications, Athanassios Ziogas et al, Current Research in Green and Sustainable Chemistry, 2022
Sur quels chapitres porte cette composition de chimie de l'agrégation interne 2026 ?
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Sur quels chapitres porte cette composition de chimie de l'agrégation interne 2026 ?
+
Elle porte sur les dosages spectrophotométriques, les équilibres acido-basiques, la synthèse organique, la cinétique chimique, les mécanismes réactionnels, l'électrochimie et les spectroscopies RMN et infrarouge, autour de l'étude de la vanilline.
Le sujet contient-il des questions de pédagogie en plus de la chimie ?
+
Oui, l'énoncé signale des questions pédagogiques repérées par l'indication QP, représentant environ vingt pour cent des points, en lien avec les programmes de STL-SPCL et de la voie générale.
Les trois parties du sujet sont-elles liées entre elles ?
+
Oui, elles s'articulent autour d'un même thème, la vanilline : son extraction et son dosage, ses différentes voies de synthèse, puis le contrôle de l'authenticité des produits qui en contiennent.
Quel est le thème général de ce sujet d'agrégation interne physique-chimie 2026 ?
+
Le sujet porte sur la vanilline, arôme principal de la vanille, étudiée sous l'angle de son extraction, de ses voies de synthèse industrielles et du contrôle de l'authenticité des produits vanillés.
Sujet proche avec corrigéCCINP Physique Chimie MP 2025CCINP · 2025Corrigé
