La dissolution d'une coquille d'œuf : acide-base et titrage sur 5 points

L'exercice 4 du bac 2022 de physique-chimie en Asie (jour 2) vaut 5 points, soit environ 53 minutes. Il part d'une expérience simple : une coquille d'œuf, constituée de carbonate de calcium, se dissout dans le vinaigre en libérant des bulles de gaz. L'exercice étudie d'abord le vinaigre lui-même, par un titrage pH-métrique, puis la molécule d'acide éthanoïque, et enfin les réactions qui expliquent la dissolution. C'est un exercice de chimie très complet sur les réactions acide-base.

Le vinaigre et son titrage (Q1 à Q4)

Le pKa du couple acide éthanoïque / ion éthanoate vaut 4,8 ; le vinaigre a un pH voisin de 3, inférieur au pKa : c'est l'acide qui prédomine. Le schéma du montage doit faire apparaître la burette contenant la soude, le bécher contenant le vinaigre, l'agitateur magnétique et la sonde du pH-mètre ; inverser les solutions ou oublier le pH-mètre coûte des points. La réaction support du titrage, CH₃COOH + HO⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O, est totale. À l'équivalence, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques : avec un volume équivalent de 13,4 mL, on trouve c_a = 1,34 mol·L⁻¹, que l'on garde non arrondie pour la suite.

Vérifier le titre de 8° (Q5)

C'est la question la plus délicate. Le degré est un pourcentage massique : 1° correspond à 1 g d'acide pour 100 g de vinaigre. La méthode consiste à raisonner sur 1,00 L : la masse d'acide vaut c_a·V·M = 80,4 g, avec M = 60,0 g·mol⁻¹, et la masse de vinaigre vaut ρ·V = 1010 g. Le titre obtenu, 7,96, confirme les 8° de l'étiquette. Deux pièges : confondre 100 g et 100 mL de vinaigre, et reprendre la valeur arrondie de c_a, qui donnerait 7,7°.

Schéma de Lewis et spectre infrarouge (Q6 et Q7)

Le schéma de Lewis compte 8 doublets liants et 4 doublets non liants, soit les 12 doublets correspondant aux 24 électrons de valence : ce décompte est une vérification efficace. Pour identifier le spectre, la bande C=O vers 1700 à 1750 cm⁻¹ ne suffit pas, car elle apparaît sur les deux spectres. C'est la bande O–H très large entre 2600 et 3100 cm⁻¹, caractéristique d'un acide carboxylique, qui désigne le spectre 1.

Les réactions de dissolution (Q8 à Q11)

L'ion carbonate capte un ion H⁺ de l'acide éthanoïque et devient ion hydrogénocarbonate ; celui-ci en capte un second et donne du dioxyde de carbone et de l'eau. Ce gaz peu soluble forme les bulles observées sur la coquille. En additionnant la dissolution du carbonate de calcium et ces deux réactions, les ions intermédiaires se simplifient et l'on retrouve l'équation globale avec deux molécules d'acide éthanoïque. Pensez à contrôler la conservation des éléments et des charges. Enfin, l'ion hydrogénocarbonate est la base d'un couple et l'acide d'un autre : c'est une espèce amphotère.

Conseils pour réussir

Repérez dans chaque couple qui cède et qui capte l'ion H⁺ avant d'écrire une équation. Pour les questions de vérification, détaillez le raisonnement : c'est lui qui est noté, pas seulement la valeur finale.