L'hélianthine, de sa synthèse à son rôle d'indicateur coloré

Ce premier exercice du sujet de Centres étrangers 2015, noté sur 5 points, suit un colorant bien connu des élèves de terminale : l'hélianthine. La partie A décrit sa préparation au laboratoire, la partie B étudie sa couleur et sa zone de virage, puis se demande s'il aurait convenu pour un titrage de l'acide benzoïque. L'exercice mobilise la réaction acide-base, le réactif limitant, le diagramme de prédominance, la lecture d'un spectre UV-visible et le choix d'un indicateur coloré.

Partie A : préparer les réactifs de la synthèse

La première question est une question de vocabulaire : introduire un solide pur dans l'eau, c'est une dissolution, pas une dilution. Diluer consiste à ajouter du solvant à une solution déjà existante. La question de sécurité sur le nitrite de sodium demande de nommer chacun des trois pictogrammes (toxique, comburant, dangereux pour l'environnement) et d'associer à chacun une précaution concrète : gants, lunettes et blouse, éloignement des combustibles, récupération des déchets. Une liste d'équipements sans lien avec les dangers ne rapporte pas tous les points.

Pour mesurer les 20 mL d'acide chlorhydrique, l'éprouvette graduée de 25 mL suffit : le volume est donné sans grande précision et l'acide est en excès. La fiole jaugée sert à préparer une solution, pas à prélever. L'équation de formation de l'acide nitreux, NO₂⁻ + H₃O⁺ → HNO₂ + H₂O, s'écrit avec une flèche simple puisque la transformation est totale : c'est une réaction acide-base, avec transfert d'un ion H⁺.

La question 2.4 est un calcul de réactif limitant. Avec 2,0 × 10⁻² mol d'ions nitrite et 4,0 × 10⁻² mol d'ions oxonium, l'ion nitrite est limitant et l'on forme 2,0 × 10⁻² mol d'acide nitreux. Il ne suffit pas de calculer C₁V₁ : il faut comparer aux ions oxonium. Dans l'étape de diazotation, l'acide sulfanilique (1,0 g, soit 5,8 × 10⁻³ mol) est le réactif en défaut. Le piège consiste à oublier le troisième réactif, H₃O⁺, dont il ne reste que 2,0 × 10⁻² mol après la première étape.

Partie B : couleur et zone de virage

À pH = 5, supérieur au pKa de 3,7, la forme basique In⁻ prédomine. Son spectre présente un maximum d'absorbance vers 460 nm, dans le bleu : la solution prend la couleur complémentaire, jaune orangé. Deux erreurs reviennent souvent : donner la couleur absorbée, ou lire le spectre de la forme acide. La méthode tient en trois étapes : situer le pH par rapport au pKa, lire le maximum sur le spectre de la forme prédominante, prendre la couleur complémentaire sur l'étoile des couleurs.

La zone de virage théorique se déduit de la relation pH = pKa + log([In⁻]/[HIn]) : elle va de 2,7 à 4,7, soit pKa ± 1. Attention à ne pas inverser le quotient. Enfin, sur la courbe de titrage de l'acide benzoïque, le pH à l'équivalence vaut environ 8,5, très au-dessus de la zone de virage réelle de l'hélianthine (3,1 à 4,4) : elle changerait de couleur bien avant l'équivalence et ne convient donc pas.

Conseils pour réussir cet exercice

Justifie chaque choix de verrerie par la précision demandée, écris toujours la comparaison des quantités de matière pour désigner un réactif limitant, et respecte les chiffres significatifs des données. Pour un indicateur coloré, seule compte la position du pH à l'équivalence par rapport à la zone de virage, pas le pH initial ou final.