Acide fumarique : un exercice complet de chimie pour réviser le bac

Cet exercice de 10 points, prévu pour environ 1 h 40, constitue la moitié de l'épreuve du bac S 2016 en Amérique du Nord. Il prend pour fil conducteur l'acide fumarique, présenté en gélules, et mobilise presque tout le programme de chimie : représentation des molécules, interactions entre molécules, acides et bases, titrage et incertitudes. C'est un excellent entraînement pour vérifier que l'on sait enchaîner des raisonnements variés sans perdre le fil.

Partie 1 : deux stéréoisomères aux propriétés très différentes

Les premières questions comparent l'acide fumarique (E) et l'acide maléique (Z). Il faut d'abord dessiner les formules topologiques en montrant que seule la disposition des groupes carboxyle autour de la double liaison change. On justifie ensuite qu'il s'agit de diastéréoisomères : stéréoisomères de configuration, mais pas images l'un de l'autre dans un miroir. Le piège est de donner la bonne réponse sans écarter explicitement l'énantiomérie.

Le sujet exploite ensuite les données : solubilités de 780 g/L et 6,3 g/L, températures de fusion de 131 °C et 287 °C. Un simple test de solubilité, avec environ 1 g de solide dans 10 mL d'eau, suffit à distinguer les deux acides. La question sur les liaisons hydrogène est centrale : dans l'acide maléique, les deux groupes voisins forment une liaison intramoléculaire, ce qui réduit le nombre de liaisons entre molécules et abaisse la température de fusion. Attention à ne pas écrire que la fusion casse les molécules : seules les interactions intermoléculaires sont rompues. Enfin, la polarité de l'eau se justifie par la polarisation des liaisons O–H et par la géométrie coudée de la molécule.

Partie 2 : un diacide faible

Après un protocole de dissolution à rédiger avec précision (pesée, fiole jaugée, ajustement au trait de jauge), on calcule la concentration apportée : C_A = 4,31 × 10^-2 mol/L. L'erreur fréquente consiste à laisser la masse en milligrammes ou le volume en millilitres. La comparaison entre le pH attendu pour un diacide fort, environ 1,1, et le pH mesuré de 2,4 montre que l'acide fumarique est un diacide faible. Le diagramme de prédominance, construit avec les pK_A de 3 et 4,4, permet de conclure que la forme AH₂ prédomine dans l'estomac, où le pH est voisin de 2.

Partie 3 : titrage et contrôle qualité

Le prélèvement se fait à la pipette jaugée, et le schéma du montage doit placer la solution titrante d'hydroxyde de sodium dans la burette. Par la méthode des tangentes parallèles, on lit V_E = 8,4 mL. Le calcul de la masse par gélule demande deux vigilances : le coefficient 2 devant HO^- et le facteur 10 entre la prise d'essai et la solution entière. On obtient environ 0,49 g. La comparaison des incertitudes relatives (1,0 %, 1,2 % et 3 %) désigne la concentration de la solution titrante comme principale source d'incertitude, et l'encadrement 0,47 g à 0,51 g est compatible avec les 500 mg annoncés. Le rouge de crésol, dont la zone de virage contient le pH à l'équivalence voisin de 8,5, est l'indicateur adapté.

Conseils pour réussir

Comparez toujours des grandeurs sans unité lorsque vous discutez des incertitudes, arrondissez l'incertitude par excès à un chiffre significatif, et concluez chaque calcul par une phrase qui répond à la question posée. Notez aussi que la stéréoisomérie Z/E et les notions d'énantiomérie relevaient de l'ancien programme : le reste de l'exercice demeure très utile pour les révisions actuelles.