Oui
Acide-base
Synthèse organique
Équilibre et sens d'évolution
Sujet Bac Corrigé - Atropine - Amérique du Nord 2025 Jour 2 bis - Ex 1 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2025
Terminale spécialité
💊 De l'ampoule injectable jusqu'à sa synthèse au laboratoire, l'atropine sert de fil conducteur à l'exercice 1 du bac 2025 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 2 bis), sur 9 points.
- Acide-base et concentrations : diagramme de prédominance, pH, quantité de matière et volume d'ampoule.
- Identification : spectre infrarouge et protocole de chromatographie sur couche mince.
- Oxydoréduction et synthèse : demi-équations, estérification, reflux, catalyseur, quotient de réaction et Dean-Stark.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé, question par question, sont gratuits en PDF, avec les méthodes et les pièges à éviter.
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Corrigé interactif · 15 questions
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Q1Construire le diagramme de prédominance du couple acide/base de l'atropine.
Données utiles couple CX17HX23OX3NHX+/CX17HX23OX3N ; pKa=9,8
Indice Un diagramme complet comporte l'axe fléché nommé pH, la valeur du pKa à la frontière et la formule de chaque espèce dans son domaine. L'acide est toujours du côté des pH faibles.
Sur un axe gradué en pH, la frontière est placée à pH=pKa=9,8.
Pour pH<9,8, l'acide CX17HX23OX3NHX+ prédomine ; pour pH>9,8, c'est la base CX17HX23OX3N.
Acide CX17HX23OX3NHX+ à gauche de pKa=9,8, base CX17HX23OX3N à droite (voir le diagramme).
Diagramme de prédominance du couple de l'atropine
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Q2Préciser sous quelle forme, acide ou basique, l'atropine est présente dans l'ampoule.
Données utiles pH de l'ampoule voisin de 4,0 ; pKa=9,8
Dans l'ampoule, pH=4,0<pKa=9,8 : la solution se situe dans le domaine de prédominance de l'acide.
L'atropine est présente sous sa forme acide CX17HX23OX3NHX+.
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Q3Calculer la concentration en quantité de matière des ions oxonium [HX3OX+] de la solution contenue dans l'ampoule.
Données utiles pH=4,0 ; c∘=1,0 mol⋅L−1
Par définition, pH=−log(c∘[HX3OX+]), donc [HX3OX+]=c∘×10−pH.
[HX3OX+]=1,0×10−4,0
[HX3OX+]=1,0×10−4 mol⋅L−1
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Q4Calculer la concentration en quantité de matière CA d'atropine dans l'ampoule, puis vérifier que la quantité de matière nA est voisine de 1,7×10−6 mol.
Données utiles CmA=25 mg⋅L−1 ; MA=289,4 g⋅mol−1 ; VA=20 mL
Indice Pour nA, reprendre la valeur non arrondie de CA gardée par la calculatrice ; on n'arrondit qu'au résultat final.
Concentration en masse et concentration en quantité de matière sont liées par CmA=CA×MA, donc CA=MACmA.
CA=289,425×10−3=8,6×10−5 mol⋅L−1
Quantité de matière dans l'ampoule : nA=CA×VA.
nA=289,425×10−3×20×10−3=1,7×10−6 mol
CA=8,6×10−5 mol⋅L−1 et nA=1,7×10−6 mol : la valeur annoncée est vérifiée.
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Q5Calculer le volume VB de l'ampoule de concentration CB pour que la quantité de matière nB d'atropine soit égale à nA.
Données utiles CB=1,7×10−3 mol⋅L−1 ; nA=1,7×10−6 mol (Q4)
On veut nB=nA, avec nB=CB×VB, donc VB=CBnA.
VB=1,7×10−31,7×10−6=1,0×10−3 L
VB=1,0×10−3 L=1,0 mL
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Q6Identifier, parmi les quatre molécules citées dans les données, celle qui est compatible avec le spectre infrarouge de la figure 1.
Données utiles table infrarouge : O–H alcool lié 3200–3400 cm⁻¹ (forte, large) ; C–H alcane 2800–3000 cm⁻¹ ; C=O cétone 1650–1730 cm⁻¹ (forte, fine)
Indice Chercher d'abord la zone au-delà de 3000 cm−1 (présence ou absence de O–H), puis la zone autour de 1700 cm−1 (C=O). L'absence d'une bande est un argument aussi fort que sa présence.
Le spectre ne montre aucune bande forte et large entre 3200 et 3700 cm−1 : la substance ne possède pas de liaison O–H. L'acide tropique, le tropanol et l'atropine, qui portent tous un groupe –OH, sont donc écartés.
Le spectre présente en revanche une bande forte et fine vers 1700 cm−1, dans l'intervalle de la liaison C=O d'une cétone, et des bandes vers 2900 cm−1 (liaisons C–H).
La substance testée est la tropinone, seule des quatre molécules sans liaison O–H et pourvue d'un groupe carbonyle de cétone.
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Q7Décrire le protocole expérimental général d'une identification par chromatographie sur couche mince (CCM) sur plaque de gel de silice, en dix lignes au maximum.
1) Tracer au crayon, à environ 1 cm du bas de la plaque, une ligne de dépôt.
2) À l'aide de capillaires, déposer sur cette ligne une microgoutte de la substance à identifier et, à côté, une microgoutte de chaque espèce de référence (tropanol, tropinone, atropine) en solution.
3) Placer la plaque dans une cuve contenant un peu d'éluant, la ligne de dépôt restant au-dessus du niveau du liquide ; fermer la cuve.
4) Laisser l'éluant migrer par capillarité ; sortir la plaque quand le front arrive près du haut, repérer ce front au crayon, sécher.
5) Révéler les taches si elles sont incolores (lampe UV ou révélateur chimique).
6) Comparer les hauteurs de migration : une tache à la même hauteur que celle d'une référence identifie la substance.
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Q8Écrire la demi-équation électronique du couple tropanol-tropinone.
Données utiles couple CX8HX13ON/CX8HX15ON
Indice Ordre d'équilibrage : éléments autres que O et H, puis O avec HX2O, puis H avec HX+, enfin la charge avec des électrons. Vérifier les charges : 0+2−2=0.
Le couple s'écrit oxydant/réducteur : la tropinone CX8HX13ON est l'oxydant, le tropanol CX8HX15ON le réducteur. Les éléments C, O et N sont déjà équilibrés ; on ajoute 2HX+ pour l'hydrogène, puis 2eX− pour la charge.
CX8HX13ON+2HX++2eX−=CX8HX15ON
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Q9En notant TRI/TRI-H le couple d'oxydoréduction de l'enzyme, établir l'équation de la réaction modélisant la transformation entre l'enzyme et la tropinone.
Données utiles demi-équation de la tropinone (Q8)
La tropinone, oxydant, est réduite : elle réagit avec le réducteur du couple de l'enzyme, c'est-à-dire TRI-H (l'énoncé parle de « l'enzyme TRI », mais TRI est l'oxydant du couple).
Oxydation de l'enzyme : TRI−H=TRI+HX++eX− (×2)
Réduction de la tropinone : CX8HX13ON+2HX++2eX−=CX8HX15ON
On additionne de façon à échanger 2 électrons ; les 2HX+ se simplifient.
CX8HX13ON+2TRI−HCX8HX15ON+2TRI
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Q10Sur le document réponse, entourer et nommer les trois familles fonctionnelles présentes dans la molécule d'atropine.
Autour de l'atome d'azote, lié à trois atomes de carbone : famille des amines.
Le groupe −CO−OX− lié à deux chaînes carbonées : famille des esters.
Le groupe hydroxyle −OH porté par un carbone tétraédrique : famille des alcools.
Amine, ester et alcool (groupes entourés sur le document réponse).
Document réponse complété : les trois familles fonctionnelles de l'atropine
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Q11Compléter, sur le document réponse, l'équation de la réaction modélisant la synthèse proposée.
Données utiles CX9HX10OX3+CX8HX16ONX+CX17HX24OX3NX++…
Conservation des éléments : les réactifs apportent 17 C, 26 H, 4 O et 1 N ; l'espèce C en contient 17 C, 24 H, 3 O et 1 N. Il manque 2 H et 1 O, et la charge + est déjà conservée : D est une molécule d'eau.
CX9HX10OX3+CX8HX16ONX+CX17HX24OX3NX++HX2O
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Q12Le montage de synthèse repose sur un montage à reflux. Citer deux intérêts de ce dispositif expérimental.
Le chauffage porte le mélange à ébullition : la température, facteur cinétique, est élevée et la transformation est plus rapide.
Le réfrigérant vertical liquéfie les vapeurs, qui retombent dans le ballon : on chauffe longtemps sans perdre ni réactifs ni produits.
Deux intérêts : accélérer la transformation et éviter les pertes de matière.
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Q13Indiquer le rôle de l'acide sulfurique dans le milieu réactionnel.
L'acide sulfurique est ajouté en très petite quantité (quelques gouttes), pour accélérer la transformation, et il ne figure pas dans l'équation de la réaction : il n'est pas consommé.
L'acide sulfurique (par ses ions HX+) est un catalyseur.
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Q14Donner l'expression littérale de la constante d'équilibre K à l'aide des quantités de matière à l'équilibre nA, nB, nC et nD.
Ici l'eau est un produit de la réaction, pas le solvant : elle figure dans K par sa concentration. Toutes les espèces occupent le même volume V :
K=[A]eˊq×[B]eˊq[C]eˊq×[D]eˊq=VnA×VnBVnC×VnD
Les volumes (et les c∘) se simplifient.
K=nA×nBnC×nD
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Q15Justifier, à l'aide du quotient de réaction Qr, l'effet de l'utilisation de l'appareil de Dean-Stark sur le déplacement d'équilibre.
Données utiles K=nA×nBnC×nD (Q14)
Indice Tout déplacement d'équilibre se justifie ainsi : exprimer Qr, dire comment la modification le fait varier, comparer à K, conclure sur le sens d'évolution.
Le quotient de réaction a la même expression que K, hors équilibre : Qr=nA×nBnC×nD.
Le Dean-Stark retire l'eau dès qu'elle se forme : nD reste très faible, donc Qr reste inférieur à K.
Or, si Qr<K, le système évolue dans le sens direct, celui de la formation de l'atropine. L'état d'équilibre n'est jamais atteint tant qu'il reste des réactifs.
Qr<K en permanence : l'équilibre se déplace dans le sens direct, le rendement de la synthèse augmente.
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L'atropine, de l'ampoule au laboratoire : un exercice de 9 points
Le premier exercice du bac 2025 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 2 bis) est le plus lourd du sujet : 9 points sur 20 et une durée conseillée d'environ 1 h 35. Il prend pour fil conducteur l'atropine, une molécule utilisée en médecine, et balaie une grande partie du programme de chimie de terminale en 15 questions : couple acide-base, concentrations, spectroscopie infrarouge, chromatographie, oxydoréduction, puis synthèse par estérification et déplacement d'équilibre.
Acide-base et concentrations (Q1 à Q5)
On commence par le diagramme de prédominance du couple de l'atropine, de pKa 9,8 : l'acide à gauche, la base à droite. Un diagramme complet porte l'axe nommé pH, la valeur du pKa et la formule de chaque espèce. Dans l'ampoule, le pH voisin de 4,0 place l'atropine sous sa forme acide, ionique et soluble dans l'eau. Le calcul de la concentration en ions oxonium donne 1,0 × 10-4 mol/L. Viennent ensuite les conversions classiques : la concentration en masse de 25 mg/L divisée par la masse molaire donne CA = 8,6 × 10-5 mol/L, puis nA = 1,7 × 10-6 mol pour 20 mL. Une ampoule plus concentrée n'en demande qu'un volume de 1,0 mL. Le piège est d'oublier de passer en grammes et en litres.
Identifier une molécule (Q6 et Q7)
Le spectre infrarouge ne présente aucune bande large au-delà de 3200 cm-1 : pas de liaison O–H, ce qui écarte trois molécules. La bande forte et fine vers 1700 cm-1 signale le C=O d'une cétone : c'est la tropinone. L'absence d'une bande est un argument aussi fort que sa présence. La question suivante demande un protocole de chromatographie sur couche mince en dix lignes : ligne de dépôt au crayon, dépôts des références, élution sans immerger la ligne, révélation, comparaison des hauteurs de migration.
Oxydoréduction (Q8 et Q9)
La demi-équation du couple tropinone/tropanol s'équilibre avec deux ions H+ et deux électrons. Pour l'équation avec l'enzyme, il faut faire réagir la tropinone, oxydant, avec TRI-H, le réducteur du couple de l'enzyme, en multipliant sa demi-équation par 2. Associer deux oxydants est l'erreur à éviter.
Synthèse de l'atropine (Q10 à Q15)
Il faut entourer trois familles fonctionnelles dans la molécule : amine, ester et alcool, sans découper le groupe ester en cétone et éther. La conservation des éléments montre que l'espèce manquante de l'équation est l'eau : c'est une estérification. Le montage à reflux accélère la transformation sans perte de matière, et l'acide sulfurique joue le rôle de catalyseur. La constante d'équilibre s'écrit avec les quantités de matière, l'eau comprise puisqu'elle est un produit et non le solvant. Enfin, le Dean-Stark retire l'eau : le quotient de réaction reste inférieur à K et le système évolue dans le sens direct, ce qui améliore le rendement.
Conseils
Gardez les valeurs non arrondies dans la calculatrice et ne confondez pas vitesse et rendement : chauffage et catalyseur agissent sur la première, l'élimination de l'eau sur le second. Pour tout déplacement d'équilibre, exprimez Qr, dites comment il varie, comparez-le à K et concluez.