Sucre et électrons : ce que demande l'exercice

Le deuxième exercice du Bac S 2016 Centres étrangers, noté sur 9 points, est le plus copieux de l'épreuve. Il part d'une molécule familière, le glucose, pour arriver à une application originale : une biopile capable d'alimenter un lecteur mp3. Trois parties s'enchaînent : la structure du glucose et sa cyclisation, l'oxydation catalysée par une enzyme, puis le calcul de durées de fonctionnement, dont l'une exige un dosage indirect. C'est un exercice de chimie organique, de cinétique et d'oxydoréduction à la fois.

Les passages clés, question par question

Structure du glucose et stéréoisomérie

En 1.1.1, on repère un groupe carbonyle, de fonction aldéhyde, et cinq groupes hydroxyle, de fonction alcool. En 1.1.2, le glucose possède 4 atomes de carbone asymétriques : ni le carbone 1, doublement lié à l'oxygène, ni le carbone 6, qui porte deux atomes d'hydrogène, n'en font partie. La question 1.1.3 se règle par une comparaison carbone par carbone : le mannose et le galactose ne diffèrent du glucose que par une partie de leurs carbones asymétriques, ce sont donc des diastéréoisomères et non des énantiomères.

Mécanisme de cyclisation

En 1.2.1, les électronégativités guident le raisonnement : l'oxygène du groupe hydroxyle est le site donneur, le carbone du groupe carbonyle protoné est le site accepteur. Les flèches courbes partent d'un doublet et pointent vers l'atome qui le reçoit. En 1.2.2, l'ion H⁺ est consommé à l'étape 1 et régénéré à l'étape 3 : il accélère la réaction sans figurer dans le bilan, c'est un catalyseur.

Oxydation du glucose et catalyse enzymatique

L'équation de 2.1 s'obtient en combinant les deux demi-équations après avoir égalisé les électrons : 2 C₆H₁₂O₆ + O₂ → 2 C₆H₁₀O₆ + 2 H₂O. En 2.2, la glucose oxydase n'apparaît pas dans l'équation, mais la concentration en dioxygène chute d'autant plus vite que l'enzyme est concentrée : c'est un catalyseur. En 2.3, la courbe sans enzyme part de 250 mmol·L^-1 et décroît très lentement, au-dessus de toutes les autres. En 2.4, on lit le temps de demi-réaction à 125 mmol·L^-1 : environ 65 s pour la concentration c, 100 s pour c/2, 120 s pour c/4, et plus de 180 s pour c/8. Les questions 2.5 et 2.6 en tirent deux conséquences : l'intensité du courant augmente avec la concentration en enzyme, et le fait que l'enzyme n'agisse que sur une seule forme du glucose illustre sa sélectivité.

Durées de fonctionnement de la biopile

En 3.1, 100 g de glucose représentent 0,556 mol ; avec 150 kJ par mole et une puissance de 150 mW, on obtient 5,56 × 10⁵ s, soit environ 154 h. La question 3.2 est un dosage indirect : le diiode restant se mesure grâce à la courbe d'étalonnage, on le retranche au diiode introduit pour obtenir le glucose de la prise d'essai, puis on ramène à un litre de jus. Le résultat est d'environ 1,2 × 10⁵ s, soit 33 h.

Les pièges à éviter

Ne trace pas une droite horizontale en 2.3 : un catalyseur modifie la durée de la transformation, pas son état final. En 2.4, la référence pour le temps de demi-réaction est l'état final, ici une concentration nulle en dioxygène. En 3.1, convertis 150 kJ en joules et 150 mW en watts. En 3.2, la concentration lue correspond à la fiole de 50 mL, et c'est le diiode restant qui est dosé, pas le diiode consommé.

Conseils pour réussir

Pour un dosage par excès, suis toujours la même trame : quantité introduite, quantité restante mesurée, différence, stœchiométrie, puis passage au volume demandé. Appuie chaque justification graphique sur des valeurs lues. Garde du temps pour la partie 3, qui rapporte beaucoup de points de raisonnement.