L'acide citrique, fil rouge d'un exercice de chimie complet

L'exercice 1 du bac S Asie 2018 (ancien programme) vaut 9 points, pour environ 1 h 30 de travail. Il part de la molécule d'acide citrique présente dans le citron, décrit son extraction au laboratoire, puis contrôle la pureté d'un détartrant du commerce par titrage. Trois parties s'enchaînent : propriétés acido-basiques, extraction et identification, titrage.

Partie 1 : un triacide et son diagramme de distribution

La question 1.1 demande la définition de Brönsted, puis la raison du mot « triacide » : la molécule porte trois groupes carboxyle, chacun pouvant céder un ion H+. Le piège est de compter aussi le groupe hydroxyle du carbone central, qui est celui d'un alcool et ne cède pas de proton dans l'eau. En 1.2 et 1.3, une méthode simple consiste à compter les groupes COO- de chaque représentation : la forme AH3 prédomine en milieu très acide, la forme A3- en milieu très basique, et les courbes du diagramme se succèdent de gauche à droite dans l'ordre AH3, AH2 -, AH 2- puis A 3-. À pH 2,5, on lit environ 80 % d'AH3 et 20 % d'AH2- ; la somme des pourcentages doit faire 100 %. En 1.5, le croisement des courbes (1) et (2) à pH 3,2 donne le pKa du premier couple, puisque pH = pKa quand les deux formes sont en concentrations égales. La question 1.6 conclut qu'il n'y a aucun carbone asymétrique : le carbone central porte deux groupes CH2-COOH identiques.

Partie 2 : extraire l'acide citrique du citron

L'ion citrate s'écrit C6H5O7 3- et le précipité Ca3(C6H5O7)2 : il faut trois ions calcium pour deux ions citrate afin d'assurer la neutralité. À pH inférieur à 1, très en dessous de 3,2, les ions citrate captent des ions H+ et redeviennent de l'acide citrique, si bien que le précipité disparaît. Pour l'ampoule à décanter, la justification attendue est la comparaison des densités : l'éthanoate d'éthyle (0,92) surnage au-dessus de l'eau, et c'est la phase organique qui contient l'acide citrique. En 2.4, le spectre infrarouge montre la bande large O-H d'acide carboxylique entre 2500 et 3200 cm-1 et la bande C=O vers 1700 cm-1 : il est compatible avec l'acide citrique, sans constituer une preuve absolue.

Partie 3 : titrage et pureté du détartrant

Le coefficient 3 devant HO- vient du caractère triacide. Le volume équivalent se lit au maximum de la courbe dérivée : VE = 16,4 mL. Le pH à l'équivalence, voisin de 8,5, est dans la zone de virage du rouge de crésol (7,2 à 8,8), qui passe du jaune au rouge ; le bleu de bromothymol virerait trop tôt. La question 3.4 repose sur un raisonnement par l'absurde : la quantité titrée vaut 2,7 × 10^-4 mol, ce qui imposerait 0,057 g d'acide monohydraté, plus que les 0,053 g pesés. La forme anhydre donne 0,052 g, soit environ 99 % en masse.

Pièges et conseils

Ne pas oublier le facteur 3 dans n = C × VE / 3 : sans lui, la masse calculée dépasse trois fois la pesée, ce qui doit alerter. Convertir VE en litres, garder deux chiffres significatifs et justifier chaque lecture graphique par une phrase. Les notions de carbone asymétrique et de représentation de Cram ne figurent plus au programme actuel, mais tout le reste de l'exercice constitue un excellent entraînement.