L'acide formique, Centres étrangers 2022 - Tle - Exercice type bac Physique-Chimie

L'acide formique

L'acide formique est l'une des rares espèces chimiques dont le nom d'usage dérive d'une espèce animale, cet acide étant secrété par les fourmis pour se défendre des agresseurs. De nos jours, il est synthétisé industriellement et participe à de nombreux usages.

Cet exercice est composé de 3 parties indépendantes :
Partie A : Un remède contre les piqûres de fourmi.
Partie B : Dosage d'un produit commercial à base d'acide formique.
Partie C : Synthèse d'un dérivé de l'acide formique utilisé dans l'industrie alimentaire.

Partie A - Un remède contre les piqûres de fourmis

Certaines espèces de fourmis peuvent mordre ou piquer l'épiderme et injecter leur venin qui est une solution aqueuse contenant de l'acide formique. Les piqûres de fourmis entraînent des rougeurs et des démangeaisons et peuvent également provoquer des allergies plus graves.
Afin de calmer les démangeaisons, un remède traditionnel consiste à frotter la partie irritée avec du carbonate de sodium, solide ionique de formule \ce{Na2CO3}, pour neutraliser l'acide formique.

Données :

Formule semi-développée de l'acide formique :

Couples acide/base :
Ion hydrogénocarbonate/ion carbonate \ce{HCO3^{-}} / \ce{CO3^{2-}}
Acide formique/ion formiate \ce{HCOOH} / \ce{HCOO^{-}}
Préfixes utilisés pour la nomenclature :

Nombre d'atomes de carbone	1	2	3	4	5
Préfixe	méth-	éth-	prop-	but-	pent-

Dans quelle proposition a-t-on correctement identifié le groupe caractéristique de la formule semi-développée de l'acide formique ?

Comment peut-on justifier le terme « acide » dans le nom de cette espèce chimique ?

Les molécules qui possèdent le groupe caractéristique carboxyle peuvent céder un proton, ce sont donc des acides.

Les molécules qui possèdent le groupe caractéristique carboxyle peuvent capter un proton, ce sont donc des acides.

Les molécules qui possèdent le groupe caractéristique carboxyle peuvent céder un électron, ce sont donc des acides.

Les molécules qui possèdent le groupe caractéristique carboxyle peuvent capter un électron, ce sont donc des acides.

Comment peut-on justifier que l'acide formique se nomme « acide méthanoïque » dans la nomenclature officielle ?

Le préfixe méth- est associé à la chaîne carbonée à un seul atome de carbone.

Le préfixe méth- est associé au groupe caractéristique carboxyle.

Le préfixe méth- est associé aux molécules qui possèdent deux atomes d'oxygène.

Le préfixe méth- est associé aux molécules qui possèdent des propriétés acides.

Quelle est l'équation de dissolution du carbonate de sodium dans l'eau ?

\ce{Na2CO3_{(s)}} \ce{->} 2 \ce{Na+_{(aq)}}+\ce{CO3^{2-}_{(aq)}}

\ce{Na2CO3_{(s)}} \ce{->} \ce{Na^{2+}_{(aq)}}+\ce{CO3^{2-}_{(aq)}}

\ce{Na2CO3_{(s)}} \ce{->} \ce{Na^{2+}_{(aq)}}+2\ce{CO3^{-}_{(aq)}}

\ce{Na2CO3_{(s)}} \ce{->} 2\ce{Na^{+}_{(aq)}}+2\ce{CO3^{-}_{(aq)}}

Quelle équation de réaction met en évidence le rôle de l'ion carbonate lors de l'utilisation de ce remède et quel est ce rôle ?

L'ion carbonate est une base, il peut donc réagir avec l'acide formique :
\ce{HCOOH} + \ce{CO3^{2-}} \ce{->} \ce{HCOO^{-}} +\ce{HCO3^{-}}

L'ion carbonate est un acide, il peut donc réagir avec l'acide formique :
\ce{HCOOH} + \ce{CO3^{2-}} \ce{->} \ce{HCOO^{-}} +\ce{HCO3^{-}}

L'ion carbonate peut dissoudre l'acide formique :
\ce{HCOOH} + \ce{CO3^{2-}} \ce{->} \ce{HC2O5^{2-}}

L'ion carbonate peut former de l'acide formique :
4 \ce{H^{+}} +\ce{CO3^{2-}} \ce{->} \ce{HCOOH}+\ce{H2O}

Partie B – Dosage d'un produit commercial contenant de l'acide formique

On se propose de vérifier la qualité d'une solution aqueuse commerciale S_0, contenant de l'acide formique, préconisée dans la lutte contre le varroa qui est un parasite tenu pour responsable de l'affaiblissement des colonies d'abeilles.
L'étiquette du flacon de la solution commerciale porte l'indication « 65 % », qui est la valeur du pourcentage en masse d'acide formique contenu dans la solution commerciale.
On souhaite vérifier cette valeur en réalisant un titrage par suivi pH-métrique.

Données :

Pictogramme visible sur le flacon d'acide formique :

Densité de la solution S_0 d'acide formique : d = 1{,}15 ;
Masse volumique de l'eau : \rho_{\text{eau}} = 1 \text{ g.mL}^{-1} ;
Masse molaire moléculaire de l'acide formique : M= 46{,}0 \text{ g.mol}^{-1} ;
Couples acide/base : \ce{HCOOH} / \ce{HCOO^{-}} et \ce{H2O} / \ce{HO^{-}}.

Concentration de la solution commerciale

Montrer que, si l'indication « 65 % » donnée sur l'étiquette est exacte, la concentration en acide formique de la solution commerciale a pour valeur C_0= 16{,}3 \text{ mol.L}^{-1}.

Il y 748 g d'acide formique dans 1 000 mL de solution, soit une concentration : C=\dfrac{n_{(\ce{HCOOH})}}{V_S}=\dfrac{m_{(\ce{HCOOH})}}{M_{(\ce{HCOOH})} \times V_S}=\dfrac{748}{46{,}0 \times 1{,}000}=16{,}3 \text{ mol.L}^{-1}

Il y 748 g d'acide formique dans 1 000 mL de solution, soit une concentration : C=\dfrac{n_{(\ce{HCOOH})}}{V_S}=\dfrac{m_{(\ce{HCOOH})}}{M_{(\ce{HCOOH})} \times V_S}=\dfrac{0{,}748}{46{,}0 \times 1 \ 000}=16{,}3 \text{ mol.L}^{-1}

Il y 65 g d'acide formique dans 1 000 mL de solution, soit une concentration : C=\dfrac{n_{(\ce{HCOOH})}}{V_S}=\dfrac{m_{(\ce{HCOOH})}}{M_{(\ce{HCOOH})} \times V_S}=\dfrac{65}{46{,}0 \times 1 \ 000}=16{,}3 \text{ mol.L}^{-1}

Quelle règle de sécurité faut-il respecter lors de l'utilisation de cette solution commerciale ?

Porter une blouse, des gants et des lunettes.

Porter une blouse, des gants et des lunettes et éloigner toute source de chaleur.

Éloigner toute source de chaleur et manipuler sous la hotte.

Manipuler sous la hotte et éviter toute inhalation.

Préparation de la solution à doser

Pour effectuer le titrage, on dispose d'une solution aqueuse titrante d'hydroxyde de sodium (\ce{Na+}_{(\text{aq})}+\ce{HO^{-}}_{(\text{aq})}) de concentration en soluté apporté C_B = 1{,}00.10^{-1} \text{ mol.L}^{-1}.

Quelle est la réaction support du dosage ?

\ce{HCOOH_{(aq)}} + \ce{HO^{-}_{(aq)}} \ce{->} \ce{HCOO^{-}_{(aq)}} +\ce{H2O_{(l)}}

\ce{HCOO^{-}_{(aq)}} +\ce{H2O_{(l)}} \ce{->} \ce{HCOOH_{(aq)}} + \ce{HO^{-}_{(aq)}}

\ce{HCOOH_{(aq)}} + \ce{HO^{-}_{(aq)}} \ce{->} \ce{HCOO^{-}_{(aq)}} +\ce{H3O+_{(aq)}}

\ce{HCOO^{-}_{(aq)}} +\ce{H3O+_{(aq)}} \ce{->} \ce{HCOOH_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}

Quelle est l'équivalence et, par déduction, le volume V_{B0\text{eq}} de solution d'hydroxyde de sodium qu'il faudrait verser à l'équivalence pour doser un volume V_A = 10 \text{ mL} de solution commerciale S_0 ? Commenter la valeur de V_{B0eq}.

À l'équivalence :
\dfrac{n(\ce{HCOOH, i})}{1} = \dfrac{n(\ce{HO^{-}, éq})}{1}
Ce qui permet d'écrire :
V_{B0eq} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B }= \dfrac{16{,}3 \times 10.10^{-3}}{1{,}00.10^{-1} } = 1{,}6 \text{ L}

Ce volume étant beaucoup trop important, il est nécessaire de diluer la solution d'acide formique avant de la titrer.

À l'équivalence :
\dfrac{n(\ce{HCOOH, i})}{1} = \dfrac{n(\ce{HO^{-}, éq})}{1}

Ce qui permet d'écrire :
V_{B0eq} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B }= \dfrac{16{,}3 \times 10}{1{,}00.10^{-1} } = 1 \ 600 \text{ L}

Ce volume étant beaucoup trop important, il est nécessaire de diluer la solution d'acide formique avant de la titrer.

À l'équivalence :
\dfrac{n(\ce{HCOOH, i})}{1} = \dfrac{n(\ce{HO^{-}, éq})}{2}

Ce qui permet d'écrire :
V_{B0eq} = \dfrac{C_0 \times V_A}{2 \times C_B }= \dfrac{16{,}3 \times 10.10^{-3}}{2 \times 1{,}00.10^{-1} } = 0{,}8 \text{ L}

Ce volume étant beaucoup trop important, il est nécessaire de diluer la solution d'acide formique avant de la titrer.

À l'équivalence :
\dfrac{n(\ce{HCOOH, i})}{1} = \dfrac{n(\ce{HO^{-}, éq})}{2}

Ce qui permet d'écrire :
V_{B0eq} = \dfrac{C_0 \times V_A}{2 \times C_B }= \dfrac{16{,}3 \times 10}{2 \times 1{,}00.10^{-1} } = 800 \text{ L}

Ce volume étant beaucoup trop important, il est nécessaire de diluer la solution d'acide formique avant de la titrer.

Quelle proposition montre qu'une dilution au 100^e de la solution S_0 permet de réaliser le dosage de V_A = 10{,}0 \text{ mL} de
cette solution diluée notée S_1, avec un volume à l'équivalence V_{B1\text{eq}} compris entre 15 mL et 20 mL ?

V_{B1\text{eq}} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B } = \dfrac{0{,}163 \times10.10^{-3}}{1{,}00.10^{-1}}=0{,}016 \text{ L}=16 \text{ mL}

V_{B1\text{eq}} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B } = \dfrac{0{,}163 \times10.10^{-3}}{1{,}00.10^{-1}}=0{,}019 \text{ L}=19 \text{ mL}

V_{B1\text{eq}} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B } = \dfrac{1{,}00.10^{-1} \times10.10^{-3}}{0{,}163}=0{,}019 \text{ L}=19 \text{ mL}

V_{B1\text{eq}} = \dfrac{C_0 \times V_A}{C_B } = \dfrac{1{,}00.10^{-1} \times10.10^{-3}}{0{,}163}=0{,}016 \text{ L}=16 \text{ mL}

Mise en œuvre du titrage pH-métrique d'une solution diluée S₁ de S₀

On dose V_A = 10{,}0 \text{ mL} d'une solution diluée S_1 de concentration C_1=\dfrac{C_0}{100}, où C_0 est la concentration de la solution S_0, à l'aide de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium précédente.

On obtient la courbe \text{pH}=f(V_B) suivante, où V_B est le volume de la solution d'hydroxyde de sodium versée :

$Évolution du pH en fonction du volume versé d'hydroxyde de sodium $\displaystyle{V_B}$$

Évolution du pH en fonction du volume versé d'hydroxyde de sodium V_B

Parmi les propositions suivantes, laquelle correspond au schéma annoté du dispositif utilisé pour réaliser ce titrage ?

D'après la courbe \text{pH}=f(V_B), la solution d'acide formique S_0 est-elle bien une solution à 65 % ? Déterminer le volume équivalent et commentez l'écart éventuel avec cette valeur.

Partie C - Synthèse d'un dérivé de l'acide formique utilisé dans l'industrie alimentaire : le formiate d'éthyle

Le formiate d'éthyle est un ester éthylique dérivé de l'acide formique. Il est utilisé comme colorant alimentaire. Sa formule brute est \ce{C3H6O2}. Sa synthèse est mise en œuvre selon le schéma suivant :
\text{Acide formique} + \text{éthanol} \ce{->}\text{formiate d'éthyle} + \text{eau}

Dans cette partie C, on analyse un protocole expérimental afin de déterminer le rendement et la pureté du produit obtenu.

Données :

Espèce chimique	Masse molaire (\text{ g.mol}^{-1})	Masse volumique (\text{ g.mL}^{-1})	Température d'ébullition (\text{ °C})	Solubilité dans l'eau	Solubilité dans l'éthanol
Acide formique	46	1,22	100,7	Grande	Faible
Éthanol	46	0,81	78,0	Grande	***
Formiate d'éthyle	74	0,92	54,5	Faible	Faible
Eau	18	1,00	100,0	***	Grande

Réalisation de la synthèse

Protocole :

Placer dans un ballon, sous agitation, 20 mL d'acide formique et 20 mL d'éthanol.
Ajouter goutte à goutte 2 mL d'acide sulfurique concentré qui joue le rôle de catalyseur.
Réaliser le montage de la figure 1 ci-dessous puis chauffer le mélange à ébullition douce.

Observation :
Quand les premières gouttes de distillat tombent dans l'erlenmeyer, la température \theta en tête de colonne a pour valeur : \theta = 55 \text{ °C}.

Figure 1. Schéma du montage

Quel est le rôle d'un catalyseur comme l'acide sulfurique dans cette synthèse ?

Un catalyseur permet d'augmenter la vitesse d'une réaction chimique.

Un catalyseur permet d'augmenter le rendement d'une réaction chimique.

Un catalyseur permet de diminuer le rendement d'une réaction chimique.

Un catalyseur permet de diminuer la vitesse d'une réaction chimique.

Quelle proposition correspond à une raison pour laquelle il est nécessaire de chauffer lors de cette synthèse ?

La température est un facteur cinétique : l'augmenter permet d'augmenter la vitesse d'une réaction chimique.

La température est un facteur thermodynamique : l'augmenter permet d'augmenter la vitesse d'une réaction chimique.

La température est un facteur cinétique : l'augmenter permet d'augmenter le rendement d'une réaction chimique.

La température est un facteur thermodynamique : l'augmenter permet d'augmenter le rendement d'une réaction chimique.

Rendement de la synthèse

Quelle proposition montre que les quantités initiales de réactifs sont égales à : n_{\text{i acide formique}}=0{,}53 \text{ mol} et n_{\text{i éthanol}}=0{,}35 \text{ mol} ?

n_{\text{i, acide formique}}=\dfrac{1{,}22 \times 20{,}0}{46}=0{,}53 \text{ mol}
n_{\text{i, éthanol}}=\dfrac{0{,}81 \times 20{,}0}{46}=0{,}35 \text{ mol}

n_{\text{i, acide formique}}=\dfrac{20{,}0}{1{,}22 \times 46}=0{,}53 \text{ mol}
n_{\text{i, éthanol}}=\dfrac{ 20{,}0}{0{,}81 \times46}=0{,}35 \text{ mol}

n_{\text{i, acide formique}}=\dfrac{1{,}22 \times 46}{20}=0{,}53 \text{ mol}
n_{\text{i, éthanol}}=\dfrac{0{,}81 \times 46}{20}=0{,}35 \text{ mol}

n_{\text{i, acide formique}}=\dfrac{ 46}{1{,}22 \times20}=0{,}53 \text{ mol}
n_{\text{i, éthanol}}=\dfrac{ 46}{0{,}81 \times20}=0{,}35 \text{ mol}

Quel est l'intérêt d'utiliser un réactif en excès pour la synthèse du formiate d'éthyle ?

Augmenter le rendement d'une réaction non totale

Diminuer le rendement d'une réaction non totale

Augmenter la vitesse d'une réaction non totale

Diminuer la vitesse d'une réaction non totale

Quelle est la quantité de matière maximale de formiate d'éthyle formée si on suppose que la réaction est totale ?

0{,}35 \text{ mol}

0{,}53 \text{ mol}

0{,}70 \text{ mol}

1{,}06 \text{ mol}

Expérimentalement, on obtient un distillat de masse m = 22{,}5 \text{ g}.
On suppose que le distillat est composé uniquement d'ester.

Par déduction, quelle est la quantité de matière d'ester obtenue ?

0{,}30 \text{ mol}

0{,}15 \text{ mol}

0{,}45 \text{ mol}

0{,}60 \text{ mol}

Dans quelle proposition a-t-on exprimé puis calculé le rendement r de cette synthèse ?

r=\dfrac{n_{\text{formée, formiate d'éthyle}}}{n_{\text{max, formiate d'éthyle}}}=\dfrac{0{,}30}{0{,}35}=0{,}86

r=\dfrac{n_{\text{max, formiate d'éthyle}}}{n_{\text{formée, formiate d'éthyle}}}=\dfrac{0{,}35}{0{,}30}=1{,}16 \text{ mol}

r=\dfrac{n_{\text{max, formiate d'éthyle}}}{2}=\dfrac{0{,}35}{2}=0{,}175

r=\dfrac{n_{\text{formée, formiate d'éthyle}}}{2}=\dfrac{0{,}30}{2}=0{,}15 \text{ mol}

Comment peut-on justifier l'intérêt du montage utilisé pour favoriser le rendement de la synthèse ?

En éliminant du milieu réactionnel l'espèce chimique qui a la température d'ébullition la plus faible, on empêche la réaction de se produire en sens inverse, ce qui augmente le rendement de la synthèse.

En éliminant du milieu réactionnel l'espèce chimique qui a la température d'ébullition la plus faible, on empêche la réaction de se produire en sens inverse, ce qui augmente la vitesse de la synthèse.

En éliminant du milieu réactionnel l'espèce chimique qui a la température d'ébullition la plus élevée, on empêche la réaction de se produire en sens inverse, ce qui augmente la vitesse de la synthèse.

En éliminant du milieu réactionnel l'espèce chimique qui a la température d'ébullition la plus élevée, on empêche la réaction de se produire en sens inverse, ce qui augmente le rendement de la synthèse.

On mesure le volume du distillat. On trouve V = 25{,}1 \text{ mL}.

Quelle est la masse volumique du distillat et quelle hypothèse peut-on émettre sur sa pureté ?

\rho_{\text{distillat}} = \dfrac{m}{V} = \dfrac{22{,}5}{25{,}1}=0{,}90 \text{ g.mL}^{-1} : on peut supposer que le distillat n'est pas pur.

\rho_{\text{distillat}} = \dfrac{V}{m} = \dfrac{25{,}1}{22{,}5}=1{,}11 \text{ g.mL}^{-1} : on peut supposer que le distillat n'est pas l'ester attendu.

\rho_{\text{distillat}} =m \times V = 25{,}1 \times 22{,}5=1{,}11 \text{ g.mL}^{-1} : on peut supposer que le distillat est pur.

\rho_{\text{distillat}} =m \times V = 25{,}1 \times 22{,}5=0{,}90 \text{ g.mL}^{-1} : on peut supposer que le distillat est pur.

Le spectre IR du distillat est donné ci-dessous (figure 2) :

Figure 2. Spectre infrarouge du produit obtenu (distillat)

À partir de l'analyse du spectre, en vous basant sur les 2 questions précédentes, l'hypothèse émise sur la pureté précédemment est-elle confirmée ou infirmée ? Préciser si la valeur du rendement obtenue précédemment doit être revue.

Données : bandes d'absorption en spectroscopie IR

Liaison

\ce{C=O}

\ce{O-H}

(acide carboxylique)

\ce{C-H}

\ce{O-H}

(alcool)

Nombre d'onde \text{cm}^{-1}

1 700 - 1 800
Bande forte et
fine

2 500 - 3 200
Bande forte et large

2 800 - 3 000

3 200 - 3 700
Bande forte et
large

La bande d'absorption très large entre 3 250 et 3 600 cm^-1 confirme que le distillat n'est pas pur et donc que le rendement est en réalité plus faible.

Les bandes d'absorption confirment que le distillat ne contient qu'un ester et donc que le distillat est pur. Le rendement est en réalité plus faible.

La bande d'absorption très large entre 3 250 et 3 600 cm^-1 confirme que le distillat n'est pas pur et donc que le rendement est en réalité plus élevé.

Les bandes d'absorption confirment que le distillat ne contient qu'un ester et donc que le distillat est pur. Le rendement est en réalité plus élevé.