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D COMMENT LE CHIMISTE CONTRÔLE-T-IL LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE ?........

D COMMENT LE CHIMISTE CONTRÔLE-T-IL LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE ?..........................27 LES RÉACTIONS D’ESTÉRIFICATION ET D’HYDROLYSE............................................................................................................................27 Rappels sur la réactivité chimique.......................................................................................................................................27 Les groupes caractéristiques.............................................................................................................................................................27 Estérification et hydrolyse...................................................................................................................................................27 Etude expérimentale des réactions d’estérification et d’hydrolyse.....................................................................................28 Première expérience..........................................................................................................................................................................28 Deuxième expérience .......................................................................................................................................................................29 Equilibre des réactions d’estérification et d’hydrolyse......................................................................................................................29 Facteurs influençant la réaction..........................................................................................................................................29 La température..................................................................................................................................................................................29 La catalyse........................................................................................................................................................................................30 Ajout d’un réactif ou élimination d’un produit..................................................................................................................................30 DES EXEMPLES DE CONTRÔLE DE L’ÉVOLUTION DE SYSTÈMES CHIMIQUES ...............................................................................................30 Synthèse d’un ester à partir d’un anhydride d’acide...........................................................................................................30 Hydrolyse basique des esters...............................................................................................................................................31 Constitution des corps gras...............................................................................................................................................................31 Constitution des savons.....................................................................................................................................................................31 Préparation d’un savon.....................................................................................................................................................................32 Solubilité des savons ........................................................................................................................................................................32 Principe d’action d’un savon.............................................................................................................................................................32 Catalyse homogène, hétérogène et enzymatique..................................................................................................................33 Catalyse homogène...........................................................................................................................................................................33 Catalyse hétérogène..........................................................................................................................................................................33 Catalyse enzymatique.......................................................................................................................................................................33 NOTATIONS, UNITÉS ET VALEURS......................................................................................................................................................33 CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES.....................................................................................................................................34 26 D Comment le chimiste contrôle-t-il les transformations de la matière ? Les réactions d’estérification et d’hydrolyse Rappels sur la réactivité chimique Une formule chimique a du sens pour un chimiste, elle évoque des propriétés physiques et chimiques. Elle est un outil qui permet de rationaliser et de prévoir le comportement des espèces chimiques. Les liaisons C− C et C− H étant non polarisées, il en résulte que leur rupture est extrêmement difficile. Par ailleurs, le nuage électronique entre ces atomes ne se déforme pas facilement. En conséquence, les alcanes présentent une très grande stabilité chimique (ils ne sont pas attaqués par les acides forts et les oxydants forts). Cette absence de réactivité des chaînes hydrocarbonées explique que les diverses réactions observées en chimie organique font intervenir des groupes caractéristiques qui sont constitués d’autres atomes et qui donnent des propriétés particulières aux molécules. Les groupes caractéristiques  groupe se situant en bout de chaîne : aldéhyde  groupe contenu dans la chaîne carbonée : cétone  groupe - OH fixé sur un atome de carbone tétraédrique : alcool  groupe se situant en bout de chaîne : acide carboxylique Exemples Estérification et hydrolyse Un ester peut être obtenu par la réaction d'un acide carboxylique R− CO2H avec un alcool R’− OH selon l’équation bilan : R + R’− O− H = R + H− O− H Pour nommer l’ester, on cherche le nom de l’acide carboxylique dont il est issu. On supprime le mot acide puis on remplace la terminaison « oïque » par la terminaison « oate » que l’on fait suivre du nom du groupe alkyle − R’ 27 C O H O C C O OH O H propanal un aldéhyde une cétone butan-2-one un alcool OH éthanol O OH un acide carboxylique acide propanoïque O C O OH C O O− R’ acide carboxylique alcool ester eau Exemple L’hydrolyse est la réaction inverse de l’estérification : R + H2O = R + R’− OH Etude expérimentale des réactions d’estérification et d’hydrolyse Première expérience Equation bilan : OH H C COOH CH 5 2 3 + − = O H H COOC CH 2 5 2 3 + − On prépare, à froid, des ampoules bouchées contenant Les ampoules sont plongées dans un bain de température constante égale à 100 °C On déclenche le chronomètre. A l’instant t, on extrait une ampoule du bain et on introduit son contenu dans un bécher d’eau et de glace. On dose l’acide éthanoïque restant par une solution de soude. Courbe expérimentale 28 propanoate de méthyle C O OH C O O− R’ 1 mol. d’acide éthanoïque 1 mol. d’éthanol eau + glace + indicateur burette graduée contenant une solution d’hydroxyde de sodium temps (h) 50 100 150 200 0,67 0 0 Observations  la réaction d’estérification est limitée (il est impossible d’obtenir une mol d’ester)  la réaction d’estérification est lente Deuxième expérience Equation-bilan : O H H COOC CH 2 5 2 3 + − = OH H C COOH CH 5 2 3 + − On procède de la même façon que pour l’estérification. On prépare une série d’ampoules bouchées contenant : Les ampoules sont plongées dans un bain de température constante égale à 100 °C. Puis on dose l’acide éthanoïque formé par une solution de soude. Courbe expérimentale Observations  La réaction d’hydrolyse est lente  La réaction d’hydrolyse est encore plus limitée que la réaction d’estérification Equilibre des réactions d’estérification et d’hydrolyse Les deux réactions d’estérification et d’hydrolyse sont des réactions inverses l’une de l’autre. Elles se limitent mutuellement puisque lorsque l’estérification forme de l’ester et de l’eau, l’hydrolyse en détruit. Il résulte un équilibre chimique. Facteurs influençant la réaction La température 29 1 mol. d’éthanoate d’éthyle 1 mol. d’eau temps (h) nombre de mol. d’ester restant 50 100 150 200 0,67 0 0 1 courbes d’estérification et d’hydrolyse tracées sur le même graphique nombre de mol. d’ester temps hydrolyse estérification La température augmente la vitesse des deux réactions opposées mais ne modifie pas l’état d’équilibre du système. La catalyse Les effets de l’ajout d’une faible quantité d’un acide fort sont équivalents à ceux observés ci-dessus. Un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans figurer dans l’équation de la réaction et sans modifier l’état d’équilibre du système. Il ne modifie pas l'état d'équilibre du système car il accélère à la fois les réactions directes et inverses. Ajout d’un réactif ou élimination d’un produit Déplacer l’équilibre c’est faire évoluer le mélange vers un nouvel état d’équilibre où les proportions des constituants sont différentes :  un des réactifs est bon marché  un des produits est volatil L’excès de l’un des réactifs et / ou l’élimination de l’un des produits déplace l’état d’équilibre du système dans le sens direct. Le rendement ρ de la synthèse est donné par le quotient de la quantité finale d’ester obtenu par la quantité maximale d’ester attendu : ) ester ( n ) ester ( n max f = ρ Des exemples de contrôle de l’évolution de systèmes chimiques ... ... pris dans l’industrie chimique et dans les sciences de la vie Synthèse d’un ester à partir d’un anhydride d’acide Un choix judicieux des réactifs permet d'obtenir les produits attendus de façon plus rapide et avec un meilleur rendement L’anhydride d’acide résulte de l’élimination d’une molécule d’eau entre deux molécules d’acide carboxylique : On obtient son nom en écrivant le mot « anhydride » suivi de l’adjectif figurant dans le nom de l’acide correspondant. Pour les anhydrides non symétriques, les adjectifs sont placés dans l’ordre alphabétique. Exemples 30 ajout d’un excès d’alcool alcool + acide eau + ester sens de déplacement de l’équilibre élimination de l’ester par distillation alcool + acide eau + ester sens de déplacement de l’équilibre R – + R’ – C = R – C – O – C – R’ + H2O anhydride éthanoïque La réaction d’un anhydride d’acide avec un alcool donne un ester : Cette réaction peut être rapide. Par ailleurs, l’absence d’eau rend impossible la réaction inverse et l’avancement maximal est atteint. Hydrolyse basique des esters L’hydrolyse basique d'un ester est la réaction de l'ion hydroxyde en solution concentrée avec cet ester : R + OH − = R + R’− OH Cette réaction peut être rapide et l’avancement maximal est atteint. Constitution des corps gras Ce sont des triesters du glycérol (ou propan-1,2,3-triol) et des acides gras. Les acides gras sont des acides carboxyliques à chaîne non ramifiée (qui possèdent entre 4 et 22 atomes de carbone toujours en nombre pair, comportant éventuellement une ou plusieurs liaisons doubles de configuration Z). Exemples Constitution des savons Ce sont des mélanges de carboxylates dérivés d’acides gras à longue chaîne Exemples COONa ) CH ( CH 14 2 3 − − le palminate de sodium 31 anhydride éthanoïque et propanoïque R – C – O – C – R + R’ – OH = R – C R – C + anhydride d’acide alcool ester acide carboxylique C O O− C O O− R’ ester ion hydroxyde ion carboxylate alcool O O O triester du glycérol (ou triglycéride). Les groupements alkyles –R1, –R2, –R3 peuvent être identiques acide gras nommé acide butanoïque que l’on retrouve dans le beurre COOH CH CH CH 2 2 3 − − − acide gras nommé acide (Z)-octadéc-9-énoïque que l’on retrouve dans l’huile d’olive COOH ) CH ( CH CH ) CH ( CH 7 2 7 2 3 − − = − − COOK ) CH ( CH CH ) CH ( CH 2 7 2 3 − − = − − l’oléate de potassium Préparation d’un savon Application industrielle de l’hydrolyse basique d'un ester. Un savon s’obtient par saponification qui consiste à faire réagir la soude (ou la potasse) avec un corps gras. Cette réaction est totale. Equation-bilan La réaction conduit, en général, à un mélange de divers carboxylates qui constituent le savon. Solubilité des savons Un savon comporte une tête hydrophile (l’ion carboxylate qui est polaire) et une queue hydrophobe (la chaîne hydrocarbonée non polaire). Exemple Quand on ajoute du savon à l’eau, on obtient une solution contenant des agrégats dans lesquelles les chaînes hydrocarbonées sont orientées vers le centre tandis que les extrémités polaires forment la surface de contact avec l’eau. Les têtes uploads/Finance/ cours-chim-04-controler-les-transformations.pdf