TS Chimie L`arôme de banane Chimie organique

Page 1 sur 5
TS Chimie
L’arôme de banane
Chimie organique
- Enoncé –
L'arôme de banane est dû :
- soit à la présence d'extraits naturels de banane,
- soit à la présence d'un composé artificiel, l'acétate de butyle (ou éthanoate de butyle).
A. Première partie : questions préliminaires
L 'acétate de butyle a pour formule semi-développée:
1. À quelle famille de composés organiques appartient cette espèce chimique?
2. La synthèse de l'acétate de butyle (E) peut être réalisée à partir d'un acide carboxylique (A)
et d'un alcool (B). L'équation associée à la réaction modélisant la synthèse de E s'écrit : A + B = E
+ H2O.
Donner les noms et les formules semi-développées des composés A et B.
B. Deuxième partie : synthèse de l’acétate de butyle au laboratoire
On se propose de synthétiser au
laboratoire l'acétate de butyle (E) à
Données
partir des composés A et B et de
réaliser un suivi cinétique de cette
A
synthèse. Pour cela, dans un bécher
B
placé dans un bain d'eau glacée, on
E
introduit :
H 2O
- un volume VA d'acide carboxylique A,
- un volume VB = 9,2 mL d'alcool B,
- quelques gouttes d'acide sulfurique concentré.
Masse
molaires
(en g.mol-1)
60,0
74,0
116,0
18,0
Masses
volumiques
(en g.mL-1)
1,05
0,81
0,87
1,00
Températures
d’ébullition
(en °C)
118,2
117,7
126,5
100,0
1. Indiquer pourquoi il est nécessaire de placer initialement le bécher dans un bain d'eau glacée.
2. Justifier succinctement l'intérêt d'ajouter de l'acide sulfurique.
3. Sachant que le mélange initial {acide + alcool} est équimolaire, montrer que le volume d’acide
carboxylique est VA = 5,8 mL.
4. Déterminer l'avancement maximal xmax de la réaction dans ces conditions.
C. Troisième partie : suivi de la synthèse par titrage de l’acide restant
On répartit avec précision le mélange dans 10 tubes à essais placés préalablement dans un bain
d'eau glacée : chaque tube contient donc un dixième du volume du mélange initial. On munit
chaque tube d'un refrigérant à air et on place ensuite simultanément tous les tubes dans un bain
thermostaté à 100°C. On déclenche alors le chronomètre (instant de date t0 = 0 s).
Afin de réaliser un suivi temporel de la synthèse de l'acétate de butyle, on dose, à des dates
déterminées, la quantité de matière d’acides restants (acide sulfurique et acide carboxylique A)
dans chacun des tubes. Pour cela, on utilise une solution d’hydroxyde de sodium de concentration
molaire apportée cB = 1,0 mol. L-1, en présence d'un indicateur coloré. Avant chaque titrage, dès la
sortie du bain thermostaté, chaque tube est plongé dans un bain d'eau glacée.
Arôme de banane
Document : M.Moppert – CPF - Beyrouth
Page 2 sur 5
Une étude préalable a permis de connaître le volume de soude nécessaire au titrage de l'acide
sulfurique présent dans chacun des tubes.
Les résultats expérimentaux des titrages successifs sont donnés ci-dessous. On désigne par Véq
le volume de soude nécessaire au titrage de l'acide carboxylique seul.
t (en min)
Véq (en mL)
0
10,0
5
6,3
10
5,0
15
4,4
20
4,0
30
3,7
45
3,4
60
3,3
75
3,3
90
3,3
1. Comment l’indicateur coloré doit-il être choisi ? Quel est son rôle ?
2. Justifier, sans calcul, l'évolution au cours du temps du volume de soude à verser pour
atteindre l'équivalence.
3. L'équation chimique associée au titrage de l'acide carboxylique seul par la soude est la
suivante :
RCO2H(aq) + HO-(aq) = RCO2-(aq) + H2O(l)
a) Définir l'équivalence correspondant à ce titrage.
b) En raisonnant sur le contenu d'un tube, exprimer la quantité de matière nA d'acide
carboxylique présent dans un tube à un instant de date t en fonction de cB et Véq.
4. Pour la totalité du mélange initialement préparé :
a) Préciser la relation existant entre l'avancement x de la réaction de synthèse de l'ester et la
quantité de matière ne d'ester formée.
b) Montrer qu'à une date t donnée, l'avancement de cette réaction de synthèse de l'ester est
donné par la relation: x = xmax – 10.cB.Véq
D. Quatrième partie : évolution temporelle de l’avancement de la synthèse organique
À partir des résultats expérimentaux, il est donc possible d’ébaucher le graphe ci-dessous,
donnant l'évolution temporelle de l'avancement x de la réaction de synthèse pour le mélange
initial.
Arôme de banane
Document : M.Moppert – CPF - Beyrouth
Page 3 sur 5
1. Déterminer graphiquement la valeur xf de l'avancement final et calculer le taux d'avancement
final τ
2. Donner deux caractéristiques de la réaction étudiée.
3. Au bout d'une certaine durée, le système chimique est en état d'« équilibre dynamique».
Expliquer cette expression.
4. A partir des mêmes réactifs (acide carboxylique A et alcool B) et du même catalyseur :
a) Indiquer une méthode permettant d'accélérer la synthèse de l'acétate de butyle.
b) Indiquer une méthode permettant d'augmenter le taux d'avancement à l'équilibre.
5. Pour synthétiser l'acétate de butyle par une transformation chimique rapide et totale, il est
possible de remplacer l'acide carboxylique A par un de ses dérivés.
a) Donner le nom et la formule semi-développée de ce dérivé. A quelle famille appartient-il ?
b) Ecrire la nouvelle équation de synthèse.
Arôme de banane
Document : M.Moppert – CPF - Beyrouth
Page 4 sur 5
- Corrigé A. Première partie : questions préliminaires
1. À quelle famille de composés organiques appartient cette espèce chimique ?
Elle appartient à la famille des esters.
2. Donner les noms et les formules semi-développées des composés A et B.
A : acide éthanoïque – B : butan-1-ol
B. Deuxième partie : synthèse de l’acétate de butyle au laboratoire
On se propose de synthétiser au
laboratoire l'acétate de butyle (E) à
Données
partir des composés A et B et de
réaliser un suivi cinétique de cette
A
synthèse. Pour cela, dans un bécher
B
placé dans un bain d'eau glacée, on
E
introduit :
H 2O
- un volume VA d'acide carboxylique A,
- un volume VB = 9,2 mL d'alcool B,
- quelques gouttes d'acide sulfurique concentré.
Masse
molaires
(en g.mol-1)
60,0
74,0
116,0
18,0
Masses
volumiques
(en g.mL-1)
1,05
0,81
0,87
1,00
Températures
d’ébullition
(en °C)
118,2
117,7
126,5
100,0
1. Indiquer pourquoi il est nécessaire de placer initialement le bécher dans un bain d'eau glacée.
La température étant un facteur cinétique, le fait de mettre le bécher dans un bain d’eau glacée
ralentit très fortement la réaction chimique (trempe). Ainsi le chimiste pourra décider de
l'instant où débutera réellement la réaction.
2. Justifier succinctement l'intérêt d'ajouter de l'acide sulfurique.
L’acide sulfurique apporte des protons H+ qui servent de catalyseur à la réaction : ils augmentent
la vitesse de la réaction.
3. Sachant que le mélange initial {acide + alcool} est équimolaire, montrer que le volume d’acide carboxylique est
VA = 5,8 mL.
nA0 =
µ .V
µ .V .M
µA .VA
= nB0 = B B => VA = B B A
MA
MB
MB .µA
soit : VA =
0, 81 × 9,2 × 60, 0
= 5,8 mL
74, 0 × 1, 05
4. Déterminer l'avancement maximal xmax de la réaction dans ces conditions.
Le mélange est équimolaire et les réactifs sont dans les proportions stoechiométriques :
µ .V
1, 05 × 5, 8
xmax = nA0 = nB0 => xmax = A A soit : xmax =
= 1,0 x 10-1 mol
MA
60, 0
C. Troisième partie : suivi de la synthèse par titrage de l’acide restant
1. Comment l’indicateur coloré doit-il être choisi ? Quel est son rôle ?
L’indicateur coloré permet de déterminer l’équivalence. Sa zone de virage doit donc contenir le
pH à l’équivalence.
2. Justifier, sans calcul, l'évolution au cours du temps du volume de soude à verser pour atteindre l'équivalence.
Au cours de l’évolution de la réaction d’estérification, le volume d’acide diminue. La quantité, et
donc le volume de soude, nécessaire au dosage va donc en diminuant. Quand l’équilibre est atteint,
la quantité d’acide devient constante et le volume de soude nécessaire au dosage également.
Arôme de banane
Document : M.Moppert – CPF - Beyrouth
Page 5 sur 5
3. a) Définir l'équivalence correspondant à ce titrage.
A l’équivalence, la quantité d’ions hydroxyde apportés par la soude est égale à la quantité de
molécules d’acide éthanoïque initialement présentes au début du dosage.
b) En raisonnant sur le contenu d'un tube, exprimer la quantité de matière nA d'acide carboxylique présent dans un
tube à un instant de date t en fonction de cB et Véq.
n(HO-)éq = nA => nA = cB.Véq
4. a) Pour la totalité du mélange initialement préparé, préciser la relation existant entre l'avancement x de la
réaction de synthèse de l'ester et la quantité de matière ne d'ester formée.
Les réactifs sont dans les proportions stoechimoétriques et le mélange est équimolaire : x = ne
b) Montrer qu'à une date t donnée, l'avancement de cette réaction de synthèse de l'ester est donné par la
relation:
x = xmax – 10.cB.Véq
Le mélange initial ayant été réparti entre les 10 tubes, la quantité d’acide restante totale
est : nA(tot) = 10.nA = 10.cB.Véq. A une date t donnée : nA(tot) = nA0 - x => x = nA0 - nA(tot) => x = xmax –
10.cB.Véq
D. Quatrième partie : évolution temporelle de l’avancement de la synthèse organique
1. Déterminer graphiquement la valeur xf de l'avancement final et calculer le taux d'avancement final τ.
Par lecture graphique : xf = 6,7 x 10-2 mol.
x
6, 7 × 10 −2
τ= f
soit : τ =
= 6,7 x 10-1 ou 67%
xmax
1, 0 × 10 −1
2. Donner deux caractéristiques de la réaction étudiée.
Cette réaction est lente (elle s’étale sur environ une heure) et limitée (τ < 1,0).
3. Au bout d'une certaine durée, le système chimique est en état d'« équilibre dynamique». Expliquer cette
expression.
A l’échelle macroscopique, les réactifs et les produits existent à quantités constantes. A l’échelle
microscopique, les deux réactions inverses l’une de l’autre continuent de se produire à la même
vitesse : elles annulent mutuellement leurs effets.
4. a) A partir des mêmes réactifs (acide carboxylique A et alcool B) et du même catalyseur, indiquer une méthode
permettant d'accélérer la synthèse de l'acétate de butyle.
Il est possible d’élever la température (facteur cinétique).
b) Indiquer une méthode permettant d'augmenter le taux d'avancement à l'équilibre.
Pour augmenter le rendement de l’estérification, il faut déplacer l’équilibre dans le sens direct.
Pour cela, on peut placer un réactif en excès ou éliminer l’un des produits au fur et à mesure qu’il
se forme (l’eau par exemple puisque c’est elle qui a la température d’ébullition la plus basse).
5. a) Pour synthétiser l'acétate de butyle par une transformation chimique rapide et totale, il est possible de
remplacer l'acide carboxylique A par un de ses dérivés. Donner le nom et la formule semi-développée de ce dérivé.
A quelle famille appartient-il ?
Il faut utiliser un anhydride d’acide : l’anhydride éthanoïque CH3 – C(O) – O – C(O) – CH3.
b) Ecrire la nouvelle équation de synthèse.
CH3 – C(O) – O –C(O) – CH3 + CH3–CH2–CH2–CH2 = CH3 – C(O) – O – CH2- CH2 – CH2 – CH3 + CH3 COOH
Arôme de banane
Document : M.Moppert – CPF - Beyrouth