Travaux pratiques - Olympiades de chimie

OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE 2007
EPREUVE PRATIQUE REGIONALE
ACADEMIE DE NANCY-METZ
CHIMIE, TRANSPORT ET DEVELOPPEMENT DURABLE
Le sujet comporte deux parties :
- La nature source de matières premières organiques
- Développement et automobile
I – DEVELOPPEMENT DURABLE : LA NATURE PRODUCTEUR DE MATIERES
PREMIERES ORGANIQUES. SYNTHESE D'UN AROME.
La nature est ou a été la source de nombreuses matières premières organiques. On peut citer
de manière non limitative :
A) Les graisses et les huiles utilisées dans l’alimentation mais qui peuvent conduire à des
carburants (voir deuxième partie).
B) Les sucres et l’amidon utilisés également dans l’alimentation mais qui peuvent aussi
conduire à des carburants par fermentation alcoolique (obtention d’éthanol)
- Ecrire la formule de l’éthanol
- Que signifient les termes alcool absolu et alcool à 95 °C ?
- Peut-on obtenir de l’éthanol rigoureusement pur par distillation
C) Des colorants qui peuvent être extraits du monde animal et du monde végétal. On retrouve
une structure organique commune à beaucoup de colorants naturels. On peut citer par
exemple :
-
Les systèmes quinoniques qui colorent en général en rouge
OH
O
O
O
OH
O
JUGLONE
O
LAWSONE
OH
OH
O
ALIZARINE
-
la lawsone est extraite du héné. Quelle est l’application courante de ce colorant ?
la juglone est extraite de l’écorce du fruit de « juglans regia ». Quel est cet arbre très
courant ?
comment peut-on qualifier les deux molécules juglone et lawsone ?
de quelle plante est extraite l’alizarine ? Quelle était sa principale application ?
identifier à partir de ces trois molécules la structure quione.
-
Les systèmes à flavonoides donnant des coulorants dans le jaune.
La structure de base est la suivante :
O
O
FLAVONOIDES
-
-
-
Identifier trois fonctions présentes dans cette structure de base
Les colorants sont obtenus par substitution plus ou moins importante
des hydrogènes des cyclones par des groupes OH.
On peut, par exemple, extraire la quercitine. De quelle variété d’arbres
est extraite la quercitine ?
La quercitine est facilement observable à l’œil à une certaine saison.
Laquelle et pourquoi ?
Le système chalcone qui colore également en jaune.
CH
C
CH
O
CHALCONE
Une question sera posée plus loin sur cette structure.
D) Des arômes
a) Quelques arômes
-
la vanille, les propriétés de la vanille sont dues à cette molécule
O
HO
C
H
H3CO
VANILLE
-
identifier les trois fonctions présentes dans cette molécule.
-
la cannelle, l’aldéhyde cinnamique a une forte odeur de cannelle
O
H
C
C
H
C
H
ALDEHYDE CINNAMIQUE
-
quelle est la configuration de la double liaison ?
L’alcool cinnamique
CH
CH
CH2OH
a une odeur de jacinthe.
-
par quel type de réaction peut-on passer de l’aldéhyde cinnamique à l’alcool
cinnamique ?
L’alcool suivant
CH 2
CH 2
a une odeur de concombre.
-
quel est son nom en nomenclature systématique ?
CH 2 OH
L’acide cinnamique
CH
CH
COOH
est préparé à partir de benzaldéhyde et d’anhydride éthanoïque en présence d’une base faible.
-
donner les formules du benzaldéhyde et de l’anhydride éthanoïque.
Le benjoin est obtenu par réaction entre l’acide cinnamique et l’alcool cinnamique.
-
Ecrire l’équation – bilan de cette réaction
Quelle fonction a-t-on créée au cours de cette synthèse ?
Quelle est l’utilisation du benjoin ?
b) Synthèse d’un arôme : la cinnamone ou 1,5-diphénylpenta-1,4-diène-3-one.
1°) Principe
O
O
C
+
H3C
C
H
benzaldéhyde
milieu
basique
CH3
H
O
propanone
CH
benzaldéhyde
CH2
CH
C
CH2
O
OH
déshydratation
C
+
CH
C
CH
OH
CH
CH
O
produit cherché
2°) Mise en œuvre pratique
-
Préparation d’une solution hydro alcoolique de soude. Placer dans un erlen :
o 5 g de soude en pastille,
o 50 mL d’eau,
o 40 mL d’alcool à 95 °
Ajouter l’alcool lorsque la soude est en solution.
-
Préparation du mélange réactionnel dans un petit bécher.
o 5 mL de benzaldéhyde (éprouvette graduée)
o 3 mL de propanone (éprouvette graduée).
Placer ce mélange dans l’ampoule de coulée.
-
-
Placer l’erlen dans un bain marie à environ 25 °C
Ajouter lentement (environ 5 mn), en agitant à l’aide d’un agitateur magnétique,
la moitié du mélange réactionnel.
Attendre, tout en agitant, 15 minutes et ajouter lentement le reste du mélange
Poursuivre l’agitation 15 minutes
Filtrer le précipité sur filtre Buchner. Laver sur le filtre à l’eau froide
Sécher le produit sur papier filtre
Peser le produit sec en fin de séance
Déterminer le rendement des opérations. Pour cela, on calculera la masse théorique
sachant que le benzaldéhyde est le réactif limitant et que sa masse volumique est de
1,05 g/mL
Présenter votre produit sur un papier filtre avec votre nom.
c) Exercice de réflexion
En vous inspirant de la synthèse de la cinnamone, proposer une synthèse de la structure
chalcone qui se réalise dans les mêmes conditions (température 25°C et en milieu basique).
On se contentera de préciser les deux réactifs utilisés (autre que la base).
II – DEVELOPPEMENT DURABLE ET AUTOMOBILE
Dosage du glycérol, sous-produit de la synthèse du diester, en solution aqueuse.
A) La nature productrice de triglycérides
Les huiles et les graisses font partie de notre vie quotidienne. Les graisses (beurre, lard …)
sont plus ou moins solides à la température ambiante et les huiles (huile d’olive, de colza ….)
sont liquides, mais elles ont la même structure organique de base. Les huiles et les graisses
sont des triesters du glycérol et d’un acide gras. On les appelle des triglycérides.
-
Rappeler la formule du glycérol ou propan-1,2,3-triol.
Les acides « gras » sont des acides monocarboxyliques, généralement à chaine linéaire et à
nombre pair d’atomes de carbone. Les plus abondants sont l’acide palmitique en C16 et
l’acide stéarique en C 18.
-
Donner les formules de l’acide palmitique et de l’acide stéarique.
Les deux acides « gras » signalés plus haut sont des acides gras saturés. Certains acides gras
peuvent présenter une, deux, trois doubles liaisons. Ces doubles liaisons présentent, en
général, les caractéristiques suivantes :
-
la 1° double liaison se situe entre le 9° et le 10°C
la 2° entre le 12° et le 13° C
-
la 3° entre le 15° et le 16° C
la présence de la double liaison permet la possibilité d’une isomérie Z, E. La plupart
des acides gras insaturés sont en configuration Z (cis).
-
Avec ces indications représenter les trois acides gras insaturés suivants, en prenant
soin de numéroter la chaine et de détailler la double liaison :
-
acide oléique C18 et une double liaison,
acide linoléique C18 et deux doubles liaisons,
acide linoléique C18 et trois doubles liaisons.
Les points de fusion de quelques acides gras sont les suivants :
- acide stéarique
+ 78°C
- acide oléique
+ 13°C
- acide linoléique
- 5°C
- acide linolénique
- 11°C
- Quel est l’effet de la présence de double liaison sur le point fusion des acides gras ?
- Quels sont les acides gras présents de manière prépondérante dans les huiles, dans des
graisses ?
B) La réaction de transestérification
Cette réaction permet d’obtenir à partir d’un triglycéride (huile de colza) un carburant
automobile. Pour cela, on traite à chaud et en présence d’un catalyseur l’huile de colza par le
méthanol.
-
En supposant que l’huile de colza est constitué essentiellement de trioléate de
glycérile, écrire la réaction de transestérification.
Au cours de cette synthèse on obtient, entre autres, de l’oléate de méthyle.
-
Quel est le nom courant de ce produit ?
Est-ce un nom chimiquement correct ?
La synthèse donne un mélange complexe : oléate de méthyle, glycérol, méthanol en excès,
catalyseur. Pour séparer l’oléate de méthyle, on réalise différents lavages avec de l’eau.
L’oléate de méthyle est insoluble dans l’eau, alors que le glycérol et le méthanol sont très
solubles. On se propose de doser le glycérol dans la phase aqueuse afin de voir s’il est
possible de valoriser ce sous-produit de la réaction.
-
Citer deux applications courantes du glycérol.
La maîtrise de l’un des produits synthétisés à partir du glycérol permis à un chimiste du 19ème
siècle d’amasser une fortune considérable (80 usines sur tous les continents) et une notoriété
mondiale.
-
Quel est ce chimiste ?
Quel est ce produit et comment a-t-il été maîtrisé ?
Sous quel nom ?
C) Dosage du glycérol en solution aqueuse : utilisation de la réaction de MALAPRADE.
1°) Principe du dosage
L’acide périodique ou les périodates oxydent de façon sélective les polyols avec formation
d’aldéhydes et d’acides carboxyliques. Les mono alcools ou les poyols ne possédant pas deux
fonctions hydroxyles (OH) portées par deux atomes de carbone voisins ne s’oxydent pas dans
ces conditions.
Ce qui donne dans le cas du glycérol,
CH2 OH-CHOH-CH2OH + 2IO-4 = 2IO-3 + 2 HCHO + HCOOH + H20
La réaction est quantitative. Le dosage de l’acide méthanoique formé par la soude (dosage
acide base) permet le dosage du glycérol dans le mélange envisagé plus haut.
1 mole NaOH = 1 mole HCOOH = 1 mole de glycérol
2°) Mode opératoire
a) Etalonnage de la solution de soude NaOH
On dispose d’une solution de NaOH environ 0,2 mol/L et d’une solution acide sulfurique
exactement 0,1 mol/L.
Placer dans un erlan de 250 mL :
-
10 mL de la solution d’acide sulfurique,
Ajouter environ 20 mL d’eau,
3 gouttes de rouge de méthyle
Ajouter, à l’aide de la burette graduée, la solution de NaOH jusqu’au virage du rouge de
méthyle au jaune.
-
Noter le volume V de la solution de soude
Réaliser deux dosages concordants
En déduire la concentration exacte de la solution de soude.
b) Dosage du glycérol
Placer dans un erlen de 250 mL
-
10 mL de la solution à doser,
Environ 40 mL d’eau distillée et 3 gouttes de rouge de méthyle
Amener au VIRAGE EXACT du rouge de méthyle (disparition du rose) par quelques
gouttes de solution de soude, HORS MESURE.
Ajouter environ 2 g de périodate de potassium KIO4 et agiter pendant 15 minutes.
Doser l’acide méthanoique formé par la solution de soude étalonnée jusqu’au virage au jaune.
-
Noter le volume V’mL de solution de soude nécessaire,
Réaliser deux dosages concordants,
En déduire la concentration du glycérol dans les eaux de lavage en mol/L et en g/L.