Aurélie 27/11/06

Un biocarburant : le diester , d'après bac S Polynésie 09/2006

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Un biocarburant : le diester ( 6,5 points) : d'autres corrigés labolycee

" Diester est la contraction des mots Diesel et ester. Il est produit à partir de l'huile de colza, résultant de la trituration des graines de ce végétal. L'huile […] subit une transestérification par action du méthanol ; cette transformation peut être schématisée de la façon suivante : le trilinoléate de glycéryle de l'huile réagit avec le méthanol, il se forme du Diester et du glycérol.

Les caractéristiques du Diester (qui est en fait un monoester méthylique) sont très proches de celles du gazole, de sorte qu'il peut être utilisé dans les voitures de tourisme mélangé au gazole à hauteur de 5% et jusqu'à 50% dans les moteurs plus puissants.

L'ester d'huile de colza (ou Diester) est plus respectueux de l'environnement que le gazole seul, puisqu'il émet sensiblement moins de fumée et ne contient pratiquement pas de soufre.

Le dioxyde de carbone rejeté lors de la combustion des biocarburants correspond à la quantité absorbée lors de la croissance des végétaux. Il n'augmente donc pas l'effet de serre. De plus, la présence d'oxygène dans les molécules de biocarburant améliore leur combustion et diminue le nombre des particules dues aux hydrocarbures imbrûlés, ainsi que le monoxyde de carbone.

Cependant, une utilisation irraisonnée d'engrais entraînant une pollution des sols et des eaux peut contrebalancer le bilan écologique positif lié à la combustion des biocarburants.

Mais le principal obstacle à sa généralisation est son coût qui ne peut le rendre compétitif sans subvention. "

D'après document p.257 du livre scolaire NATHAN collection Tomasino TS chimie

et site Web : www.hespul.org/biocarburant.html.

Méthanol
Trilinoléate de glycéryle(huile de colza)
Diester
Formule brute
CH4O
C57H98O6
C19H34O2
Formule semi-développée
CH3-OH
C17H31-COO-CH3
Masse volumique à 25°C en g.cm-3
0,79
0,82
0,89
Masse molaire en g.mol-1
32
878
264

  1. Le Diester, un ester utilisé comme carburant
    On admettra que l'huile de colza est constituée uniquement de trilinoléate de glycéryle, ce dernier étant le triester du glycérol et de l'acide linoléique. La transformation industrielle du trilinoléate de glycéryle en Diester est réalisée en le faisant réagir, à chaud et en présence d'ions hydroxyde (qui catalysent la réaction) avec du méthanol. On peut modéliser cette transformation totale par l'équation de réaction :

    C57H98O6 + 3CH3-OH = C3H8O3 + 3 C19H34O2
    Entourer et nommer les fonctions caractéristiques de la molécule de trilinoléate de glycéryle.
    - On veut synthétiser le Diester à partir d'un litre d'huile de colza en respectant les proportions stoechiométriques indiquées par l'équation. Déterminer la quantité de matière de trilinoléate de glycéryle contenue dans un litre d'huile de colza.
    - Etablir le tableau descriptif de l'avancement de la transformation.
    - En déduire la quantité de matière puis le volume de méthanol à utiliser et la masse de Diester obtenue.

  2. Étude d'un gazole :
    - Chromatographie du gazole : pour vérifier la présence de Diester introduit dans un gazole, on réalise une chromatographie sur couche mince en utilisant un éluant approprié. Après révélation, on obtient le chromatogramme suivant :
    1 : trilinoléate de glycéryle ; 2 gazol ; 3 : Diester

    Quelles conclusions peut-on tirer de ce chromatogramme ?
    - Détermination de la teneur en Diester du gazole. Pour déterminer la teneur en biocarburant du gazole, on réalise dans un premier temps la saponification du Diester. On prélève une masse m = 1,00 g de gazole que l'on introduit dans un ballon. On ajoute alors un volume v = 20,0 mL d'éthanol et un volume vb = 25,0 mL de solution d'hydroxyde de potassium (K+ + HO-) de concentration molaire cb = 1,00 10-1 mol.L-1. Dans ces proportions, l'hydroxyde de potassium est en excès. On adapte sur le ballon un réfrigérant et on porte le mélange à ébullition douce sous agitation et sous hotte pendant une heure.
    Remarque 1 : L'éthanol sert à homogénéiser le mélange, favorisant ainsi les contacts entre les réactifs.
    Remarque 2 : On admettra que les transformations se produisant en présence d'éthanol gardent les mêmes propriétés qu'en solution aqueuse.
    - Donner l'équation de la réaction de saponification se produisant entre le Diester et les ions hydroxyde.
    - Quelles sont les caractéristiques de cette transformation ?
    - Calculer la quantité initiale, notée n(HO-)i, en ions hydroxyde introduite.
    Dans un deuxième temps, on dose les ions hydroxyde présents dans le ballon à la fin du chauffage par de l'acide chlorhydrique (H3O+ + Cl-) de concentration en soluté apporté ca = 1,00 10-1 mol.L-1. L'indicateur coloré utilisé est de la phénolphtaléine et on observe son changement de couleur pour un volume d'acide versé vaE = 14,8 mL.
    - Donner l'équation de la réaction support du titrage.
    - Définir l'équivalence d'un titrage.
    - Déterminer la quantité de matière, notée n(HO-)r, d'ions hydroxyde restants dans le ballon à la fin du chauffage et dosée par l'acide chlorhydrique. (On pourra ou non s'aider d'un tableau d'avancement).
    La quantité notée n(HO-)c, en ions hydroxyde consommés par la réaction de saponification est donnée par la relation : n(HO-)c = n(HO-)i - n(HO-)r. Calculer n(HO-)c.
    - Déterminer alors la quantité de matière de Diester présente dans le prélèvement de gazole.
    - En déduire la masse de Diester contenue dans le prélèvement, la teneur (ou pourcentage massique) en Diester de ce gazole.

  3. Citer les avantages et les inconvénients de ce biocarburant.

 


corrigé
les fonctions caractéristiques de la molécule de trilinoléate de glycéryle :

 On veut synthétiser le Diester à partir d'un litre d'huile de colza en respectant les proportions stoechiométriques indiquées par l'équation.

C57H98O6 + 3CH3-OH = C3H8O3 + 3 C19H34O2

Quantité de matière de trilinoléate de glycéryle contenue dans un litre d'huile de colza : 1L = 1000 mL ;

masse (g) = volume (mL) * masse volumique ( g/mL) = 1000*0,82 = 820 g.

quantité de matière (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol) = 820 / 878 = 0,93 mol.

( valeur plus précise 0,934 conservée pour les calculs suivants)

Dans les conditions stoechiométriques, à partir de 0,934 mol de trilinoléate de glycéryle, il faut 3*0,934 = 2,80 mol de méthanol

tableau descriptif de l'avancement de la transformation :

avancement (mol)
C57H98O6
+ 3CH3-OH
= C3H8O3
+ 3 C19H34O2
initial
0
0,934
n0
0
0
en cours
x
0,934-x
n0 -3x
x
3x
final
xmax
0,934-xmax
n0 -3xmax
xmax
3xmax
Dans les conditions stoechiométriques : 0,934-xmax = 0 soit xmax =0,934 et n0 -3xmax =0 soit n0 = 3*0,934 = 2,8 mol de méthanol

masse de méthanol (g) = quantité de matière (mol) * mase molaire (g/mol) = 2,8*32 = 89,6 g

volume (mL) = masse (g) / masse volumique (g/mL) = 89,6 / 0,79 = 113 mL ( 1,1 102 mL)
quantité de matière de Diester obtenue : 3xmax = 2,8 mol

masse de Diester (g) = quantité de matière (mol) * masse molaire (g/mol) = 2,8*294 = 823,2 g ( 8,2 102 g)





Étude d'un gazole :
Chromatographie du gazole : pour vérifier la présence de Diester introduit dans un gazole, on réalise une chromatographie sur couche mince en utilisant un éluant approprié. Après révélation, on obtient le chromatogramme suivant :

Le gazol contient 4 espèces chimiques dont une est identifiable avec le Diester ( même rapport frontal d/D) ; le gazol ne contient pas detrilinoléate de glycéryle.


Détermination de la teneur en Diester du gazole. Pour déterminer la teneur en biocarburant du gazole, on réalise dans un premier temps la saponification du Diester. On prélève une masse m = 1,00 g de gazole que l'on introduit dans un ballon. On ajoute alors un volume v = 20,0 mL d'éthanol et un volume vb = 25,0 mL de solution d'hydroxyde de potassium (K+ + HO-) de concentration molaire cb = 1,00 10-1 mol.L-1. Dans ces proportions, l'hydroxyde de potassium est en excès. On adapte sur le ballon un réfrigérant et on porte le mélange à ébullition douce sous agitation et sous hotte pendant une heure.
l'équation de la réaction de saponification se produisant entre le Diester et les ions hydroxyde :

C19H34O2 + HO- = C19H31O2- + CH3OH
cette transformation est lente et totale.
quantité initiale, notée n(HO-)i, en ions hydroxyde introduite :

n(HO-)i = volume (L) * concentration (mol/L = 25 10-3 * 0,1 = 2,50 10-3 mol.
Dans un deuxième temps, on dose les ions hydroxyde présents dans le ballon à la fin du chauffage par de l'acide chlorhydrique (H3O+ + Cl-) de concentration en soluté apporté ca = 1,00 10-1 mol.L-1. L'indicateur coloré utilisé est de la phénolphtaléine et on observe son changement de couleur pour un volume d'acide versé vaE = 14,8 mL.
l'équation de la réaction support du titrage :

couples acide-base mis en présence : H3O+ / H2O et H2O / HO- d'où : H3O+ + HO- = 2 H2O.

Définition de l'équivalence :

A l'équivalence, la quantité de matière de l'espèce à titrer ( ion hydroxyde en excès) et la quantité de matière de l'espèce titrante ( acide chlorhydrique ) mis en présence ont réagi en proportions stoéchiométriques. Avant l'équivalence la solution à titrerd'ion hydroxyde est en excès dans le becher ; après l'équivalence la solution titrante d'acide chlorhydrique est en excès dans le bécher.

A l'équivalence E, on écrit : Qté de matière d'acide =Qté de matière de base soit Ca EVa = CbVb.
quantité de matière, notée n(HO-)r, d'ions hydroxyde restants dans le ballon à la fin du chauffage et dosée par l'acide chlorhydrique :

n(HO-)r = Ca EVa =0,1*14,8 10-3 = 1,48 10-3 mol.

La quantité notée n(HO-)c, en ions hydroxyde consommés par la réaction de saponification est donnée par la relation : n(HO-)c = n(HO-)i - n(HO-)r.

n(HO-)c = (2,5-1,48)10-3 = 1,02 10-3 mol.
quantité de matière de Diester présente dans le prélèvement de gazole :

C19H34O2 + HO- = C19H31O2- + CH3OH

d'après les nombres stoechiométriques de cette équation : n(Diester) = n(HO-)c = 1,02 10-3 mol.
masse de Diester contenue dans le prélèvement :

m = n M = 1,02 10-3 * 294 = 0,30 g.

la teneur (ou pourcentage massique) en Diester de ce gazole : 0,3 g de Diester dans 1 g de gazole. 0,3*100 = 30 %.

Les avantages et les inconvénients de ce biocarburant :

Avantages : respect de l'environnement ( émet moind de fumées, pas de soufre), ne contribue pas à l'effet de serre.

Inconvénient : pollution des sols et des eaux ( engrais, fongicides utilisés en grand nombre en agriculture intensive)



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