Aurélie 25/11/06

Ion iodure et eau oxygénée ; savon : oléate de sodium : d'après concours EMIA 2005 ( école militaire interarmes)

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Cinétique chimique : (5 points)
  1. On constate expérimentalement qu'une solution d'iodure de potassium peut réagir avec une solution d'eau oxygénée ; on observe l'apparition d'une coloration brune due à la formation de diiode I2. Il s'agit en fait de la réaction d'oxydation de l'ion iodure I- par H2O2 dont on se propose d'étudier la cinétique.
    Les coupes mis en jeu sont : I2 / I- et H2O2/ H2O.
    - Ecrire les deux demi-équations d'oxydo-réduction.
    - En déduire l'équation bilan. Faut-il acidifier le milieu réactionnel ? Pourquoi ? Quel type d'acide faut-il éviter ?
  2. A la date t=0 on mélange : 10 mL d'une solution d'iodure de potassium à 0,2 mol/L ; 10 mL d'une solution d'acide chlorhydrique à 0,2 mol/L ; 8 mL d'eau distillée ; 2 mL d'eau oxygénée à 0,2 mol/L
    - Calculer les quantités de matière intiales en ion iodure et en eau oxygénée.
    - En déduire le réactif limitant.
    - Calculer la concentration maximale en diiode[I2]max produite en fin de réaction.
  3. Le milieu réactionnel se colore au fur et à mesure de la formation du diiode. On peut donc mesurer l'évolution de sa concentration par spectrophotométrie. On regroupe les résultats dans un tableau :
    t(s)
    0
    125
    435
    680
    930
    1180
    1420
    1620
    [I2](mmol/L)
    0
    2,48
    8,12
    10,32
    11,68
    12,52
    13,06
    13,3
    - Tracer la courbe [I2] = f(t)
    - Définir la vitesse de formation du diiode à la date t. Calculer sa valeur à t=500 s en expliquant la méthode utilisée.
corrigé
Les coupes mis en jeu sont : I2 / I- : 2I- = I2 + 2e- oxydation

H2O2/ H2O : H2O2 + 2e- + 2H+= 2H2O réduction
Equation bilan : 2I- +H2O2 + 2H+= 2H2O + I2 (1)

Il faut acidifier le milieu réactionnel car l'ion H+ est l'un des réactif.

Il ne faut pas que l'anion apporté par l'acide ait des propriétés oxydantes qui concurencerait H2O2.

A la date t=0 on mélange : 10 mL d'une solution d'iodure de potassium à 0,2 mol/L ; 10 mL d'une solution d'acide chlorhydrique à 0,2 mol/L ; 8 mL d'eau distillée ; 2 mL d'eau oxygénée à 0,2 mol/L
Calcul des quantités de matière intiales en ion iodure et en eau oxygénée :

n0(I-) = 10*0,2 = 2 mmol ; n0(H2O2) = 2*0,2 = 0,4 mmol ;
le réactif limitant :

d'après les coefficients stoechiométrique de (1), 2 mol d'ion iodure réagissent avec une mol d'eau oxygénée

donc 0,4 mmol d'eau oxygénée réagit avec 0,8 mmol d'ion iodure.

Or nous disposons de 2 mmol d'ion iodure : ce dernier est en excès de : 2-0,8 = 1,2 mmol.
Calcul de la concentration maximale en diiode [I2]max produite en fin de réaction :

à partir de 0,4 mmol d'eau oxygénée il se forme 0,4 mmol de diiode ; volume du mélange : 30 mL = 0,03 L

[I2]max = 0,4/0,03 = 0,0133 mol/L = 13,3 mmol/L

Le milieu réactionnel se colore au fur et à mesure de la formation du diiode. On peut donc mesurer l'évolution de sa concentration par spectrophotométrie. On regroupe les résultats dans un tableau :
t(s)
0
125
435
680
930
1180
1420
1620
[I2](mmol/L)
0
2,48
8,12
10,32
11,68
12,52
13,06
13,3
courbe [I2] = f(t) :


vitesse de formation du diiode à la date t : v = 1/V dx/dt =d[I2] / dt

coefficient directeur de la tangente à la courbe ci-dessus à la date considérée.

avec x : avancement (mol) et V : volume de la solution (L)


Préparation d'un savon : (5 points)

 Données : oléine Mol= 884 ; savon : Ms= 304 g/mol ; masse volumique de l'oléine r= 0,88 kg/L.

L'oléine est un corps gras de formule brute C57H104O6 présente dans l'huile d'olive. On souhaite fabriquer un savon à partir de celle-ci. Pour cela, on utilise le montage suivant : dans un ballon on introduit 20 mL de soude concentrée à 10 mol/L, 50 mL d'eau, 50 mL d'éthanol et 20 mL d'huile d'olive. On ajoute un barreau magnétique, puis on place le ballon sur un agitateur chauffant après l'avoir muni d'un réfrigérant vertical. On laisse la réaction de saponification se faire pendant 30 min. Après refroidissement, le mélange est versé dans une solution de chlorure de sodium, puis le savon est recueilli par écrémage.

  1. L'acide oléique est l'acide gras de formule CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH. Quel type de stéréoisomérie présente t-il ? Représenter les deux isomères.
    - Un corps gras est un triester du glycérol ( propane-1, 2 ,3 triol ). Ecrire sa formule semi-développée.
    - Ecrire la formule semi-développée de l'oléine.
  2. Saponification :
    - Ecrire l'équation bilan de la réaction de saponification se produisant dans la synthèse décrite.
    - Pourquoi ajoute t-on de l'éthanol dans le milieu réactionnel ?
    - Pourquoi place t-on un réfrigérant vertical ?
    - Comment se nomme le procédé consistant à verser le mélange dans de l'eau salée ? A quoi sert-il ?
    - Un savon possède des parties hydrophile et hydrophobe. Expliquer ces deux termes et indiquer où se trouvnt ces deux parties sur le savon préparé.
    - Montrer à l'aide d'un schéma comment un savon peut agir sur une tache de graisse.
  3. On assimile l'huile d'olive à de l'oléine pure.
    - Déterminer le réactif limitant de la réaction de saponification.
    - Calculer la masse maximale de savon que l'on peut obtenir.
    - On recueille 12,3 g de savon ; en déduire le rendement de la réaction.

 

corrigé
L'acide oléique est l'acide gras de formule CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH.

Il présent l'isomérie de type Z E ( diastéréoisomérie)


Un corps gras est un triester du glycérol ( propane-1, 2 ,3 triol ). HO-CH2-CHOH-CH2-OH

la formule semi-développée de l'oléine :

Saponification :
Equation bilan de la réaction de saponification se produisant dans la synthèse décrite :


On ajoute de l'éthanol dans le milieu réactionnel : l'oléine est peu soluble dans l'eau, davantage dans le mélange eau/éthanol ; l'ion hydroxyde est soluble dans l'éthanol ; le mélange eau/éthanol permet de mettre en contact les réactifs.
Le réfrigérant vertical ( chaufage à reflux) évite les pertes de matière : les vapeurs se condensent dans ce dernier et retombent dans le ballon.
Le procédé consistant à verser le mélange dans de l'eau salée est un relargage du savon, ce dernier insoluble dans l'eau salée, précipite.

Un savon possède des parties hydrophile ( ami de l'eau) et hydrophobe ( enemi de l'eau, amie des graisses). La longue chaine hydrocarbonée de l'oléate de sodium représente la partie hydrophobe ; la partie -COO- représente la partie hydrophile du savon.

Schéma de l'action d'un savon peut agir sur une tache de graisse :

partie hydrophile : groupe COO- symbolysée par "O" et partie hydrophobe de cet ion : la chaîne carbonée symbolysée par "---------".

 

ions carboxylate sur une tache de graisse (lipide) :

On assimile l'huile d'olive à de l'oléine pure.
le réactif limitant de la réaction de saponification :

quantité de matière initiale (mol) : n0(soude) = 0,02*10 = 0,2 mol

masse d'huile (g) = volume ( mL) * masse volumique ( g/mL) = 20*0,88 = 17,6 g

n0( oléine )= 17,6 / 884 = 0,02 mol

D'après les coefficients de l'équation bilan, à partir de 0,02 mol d'oléine il faut 0,02*3 = 0,06 mol de soude.

Or nous avons 0,2 mol de soude : celle-ci est en excès de 0,2-0,06 = 0,14 mol. ( oléine en défaut)
Calcul de la masse maximale de savon que l'on peut obtenir :

D'après les coefficients de l'équation bilan, à partir de 0,02 mol d'oléine on obtient 0,02*3 = 0,06 mol de savon

masse (g) = quantité de matière (mol) * masse molaire (g/mol) = 0,06*304 = 18,2 g.
On recueille 12,3 g de savon.

le rendement de la réaction :

masse réelle / masse théorique * 100 = 12,3/18,2*100 = 67,6 % ( 68 %).

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