Aurélie 11/09/09

 

Le Monoï de Tahiti : saponification, hydrolyse d'un ester,cinétique chimique : bac S  France  septembre 2009.

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Issu de traditions millénaires, le monoï de Tahiti (produit cosmétique) vous assure de bénéficier des vertus de la fleur de Tiaré et de l'huile de coprah raffinée qui le composent ....

L'huile de coprah est très riche en acides gras saturés (45 % d'acide laurique notamment).

Endémique en Polynésie Française, la fleur de Tiaré présente des propriétés originales ....

Elle sécrète en effet une huile essentielle riche en alcools et en esters (salicylate de méthyle ....) connus pour leurs propriétés assainissantes et apaisantes.

                                                    « d’après le site Internet de l'Institut du Monoï »

Cet exercice a pour objectif d’étudier une utilisation de l’huile de coprah pour fabriquer du savon puis d’étudier quelques propriétés d’un ester présent dans la fleur de Tiaré.

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nom
formule
 masse  molaire (g / mol)
laurate de glycéryle
C39H74O6
M1 =638
laurate de sodium
C12H23O2Na M2 =222
glycérol
C3H8O3 M3 =92,0

 L'huile de coprah

Le savon de Marseille est fabriqué avec des huiles végétales telles que l'huile d'arachide, l'huile de coprah – au grand pouvoir moussant – et l'huile de palme.

On lit sur le site de la savonnerie "Le Sérail" : ″ La première étape de fabrication est le mélange des huiles végétales avec l'alcali* auquel on va ajouter du sel de mer. La cuisson consiste à porter à ébullition la pâte pendant quatre heures à une température d'environ cent degrés.″

* alcali : nom générique d’une base. Exemples : soude (hydroxyde de sodium) ou potasse (hydroxyde de potassium).

 La transformation chimique de l'huile de coprah :

Quel est le nom de la réaction chimique citée ci-dessus, qui met en jeu une huile et l’alcali ?
Saponification ( hydrolyse basique) d'un ester.

L'huile de coprah est constituée d'un mélange de triglycérides de formule générale :

Écrire l’équation de la réaction entre un triglycéride et l'hydroxyde de sodium en solution aqueuse (Na+ + HO).

 



On considère pour la suite que l'huile est constituée uniquement du laurate de glycéryle  qui est un triglycéride de l'acide laurique. L’acide laurique a pour formule CH3 –(CH2)10 COOH.

Donner la formule semi-développée du savon obtenu, le laurate de sodium, par action de la solution de soude sur le laurate de glycéryle.

CH3 –(CH2)10 COO- + Na+.

Dans une savonnerie, pour obtenir 1,0 tonne de savon, on utilise une masse m= 1,3 tonne (soit 1,3 x 10 3 kg) de laurate  de glycéryle et un volume V0 = 2,0 m3 de solution d'hydroxyde de sodium de concentration c= 6,0 mol.L- 1. On note n1 la quantité de matière initiale de laurate de glycéryle et n0 celle d'hydroxyde de sodium.

Compléter le tableau d'avancement puis calculer les valeurs de n1 et de n0.

équation
C39H74O6 +3Na+
+3HO-
=3(C12H23O2- + Na+)
+C3H8O3
état du système
avancement (mol)

quantités de
matière
(mol)
initial
0
n1
n0
n0 0
0
en cours
x
n1 -x
n0-3x n0-3x 3x x
final
xmax
n1-xmax n0-3xmax n0-3xmax 3xmax xmax
n1 = m1 /
M1 =1,3 x 10 6 / 638 =2,0376 103~2,0 103 mol.

V0 = 2,0 m3 =2,0 103 L ; n0 =V0 c0 =2,0 103 *6,0 = 1,2 104 mol

Montrer que l'avancement maximal est xmax = 2,0 x10 3 mol.
Si le lauréate de glycéryle est en défaut :
n1-xmax = 0 ; xmax = n1 = 2,0 103 mol.
Si l'hydroxyde de sodium est en défaut :
n0-3xmax
= 0 ; xmax = n0 /3 = 1,2 104/3=4,0 103 mol.
On retient la plus petite valeur
xmax =2,0 103 mol.

 En déduire la masse maximale m2 de laurate de sodium attendue.
m2 = 3 xmax M2 =3*2,0 103 *222 =1,332 106 g = 1,3 t.

 Définir le rendement de la synthèse du savon puis le calculer.
Rendement =  masse réelle / masse théorique maximale =1,0 / 1,332 =0,75 ( 75 %).



 

 


Propriétés du laurate de sodium.

On peut représenter schématiquement l’ion actif du savon de la façon suivante :  


Reproduire le schéma simplifié et légender chaque partie à l'aide du vocabulaire suivant : hydrophile, hydrophobe, lipophile, lipophobe.


Choisir en justifiant parmi les schémas 1.a et 1.b de la figure 1 celui qui peut expliquer le mode d'action d'un savon.


La partie lipophyle  du savon se fixe sur la graisse ; la partie hydrophile du savon se fixe dans l'eau. Après agitation la graisse se détache du tissu et est entraînée dans l'eau : figure 1.


Salicylate de méthyle issu de la fleur de Tiaré.

Le salicylate de méthyle, présent dans la fleur de Tiaré, est un composé moléculaire pouvant subir différentes réactions de décomposition ou de dégradation dont deux d'entre elles sont étudiées ci-après.

                                                Sa formule semi-développée est :

nom
formule
température d'ébullition ( sous  1 bar)
acide salicylique
HO-C6H4-COOH
q1=211°C
méthanol
CH3OH
q2=65°C
salicylate de méthyle
HO-C6H4-COOCH3 q3=223°C

Réaction d'hydrolyse du salicylate de méthyle.

 Recopier la formule, entourer et nommer les groupes caractéristiques de la molécule.


En 1844, Auguste Cahours réalise l'hydrolyse du salicylate de méthyle, accédant ainsi à l'acide salicylique qui fut employé comme médicament contre les rhumatismes avant la synthèse de l'aspirine. L’équation de cette réaction est :

HO-C6H4-COOCH3 + H2O = HO-C6H4-COOH + CH3OH

Citer une propriété caractéristique de cette réaction.
L'hydrolyse d'un ester est lente et limitée par l'estérification. Elle conduit  à un équilibre chimique.

Citer un procédé permettant d’augmenter la vitesse de réaction.
Travailler  à température plus élevée  ; utiliser un catalyseur.

Citer un procédé permettant d’obtenir davantage de produit par déplacement d’équilibre.
Utiliser un réactif en excès ; éliminer l'un des produits  au fur et  à mesure su'il se forme ( dans ce cas, la distillation élimine le méthanol, pour lequel la température d'ébullition est faible).




 



Dégradation photochimique du salicylate de méthyle.

Comme nombre de composés moléculaires organiques, le salicylate de méthyle se dégrade sous l'action de la lumière. On étudie par spectrophotométrie la cinétique de sa décomposition.

Pour cela, on soumet des films contenant du salicylate de méthyle à un rayonnement de longueurs d’onde comprises entre 280 et 350 nm, à une température de 60°C. La puissance ainsi reçue par unité de surface du film est égale à environ 6 fois celle qui correspond à une irradiation solaire maximale.

2.2.1. La courbe donnant l'évolution de l'absorbance du film contenant du salicylate de méthyle en fonction de la longueur d’onde est représentée sur la figure 2 avant irradiation et après quelques heures d’irradiation :


Quelle est la longueur d'onde optimale pour l'étude de l'absorbance du film ? Justifier.
On choisit la longueur d'onde correspondant au maximum d'absorption ; dans ce cas 305 nm.

 Dans quel domaine du spectre électromagnétique (ultraviolet, visible, infrarouge) cette longueur d’onde se situe-t-elle ?

Le domaine du spectre visibble s'étend de 400 nm à 800 nm ; la longueur d'onde l = 305 nm  appartient au domaine UV.

D’après la figure 2, comment expliquer la différence d’absorbance du film contenant du salicylate de méthyle, avant et après irradiation ?
Une partie du salicylate de méthyle s'est dégradé sous l'action de la lumière.

 Pour l’étude cinétique, on expose les films à l’irradiation pendant des durées déterminées, puis on mesure l'absorbance du film pour une longueur d’onde de 306 nm.

Dans les conditions de l’expérience, l’absorbance étant proportionnelle à la quantité de matière de salicylate de méthyle restant, on obtient la courbe d’évolution temporelle de l’avancement x de la réaction de dégradation donnée ci-dessous.
L’étude cinétique montre que la dégradation du salicylate de méthyle est lente. Dans cette étude, la vitesse peut  s'écrire :