Aurélie 09/03

l'arôme de banane France 9/ 03

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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).

 

I. Composé naturel ou arôme artificiel ?

Donner une des raisons qui font qu'un industriel puisse plutôt avoir recours à l'utilisation du composé artificiel. 

II. Questions préliminaires

L 'acétate de butyle a pour formule semi-développée : CH3-COO-CH2-CH2-CH3.

  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
    - Parmi les composés cités ci-dessous reconnaître les composés A et B.
    Acide carboxylique
    Alcool
    acide méthanoique
    HCO2H
    butan-1-ol
    CH3 - CH2 - OH
    acide acétique(ou acide éthanoique)
    CH3 - CO2H
    éthanol
    CH3 - CH2 - OH
    acide butanoïque
    CH3 - CH2-CH2 - CO2H
    propan-1-ol
    CH3 - CH2-CH2 - OH
     

III. Synthèse de l'acétate de butyle au laboratoire

On se propose de synthétiser au laboratoire l'acétate de butyle (E) à partir des composés A et B et de réaliser un suivi cinétique de cette synthèse. Pour cela, dans un becher placé dans un bain d'eau glacée, on introduit :

- un volume VA = 5,8 mL d'acide carboxylique A ;

- un volume VB = 9,2 mL d'alcool B (soit 0,10 mol) ;

- quelques gouttes d'acide sulfurique concentré.

Données :

masse molaireM (en g.mol-1)
masse volumiquem(en g.mL-1)
températured'ébullition sous pression normale, en °C
A
60
1,05
118,2
B
74
0,81
117,7
E
116
0,87
126,5
eau
18
1
100

  1. Indiquer pourquoi il est nécessaire de placer initialement le becher dans un bain d'eau glacée.
  2. Justifier succinctement l'intérêt d'ajouter de l'acide sulfurique sachant qu'il ne participe pas à la transformation chimique étudiée.
  3. Le mélange initial {acide + alcool] est équimolaire: la quantité d'acide introduit est égale à 0,10 mole. En utilisant les données, écrire l'expression littérale permettant de calculer la quantité d'acide carboxylique A introduite dans un volume VA.
  4. Déterminer l'avancement maximal de la réaction dans ces conditions. Pour la résolution de cette question, l'utilisation ou non d'un tableau d 'avancement est laissée au choix du candidat. 

IV. Suivi de la synthèse par titrage de l'acide restant

On agite le mélange initial et on répartit avec précision le mélange dans 10 tubes à essais placés préalablement dans un bain d'eau glacée ; chaque tube contient ainsi un dixième du volume du mélange initial. On munit chaque tube d'un refrigérant.

On place ensuite simultanément tous les tubes dans un bain thermostaté à 80°C et 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, les acides restants (acide sulfurique et acide carboxylique A) dans chacun des tubes par une solution de soude de concentration molaire apportée c = 1,0 mol. L-1, en présence d'un indicateur coloré. Avant chaque titrage, on plonge le tube dans un bain d'eau glacée. 

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 Veq le volume de soude nécessaire au titrage de l'acide carboxyligue seul.
t (en min)
0
5
10
15
20
30
45
60
75
90
Veq (en mL)
10
6,3
5
4,4
4
3,7
3,4
3,3
3,3
3,3

  1. Quel est le rôle de l'indicateur coloré?
  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)
    - Définir l'équivalence correspondant à ce titrage.
  4. En raisonnant sur le contenu d'un tube (c'est-à-dire sur un volume égal au dixième du volume du mélange réactionnel initial), exprimer la quantité d'acide carboxylique présent dans un tube à un instant de date t en fonction de c et Veq. Pour la résolution de cette question, le candidat pourra, s'il le souhaite, utiliser un tableau d'avancement.
  5. Pour la totalité du mélange initialement préparé {5,8 mL d'acide carboxylique A et 9,2 mL d'alcool B} :
    - Préciser la relation existant entre l'avancement de la réaction de synthèse de l'ester et la quantité d'ester formé. Pour la résolution de cette question, l'utilisation ou non d'un tableau d'avancement est laissée au choix du candidat.
    -Montrer qu'à une date t donnée, l'avancement de cette réaction de synthèse de l'ester est donné par la relation:
    x=0,l0 - l0*c*Veq

 

V. Évolution temporelle de l'avancement de la synthése organique :

À partir des résultats expérimentaux, il est donc possible de tracer la courbe donnant l'évolution temporelle de l'avancement x de la réaction de synthèse pour le mélange initial. La courbe est donnée ci-dessous:

  

 

  1. Déterminer graphiquement la valeur de l'avancement final. En utilisant le résultat de la question 3.4., montrer que le taux d'avancement final est inférieur à 1.
  2. À partir des résultats de la question 5.1. et de l'allure de la courbe x = f(t), justifier chacune des deux propositions suivantes:
    - la transformation chimique est lente ;
    - la transformation chimique n'est pas totale.
  3. Au bout d'une certaine durée, le système chimique est en état d' équilibre dynamique". Expliquer cette expression.
  4. La transformation réalisée est lente et non totale ce qui entraîne deux inconvénients pour cette synthèse.
    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;
    - 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. Donner son nom et sa formule semi-développée.

 


.
.


corrigé
l'acétate de butyle est un ester.

acide éthanoïque ( acétique) + butan-1-ol = acétate de butyle + eau

L'eau glacée provoque un blocage cinétique de la réaction.

L'acide sulfurique H2SO4 catalyse à la fois l'estérification et l'hydrolyse de l'ester.

Qté de matière d'acide éthanoïque : masse (g) / masse molaire (g/mol)

masse (g) = masse volumique ( g/mL) * volume (mL) = mA VA.

nA = mA VA/ MA = 5,8*1,05 / 60 = 0,1 mol.

Le mélange initial est équimolaire : les réactifs sont en proportions stoéchiométriques.

A partir de 0,1 mol d'acide et de 0,1 mol d'alcool, on peut obtenir au mieux 0,1 mol d'ester si la réaction est totale.

xmax = 0,1 mol.


l'indicateur coloré joue le rôle d'indicateur de fin de réaction.

Au cours du temps la quantité de matière d'acide A diminue ( formation de l'ester) et en conséquence la quantité d'acide restant dans le milieu réactionnel est de plus en plus faible : il en sera de même de la quantité de matière de soude à l'équivalence.

A l'équivalence les quantité de matière d'acide et de soude sont dans les proportions stoéchiométriques. Avant l'équivalence l'acide est en excès dans le bécher ; après l'équivalence, la base est en excès dans le milieu réactionnel.

Dans un tube : acide initial 0,1 /10 = 0,01 mol

a réagi à la date t : x mol ; acide restant : 0,01 - x mol

x : avancement en mol de la réaction d'estérification.

à l'équivalence : Qté de matière d'acide restant = Qté de matière de base versée

0,01 - x = CB Véq d'où x = 0,01 -CB Véq

dans le bécher ( 10 tubes) : x = 10(0,01 -CB Véq ) soit x=0,1 - 10 CB Véq.


xfin = 0,067 mol (lecture graphe)

taux d'avancement final : t = xfin /xmax = 0,067 / 0,1 = 0,67.

t est inférieur à 1 : la réaction n'est pas totale.  

transformation lente , l'équilibre est atteint à t >50 heures.

Lorsque l'équilibre est atteint : durant Dt secondes il se forme autant de mole d'ester ( sens direct) qu'il n'en dsiparaiît par hydrolyse : la composition du mélange n'évolue plus.

Travailler à température plus élevée, accélére la formation de l'ester

Ajouter l'un des réactifs en excès, ou éliminer le produit le plus volatil ( l'eau dans ce cas) au fur et à mesure qu'il se forme permet d'aumenter t.

La réaction sera totale si on utilise à la place de l'acide éthanoïque:

le chlorure d'éthanoyle CH3-COCl ou l'anhydride éthanoïque : CH3-CO-O-CO-CH3.



à suivre

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