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http://www.ac-noumea.nc/physique-chimie/
Étude de la fabrication
d'un savon :
Les premiers savons dits " durs " ont été
élaborés dans le Nord de l'actuelle Syrie au
VIIIème siècle (Un savon est mou si l'on
utilise de la potasse, dur si on emploie de la soude). Le
savon d'Alep est obtenu par traitement à chaud
d'huile d'olive par l'hydroxyde de sodium. Le processus
chimique qui aboutit au savon peut se formuler ainsi : huile
d'olive + soude = savon + glycérol
Les deux produits de la réaction sont
séparés lors de l'opération de
relargage.
Fabrication " en chaudron " du savon d'Alep.
La technique, pratiquée à l'ancienne,
dure plus d'une semaine et comprend les quatre phases
suivantes :
L'empâtage : il consiste à mettre
en présence l'huile d'olive et la soude caustique
dans des proportions données (de telle manière
que la soude soit en quantité suffisante pour
saponifier complètement l'huile) et à les
mélanger intimement en les faisant bouillir en
présence d'eau dans une cuve.
Le relargage : les deux produits sont
séparés en ajoutant de l'eau salée.
L'ensemble se divise en deux couches. La partie
inférieure, mélangée avec de l'eau, est
retirée par le fond du chaudron à travers une
tubulure.
La cuisson : la pâte de savon restant
dans le chaudron est chauffée à
ébullition pendant de nombreuses heures avec un
excès de soude caustique.
Les lavages : ils éliminent
l'excès de soude restant dans le savon. On fait
bouillir la pâte de savon avec de l'eau salée
en deux ou trois lavages successifs, jusqu'à ce que
le savon ne contienne plus qu'une proportion donnée
de soude. Enfin, la pâte chaude du savon d'Alep est
sortie de la cuve pour être étendue, sur une
feuille de papier, afin qu'elle refroidisse et perde une
partie de son eau.
D'après un article de la compagnie
générale de cosmétique
- D'après le texte, quels sont les
réactifs de la saponification produisant le savon
d'Alep ?
- Donner la formule chimique de la solution aqueuse
d'hydroxyde de sodium ainsi que la formule du
glycérol (ou propan - 1,2,3 - triol).
- Un des savons gras utilisés pour la
fabrication du savon d'Alep est l'oléine de
formule :
Écrire l'équation chimique de la
réaction associée à la
transformation qui conduit au savon d'Alep.
- D'après le texte, quel réactif est
introduit en excès lors de la saponification
?
- Parmi les quatre techniques citées
(soulignées dans le texte), laquelle est
utilisée pour extraire le savon du milieu
réactionnel ? Expliquer son principe à
l'aide du tableau suivant :
|
|
eau
|
eau salée
|
|
savon
|
peu soluble
|
très peu soluble
|
- Les ions carboxylate présents dans ce savon
comportent deux parties, une partie hydrophile et une
partie hydrophobe. Définir ces deux termes.
- Donner la formule semi-développée de
l'ion carboxylate en indiquant les deux parties
précédemment citées.
Étude de la fabrication
d'un parfum :
- Le savon d'Alep est parfumé à partir
d'essences naturelles. Aujourd'hui, de nombreux savons
sont parfumés par ajout d'un ester
synthétique. On s'intéresse dans cette
partie à la fabrication d'un ester dont l'odeur
rappelle celle de l'abricot. Il s'agit du butanoate de
pentyle de formule semi-développée :
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3.
- Estérification
- Donner les formules semi-développées et
les noms respectifs de l'acide carboxylique A et de
l'alcool B qui réagissent pour donner cet
ester.
- Écrire l'équation chimique de la
réaction d'estérification modélisant
cette transformation.
-Cette transformation est-elle lente ou rapide ? Totale
ou limitée ?
- Suivi cinétique de l'estérification
Afin de suivre l'évolution au cours du temps de
l'avancement x de cette réaction chimique, on
réalise l'expérience suivante : on
mélange 16,0 mL de l'acide carboxylique A pur,
0,17 mol de l'alcool B et 2 mL d'une solution aqueuse
d'acide sulfurique concentrée. Le mélange
est réparti dans plusieurs ampoules
chauffées à 50°C. À intervalles
de temps réguliers, on dose le contenu des
ampoules par une solution d'hydroxyde de sodium de
concentration molaire en soluté apporté
cB = 2,0 mol.L-1 en présence
d'un indicateur coloré. L'équivalence est
obtenue pour un volume de solution d'hydroxyde de sodium
noté VBE.
- Le mélange réactionnel
préparé est-il équimolaire ?
Justifier.
Données : Masse volumique de l'acide carboxylique
A : rA = 0,96
g.mL-1; Masse molaire de l'acide carboxylique
A : MA = 88 g.mol-1.
Aide au calcul : 0,96/(16*88) = 6,8 10-4 ;
0,96*16/88=0,17 ; 88/(16*0,96) = 5,7.
- On plonge chaque ampoule dans l'eau glacée avant
d'effectuer le dosage. Pourquoi ?
- Lors de l'ajout de la solution d'hydroxyde de sodium,
les ions hydroxyde réagissent simultanément
avec les deux acides présents dans l'ampoule :
d'une part avec les ions oxonium
(H3O+) libérés par
l'acide sulfurique selon l'équation
H3O+
+HO-=2H2O
d'autre part avec l'acide carboxylique A (de formule
notée RCO2H) selon l'équation
RCO2H+HO-=RCO2-
+H2O
- Montrer que la quantité d'acide carboxylique A
présent dans une ampoule à l'instant de
date t est donnée par la relation :
nRCO2H(t) =
cBVBE-nH3O+
nH3O+ représente la quantité
de matière d'ions oxonium libérés
par l'acide sulfurique.
- Montrer que l'avancement de la réaction
d'estérification à ce même instant de
date t a pour expression : x(t) = nRCO2H(t=0)
- cBVBE+nH3O+
On pourra s'aider d'un tableau d'évolution
du système.
- À l'aide des données ci-dessous, calculer
x60 l'avancement de la réaction
à l'instant de date t = 60 min.
Données :
Un dosage par la solution d'hydroxyde de sodium des ions
oxonium apportés par l'acide sulfurique dans
chaque ampoule fournit, après calculs, la
quantité de matière en ions oxonium = 3,2
10 -3 mol
Quantité de matière d'acide carboxylique A
introduit à t = 0s : nRCO2H(t=0) = 2,3
10 -2 mol
Volume équivalent de la solution d'hydroxyde de
sodium versé lors du dosage d'une ampoule à
l'instant de date t = 60 min : VBE = 6,7
mL.
- Les dosages ayant été effectués,
on trace le graphe de la variation de l'avancement x de
la réaction en fonction du temps :
Répondre par VRAI ou FAUX aux propositions
données ci-dessous en justifiant clairement la
réponse.
Proposition 1 : On peut obtenir " davantage
d'ester " en éliminant l'eau formée au
cours de la transformation.
Proposition 2 : La vitesse volumique
instantanée de la réaction augmente au
cours du temps.
Proposition 3 : Le temps de demi-réaction
vaut 100 min.
Proposition 4 : Si la température du
milieu réactionnel augmente, on peut obtenir la
courbe 2 suivante :
corrigé
D'après le texte, les réactifs de la
saponification produisant le savon d'Alep sont : huile
d'olive et hydroxyde de sodium.
Formule chimique de la solution aqueuse d'hydroxyde de
sodium : NaOH ( Na+(aq) + HO-(aq)
;
Formule du glycérol (ou propan - 1,2,3 - triol) :
C3H8O3 ou
HOCH2-CHOH-CH2OH.
- Equation chimique de la réaction
associée à la transformation qui conduit au
savon d'Alep :
C57H104O6+3 (
Na+(aq) + HO-(aq) ) = 3 (
C17H33-COO- +
Na+(aq) ) +
HOCH2-CHOH-CH2OH.
D'après le texte,le réactif introduit en
excès lors de la saponification est la soude ou
hydroxyde de sodium.
Parmi les quatre techniques citées, le
relargage est utilisé pour extraire le savon
du milieu réactionnel. Le savon est très peu
soluble dans l'eau salée ; il précipite.
Les ions carboxylate présents dans ce savon
comportent deux parties, une partie hydrophile et une
partie hydrophobe.
L'ion carboxylate peut être
représenté selon le schéma suivant :
dans lequel la partie rectiligne correspond à la
chaîne carbonée et le cercle au groupe
carboxylate.
- Partie hydrophile : elle présente une
affinité avec l'eau, elle s'y dissout (c'est le
groupe carboxylate -COO-).
- Partie hydrophobe : elle "fuit" l'eau, reste en
dehors de l'eau (c'est la chaîne carbonée
C17H33- ).
Estérification
:
Le savon d'Alep est parfumé à partir
d'essences naturelles. Aujourd'hui, de nombreux savons sont
parfumés par ajout d'un ester synthétique. On
s'intéresse dans cette partie à la fabrication
d'un ester dont l'odeur rappelle celle de l'abricot. Il
s'agit du butanoate de pentyle de formule
semi-développée :
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3.
Les formules semi-développées et les
noms respectifs de l'acide carboxylique A et de
l'alcool B qui réagissent pour donner cet ester
:
CH3-(CH2)2-CO2H
acide butanoïque
HO-CH2-(CH2)3-CH3
pentan-1-ol
Equation chimique de la réaction
d'estérification modélisant cette
transformation :
CH3-(CH2)2-CO2H
+ HO-CH2-(CH2)3-CH3
=
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3
+ H2O (1)
Cette transformation (estérification) est lente et
limitée par l'hydrolyse de l'ester.
Suivi cinétique de
l'estérification :
On mélange 16,0 mL de l'acide carboxylique A pur,
0,17 mol de l'alcool B et 2 mL d'une solution aqueuse
d'acide sulfurique concentrée.
masse d'acide (g) = volume (mL) * masse volumique (g/mL)=
16*0,96 g
Quantité de matière (mol) = masse (g) /
masse molaire (g/mol) = 16*0,96 / 88 = 0,17 mol.
Les quantités de matière initiales des
réactifs sont proportionnelles au coeficients
stoechiométriques de l'équation (1) : le
mélange réactionnel préparé est
équimolaire.
On plonge chaque ampoule dans l'eau glacée avant
d'effectuer le dosage. On réalise un blocage
cinétique ; la composition du mélange
réactionnel n'évolue plus à basse
température ( facteur cinétique).
Lors de l'ajout de la solution d'hydroxyde de sodium, les
ions hydroxyde réagissent simultanément avec
les deux acides présents dans l'ampoule :
d'une part avec les ions oxonium
(H3O+) libérés par
l'acide sulfurique selon l'équation
H3O+
+HO-=2H2O
à l'équivalence : n(HO-)
1 = nH3O+
d'autre part avec l'acide carboxylique A (de formule
notée RCO2H) selon l'équation
RCO2H+HO-=RCO2-
+H2O
à l'équivalence : n(HO-)
2 = nRCO2H(t)
Quantité de matière totale d'ion hydroxyde
ayant réagi à l'équivalence :
cBVBE = n(HO-)
1+n(HO-) 2 ;
cBVBE =nH3O+ +
nRCO2H(t)
La quantité d'acide carboxylique A présent
dans une ampoule à l'instant de date t est
donnée par la relation : nRCO2H(t) =
cBVBE-nH3O+
nH3O+ représente la quantité de
matière d'ions oxonium libérés par
l'acide sulfurique.
Avancement de la réaction d'estérification
à ce même instant de date t :
|
|
avancement (mol)
|
CH3-(CH2)2-CO2H
|
+
HO-CH2-(CH2)3-CH3
|
=
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3
|
+ H2O
|
|
initial
|
0
|
nRCO2H(t=0)
|
nalcool(t=0)
|
0
|
0
|
|
en cours
|
x(t)
|
nRCO2H(t=0) -x(t)
|
nalcool(t=0) -x(t)
|
x(t)
|
x(t)
|
nRCO2H(t=0) -x(t) = nRCO2H(t)
x(t) = nRCO2H(t=0) -nRCO2H(t) ; or
nRCO2H(t) =
cBVBE-nH3O+
d'où : x(t) = nRCO2H(t=0) -
cBVBE+nH3O+
calcul de x60 l'avancement de la
réaction à l'instant de date t = 60 min
:
Un dosage par la solution d'hydroxyde de sodium des ions
oxonium apportés par l'acide sulfurique dans chaque
ampoule fournit, après calculs, la quantité de
matière en ions oxonium = 3,2 10 -3
mol
Quantité de matière d'acide carboxylique A
introduit à t = 0s : nRCO2H(t=0) = 2,3
10 -2 mol
Volume équivalent de la solution d'hydroxyde de
sodium versé lors du dosage d'une ampoule à
l'instant de date t = 60 min : VBE = 6,7 mL ;
cB = 2,0 mol.L-1
x60 = nRCO2H(t=0) -
cBVBE+nH3O+
x60 = 2,3 10 -2 - 2,0*6,7
10-3+3,2 10 -3 = (23 - 13,4 +
3,2)10-3 =12,8 10-3 mol =
1,28 10-2
mol.
Les dosages ayant été effectués, on
trace le graphe de la variation de l'avancement x de la
réaction en fonction du temps :
-
Proposition 1 : On peut obtenir " davantage
d'ester " en éliminant l'eau formée au cours
de la transformation. vrai.
En éliminant l'un des produis on déplace
l'équilibre dans le sens direct ( loi de Le Chatelier
ou loi de modération )
Proposition 2 : La vitesse volumique
instantanée de la réaction augmente au cours
du temps. faux.
La vitesse volumique instantanée est
proportionnelle au coefficient directeur de la tangente
à la courbe ci-dessus à la date t. Or les
tangentes se rapprochent de plus en plus de l'horizontale ;
leur coefficient directeur décroît au cours du
temps.
Proposition 3 : Le temps de demi-réaction
vaut 100 min. faux.
Le temps de demi réaction est la durée au
bout de laquelle l'avancement est égal à la
moitié de l'avancement final.
Or le graphe indique xf= 0,015 mol ;
½xf= 0,0075 mol ; l'abscisse correspondante
vaut environ 25 min.
Proposition 4 : Si la température du milieu
réactionnel augmente, on peut obtenir la courbe 2
suivante : vrai.
La température est un facteur cinétique ;
l'équilibre est plus rapidement atteint ; sa
composition ne change pas.
|