Chimie 6e

Chimie6eSG_finale_V_Mise en page 1 20/06/11 12:12 Page1

érales Sciences gén N • Ala

hil MARTIN • P e d u la C • in BRIBOSIA

Pierre PIRSO

Des manuels précis et attrayants

Ce manuel s’adresse aux élèves de 6e année qui suivent le cours de sciences générales (6 périodes de sciences par semaine).

Les objectifs de ce manuel sont d’amener les élèves à : D se réapproprier des acquis de base du deuxième degré, D acquérir et structurer des savoirs, D exercer et maîtriser des savoir-faire, D développer des compétences en résolvant des tâches d’un niveau équivalent à celui des outils d’évaluation.

Grâce à sa nouvelle mise en pages en couleur, le Chimie 6e donnera à l’élève le goût et l’envie d’appréhender cette discipline scientifique. Il lui fournira les bases solides, tant théoriques qu’expérimentales, telles que les réactions d’estérification et de saponification et l’étude des grandes classes de réaction en solution aqueuse, couvrant ainsi l’intégralité du programme de chimie de la 6e année.

Plaisir et désir d’apprendre la chimie : tel est l’un des objectifs de ce manuel ! Cet apprentissage permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique de demain.

D conformes aux nouveaux programmes de sciences de l’enseignement libre D une toute nouvelle iconographie D des chapitres structurés de manière particulièrement claire et composés de mises en situations, d’appropriations, d’exercices et de documents qui étoffent la théorie par un lien avec la vie quotidienne D de nombreux exercices pour que l’élève puisse tester ses connaissances et exercer ses compétences D une mise en pages dynamique et en couleur

ISBN : 978-2-8041-6360-0

www.deboeck.com

9 782804 163600 CHI62

ADINO T • André T R E A W U A N ippe S

UWE

ELS • René VAN

s o p o r p t n a v A Ce manuel s’adresse aux élèves de 6e qui suivent 6 périodes de sciences par semaine (Sciences générales).

Les objectifs de ce manuel, qui s’inscrit résolument dans la perspective des nouveaux programmes de Sciences, sont d’amener les élèves à : • se réapproprier des acquis de base du second degré ; • acquérir et structurer des savoirs ; • exercer et maîtriser des savoir-faire ; • développer des compétences en résolvant des tâches d’un niveau équivalent à celui des outils d’évaluation1 et regroupées en quatre familles.

Ces objectifs seront atteints à travers les contenus du nouveau programme qui comprend deux volets : • utilisation des acquis dans l’étude de deux types de réaction en chimie organique (chap. 1 et 2).

Les réactions d’estérification et de saponification sont abordées de façon systématique : – profil des réactifs ; – profil (modèle) de la réaction ; – gestion d’une application concrète de ce type de réaction ; – utilisation des produits et gestion des déchets ; • étude des grandes classes de réaction en solution aqueuse : les réactions avec transfert de proton, les réactions avec transfert d’électrons et les réactions de précipitation (chap. 3 à 15).

Les points facultatifs abordés dans certains chapitres sont signalés par le logo F .

L’apprentissage à travers ce manuel permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique d’aujourd’hui et de demain.

Tout en restant fidèles à la démarche pédagogique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition encore plus attractive que les précédentes : nouvelle présentation tant sur le fond que sur la forme, proposition de tâches, réponses à des exercices et problèmes quantitatifs, photos en couleur, nombreuses illustrations…

Ce manuel devrait, dès lors, répondre à l’intérêt des élèves pour lesquels il est conçu ainsi qu’aux attentes de nombreux collègues.

Nous remercions chaleureusement nos familles pour leur soutien et nos collègues qui ont accepté de prendre du temps pour nous relire et nous faire part de leurs conseils.

Enfin, nous remercions d’avance celles et ceux qui, par leurs avis et suggestions, voudront bien nous aider à améliorer notre travail.

Les auteurs

1

Outils d'évaluation de la Commission des Outils d'Evaluation : www.enseignement.be

Avant-propos

3

t n e m Com ? l e u n a m e c r e s i l i t u Ce manuel est composé de 15 chapitres qui proposent, chacun, une séquence d’apprentissage structurée en cinq points.

Mise en situation

Porteuse de sens, la mise en situation contient un questionnement, dont la réponse sera, généralement, amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte.

Les Anciens se référaient au sens du goût pour déterminer si une solution était plus ou moins acide ou basique : le goût aigre assez prononcé des jus d’agrumes révélait la présence, en solution, d’un ou de plusieurs acides tandis que la saveur amère du savon signalait la présence d’une base.

En Chimie 2 périodes/semaine

L’utilisation ultérieure d’un indicateur coloré comme le tournesol a permis d’identifier visuellement l’acidité ou la basicité d’un milieu sans risquer l’irritation des muqueuses buccales.

• les expérimentations sont effectuées par le professeur lui-

Devant certains problèmes posés, par exemple en agriculture (dépendance d’une plante visà-vis de l’acidité du sol), en biochimie (activité enzymatique), en industrie agroalimentaire (fermentation alcoolique)…, il s’est avéré nécessaire de quantifier, avec précision, l’acidité d’un milieu, c’est-à-dire de déterminer la concentration en ions H3O+.

même : elles sont signalées par le logo

;

Dès lors, comment mesurer l’acidité de différentes solutions et classer celles-ci sur une échelle d’acidité ?

• les laboratoires signalés par le logo 2

FT

Mesurer le pH de différentes solutions aqueuses.

les élèves en tant que tâches

sont réalisés par

2

(Famille de tâches 2).

FT

La mesure du pH et une échelle de pH permettent d’évaluer rapidement le caractère acido-basique d’une solution.

Deux procédés permettent de mesurer facilement le pH et par conséquent l’acidité d’une solution : le papier pH universel et le pH-mètre.

Le programme de cette option demande un minimum de 3 séances de 2 périodes de laboratoire de chimie par année.

Le papier pH universel Pour mesurer le pH d’une solution aqueuse, il suffit d’imprégner un morceau de papier pH universel d’une goutte de la solution et de comparer la couleur obtenue avec la charte des couleurs livrées avec le papier pH universel.

C’est, notamment, à travers la réalisation de ces laboratoires que les élèves acquièrent une démarche scientifique expérimentale.

Le pH-mètre

Chaque séance de laboratoire donne lieu à la rédaction d’un rapport de laboratoire dont un canevas est proposé en annexe du manuel.

Cet appareil est constitué de deux parties : • une sonde de pH qui plonge dans la solution aqueuse ; • un voltmètre électronique dont l’échelle est directement graduée en unités de pH. Le résultat de la mesure s’affiche directement sur le cadran.

Mesure et calcul du pH de solutions aqueuses

83

Appropriation En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation, du laboratoire ou de la recherche documentaire, les élèves découvrent de nouvelles notions dont la définition est signalée par le logo

.

Définies, structurées, développées, ces notions débouchent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.

La théorie acide-base d’Arrhénius De nouvelles définitions d’un acide et d’une base ont été proposées par ARRHENIUS, vers 1887, à partir de sa théorie sur la dissociation des électrolytes dans l’eau.

Sachant qu’en solution aqueuse les électrolytes se dissocient en ions, il imagine que les acides et les bases hydroxydées, qui sont aussi des électrolytes, libèrent des ions positifs (cations) et négatifs (anions).

Ainsi, les acides se dissocient dans l’eau en libérant un même cation H+ : HO

2 HCl (g) → H+(aq) + Cl–(aq)

Une base est une substance contenant un (des) groupement(s) OH libérable(s), au contact de l’eau, sous forme d’ion(s) OH–.

HO

2 H2SO4 (l) → 2 H+(aq) + SO42–(aq)

HO

2 CH3 — COOH (l) → H+(aq) + CH3 — COO–(aq)

tralisation, en prenant comme exemple la réaction entre HCl et NaOH. Selon Arrhénius, les réactifs HCl et NaOH en solution aqueuse sont dissociés complètement.

Solution initiale de HCl Solution initiale de NaOH

4

Comment utiliser ce manuel ?

H+ Cl

–

H+

Cl– H+ Cl–

Cl– Cl

–

H+ H

H+ Cl–

+

OH–

Na+ OH

–

Na

OH–

+

OH–

Na

Na+ OH–

Na+

+

OH– Na+

Exercices, problèmes et tâches Exe

Les exercices et les problèmes, nombreux et diversifiés, permettent aux élèves de consolider leurs savoirs et savoir-faire.

Quant aux tâches, inscrites dans l’une des familles de tâches 2 , 3 , ou 4 ), ( FT1 , FT FT FT elles permettent d’évaluer de façon formative ou certificative l’acquisition de compétences.

12 Dresser le diagramme de bilan correspondant à la courbe de titrage de l’exercice n°11.

13 Compléter et expliquer le diagramme de bilan correspondant au titrage de 20,0 mL de HNO2 1,00M par 20,0 mL de NaOH 1,00M.

lement et comparer la valeur à celle renseignée sur l’étiquette.

3

FT

15 Soit 100 mL d’une solution contenant de l’acide acétique 0,015M et de l’acétate de sodium 0,010M. L’ajout de quelques gouttes de phénolphtaléine ne colore pas la solution.

Calculer la masse de NaOH à ajouter à la solution pour que la coloration passe au rose indien.

Les familles de tâches sont décrites à l’Annexe 1.

3

FT

A

Sachant que le volume du milieu réactionnel reste constant au cours de la réaction et que Kc = 4, calculer le rendement de la réaction.

3

Le mélange contient initialement 0,10 mol d’acide ; après réaction, il en reste 0,03 mol.

Sachant que Kc = 5,7, calculer le nombre initial de moles d’alcool.

FT

a) Identifier et graduer les axes du diagramme. b) Identifier les espèces correspondant à l’évolution des droites. c) Déterminer la valeur du point A et en donner la signification. d) Représenter schématiquement l’allure de la courbe de pH correspondant à ce titrage.

3

2

FT

9 L’acide éthanoïque et l’alcool isoamylique (3-méthylbutan-1-ol) se transforment partiellement, à 100°C, pour donner l’éthanoate d’isoamyle, un ester dont l’odeur rappelle l’odeur de poire.

O + CH3

CH3 C O

CH

CH2 CH2 O

H

CH3

H O

CH3 C

+ H 2O O

CH2

CH2

CH

CH3

10 On se propose d’estérifier l’acide éthanoïque par le butan-1-ol avec une vitesse suffisante et le meilleur rendement possible.

Proposer un mode opératoire.

Dans les tables des températures d’ébullition, on trouve : – eau 100°C ; – acide éthanoïque 118°C ; – butan-1-ol 118°C ; – éthanoate de butyle 127°C.

CH3

FT

14 Sur les étiquettes des vinaigres commerciaux, la concentration de l’acide éthanoïque n’est pas exprimée en molarité mais en degré.

Le degré d’un vinaigre est, par définition, égal à la masse en grammes d’acide éthanoïque pur contenu dans 100 g de vinaigre.

Afin de vérifier le degré d’un vinaigre (7°) d’un produit commercial, on réalise les manipulations suivantes : a) la solution de vinaigre est diluée 10 fois. b) 10,0 mL de la solution diluée de vinaigre est titrée par 11,9 mL de NaOH 0,105M en présence de phénolphtaléine.

Sachant que la masse volumique du vinaigre commercial est égale à 1,020 g/mL, calculer le degré de vinaigre déterminé expérimenta-

16 Pour conserver du lait frais durant deux à trois jours, il est essentiel de le placer au réfrigérateur.

En effet, suivant la température de conservation, le lactose C12H22O11 se transforme plus ou moins rapidement en acide lactique CH3 — CHOH — COOH (cf. « Pour en savoir plus »).

Pour que le lait soit consommable, il ne doit pas contenir plus de 2,4 . 10–2 mol d’acide lactique par litre.

L’acide lactique (pKa = 3,9) contenu dans un échantillon de 20,0 mL de lait est dosé par titrage à l’aide de 11,4 mL d’une solution de NaOH 0,100M. Le lait est-il consommable ? Justifier la réponse.

2

FT

17 Laboratoire Doser un acide dans un détartrant pour cafetière électrique Un détartrant pour cafetière électrique contient de l’acide sulfamique H2N — SO3H. Ce composé est le seul acide présent dans ce détartrant.

Pour doser l’acide sulfamique, il suffit d’effectuer un titrage à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration connue.

Le titrage acide-base

Ressources à intégrer Re

Ressources à intégrer Re

À la fin de ce chapitre, être capable de :

16

113

En fin de chapitre, une liste de savoirs et de savoir-faire aide les élèves dans leur travail d’étude.

SAVOIR-FAIRE

SAVOIRS

SAVOIR-FAIRE

• donner la formule semi-développée des groupements fonctionnels acide carboxylique, alcool et ester ; • écrire l’équation bilan générale traduisant une réaction d’estérification ; • citer les facteurs susceptibles de modifier la vitesse d’une réaction d’estérification ; • citer le facteur capable de modifier l’état d’équilibre dynamique d’une réaction d’estérification ; • citer les domaines d’utilisation des esters dans la vie courante et donner un exemple ;

• identifier, dans une molécule organique, la présence éventuelle de groupements fonctionnels À la fin de ce chapitre, être capable de : acide carboxylique, alcool ou ester ; • nommer un acide carboxylique, un alcool et un SAVOIRS ester ; • définir produit ionique de l’eau ; • écrire la formule semi-développée d’un acide, d’un • écrire l’expression de Kw ; alcool ou d’un ester dont on connaît le nom ; • écrire une équation traduisant une réaction d’es-• donner la valeur du produit ionique de l’eau à 25°C ; térification ; • calculer la constante d’équilibre Kc d’une réaction d’estérification ; • calculer le rendement d’une réaction d’estérification.

•ààdéterminer si une solution est acide, neutre ou basique connaissant la concentration en H3O+ ou en OH–, et inversement ; •ààutiliser une échelle d’acidité.

Chapitre 1

Pour en savoir plus ...

Pou Chaque chapitre se termine par un document qui étoffe le sujet traité.

Ce document culturel est lié à l’actualité et aux domaines scientifique, historique, technologique, éthique, socio-économique…

L’eau et les pluies acides Lorsque la pluie ne subit pas d’influence des activités humaines, elle contient surtout des acides faibles.

Le principal acide présent est l’acide carbonique, H2CO3, provenant de la réaction, avec l’eau, du dioxyde de carbone CO2 atmosphérique, un oxyde acide.

Cette réaction est traduite par l’équation : CO2(g) + H2O(l) � H2CO3(aq) Par ailleurs, l’acide carbonique participe à un autre équilibre produisant, en solution aqueuse, des ions H3O+ : H2CO3(aq) + H2O(l) � H3O+(aq) + HCO–3(aq) La pluie contient ainsi des ions H3O+ à la concentration d’environ 2 . 10–6 mol . L–1. Elle est donc légèrement acide.

Dans les régions très industrialisées, l’acidité des pluies est souvent supérieure à cette concentration.

Cela est dû, notamment, à la présence dans l’atmosphère d’un excès de gaz carbonique et d’oxydes acides (d’azote et de soufre) produits par l’activité humaine.

La carte ci-dessus indique le risque de pluie acide pour une partie de l’Europe.

Il faut signaler que ce ne sont pas, en général, les pays producteurs de la pollution à l’origine des pluies acides qui sont les plus atteints par celles-ci. Il s’agit souvent d’une pollution transfrontalière qui dépend de l’orientation des vents.

L’eau dans la théorie de Brönsted

51

Comment utiliser ce manuel ?

5

1 e r t i p Cha

La réaction d’estérification

Les réactions des acides carboxyliques avec les alcools produisent des esters et de l’eau.

Ces réactions, appelées réactions d’estérification, sont lentes et aboutissent à un état d’équilibre.

Elles sont à l’origine de certains arômes, parfums, polymères…

Mise en situation Nous vivons dans un monde où arômes et parfums prennent une place de plus en plus importante.

Pensons aux arômes présents dans les multiples produits alimentaires (yaourts, sirops…), aux parfums présents dans les eaux de toilette, les déodorants, les savons, les produits d’entretien…

Parmi les molécules odorantes, les esters se taillent une bonne part du marché.

Le tableau suivant donne la formule semi-développée, le nom et l’arôme prédominant de quelques esters fruités naturels.

L’examen attentif des formules permettra de proposer une formule de structure du groupement fonctionnel ester.

Formule O CH3 C

Nom

Arôme prédominant

éthanoate de propyle

poire

éthanoate d’isopentyle

banane

éthanoate d’octyle

orange

butanoate de méthyle

pomme

butanoate d’éthyle

ananas

butanoate de pentyle

abricot

O CH2 CH2 CH3 O CH3 C O CH2 CH2 CH CH3 CH3 O CH3 C O CH2 (CH2)6 CH3 O CH3 CH2 CH2 C O CH3 O CH3 CH2 CH2 C O CH2 CH3 O CH3 CH2 CH2 C O CH2 (CH2)3 CH3 La réaction d’estérification

7

Appropriation En observant les différentes formules des esters présentés dans le tableau ci-avant, nous constatons que toutes ces formules se caractérisent par la présence du même groupement fonctionnel, le groupement ester O C

Profil des réactifs Les acides carboxyliques Les acides carboxyliques sont des composés organiques qui possèdent un ou des groupement(s) fonctionnel(s) O

O

R

C

dans lequel R représente une chaîne hydrocarbonée — CH , — CH — CH , CH CH3, …

3 2 3 CH3 Notons que tous les esters naturels figurant dans le tableau précédent peuvent être synthétisés en laboratoire et dans l’industrie à partir d’un acide carboxylique et d’un alcool appropriés.

O

nécessairement placé(s) en bout de chaîne carbonée.

Le tableau suivant reprend la formule, la nomenclature et l’origine de quelques acides naturels.

Nomenclature officielle (nomenclature courante)

Formule

H

Origine

O Acide méthanoïque (acide formique)

H C O

produit par les fourmis

H

O CH3 C O

Acide éthanoïque (acide acétique)

issu de la fermentation du vin et présent dans le vinaigre

Acide butanoïque (acide butyrique)

issu du rancissement du beurre

H O

CH3

CH2

CH2 C O

O

O C

H

8

Chapitre 1

O

H Acide éthanedioïque (acide oxalique)

C O

H

présent dans l’oseille et la rhubarbe

Le nom d’un acide carboxylique dans la nomenclature officielle s’obtient aisément en faisant précéder le nom de la chaîne principale du mot acide et en ajoutant le suffixe oïque au nom de la chaîne.

Exemples : 3

CH3

2

1

O

CH2 C

O H acide propanoïque 5

CH3

4

3

CH CH2

2

1

O

CH2 C

CH3

– le propan-1,2,3-triol CH2OH — CHOH — CH2OH ou glycérine, sous-produit de l’industrie des savons utilisé dans la fabrication de cosmétiques (crèmes hydratantes) ou … d’explosifs (trinitroglycérine) ; – …

Les règles de nomenclature qui s’appliquent aux alcools sont relativement simples : • nommer la chaîne principale en se référant à la nomenclature des alcanes ; • accoler, au nom de la chaîne, le suffixe ol avec l’indication de la position du ou des groupements OH. Exemples :

O

3

H

acide 4-méthylpentanoïque

1

CH2 CH2OH

propan-1-ol

Notons que le carbone du groupement fonctionnel porte toujours le numéro 1.

3

2

CH3

1

CHOH CH3

propan-2-ol

Les alcools Les alcools sont des composés qui possèdent un ou des groupement(s) fonctionnel(s)

2

CH3

C

O

H.

Si l’éthanol CH3 — CH2OH contenu dans les boissons alcoolisées est l’alcool naturel le plus connu, il existe bien d’autres composés appartenant à la famille des alcools.

Citons : – le méthanol CH3OH utilisé comme solvant ou combustible ; – l’éthan-1,2-diol CH2OH — CH2OH ou éthylèneglycol utilisé comme antigel dans les radiateurs de voiture ;

4

CH2OH

3

2

CH2 CH2

1

CH2OH

butan-1,4-diol

Profil de la réaction d’estérification La réaction entre un acide carboxylique et un alcool s’appelle réaction d’estérification.

La synthèse de certains esters est assez aisée comme le montrera le laboratoire suivant.

La réaction d’estérification

9

2

FT

a

Laboratoire1 : préparer quelques esters odorants.

Afin de réaliser ce laboratoire, rassembler le matériel et les réactifs suivants :

MATÉRIEL

– 1 trépied – 1 berlin de 400 mL – pipettes Pasteur avec embouts en caoutchouc – flacons compte-gouttes – languettes de papier filtre – grains de pierre ponce

– 4 tubes à essais – 4 bouchons – 1 porte-tube à essais – 1 pince en bois – 1 bec Bunsen – 1 toile métallique

RÉACTIFS2 – acide éthanoïque pur (acide acétique glacial) – acide propanoïque – acide butanoïque b

– acide sulfurique concentré – éthanol – propan-1-ol

Appliquer le mode opératoire suivant :

– remplir à moitié le berlin avec de l’eau et porter à ébullition ; – dans 4 tubes à essais, introduire respectivement un grain de pierre ponce et, à l’aide des pipettes Pasteur, les quantités d’acide et d’alcool indiquées dans le tableau ci-dessous : Tube 1 2 3 4

Acide acide éthanoïque 10 gouttes acide éthanoïque 10 gouttes acide propanoïque 20 gouttes acide butanoïque 10 gouttes

Alcool éthanol 20 gouttes propan-1-ol 20 gouttes éthanol 15 gouttes éthanol 8 gouttes

– dans chaque tube à essais, ajouter, très prudemment, 4 gouttes d’acide sulfurique concentré contenu dans un flacon compte-gouttes ; – fermer chaque tube à l’aide d’un bouchon et agiter ; – déboucher les tubes et les plonger dans le bain d’eau bouillante (la flamme du bunsen doit être éteinte) ; – après 3 minutes, sortir les tubes à essais du bain et les placer dans le porte-tube à essais ; – tremper une languette de papier filtre dans chaque tube ; – humer chaque papier et identifier l’odeur parmi les odeurs suivantes : dissolvant, poire, sherry, ananas ; – noter les odeurs. c

Rédiger un rapport de laboratoire en y incluant :

– les formules semi-développées des réactifs organiques ; – les formules semi-développées des esters formés et leur odeur ; – les équations des réactions d’estérification.

1 2

10

Ce laboratoire, destiné aux élèves, peut devenir une manipulation réalisée par le professeur.

Les acides organiques doivent être maintenus sous hotte et manipulés avec un maximum de précaution.

Chapitre 1

Dans le tube 4, apparaît du butanoate d’éthyle dont l’odeur rappelle celle des ananas.

O

Analysons les résultats du laboratoire afin d’établir l’équation générale d’une réaction d’estérification O

CH3

CH2 CH2 C

Dans le tube 1, l’acide éthanoïque CH3 C

O O

H

réagit avec l’éthanol CH3 CH2 O H pour former un ester qui a l’odeur caractéristique du dissolvant du vernis à ongle : l’éthanoate d’éthyle couramment appelé acétate d’éthyle.

Ce composé résulte de la substitution du grouO H de l’acide par le groupement pement O CH2 CH3 provenant de l’éthanol.

La formation de l’éthanoate d’éthyle s’accompagne aussi de la formation d’eau.

Pour traduire la réaction, nous écrirons l’équation suivante : O + CH3 CH2

CH3 C O

O

O + R2 O

R1 C

O H acide carboxylique

H →

O R1 C

CH2

CH3 C CH2

CH3

O CH3 C

CH3 C O

O

H

acide éthanoïque

O

CH2

CH3

CH3

éthanoate de méthyle

O CH3

O CH3

CH2 C O

CH3 CH2 C

eau

dans laquelle R1 et R2 sont des chaînes hydrocarbonées pouvant être identiques ou différentes.

La nomenclature des monoesters (un seul groupement ester dans la molécule) obéit à la règle suivante : le nom s’obtient en remplaçant la terminaison oïque de l’acide par la terminaison oate et en précisant ensuite le nom du groupement alkyle — R2.

Exemples : O

Dans le tube 3, il se forme du propanoate d’éthyle caractérisé par une odeur de sherry.

O

R2

ester

CH3

Dans le tube 2, on obtient l’éthanoate de propyle à l’odeur de poire.

O

+ H 2O O

+ H2O O

CH2

� H �

alcool

O CH3 C

CH3

De nombreuses expériences, semblables aux précédentes, ont montré que la réaction entre un acide carboxylique et un alcool aboutit à la formation d’un ester et de l’eau.

Des études quantitatives effectuées, entre autres, par Berthelot3, démontrent que toute réaction d’estérification aboutit à un état d’équilibre dynamique.

Pour traduire une réaction d’estérification, nous pouvons écrire l’équation bilan générale :

H

O

CH2

acide propanoïque

CH2 C O

H

CH2 CH3

propanoate d’éthyle

3 Marcellin Berthelot (1827-1907), chimiste français.

La réaction d’estérification

11

Gestion d’une réaction d’estérification Puisque les réactions d’estérification sont lentes et incomplètes, leur gestion demande d’accroître simultanément la vitesse et le rendement.

Pour augmenter la vitesse d’une réaction d’estérification, une augmentation de la température du milieu réactionnel et la présence d’un catalyseur sont nécessaires.

C’est pourquoi, lors de la préparation des quatre esters, nous avons plongé les tubes à essais dans un bain-marie à 100°C et utilisé de l’acide sulfurique concentré comme catalyseur.

Bien que l’élévation de température du milieu permette d’augmenter la vitesse de réaction, elle ne permet cependant pas de déplacer l’équilibre et d’améliorer ainsi le rendement car la plupart des réactions d’estérification sont athermiques (DH ~ O).

Pour augmenter le rendement, selon la loi de Le Chatelier, on ne peut donc jouer que sur les concentrations : – en utilisant un réactif en excès par rapport à l’autre, souvent le moins coûteux ; Exemple : synthèse de l’éthanoate d’éthyle Nombre de moles d’acide éthanoïque 1 1

Nombre de moles d’éthanol 1 2

Rendement 67% 85%

– en éliminant du milieu, quand cela est possible, un des produits de la réaction, par exemple l’eau formée si les températures d’ébullition de l’acide, de l’alcool et de l’ester sont supérieures à la température d’ébullition de l’eau.

Utilisation des esters Citons quelques domaines de la vie courante où les esters sont présents.

Domaine des arômes et des parfums Nous avons déjà signalé que de nombreux esters naturels, présents dans certains végétaux, sont assez volatils et ont une odeur agréable. Ils sont susceptibles d’être utilisés comme parfum ou agent d’aromatisation.

12

Chapitre 1

À l’heure actuelle, l’industrie chimique prépare, par synthèse, certains de ces esters qui sont directement incorporés dans diverses friandises (goût fruité), des cosmétiques ou des produits d’entretien.

Domaine des fibres artificielles et des plastiques Nous avons vu en 5e année que l’estérification de diacides par des polyols (plusieurs fonctions alcools) produit de longues chaînes carbonées formées par la répétition d’un motif relativement simple.

Les produits de polycondensation ainsi obtenus portent le nom de polyesters.

Suivant la nature du diacide et du polyol, on peut obtenir différents types de polyesters. Citons : le tergal (fibre textile), le PET (bouteilles), le glyptal (résine utilisée dans la fabrication de peintures ou d’éléments de carrosserie)…

Domaine des solvants

Domaine des savons

Citons principalement l’éthanoate d’éthyle (acétate d’éthyle), très bon solvant.

L’industrie chimique prépare de très grandes quantités de savons par saponification de corps gras c’est-à-dire des huiles ou des graisses qui sont des triesters naturels.

La réaction de saponification fait l’objet du chapitre suivant.

Il est utilisé comme dissolvant des vernis à ongles et, en laboratoire, pour effectuer des recristallisations de composés particulièrement peu solubles.

La réaction d’estérification

13

Exercices, problèmes et tâches 5 CH3

1 Parmi les composés suivants,

CH

CH3 + H2 →

CH

CH3

O 1 CH3 C O O 2 CH3 CH2 C CH3 O

H

O 4 CH3 CH2

C CH2 CH3

3 Écrire la formule semi-développée des composés suivants :

O CH2

C

a) acide butanoïque ; b) éthanoate de propyle ; c) butan-2-ol ; d) pentanoate de méthyle ; e) acide 3-méthylpentanoïque ; f) 4-méthylpentan-2-ol.

O H a) 1 et 2 sont des esters ; b) 1, 3 et 5 sont des esters ; c) 1 et 4 sont des esters ; d) 2, 3 et 4 sont des esters ; e) 3 et 4 sont des esters.

4 Donner un nom à chacun des composés suivants :

Choisir la bonne proposition.

2 Parmi les équations suivantes,

O a) CH3 CH2

1 CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

C O

O 2 CH3 C

+ CH3 O

O

H

O b) CH3 CH2 CH2

O

O c) CH3 CH2 CH2

CH3

+ CH3 CH2

Chapitre 1

H

CH2 CH2 CH2 CH2 C O

O

O e) CH3

O H

14

C H

CH2 CH3 O

CH3 C

CH3

O

d)

+ H2O � � O

O

CH2

O

CH2Cl

O 4 CH3 C

C

+ H2O O

CH2 + HCl → CH3

H

� H �

CH3 C 3 CH2

CH3

Choisir la bonne proposition.

O

5 CH3 CH2

CH2

a) 1 et 2 traduisent une réaction d’estérification ; b) 1, 2, 3, 4 et 5 traduisent une réaction d’estérification ; c) 4 et 5 traduisent une réaction d’estérification ; d) 2 traduit une réaction d’estérification ; e) 4 traduit une réaction d’estérification.

CH3

3 CH3 CH2 CH2

CH2

O

H

C O

f) CH2OH CHOH

CH2 CH2 CH3 CH2OH

H

5 C ompléter les équations traduisant des réactions d’estérification : O

a) CH

3

+ H

C O

� CH3 �

O

H

a) Donner le nom de cette réaction de synthèse de l’acétate d’éthyle. b) Écrire l’équation traduisant la réaction. c) Nommer les réactifs. d) Compléter le tableau suivant :

… + …

t (min)

O + … � �

b) CH3 C O

H O + H2O

CH3 C O

CH2

CH2 CH3

c) … + … � �

O

CH3 CH2 CH2

+ …

C O

CH3

6 A u laboratoire, on réalise la synthèse de l’acétate d’éthyle en présence d’acide sulfurique comme catalyseur.

Lors de cette synthèse, des dosages à intervalles réguliers de l’acide acétique restant permettent de conclure que l’état d’équilibre est pratiquement atteint après 50 minutes.

Ces dosages permettent aussi de calculer le nombre de moles d’ester formées.

Le graphique suivant présente l’évolution du nombre de moles d’acide restant (nA) et du nombre de moles d’ester formé (nE) au cours du temps. nA,nE (mol) 0,035

nester formé (mol) …

e) Déterminer le moment où le nombre de moles d’acide restant et le nombre de moles d’ester formé sont égaux. f) Déterminer les nombres de moles d’acide restant et d’ester formé lorsque l’état d’équilibre est atteint. g) Écrire l’expression de Kc. h) Calculer la valeur de Kc si, initialement, les nombres de moles d’acide et d’alcool sont identiques.

R : Kc = 4,4.

7 O n fait réagir 2,5 mol d’acide éthanoïque avec 1,0 mol d’éthanol. Lorsque la réaction a atteint son état d’équilibre, il reste 1,62 mol d’acide et 0,12 mol d’alcool qui n’ont pas réagi.

Calculer le Kc de cette réaction en considérant que le volume total reste constant.

R : Kc = 4,0.

0,030 0,025

nE

0,020 0,015

nA

0,010 0,005 0,000

0 5 10 15 30 45 50

nacide restant (mol) 3,4 . 10–2 …

0

5

10

15

20

25

30

35

40 45 Temps (min)

3

FT

8 L ’acide éthanoïque liquide et l’éthanol liquide se transforment partiellement en éthanoate d’éthyle et eau.

Une mole de chaque réactif est initialement présente.

La réaction d’estérification

15

Sachant que le volume du milieu réactionnel reste constant au cours de la réaction et que Kc = 4, calculer le rendement de la réaction.

3

Le mélange contient initialement 0,10 mol d’acide ; après réaction, il en reste 0,03 mol.

Sachant que Kc = 5,7, calculer le nombre initial de moles d’alcool.

FT

2

FT

9 L’acide éthanoïque et le 3-méthylbutan-1-ol se transforment partiellement, à 100°C, pour donner l’éthanoate d’isopentyle, un ester dont l’odeur rappelle l’odeur de banane.

O + CH3

CH3 C O

CH

H � �

CH2 CH2 O

CH3

H O

CH3 C

+ H 2O O

CH2

CH2

CH

CH3

10 On se propose d’estérifier l’acide éthanoïque par le butan-1-ol avec une vitesse suffisante et le meilleur rendement possible.

Proposer un mode opératoire.

Dans les tables des températures d’ébullition, on trouve : – eau 100°C ; – acide éthanoïque 118°C ; – butan-1-ol 118°C ; – éthanoate de butyle 127°C.

CH3

Ressources à intégrer À la fin de ce chapitre, être capable de :

16

SAVOIRS

SAVOIR-FAIRE

• donner la formule semi-développée des groupements fonctionnels acide carboxylique, alcool et ester ; • écrire l’équation bilan générale traduisant une réaction d’estérification ; • citer les facteurs susceptibles de modifier la vitesse d’une réaction d’estérification ; • citer le facteur capable de modifier l’état d’équilibre dynamique d’une réaction d’estérification ; • citer les domaines d’utilisation des esters dans la vie courante et donner un exemple ;

• identifier, dans une molécule organique, la présence éventuelle de groupements fonctionnels acide carboxylique, alcool ou ester ; • nommer un acide carboxylique, un alcool et un ester ; • écrire la formule semi-développée d’un acide, d’un alcool ou d’un ester dont on connaît le nom ; • écrire une équation traduisant une réaction d’estérification ; • calculer la constante d’équilibre Kc d’une réaction d’estérification ; • calculer le rendement d’une réaction d’estérification.

Chapitre 1

Pour en savoir plus ...

Les odeurs Les esters ne sont pas les seuls composés qui possèdent une odeur caractéristique. Beaucoup d’autres molécules, renfermant d’autres groupements fonctionnels, se retrouvent dans les aromates et les parfums ou confèrent parfois une odeur désagréable aux corps qui les contiennent.

– la butanedione, ingrédient utilisé dans l’aromatisation des margarines ; CH3 C C CH3 O

O

–…

Tous ces composés constituent des stimuli olfactifs.

Ils interagissent avec les sites récepteurs olfactifs (environ 50 millions) situés dans les muqueuses qui tapissent le plafond des fosses nasales et occupent, chez l’être humain, une surface de 2 à 4 cm2. zone de l’odorat

CERVEAU

nerf olfactif cils olfactifs

Citons entre autres : – les terpènes, hydrocarbures éthyléniques constiCH3 tués d’unités isopréniques CH2 C CH CH2 et dont certains sont responsables de l’odeur relativement forte qui émane des conifères ou de pelures d’agrumes ; – l’acide butyrique (butanoïque) qui confère au beurre rance son odeur très désagréable ; O

nez

air inspiré

langue

Au contact d’un récepteur olfactif, le stimulus devient une information codée contenant tous les éléCH3 CH2 CH2 C ments indispensables pour renseigner finalement le cerveau sur la nature et l’intensité de l’odeur.

O H En raison de la nature du système olfactif, pour être – le 3,7-diméthyloctan-1-ol qui a une odeur de odorantes, les substances doivent présenter certaines rose ; caractéristiques physico-chimiques : CH3 CH CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 O H • elles doivent être suffisamment volatiles pour pouCH3 CH3 voir atteindre les récepteurs olfactifs. Un corps non volatil, le verre par exemple, n’émet pas d’odeur.

– les amines aliphatiques R — NH2 qui donnent son Signalons cependant que les corps les plus volatils odeur au poisson en putréfaction ; ne sont pas les plus odorants : par exemple, le mo– le benzaldéhyde, essence artificielle à l’odeur noxyde de carbone CO est inodore ; d’amande amère ; • elles doivent être relativement solubles dans l’eau O sinon elles ne pourront pas atteindre les terminaiC6H5 C sons nerveuses qui sont noyées dans une fine pelH licule aqueuse ; La réaction d’estérification

17

• enfin, elles doivent être suffisamment solubles dans les lipides pour leur permettre de pénétrer jusqu’aux terminaisons nerveuses à travers la double couche phospholipidique de la membrane cellulaire.

La perception d’une odeur dépend donc d’une multitude de facteurs : – de l’architecture générale de la molécule odorante et de la présence éventuelle de certains groupements fonctionnels ; – des propriétés physico-chimiques de cette molécule ;

18

Chapitre 1

– de l’existence, dans le système olfactif, de cellules réceptrices vraisemblablement de plusieurs types ; – de l’interaction, probablement du type clef-serrure, avec le site récepteur ; – …

Beaucoup de théories ont été élaborées pour tenter d’expliquer l’influence de tel ou tel facteur. Quelques modèles partiels n’ont pas rencontré d’objection majeure dans le monde des scientifiques mais aucune théorie générale de l’odeur n’a encore vu le jour.

s e r è i t a m s e d Table

Avant-propos.......................................................................................................................3

Comment utiliser ce manuel ?..............................................................................................4 Chapitre 1 La réaction d’estérification.............................................................................6

Pour en savoir plus … Les odeurs..................................................................17 Chapitre 2 La réaction de saponification........................................................................19

Pour en savoir plus … Les détergents synthétiques et biodégradables.........................................................29 Chapitre 3 La théorie acide-base de Brönsted-Lowry........................................................31

Pour en savoir plus … Du saule à l’acide acétylsalicylique : la longue histoire de l’aspirine.......................................43 Chapitre 4 L’eau dans la théorie de Brönsted..................................................................46

Pour en savoir plus … L’eau et les pluies acides...............................................51 Chapitre 5 Force des acides et des bases en solution aqueuse...........................................54

Pour en savoir plus … Les acides et les bases qui nous entourent… ..................65 Chapitre 6 La réaction acide-base.................................................................................67

Pour en savoir plus … Les médicaments effervescents…...................................80 Chapitre 7 Mesure et calcul du pH de solutions aqueuses.................................................82

Pour en savoir plus … pH de quelques milieux naturels....................................98 Chapitre 8 Le titrage acide-base.................................................................................. 101

Pour en savoir plus … L’acide lactique : l’ennemi ou l’ami du lait..................... 116 Chapitre 9 Les réactions d’oxydoréduction avec transfert d’électrons............................... 118

Pour en savoir plus … Utilisation de réactions d’oxydoréduction...................... 126 Chapitre 10 Écriture des équations ionique et moléculaire des réactions rédox.

Nombre d’oxydation. Titrages rédox............................................................. 127

Pour en savoir plus … L’éthanol et l’éthylotest............................................... 139 Chapitre 11 Potentiel de réduction et force des oxydants et des réducteurs....................... 141

Pour en savoir plus … De la pile de Volta aux piles usuelles............................ 153 Chapitre 12 Prévision et écriture des équations des réactions rédox.................................. 155

Pour en savoir plus … Fabrication des circuits imprimés................................. 162 Chapitre 13 Électrolyse, galvanoplastie et accumulateurs................................................. 163

Pour en savoir plus … La voiture électrique................................................... 169 Chapitre 14 La réaction de précipitation........................................................................ 171

Pour en savoir plus … Quelques applications des réactions de précipitation....... 169 Chapitre 15 Relation entre solubilité et produit de solubilité Kps...................................... 180

Pour en savoir plus … Des précipités très douloureux : les calculs rénaux.......... 186 Table des matières

207

Annexes Annexe 1 Description des familles de tâches (FT)........................................................ 189 Annexe 2 Table des valeurs de Ka et de pKa de quelques acides...................................... 190 Annexe 3 Table des couples Ox/Red et des valeurs des potentiels standard de réduction E 0 (en volts) à 25°C et 1 013 millibars....................................... 192 Annexe 4 Tableau qualitatif de la solubilité dans l’eau (à 25°C) de quelques sels et hydroxydes........................................................................................... 194 Annexe 5 Table des valeurs de Kps de quelques composés peu solubles (à 25°C)............... 195 Annexe 6 Canevas de rapport de laboratoire................................................................ 196 Annexe 7 Nouveaux pictogrammes de danger.............................................................. 197 Annexe 8 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel............ 200 Index.............................................................................................................................. 202

208

Table des matières