Fiche pédagogique enseignant
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Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Pays Roumanie Cadre Lycées à section bilingue francophone Niveaux Classes de Terminale scientifique Discipline Chimie Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Curriculum spécifique aux sections bilingues Programme Thème du programme Sujet Approche méthodologique Pré-requis http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officielsprogrammes/74.html La classification des composés organiques Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Mettre en place une démarche d’investigation (ou une démarche expérimentale) La différence entre chimie organique et chimie minérale Les origines de la chimie organique (synthèse de l’urée par exemple) La valence des éléments carbone, hydrogène, oxygène et des halogènes Formule simple, développée, semi-développée et nomenclature des alcanes et des alcènes L’isomérie OBJECTIFS Disciplinaires Classer les composés organiques selon leur groupe caractéristique Utiliser correctement la nomenclature des composés organiques Savoir qu’il existe plusieurs classes d’alcool Expliquer les propriétés physiques des alcools (état d’agrégation, solubilité, point d’ébullition) Réaliser les réactions, identifier les produits créés et écrire les équations qui correspondent aux propriétés chimiques des alcools : l’oxydation, la combustion, la fermentation acétique Reconnaître dans la formule d’une espèce chimique organique les groupes caractéristiques : – OH, – CO2H, – CO2R, – CO – O – CO – Écrire l’équation des réactions d’estérification et d’hydrolyse Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Linguistiques Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse À partir de la formule semi-développée d’un ester, retrouver les formules de l’acide carboxylique et de l’alcool correspondants Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum Savoir que les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont inverses l’une de l’autre et que les transformations associées à ces réactions sont lentes Savoir qu’un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans figurer sans l’équation de la réaction et sans modifier l’état d’équilibre du système Savoir que l’excès de l’un des réactifs et/ou l’élimination de l’un des produits déplace l’état d’équilibre du système dans le sens direct Définir le rendement d’une réaction Maîtriser le lexique spécifique aux fonctions de la chimie organique et aux réactions classiques entre produits organiques Exprimer la condition et l’hypothèse Décrire les étapes d’un processus, d’une transformation Maîtriser le raisonnement par implication Comparer, distinguer Énoncer les caractéristiques, les propriétés (d’un composé organique, d’un alcool) / Définir / Décrire Identifier et utiliser les connecteurs logiques DOCUMENTS Document 1 Document 2 Document 3 Document 4 Fiche professeur pour l’activité 1 : comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec leur nom ? TP n°11 « jeu des composés organiques » tiré de http://www.physagreg.fr/premiere-word.php Fiche élève pour activité 2 documentaire : étude de quelques données physico chimiques de quelques alcools Tiré du CDRom du MEN « documents d’accompagnement des programmes de 1ère S 2001 » La chimie créatrice -TP1 : Influence de la chaîne carbonée sur la solubilité des alcools Fiche élève pour l’activité 3 expérimentale : Oxydation ménagée des alcools en fonction de leur classe : TP n°12 « oxydation des alcools » tiré de http://www.physagreg.fr/premiere-word.php Fiche professeur pour l’activité 4 expérimentale : estérification et hydrolyse d’un ester TP n°13 « préparation d’un ester » tiré de http://www.physagreg.fr/premiere-word.php Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse OUTILS LINGUISTIQUES Lexique utile - composés oxygénés dériver de … fonctions organiques estérification, ester, polyester hydrolyse miscibilité, miscible goutte à goutte catalyseur préfixes et suffixes (noms des composés organiques) verbes de transformation, le changement d’état (passer de … à …) les marqueurs de la succession (ensuite, enfin…) L’expression du but (pour que + subjonctif) Tournures impersonnelles Présent de vérité générale, verbes d’état, verbes de changement d’état Le pronom indéfini : « on » Les connecteurs logiques de cause, de conséquence Les valeurs du présent de l’indicatif Le genre des adjectifs La comparaison Les pronoms relatifs La condition et l’hypothèse : Si + indicatif - Si + présent ou passé composé - Si + présent dans la principale - Quand - Lorsque - Dès que La condition nécessaire : l’implication (« On dit qu’une force travaille si son point d’application se déplace ») - A implique B - B dépend de A - Si A alors B - Pour que A il faut que B - On dit que… si… Formes syntaxiques / discursives utiles Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse SÉQUENCE PEDAGOGIQUE Durée de la séquence : 3h30 en TP-cours. Problème scientifique : Pourquoi dit-on que les composés oxygénés dérivent des alcanes ? Comment la structure des alcools influe-t-elle sur leurs propriétés ? Une première séance permet d’exposer les fonctions organiques oxygénées les plus courantes : alcools, acides et dérivées d’acide et la classe des alcools. Ensuite on étudie les propriétés des alcools. Comment passer d’une fonction organique à une autre ? Cette 2e séance étudie l’oxydation des alcools puis les réactions qui permettent de passer par exemple d’un acide à un alcool. Comment fabriquer un ester et contrôler les réactions d'estérification et d'hydrolyse des esters ? Cette 3e séance permet, avec l’exemple de la fabrication d’un ester, de montrer comment le chimiste contrôle la vitesse et le rendement d’une réaction. On introduira ici la notion de catalyse. Durée de la séquence et répartition des séances : 3h30 sur 3 séances. Activité 1 : comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec leur nom ? Situation déclenchante On présente des flacons (ou des bouteilles pour les gaz) de différents composés organiques parmi ceux qui ont été étudiés (alcanes et des alcènes) ou qui vont l’être (alcool, acide carboxylique, aldéhyde, anhydride d’acide). Séance 1 : Démarche Consigne Cette présentation peut être aussi faite avec un diaporama ou une photocopie d’étiquettes de flacons. Il faut qu’il y ait au moins la formule brute ou semi-développée et le nom standard du composé Exemple de liste : éthanol, éthanal, acide éthanoïque, méthanol, butanol-2, acide méthanoïque, propanal, propane, éthylène (ou éthéne)… Activité des élèves Par groupe de 3 ou 4, classer ces différents composés en familles et déterminer pour chaque famille ce qui la caractérise. Problématique Comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec leur nom ? Hypothèses On retrouve dans le nom et dans la formule de chaque composé organique d’une famille une partie commune. Conclusion après mise en commun des réponses des élèves A - Les composés oxygénés de la chimie organique Parmi ces composés qui possèdent des atomes d’oxygène, on peut distinguer 4 familles : les alcools, les aldéhydes, les acides carboxyliques et les anhydrides d’acide. Famille de composés Groupe caractéristique Suffixe utilisé pour désigner le groupe caractéristique Alcool –OH -ol Aldéhyde –CHO -al Acide carboxylique –COOH Acide …-oïque Anhydride d’acide –CO–O–CO– Anhydride …-oïque Chaque groupe caractéristique correspond à une fonction organique du même nom. Pour déterminer le nom de l’un de ces composés voici les étapes successives : - déterminer l’alcane qui correspond à la chaîne carbonée la plus longue portant le groupe caractéristique - numéroter la chaîne carbonée de l’alcane, le sens de la numérotation est tel que le groupe caractéristique est affecté du plus petit indice (exemple : l’atome de carbone du groupe caractéristique porte le numéro 1 dans le cas de l’acide carboxylique et de l’aldéhyde, de l’anhydride d’acide) - identifier les groupes alkyles - préfixes classés dans l’ordre alphabétique Exemples : CH3 CO2H HCO2H acide méthanoïque (acide formique) acide éthanoïque (acide acétique) CH3 CH2 CO2H 4 acide hexanoïque CH3 CHO CH3 4 3 CH3 CH CH CHO 2 1 CH3 éthanal 2,3-diméthylbutanal Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant CH3 OH méthanol CH3 CH2 OH éthanol Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse CH3 1 2 5 CH3 CH CH CH2 CH3 3 4 OH 3-méthylpentan-2-ol Activité 2 expérimentale : étude documentaire de quelques données physico chimiques de quelques alcools Situation déclenchante Distribution du document de l’activité 2 avec les données physico-chimiques de quelques alcools. Activité des élèves Par groupe de 3 ou 4, répondre aux 3 questions du document. Problématique Comment classer les différents alcools ? Hypothèses Les alcools se classent suivant la formule développée. Conclusion après mise en commun des réponses des élèves B - les propriétés des alcools 1) la classe d’un alcool Si on compare la solubilité de 3 alcools de même formule brute C4H9OH par exemple on constate que : - celui qui (comme l’éthanol) a 2 atomes H sur le C de OH est très soluble : on dit que c’est un alcool primaire - celui dont qui a 1 seul atome H sur le C de OH est moins soluble : on dit que c’est un alcool secondaire - ce celui dont qui n’a aucun atome H sur le C de OH est très peu soluble : on dit que c’est un alcool tertiaire Les 3 classes d’alcools Les alcools primaires Un alcool est primaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH n’est lié qu’à un groupe alkyl. Il est de la forme : R-CH2-OH (avec R un groupe alkyl ou un H) Les alcools secondaires Un alcool est secondaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH est lié à 2 groupes alkyl. Il est de la forme : R1-CH-OH R2 Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Les alcools tertiaires Un alcool est tertiaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH est lié à 3 groupes alkyl. Il est de la forme : R3 R1-C-OH R2 2) les propriétés physiques des alcools Le tableau donné dans l’activité 2 montre que la solubilité, les températures de changements d’état et la densité dépendent de la classe de l’alcool. Modalités de travail Durée Objectifs Évaluation / Correction Travail de groupe sur la situation déclenchante. Mise en commun des résultats pour aboutir à la conclusion. 1h - Classer les composés organiques selon leur groupe caractéristique - Utiliser correctement la nomenclature des composés organiques - Savoir qu’il existe plusieurs classes d’alcools - Expliquer les propriétés physiques des alcools (état d’agrégation, solubilité, point d’ébullition) Exercices d’application Activité 3 expérimentale : Oxydation ménagée des alcools en fonction de leur classe Situation déclenchante Présentation par le professeur (ou réalisation par 2 élèves ou en TP) de : - la manipulation n°1 : oxydation d’un alcool primaire. Séance 2 : - la manipulation n°2 : oxydation d’un alcool secondaire Démarche Consigne Activité des élèves Notez les schémas des dispositifs expérimentaux. Notez les conditions expérimentales et les observations. Complétez la conclusion 4) de la fiche. Problématique D’où viennent les différences de comportement des alcools vis-à-vis de l’oxydation ? Hypothèses Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Selon sa classe, un alcool ne donne pas le même produit par oxydation. Conclusion 3) Oxydation ménagée des alcools Oxydation des alcools primaires lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool primaire de formule R-CH2-OH donne un aldéhyde de formule R- CHO. Si l’oxydant est en excès l’aldéhyde est oxydé en acide carboxylique R-COOH Oxydation des alcools secondaires lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool secondaire de formule R1-C R2 H-OH donne une cétone de formule R1-C R2 = O Oxydation des alcools tertiaires : impossible Conclusion : la réactivité d’un alcool, vis-à-vis de l’oxydation, dépend de la position du groupe fonctionnel hydroxyle –OH sur la chaîne carbonée. 4) Comment passer d’un groupe caractéristique à un autre ? Nous allons voir dans ce chapitre les différentes réactions qui nous permettent de changer le groupe caractéristique d’une molécule (mise à part le changement du groupe hydroxyle, vu précédemment). Pourquoi créer sans cesse de nouvelles molécules ? Afin de répondre industriellement à la demande de nouveaux parfums, de nouveaux médicaments ou de nouveaux matériaux. Mais la nature pratique les mêmes changements pour créer des hormones, des protéines, etc. Différentes réactions Passage du composé carbonylé à l’alcool On réalise une réduction catalytique : R-CO-R’ + H2 Ni R-CHOH-R’ Aldéhyde ou cétone 80°C Alcool Les aldéhydes sont généralement des intermédiaires de synthèse, le méthanal et l’éthanal servent à la fabrication de polymères, de résines et de colles. On utilise les cétones comme solvants (acétone par exemple). Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Passage de l’acide carboxylique à l’alcool On utilise aussi du dihydrogène, mais la réaction est difficile. R-COOH + 2 H2 CuO ou Cr2O3 R-CH2OH + H2O 300 bars, 200°C Passage d’un dérivé halogéné à l’alcool Cette réaction est facile, il suffit de faire réagir le composé halogéné avec de la soude. R-X + OH- R-OH + XC’est encore une réaction de substitution. Les dérivés halogénés interviennent aussi dans l’industrie des solvants. Ils constituent de très bons fluides frigorifiques. Mais il faut citer le polychlorure de vinyle (PVC), contenant l’atome de chlore, ainsi que le tétrafluoroéthylène CF2=CF2 dont la polymérisation donne le téflon. Le problème de ces composés est qu’il favorise la destruction de la couche d’ozone, qui nous protège d’un rayonnement trop intense du soleil. Passage d’un aldéhyde à un acide carboxylique et inversement Nous avons vu dans le chapitre précédent qu’une oxydation faisait apparaître l’acide à partir de l’aldéhyde. Ainsi la réaction inverse pour passer de l’acide à l’aldéhyde sera une réduction. Mais généralement, réduire un acide conduit directement à l’alcool, il est difficile de s’arrêter à l’aldéhyde. Un exemple dans la chimie industrielle Le méthanol produit par la réaction CO + H2 = CH3OH (25 millions de tonnes par an en France) est transformé ensuite soit en méthanal soit en cholormathane, soit en méthylamine soit en MTBE (méthyltertiobutyléther) additif des carburants. Modalités de travail Durée Objectifs Évaluation / Correction Séance 3 : Démarche Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l’activité 3 Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions. La partie 4) « Comment passer d’un groupe caractéristique à un autre ? » sera traité sous forme de cours dialogué. 1h - Réaliser les réactions, identifier les produits créés et écrire les équations qui correspondent à l’oxydation des alcools - Expliquer le passage d’une fonction organique à une autre Exercices de réinvestissement C - les esters On va travailler sur le contrôle des transformations de la matière, et pour ce faire il est commode de prendre un exemple : ici nous allons nous intéresser à la formation Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Consigne Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse ou la destruction d’un nouveau type de composé organique : l’ester. Un nouveau groupe caractéristique, une nouvelle famille chimique 1) Définition Les esters sont des composés organiques qui possèdent le groupe caractéristique – COO–. Ils forment des composés du type R-COO-R’ où R et R’ sont des chaînes carbonées. Ces esters sont généralement obtenus par réaction entre un acide et un alcool. 2) Obtention et nomenclature a. Obtention des esters Ces esters peuvent être obtenus en laboratoire par réaction entre un acide RCOOH et un alcool R’OH. Cette réaction se nomme l’estérification, nous l’étudierons par la suite. Ceci nous indique que d’après la formule de l’ester, nous pouvons retrouver l’acide et l’alcool qui ont servi à sa préparation : L’acide fournit le groupe R, relié au carbone qui porte les deux atomes d’oxygène. L’alcool fournit le groupe R’, relié à l’oxygène simplement lié avec le carbone. b. Nomenclature Nous allons donc utiliser les noms de l’acide et de l’alcool pour composer le nom de l’ester : Nous commencerons par nommer l’acide (R) en lui ajoutant la terminaison « –ate ». On ajoutera la particule « de ». On finira par nommer l’alcool (R’) en lui ajoutant la terminaison « -yle Exemple Donner la formule semi-développée du méthanoate d’éthyle et les réactifs utilisés pour l’obtenir en laboratoire (réponse : H – COO – C2H5 obtenu à partir de l’acide méthanoïque et de l’éthanol). Donner le nom et la formule semi-développée de l’ester obtenu par réaction entre l’acide 2-méthylpropanoïque et le 1-méthylpropan-2-ol (réponse : le 2méthylpropanoate de 1-méthylpropanyle). D - L’estérification et l’hydrolyse d’un ester Activité 4 expérimentale : estérification et hydrolyse d’un ester Situation déclenchante Présentation par le professeur (ou réalisation par 2 élèves ou en TP) de la réaction Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse d’estérification et de la réaction d’hydrolyse Activité des élèves Notez les schémas des dispositifs expérimentaux. Notez les conditions expérimentales et les observations. Rédigez les interprétations des observations. Problématique Qu’est-ce qu’une réaction d’estérification ? Une réaction d’hydrolyse ? Conclusion Les étapes de cette activité permettront de développer le cours suivant qui sera élaboré au fur et à mesure des conclusions des expériences 1) La réaction d’estérification a. Caractéristiques de cette réaction La réaction est lente (l’odeur de fruit ne se ressent pas instantanément dès le mélange des réactifs), c’est pourquoi nous avons chauffé le mélange et ajouté un catalyseur. Cette réaction est limitée, il n’y a donc pas de réactif limitant. On peut montrer qu’en partant d’un mélange équimolaire de réactifs, on obtient 60% de la quantité d’ester que l’on aurait obtenue si la réaction était totale. Ceci étant vrai quelle que soit la durée de la transformation. Attention, le rendement est différent selon la classe de l’alcool utilisé en réactif : on a 67% de rendement avec un primaire alors que l’on n’a que 5% pour un alcool tertiaire. Ainsi on peut définir la notion de rendement de cette réaction : c’est le rapport entre le nombre de moles d’ester effectivement obtenu par le nombre de moles d’ester que l’on aurait obtenu si la réaction avait été totale. nester obtenu nester réaction totale b. Équation de la réaction modélisant la transformation R-COOH + R’-OH R-COO-R’ + H2O La flèche permet juste d’indiquer qu’au départ, on met en présence l’acide et l’alcool pour réaliser l’estérification. 2) La réaction d’hydrolyse a. Caractéristiques de cette réaction La diminution de l’acidité ne se fait pas instantanément, ce qui prouve que Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse la réaction est lente. C’est pour ça que la réaction se fait avec un montage de chauffage à reflux. Cette réaction est limitée, quand on part d’un mélange équimolaire d’ester et d’eau, on obtient environ en acide le 1/3 de la quantité d’acide qu’on obtiendrait si la réaction était totale. Le rendement de cette réaction est de 33% pour un ester issu d’un alcool primaire, mais varie selon la classe de l’alcool. Il passe à 40% pour un ester issu d’alcool secondaire et à 95% pour un ester issu d’alcool tertiaire. b. Équation de la réaction modélisant la transformation(2) R-COO-R’ + H2O R-COOH + R’-OH 3) Etat d’équilibre concernant les réactions d’estérification et d’hydrolyse a. Résultats Si nous traçons la courbe, pour les réactions d’estérification et d’hydrolyse, de la quantité de matière d’ester présente dans le milieu en fonction du temps, nous obtenons la courbe ci-contre (en partant de mélanges équimolaires contenant une mole de chaque réactif) : b. Conclusion Ces courbes ont été obtenues pour un temps de réaction de 200 heures environ, ce qui prouve une nouvelle fois la lenteur des deux réactions. Nous voyons aussi que les deux réactions admettent une limite : il y a toujours 67% d’ester dans le milieu à l’état d’équilibre. On peut schématiser cela de la façon suivante : Équation de l’état d’équilibre et constante d’équilibre Les deux réactions d’estérification et d’hydrolyse, toutes deux lentes, sont inverses et se limitent l’une l’autre. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Elles conduisent toutes les deux vers le même état d’équilibre, atteint quand la réaction directe et la réaction inverse s’effectuent à la même vitesse. On écrit cet état d’équilibre de la manière suivante : R-COOH + R’-OH = R-COO-R’ + H2O Et, par exemple pour la réaction d’estérification, la constante d’équilibre s’écrit : K = Qr,éq = nester neau nacide nalcool Remarques On rappelle qu’un quotient de réaction s’écrit avec des concentrations, mais qu’ici, le volume du mélange réactionnel est V et les concentrations des différentes espèces s’écrivent ni/V. Ainsi le volume disparaît. La grande différence avec ce que nous avons vu jusqu’à maintenant, c’est que nous ne sommes plus en solution aqueuse : l’eau n’est plus en excès et devient un réactif ou un produit à part entière. Sa quantité de matière apparaît donc dans la constante d’équilibre. 4) Comment contrôler les réactions d’estérification et d’hydrolyse ? 1) Contrôle de la vitesse Vu que ces réactions sont lentes, il est intéressant industriellement de pouvoir augmenter leur vitesse. Pour cela nous pouvons jouer sur deux paramètres : Comme nous l’avons vu dans le chapitre 3, augmenter la température du système permet généralement d’augmenter la vitesse des réactions qui y ont lieu. Nous pouvons aussi ajouter une espèce dans le milieu, qui ne va pas intervenir dans la réaction (elle n’apparaît pas dans l’équation de la réaction) mais qui a pour but d’augmenter la vitesse de celle-ci : une telle espèce s’appelle un catalyseur. Exemple : les ions H+ apportés par l’acide sulfurique catalysent la réaction d’estérification (voir II.1.) mais aussi celle d’hydrolyse. Attention, ces deux paramètres ne permettent de contrôler que cinétiquement les réactions, ils n’ont aucune influence sur la constante d’équilibre de la réaction donc sur le taux d’avancement à l’équilibre. Remarques Nous pouvons le comprendre pour ce qui est du catalyseur, mais pour la température, celle-ci a théoriquement une influence sur K. Et même nous avons dit Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse dans le chapitre 6 que K ne dépendait que de la température. Ceci est une particularité des réactions d’estérification et d’hydrolyse qui sont athermiques, c’est à dire qui ne dégagent ni n’absorbent pas de chaleur : alors leur K ne dépend que très peu de la température. 2) Contrôle de l’état final : peut-on modifier le rendement des réactions ? En effet, un industriel ne se contentera pas d’un rendement de 67% pour l’obtention d’un ester, il voudra utiliser ses réactifs pour obtenir, à partir de ceux-ci, 100% de produits. Son but est donc de trouver la recette pour obtenir des réactions totales. a. Quelles sont les méthodes à utiliser ? Il peut tout d’abord faire un choix judicieux au niveau des réactifs : on a vu qu’en utilisant les différentes classes d’alcool, les réactions avaient un rendement plus ou moins élevé. Il peut aussi gérer la quantité de matière initiale des réactifs qu’il va mettre en présence. Regardons le résultat du taux d’avancement de la réaction d’estérification en fonction de la 5 2 1 1 1 proportion des réactifs : Composition acide du mélange 1 1 2 5 alcool 1 initial (mol) Taux d’avancement à 95 l’équilibre (%) 85 67 85 95 Nous voyons donc que mettre un des réactifs en excès dans l’état initial est très avantageux pour obtenir un bon rendement. On choisira bien sûr le moins cher. Enfin, il peut éliminer un des produits de la réaction au cours de sa formation : l’industriel va alors utiliser un montage expérimental permettant de séparer le produit dés sa formation. Le montage de distillation paraît alors tout à fait approprié : Lors de l’estérification par exemple, l’ester qui a une température d’ébullition faible par rapport à l’eau, l’acide et l’alcool, va passer dans la Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse colonne Vigreux à l’état gazeux, puis va passer dans le réfrigérant où, avant de retomber dans l’erlenmeyer, il se transforme en liquide. b. Pourquoi ses méthodes fonctionnent-elles ? Pour ce qui est de la classe de l’alcool utilisé, nous n’en parlerons pas car c’est une histoire de réactivité, trop complexe à expliquer. Regardons l’expression du quotient de réaction dans l’état d’équilibre (pour nester éq neau éq l’estérification) : K = Qr,éq = nacide éq nalcool éq Si, alors que le système est dans son état d’équilibre, on rajoute une quantité de réactif (soit de l’acide soit de l’alcool), alors on fait diminuer le Qr qui devient inférieur au K, le système évolue alors dans le sens direct (sens de la consommation de réactif). De la même manière, si on élimine un des produits de la réaction (l’ester ou l’eau), alors le Qr diminue et devient inférieur à K, alors le système évolue dans le sens direct pour compenser cette élimination. Modalités de travail Durée Objectifs Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche élève de l’activité 3. Mise en commun des résultats pour aboutir au contenu du cours. 1h30 - Reconnaître dans la formule d’une espèce chimique organique les groupes caractéristiques : – OH, – CO2H, – CO2R, – CO – O – CO – - Écrire l’équation des réactions d’estérification et d’hydrolyse. - À partir de la formule semi-développée d’un ester, retrouver les formules de l’acide carboxylique et de l’alcool correspondants. - Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum. - Savoir que les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont inverses l’une de l’autre et que les transformations associées à ces réactions sont lentes. - Savoir qu’un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans figurer dans l’équation de la réaction et sans modifier l’état d’équilibre du système. - Savoir que l’excès de l’un des réactifs et/ou l’élimination de l’un des produits déplace l’état d’équilibre du système dans le sens direct. Définir le rendement d’une réaction. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Évaluation / Correction Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Exercices de réinvestissement CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS Dans la première séance on pourra faire utiliser aux élèves les modèles moléculaires pour les reconnaître et nommer les composés des familles étudiées. Protocole possible Sur des tables différentes sont rassemblés, classés par familles, des modèles moléculaires éclatés de molécules à chaîne carbonée différente. Les élèves, par groupes, peuvent à partir de leurs observations et selon les consignes données par l’enseignant : - écrire les formules semi-développées de chaque molécule, - donner la représentation de Lewis de chaque molécule, - reconnaître le groupe caractéristique présenté sur chaque table, le nommer, - donner le nom de la famille qui lui correspond ainsi que le nom en nomenclature officielle des trois premières molécules à chaîne linéaire de chaque famille. Sur une autre table, sont placés quelques modèles moléculaires à classer : les mettre dans l’ordre. Chaque fois que c'est possible, des flacons des produits courants sont installés dans le laboratoire à proximité des modèles moléculaires les représentant. Les élèves peuvent aussi réaliser un test caractéristique pour chaque famille de molécules. Variante : molécules en 3D, utilisation des modèles moléculaires et d'un logiciel Il existe quelques plug-in gratuits (logiciels à installer pour visualiser des molécules dans un navigateur). Ils permettent de visualiser et de manipuler des molécules dans des pages HTML. Spécifiques Chime de Chemscape Chem3D ChemSketch WebLab Adresse de téléchargement http://www.mdlchime.com/chime/ http://www.cambridgesoft.com/products/family.cfm?FID=3 http://www.acdlabs.com/download/chemsk.html http://www.msi.com/download/index.html taille 2,03 Mo 3.9 Mo 5,62Mo 4,4Mo Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Activité 1 Comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un anhydride d’acide, avec leur formule ou leur nom ? Fiche professeur Situation déclenchante Présenter des flacons (ou des bouteilles pour les gaz) de différents composés organiques parmi ceux qui ont été étudiés (alcanes et des alcènes) ou qui vont l’être (alcool, acide carboxylique, aldéhyde, anhydride d’acide). Cette présentation peut être aussi faite avec un diaporama ou une photocopie d’étiquettes de flacons. Il faut qu’il y ait au moins la formule brute ou semi-développée et le nom standard du composé. Exemple de liste : éthanol, éthanal, acide éthanoïque, méthanol, butanol-2, acide méthanoïque, propanal, propane, éthylène (ou éthéne), etc. Par groupe de 3 ou 4, classer ces différents composés en familles et déterminer pour chaque famille ce qui caractérise chaque famille. Mise en commun 1) On s’intéresse d’abord aux familles sans atomes d’oxygène. C’est l’occasion si nécessaire de faire des rappels sur la nomenclature des alcanes et des alcènes. Rappel de la méthode - La chaîne linéaire la plus longue est déterminée, c’est la chaîne principale qui identifie l’alcane (par exemple s’il y a 3 carbones c’est le propane). - Les groupes alkyles (groupes substituants) sont identifiés et nommés (par exemple méthyle, éthyle, etc.). - La chaîne principale est numérotée afin que le chiffre obtenu par l’ensemble des indices soit le plus bas et les groupes substituants sont classés par ordre alphabétique. - L’ensemble des indices le plus bas est celui qui, comparé à un autre ensemble d’indices, chacun classé par ordre croissant (indépendamment de la nature des substituants), présente l'indice le plus bas au premier point de différence. Soit sur cet exemple (2,3,5) au lieu de (2,4,5). CH3 CH3 1 3 4 CH3 CH CH CH2 CH CH3 2 5 6 CH2 CH3 3-éthyl-2,5-diméthylhexane et non CH3 CH3 6 4 3 CH3 CH CH CH2 CH CH3 5 2 1 CH2 CH3 4-éthyl-2,5-diméthylhexane Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse - La présence d’une double liaison est indiquée en remplaçant la terminaison « ane » du nom de l’alcane par la terminaison « ène ». - L’indice le plus bas posssible est attribué à la double liaison et seul l’indice le plus bas des deux atomes de la liaison double est cité. - Pour les composés halogénés : les noms substitutifs sont formés en plaçant les préfixes chloro-ou bromo- devant le nom de l’alcane. On pourra donner des exemples ou faire chercher les élèves, par exemple en donnant le nom et en demandant de représenter la formule développée ou inversement. 2) Les familles de composés oxygénés La mise en commun du travail des groupes permet d’identifier 4 familles avec des groupes caractéristiques (–OH, –CHO, –COOH, –CO–O–CO– ) et des noms caractérisés par des suffixes ( -ol, -al, -oïque). On peut donner les noms de ces 4 familles avec un tableau qui résume ce qui vient d’être établi : Famille de composés Groupe caractéristique Alcool Aldéhyde Acide carboxylique Anhydride d’acide –OH –CHO –COOH –CO–O–CO– Suffixe utilisé pour désigner le groupe caractéristique -ol -al Acide …-oïque Anhydride …-oïque On pourra introduire la notion de fonction organique : fonction alcool, fonction aldéhyde, fonction acide carboxylique, fonction anhydride d’acide. Méthode d'obtention d'un nom substitutif - détermination de l’alcane qui correspond à la chaîne carbonée la plus longue portant le groupe caractéristique, - numérotation de la chaîne carbonée de l’alcane, le sens de la numérotation est tel que le groupe caractéristique est affecté du plus petit indice (l’atome de carbone du groupe caractéristique porte le numéro 1 dans le cas de l’acide carboxylique et de l’aldéhyde, de l’anhydride d’acide) - identification des groupes alkyles, - classement alphabétique des préfixes. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Activité 2 documentaire Etude de quelques données physico chimiques de quelques alcools Fiche élève Ce tableau donne quelques valeurs de constantes pour 3 alcools : butan-1-ol butan-2-ol 2-méthylpropan2-ol T. T. de fusion d’ébullition (°C) (°C) - 90 117,7 - 115 98 25 83 Densité d Solubilité dans l’eau à 20 °C 0,810 0,808 soluble très soluble 0,775 très soluble Questions - Dans les conditions normales de température et de pression, donnez en justifiant, l’état physique (solide, liquide ou gazeux) des espèces chimiques du tableau ci-dessus. - Que faut-il faire généralement pour le 2-méthylpropan-2-ol avant de l’utiliser ? - Écrivez sur votre feuille les formules semi-développées et topologiques des alcools et déduisez-en les masses molaires moléculaires M de ces molécules. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Activité 3 expérimentale Oxydation ménagée des alcools en fonction de leur classe Fiche élève 1) Définition Contrairement à la combustion qui est une oxydation brutale, l’oxydation ménagée est douce, elle conserve le squelette carboné de la molécule. 2) Oxydation des alcools primaires et secondaire, l’oxydant est en défaut Ici nous réaliserons cette oxydation par le permanganate de potassium K+(aq) + MnO4-(aq) acidifié par l’acide sulfurique. Le dispositif expérimental tube à dégagement alcool + solution oxydante chauffeballon tube à essai de grande taille becher forme haute eau + glace pilée distillat Manipulation n°1 : oxydation des alcools primaires a. Dans un ballon posé sur un anneau en liège, introduisez : 15 mL de la solution oxydante de permanganate de potassium 2,0.10-2 mol.L-1 en milieu acide sulfurique à 5,0. 10-1 mol.L-1. 5 mL de butan-1-ol. b. Réalisez le dispositif expérimental ci-dessus. c. Portez le mélange à ébullition très douce et recueillez le produit dans le tube à essai, sur une hauteur de 3 cm environ. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse d. Observez la couleur du mélange réactionnel au bout de quelques minutes : que s’est-il passé ? e. Retirez le tube à dégagement du tube à essai pour éviter un retour dans le ballon avant d’arrêter le chauffage. Caractérisation n°1 du produit formé Prenez deux tubes à essais très propres. a. Dans le premier, versez 1 mL de 2.4 DNPH puis une dizaine de gouttes du distillat obtenu. Agitez, observez et concluez. b. Dans le deuxième tube, versez 1 mL de réactif de Schiff (préalablement refroidi dans la glace) puis le reste du distillat. Agitez, placez le tube dans un bain de glace, observez et concluez. Manipulation n°2 : oxydation des alcools secondaires Reprenez le même protocole expérimental que pour la 1ère manipulation mais remplacez le butan-1-ol par le butan-2-ol. Caractérisation n°2 du produit formé Refaites les mêmes tests caractéristiques et concluez. Récapitulons les résultats Complétez le tableau ci-dessous en indiquant un + ou un – selon que le test est positif ou négatif. Test réalisé sur le produit D.N.P.H d’oxydation butan-1-ol Réactif de Schiff Produit d’oxydation obtenu butan-2-ol 3) Oxydation ménagée des alcools tertiaires Manipulation a. Mettez dans un tube à essais 1 mL de 2-méthylpropan-2-ol et 1 mL de la solution de permanganate de potassium 2,0.10-2 mol.L-1 en milieu acide sulfurique. b. Fermez le tube à essai avec un bouchon et agitez le mélange. c. Observez la coloration initiale et la coloration finale du mélange. Conclusion Que se passe-t-il lors de l’oxydation ménagée d’un alcool tertiaire ? 4) Conclusion générale (complétez) Oxydant en défaut La généralisation de cette expérience aux alcools primaires et aux alcools secondaires permet de tirer les deux conclusions suivantes : Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool primaire de formule R-CH2-OH donne ……………………….…….. de formule : lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool secondaire de formule R1-CH-OH | R2 donne ……………………….…….. de formule : Oxydation des alcools tertiaires : Que se passe-t-il ? ……………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………… La réactivité d’un alcool, vis-à-vis de l’oxydation, dépend-elle de la position du groupe fonctionnel hydroxyle – OH sur la chaîne carbonée ? …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Activité 4 expérimentale Estérification et hydrolyse d’un ester Fiche professeur Ce TP intervient après la présentation des esters de leurs nomenclatures. 1) Une réaction d’estérification Expérience Réfrigérant à air 80°C Verser le contenu de l’erlenmeyer dans un verre pied contenant une solution de sulfate de cuivre Chauffer à 80°C pendant 10 minutes 10 mL d’acide éthanoïque 10 mL de butan-2-ol Quelques gouttes d’acide sulfurique Agitateur magnétique chauffant On peut relever le pH au début de la manipulation et à la fin pour voir que celui-ci a augmenté, signe de la disparition de l’espèce acide. Observations On obtient au bout d’une dizaine de minutes un liquide non miscible à la solution de sulfate de cuivre qui présente une odeur fruitée. Interprétations Alors que le mélange réactionnel initial est soluble dans l’eau, en fin de manipulation, on obtient un produit non miscible : il y a bien eu réaction. L’odeur fruitée nous renseigne sur la nature du produit obtenu, il s’agit bien d’un ester. Caractéristiques de cette réaction (cf. cours) Équation de la réaction modélisant la transformation (cf. cours) Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche pédagogique enseignant Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse 2) Une réaction d’hydrolyse Expérience Mesurer le pH ; après avoir agité les réactifs fortement. Chauffer à reflux pendant 1 heure. Après refroidissement, mesurer le pH Eau froide 10 mL d’eau distillée 10 mL d’éthanoate d’éthyle Observation Le pH en fin de manipulation a diminué. Interprétations Ceci traduit l’apparition d’un acide ce qui prouve qu’il y a bien eu réaction entre l’eau et l’ester. Caractéristiques de cette réaction (cf. cours) Équation de la réaction modélisant la transformation (cf. cours) 3) État d’équilibre concernant les réactions d’estérification et d’hydrolyse Principe de l’étude expérimentale Pour étudier cet équilibre, on va suivre l’évolution de mélanges équimolaires, d’acide éthanoïque et d’éthanol d’une part, et d’éthanoate d’éthyle et d’eau d’autre part. Marcellin Berthelot et Péan de saint Gilles ont réalisé ces études en procédant comme suit : On enferme les différents mélanges dans des ampoules scellées. Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse Fiche pédagogique enseignant On les place dans un même milieu, par exemple à une température de 100°C, à une date précise choisie comme étant t = 0. On sort alors une ampoule à la date à laquelle on veut connaître l’état du système et on détermine la quantité de matière d’acide restant ou formée par titrage. Ainsi, on peut connaître l’état du système à l’aide des tableaux d’avancement : Equation de la réaction R-COOH d’estérification Avancement Etat (mol) Initial 0 n En cours X n-x Etat d’équilibre xéq n - xéq + R’-OH N n–x n - xéq R-COO-R’ + 0 x xéq H2O 0 x xéq La quantité de matière d’acide à l’équilibre est na = n - xéq, on obtient donc xéq et les autres quantités de matière des réactifs et/ou des produits. En effectuant le même travail sur le tableau d’avancement relatif à l’hydrolyse, on comprend que nous obtiendrons l’avancement de la réaction directement avec la quantité de matière d’acide dans l’état d’équilibre. Résultats (cf. cours) Conclusion (cf. cours) Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II.
