Ecrit Olympiades 2009-Dijon

Olympiades de la CHIMIE 2009
REGION BOURGOGNE
EPREUVE ECRITE
PARTIE N°1 – L’ESTER METHYLIQUE DE COLZA : UN BIOSOLVANT (22 POINTS)
Utilisée pour le nettoyage de certaines résines époxy destinées à l’industrie de production et de
conditionnement de colles, l’acétone est progressivement remplacée par des biosolvants : les esters méthyliques
d’acides gras. Parmi ces esters méthyliques d’acides gras, celui qui a les meilleures propriétés est issu du colza.
L’huile de colza contient entre autres de l’oléine, qui est un triester du glycérol et de l’acide oléique. Pour
synthétiser au laboratoire de l’ester méthylique de colza, on peut procéder en deux étapes :
• hydrolyse du triester : on obtient du glycérol et de l’acide oléique ;
• estérification de l’acide oléique par le méthanol.
A. A PROPOS DE L’ACETONE (2,5 POINTS)
La formule chimique brute de l’acétone est C3H6O.
A.1. Quelle est la formule générale semi-développée d’une cétone ?
A.2. Ecrire la formule chimique semi-développée de l’acétone.
A.3. Quel est le nom de l’acétone dans la nomenclature officielle ?
A.4. Sur les étiquettes des flacons d’acétone, on peut lire les indications suivantes : S 9, 16, 23 et R1, 20, 54.
Quel type de consigne donne le code S ? le code R ?
B. ETAPE N°1 : HYDROLYSE DE L’OLEINE (5,5 POINTS)
B.1. L’oléine est le triester principalement présent dans l’huile de colza.
B.1.1. La formule chimique de l’oléine est représentée ci-dessous. Entourer les groupes ester présents dans l’oléine.
B.1.2. Compléter l’équation de la réaction d’hydrolyse de l’oléine.
B.2. Le glycérol a comme formule semi-développée HOCH2-CHOH-CH2OH.
B.2.1. Quel est son nom dans la nomenclature officielle ?
B.2.2. Comment se nomment les groupes caractéristiques présents dans le glycérol ?
B.3. L’acide oléique est un acide carboxylique qui possède une longue chaîne carbonée hydrophobe. Sa formule
topologique est :
B.3.1. Comment se nomme le groupe caractéristique d’un acide carboxylique ?
B.3.2. Que signifie le terme hydrophobe ?
B.3.3. L’acide oléique est-il un acide gras saturé ou insaturé ? Justifier.
B.3.4. Ecrire la formule semi-développée de l’acide oléique.
B.3.5. L’isomère E de l’acide oléique est appelé l’acide élaïdique. Donner la représentation de l’acide élaïdique
mettant en évidence cette isomérie.
C. ETAPE N°2 : ESTERIFICATION DE L’ACIDE OLEIQUE (12 POINTS)
C.1. Pour synthétiser au laboratoire l’ester méthylique de colza, on fait réagir 8,2 × 10-2 mol d’acide oléique et un
excès de méthanol, en présence d’acide sulfurique et de quelques billes de verre. On chauffe à reflux pendant 2
heures pour que l’équilibre chimique soit atteint. On obtient de l’ester méthylique de colza et de l’eau.
L’équation de la réaction d’estérification s’écrit :
C17H33-COOH (l) + CH3-OH (l) = C17H33-COO-CH3 (l) + H2O (l)
C.1.1. Parmi les montages représentés ci-dessous, cocher celui qui représente un montage de chauffage à reflux
convenablement utilisé.
Montage A
Montage B
Montage C
Montage D
C.1.2. Quel est le rôle du support élévateur ?
C.1.3. Pourquoi a-t-on ajouté de l’acide sulfurique ?
C.1.4. A quoi servent les billes de verre ?
C.2.1. Calculer la masse molaire moléculaire de l’acide oléique.
Données. Masse molaire atomique : M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1.
C.2.2. Quel est le volume initial d’acide oléique utilisé ?
Donnée. Masse volumique de l’acide oléique : µ acide oléique = 0,89 g.cm-3
C.3.1. À quelle famille appartient le méthanol ?
C.3.2. Sur l’étiquette du flacon de méthanol, on peut observer les pictogrammes ci-dessous ; indiquer leur
signification.
C.4.1. Quelle est la masse d’ester théorique attendu, sachant que le rendement théorique de la
réaction est rth = 67 % ?
C.4.2. En fait, on obtient expérimentalement 14,0 g d’ester. Calculer le rendement r de la transformation chimique.
Expliquer la différence entre r et rth.
C.5.1. Donner la représentation de Lewis de la molécule d’eau.
Données. Numéros atomiques. H : Z = 1 ; O : Z = 8
C.5.2. Quelle est la géométrie de cette molécule ? Justifier.
C.6. Pour séparer l’ester méthylique obtenu de l’eau, on verse le contenu dans un ustensile de verrerie
approprié. On observe deux phases comme l’indique le schéma ci-contre.
C.6.1. Comment se nomme l’ustensile de verrerie utilisé ?
A
B
C.6.2. Associer chaque phase à son contenu :
Phase A
Phase B
C.6.3. Justifier la réponse C.6.2.
Donnée. Densité : d ester méthylique de colza = 0,88
Ester méthylique de colza
Eau
D. L’HUILE DE COLZA : LA MATIERE PREMIERE DE CERTAINS BIOCARBURANTS (2 POINTS)
D.1. Cocher les bonnes réponses :
Le colza est issu d’un croisement entre:
Le colza est cultivé pour :
la colchique et l’azalée
sa tige
la luzerne et le pissenlit
ses graines
le chou et la navette
sa fleur
D.2. L’huile de colza est également utilisée pour synthétiser un biocarburant.
D.2.1. Comment se nomme ce biocarburant ?
D.2.2. Dans quel type de moteur ce biocarburant est-il utilisé ?
PARTIE N°2 - UN BIOPLASTIQUE UTILISE DANS LE DOMAINE MEDICAL (28 POINTS)
Certaines prothèses et fils de suture utilisés en chirurgie, sont fabriqués en polylactate (P.L.A.). Le
polylactate est un bioplastique obtenu à partir de l'acide lactique. Ce dernier peut être obtenu à l’issue de la
fermentation d’un jus sucré de betteraves.
Les molécules d’acide lactique possèdent deux groupes caractéristiques : dans certaines conditions, le
groupe hydroxyle appartenant à une molécule d’acide lactique peut réagir avec le groupe carboxyle d’une autre
molécule d’acide lactique. La nouvelle chaîne, formée par réaction de condensation, se trouve en situation de réagir
avec d’autres molécules d’acide lactique … Il va ainsi se former une molécule constituée d’un très grand nombre
d’atomes, dans laquelle on retrouve régulièrement le même motif : c’est un biopolymère.
Ce biopolymère peut être moulé, par chauffage, dans la forme souhaitée. Il est aussi résistant et modulable
que les résines ordinaires.
A- SYNTHESE DU POLYLACTATE (4 POINTS)
A.1. Donner le nom de l’acide lactique dans la nomenclature officielle.
A.2.1. Ecrire la réaction de condensation entre deux molécules d’acide lactique.
A.2.2. Comment se nomme la petite molécule formée ?
A.2.3. Donner le motif du polylactate obtenu par polycondensation.
A.3. Quel est l’intérêt de fabriquer des fils de suture avec le P.L.A. ?
B. A PROPOS DE L’ACIDE LACTIQUE (21,5 POINTS)
B.1. L’acide lactique CH3-CHOH-COOH est un monoacide.
B.1.1. Définir un acide selon Brönsted.
B.1.2. Ecrire l’équation de la réaction de l’acide lactique avec l’eau.
B.1.3. Donner l’expression de la constante d’acidité KA correspondante.
B.2. Afin de déterminer la valeur de ce KA, on réalise le titrage par pH-métrie d’une solution aqueuse d’acide
lactique à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO–(aq)) de concentration CB = 5,00×10-2 mol.L-1.
On prélève un volume VA = 20,0 mL de solution d’acide lactique que l’on place dans un bécher de 150 mL. On y
ajoute environ 20 mL d’eau distillée afin que la sonde pH-métrique soit immergée.
On suit l’évolution du pH en fonction du volume VB de solution d’hydroxyde de sodium versé. Les mesures
expérimentales sont reportées sur le graphe ci-dessous.
Représentation graphique de l’évolution du pH en fonction du volume VB de solution titrante versée
B.2.1. Écrire l’équation de la réaction de titrage.
B.2.2. Quelles caractéristiques doit présenter cette réaction pour être utilisée lors d’un titrage ?
B.2.3. L’ajout d’eau distillée au milieu réactionnel modifie-t-il (justifier) :
- La valeur du pH initial ?
- Le volume équivalent ?
B.2.4. Déterminer graphiquement les coordonnées du point E d’équivalence acido-basique.
B.2.5. Calculer la quantité de matière d’acide lactique présente dans le volume VA de solution aqueuse d’acide
lactique.
B.2.6. Au cours du titrage, pour quel volume VB1 de solution d’hydroxyde de sodium versée, la quantité de matière
en acide lactique est-elle égale à celle de sa base conjuguée ?
B.2.7. A l’aide de la question précédente, déterminer graphiquement la valeur du pKA du couple acide lactique / ion
lactate. En déduire la valeur de KA.
B.3. On considère le milieu réactionnel obtenu après avoir versé un volume VB2 = 10,0 mL de solution d’hydroxyde
de sodium.
B.3.1. Quelle est, entre l’acide lactique et l’ion lactate, l’espèce prédominante dans le milieu ?
B.3.2. Calculer la valeur du rapport
[ion lactate]
[acide lactique]
. Cette valeur confirme-t-elle la réponse précédente ?
B.4.1. Exprimer puis calculer la constante de réaction K associée à l’équation de la réaction de titrage.
Données : produit ionique de l’eau Ke = 10-14.
B.4.2. Conclure sur le caractère total ou limité de la réaction.
B.5.1. Pour réaliser un titrage colorimétrique de cette même solution d’acide lactique, quel indicateur coloré, parmi
les suivants, faudrait-il utiliser ? Justifier.
Zone de virage
Teinte de la forme basique
Indicateur coloré
Teinte de la forme acide
Hélianthine
rose
3,1 - 4,4
jaune
Vert de bromocrésol
jaune
3,9 - 5,4
bleu
Bleu de bromothymol
jaune
6,2 - 7,6
bleu
Phénolphtaléine
incolore
8,0 - 10,0
rose fuschia
B.5.2. Indiquer le changement de couleur observé lors de l’équivalence.
III- QUELQUES QUESTIONS AUTOUR DE LA BETTERAVE (2,5 POINTS)
1. La betterave est :
une légumineuse
une céréale
un tubercule
2. De nos jours, le sucre de table est majoritairement issu de la betterave par un procédé mis au point par un
industriel français.
2.1. Quel est le nom de cet industriel ?
Benjamin Delessert
Joseph Gay-Lussac
Anselme Payen
2.2. En quelle année ce procédé fut-il mis au point ?
1802
1812
1822
2.3. Donner le nom et la formule brute du sucre de table issu de la betterave.
PARTIE N°3 - DU MAÏS A L’E85 : UN BIOCARBURANT (28 POINTS)
En Europe, le bioéthanol est produit à partir de céréales (blé, maïs...) ou de betteraves, desquelles on extrait
de l’amidon : par un procédé de fermentation industrielle, le sucre contenu dans ces végétaux est transformé en
éthanol.
Le maïs subit un prétraitement au cours duquel les grains de maïs sont nettoyés, moulus et
traités pour obtenir une substance pulpeuse composée d'amidon, de protéines et d'huile de maïs.
L'amidon de maïs est un glucide complexe, formé d'une longue chaîne de multiples
petites molécules de sucre glucose liées les unes aux autres.
Au cours d'une hydrolyse, en présence d’enzymes, les liaisons entre ces molécules
se rompent, faisant ainsi apparaître des molécules de sucre simple, le glucose : c’est
la biotransformation de l’amidon en glucose. L'E85, est un biocarburant destiné à des
moteurs essence adaptés à son utilisation. C’est un mélange de 85% de bioéthanol et 15%
d'essence sans plomb 95. Le bioéthanol peut être obtenu par fermentation des sucres résultant de la transformation
de l’amidon des céréales
L’E85 a été reconnu comme carburant par un arrêté du 31 mai 2006 paru au
Journal Officiel du 1er juin 2006 ; il constitue le carburant le plus écologique de la filière
éthanol destiné à l’essence.
A. DE L’AMIDON AU GLUCOSE. (3,5 POINTS)
A.1. Qu’appelle-t-on une hydrolyse ?
A.2. La formule linéaire semi-développée du glucose est :
O = CH – CHOH – CHOH – CHOH- CHOH- CH2OH
1
2
3
4
5
6
A.2.1. Donner le ou les indices des atomes de carbone qui portent le groupe caractéristique :
• D’un alcool primaire
• D’un alcool secondaire
• D’un aldéhyde
A.2.2. Citer un autre sucre réducteur.
B. DU GLUCOSE A L’ALCOOL : LA FERMENTATION. (11,5 POINTS)
Cette fermentation se fait en absence de dioxygène grâce à une levure le Saccharomyces Cerevisiae. Le glucose
subit de nombreuses réactions enzymatiques pour donner naissance à l’acide pyruvique. Cet acide pyruvique est
ensuite décarboxylé en éthanal et dioxyde de carbone. La réduction de l’éthanal conduit ensuite à la formation de
l’éthanol et d’autres substances en faible quantité (glycérol et acide éthanoïque).
B.1. Donner la formule semi-développée de l’éthanal.
B.2. Quel est le réactif du test permettant de détecter la présence de dioxyde de carbone ?
B.3. Ecrire la demi-équation de réduction de l’éthanal en éthanol, en milieu acide.
B.4. L’obtention d’éthanol par fermentation du glucose est une réaction très lente.
On s’intéresse, au laboratoire, à la fermentation d’un sirop de glucose (solution aqueuse de glucose), pour
déterminer le degré d’alcool obtenu en fin de fermentation.
Cette réaction peut être modélisée par l’équation chimique suivante :
C6H12O6 (aq) → 2 C2H5OH (l) + 2 CO2 (g)
Dans un récipient, on introduit 1,00 L de sirop de glucose de concentration massique C = 360 g.L−1 et de la levure.
Afin de suivre l’évolution temporelle de la quantité de matière de glucose, on prélève, à différentes dates t, un
volume de mélange réactionnel ; on introduit ce prélèvement dans un erlenmeyer contenant de l’eau froide ; on titre
alors le glucose par le diiode. Après exploitation du titrage, on détermine la concentration de glucose restant dans le
sirop présent dans le ballon à la date t. Les résultats permettent d’obtenir le graphe suivant :
Représentation graphique de l’évolution temporelle de la concentration en glucose
Concentration (en mol.L-1)
0
Temps (en h)
B.4.1. Compléter le tableau d’avancement suivant correspondant à la réaction de fermentation.
C6H12O6 (aq)
→
2 C2H5OH (aq)
+
2 CO2 (g)
Etat initial : x = 0
En cours de transformation : x
Etat final : x = xf
1 dx
B.4.2. La vitesse volumique instantanée v(t) de la réaction est donnée par la relation : v(t) =
, où V est le
V dt
volume du mélange réactionnel, supposé constant.
B.4.2.1. Exprimer cette vitesse, à une date t, en fonction de la concentration en glucose, que l’on notera [G].
B.4.2.2. En déduire comment cette vitesse évolue au cours du temps. Justifier.
B.4.2.3. Calculer la vitesse v(t=0) de la réaction à la date t = 0.
B.4.2.4. À la date t = 290 heures, la fermentation est pratiquement terminée.
B.4.2.4.a. Pourquoi la fermentation s’arrête-elle alors qu’il reste encore du glucose ?
B.4.2.4.b. Montrer que la quantité de matière d’éthanol obtenu quand la fermentation est terminée
est nf(éthanol) = 3,4 mol.
B.4.2.4.c. En déduire la masse d’éthanol m(éthanol).
Donnée : Masse molaire de l’éthanol : M(éthanol) = 46 g.mol−1.
B.4.2.4.d. Le degré alcoolique d’une solution représente le volume d’alcool pur, exprimé en mL, présent
dans 100 mL de solution. Quel est le degré alcoolique, noté D, de la solution contenue dans le ballon à la fin de la
fermentation ? Donnée : masse volumique de l’éthanol : µ(éthanol) = 0,79 g.mL−1.
B.4.3. Pour obtenir de l’E85, il faut incorporer l’éthanol produit par fermentation à de l'essence sans plomb 95.
Pour cela, il faut donc recueillir l’éthanol pur. Proposer une méthode.
C. ANALYSE DU E85. (13 POINTS)
On se propose de vérifier que le E85 contient 85% de bioéthanol.
C.1. Trop concentré, le mélange E85 doit être dilué 100 fois. On dispose pour cela de la verrerie suivante : pipette
jaugée de 5,0 mL, pipette graduée de 10,0 mL, pipette jaugée de 10,0 mL, fiole jaugée de 50,0 mL, fiole jaugée de
500,0 mL. Quelle verrerie faut-il utiliser pour diluer le mélange E85 ? Justifier.
C.2. Dans un erlenmeyer de 250 mL, introduire Vp = 2,0 mL de solution diluée de mélange E85. Avec précautions,
on ajoute 20 mL d’acide sulfurique concentré, puis un volume V(MnO4-) = 2,0 mL de solution de permanganate de
potassium (K+(aq) + MnO4-(aq)) de concentration molaire en soluté apporté C = 0,20 mol.L-1 : cette dernière est
introduite en excès.
On attend environ 5 minutes : l’éthanol contenu dans le mélange réagit avec les ions permanganate de la solution
de permanganate de potassium.
C.2.1. Écrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction entre l’éthanol et les ions permanganate.
Données : Couples oxydant / réducteur : MnO4-(aq) / Mn2+(aq) ; CH3COOH(aq) / CH3CH2OH(aq).
C.2.2. Pourquoi a-t-on ajouté de l’acide sulfurique concentré ?
C.2.3. Déterminer la quantité de matière n0(MnO4-) d’ions permanganate initialement introduit.
C.3. L’excès d’ions permanganate est titré par une solution de sel de Mohr qui contient entre autres des ions
fer (II) Fe2+(aq). La concentration molaire en soluté apporté de la solution de sel de Mohr est C’ = 0,050 mol.L-1. Le
volume de solution de sel de Mohr versée à l’équivalence est : VE = 15,6 mL.
C.3.1. Ecrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction entre les ions permanganate et les ions fer (II) contenus
dans la solution de sel de Mohr. Données : Couples oxydant / réducteur : MnO4-(aq) / Mn2+(aq) ; Fe3+(aq) / Fe2+(aq).
C.3.2. Déterminer la quantité de matière nexcès(MnO4-) d’ions permanganate en excès.
C.3.3. Déterminer la quantité de matière nréagi(MnO4-) d’ions permanganate ayant réagi avec l’éthanol.
C.3.4. Déterminer la quantité de matière n(CH3CH2OH) en éthanol présente dans les 2,0 mL de solution diluée.
C.3.5. Déterminer les concentrations molaires en éthanol, dans la solution diluée ainsi que dans le E85.
C.3.6. En déduire la masse m(CH3CH2OH), puis le volume Véthanol d’éthanol présent dans 1,0 L de carburant E85.
Données : Masse molaire moléculaire de l’éthanol : M(CH3CH2OH) = 46 g.mol-1.
Masse volumique de l’éthanol : µ éthanol = 0,78 g.mL-1.
C.3.7. Quel est le pourcentage en volume d’éthanol constituant le carburant E85 ?
PARTIE N°4 – POUR FINIR : LA CHIMIE …. EN MOTS CROISES. (12 POINTS)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Horizontalement :
1. Accélère une réaction chimique.
2. Thème des Olympiades 2009.
3. Matériau d’emballage écologique.
4. Classe du méthanol. Chaîne carbonée non linéaire.
5. Acronyme de « éthyltertiobutyléther ».
6. Un biocarburant éthylique.
7. Non solide, non liquide mais issu de la fermentation naturelle des matières organiques animales ou végétales.
8. Le cœur de l’atome.
9. Elles peuvent être acido-basiques ou d’oxydoréductions. Mariage d’un alcool et d’un acide carboxylique.
10. Etude temporelle d’une réaction.
11. Procédé de fabrication.
Verticalement :
1. Acronyme de « valorisation non alimentaire ».
2. Pas hydrophobe. Plante à racine utilisée pour produire du sucre et du bioéthanol.
3. Se dit d’un matériau qui peut être décomposé naturellement par des organismes vivants.
4. Usage d’un fil en polylactate.
5. Catalyseur biologique.
6. Transformation du glucose en éthanol.
7. Un biodiesel de marque ! Dégage de la chaleur.
8. CH4.
9. La plupart des liaisons le sont.