concours 2010 olympiades corrigé

Académie de Rennes/ Brest
Olympiades de chimie 2009-2010
Chimie, Agro-Ressources
Concours
Durée : 2h45
Nom :
Prénom :
Lycée :
Série :
Les questions sont indépendantes. Les réponses (pas de calculs sur la feuille) doivent être données dans les
emplacements prévus à cet effet sans trop de développement et les calculatrices sont autorisées.
PARTIE I : LES BIOCARBURANTS
I. Chimie et développement durable
1. Qu’est ce que le développement durable.
un développement qui répond aux besoins des générations du présent sans compromettre la capacité des
générations futures à répondre aux leurs. Deux concepts sont inhérents à cette notion : le concept de
« besoins », et plus particulièrement des besoins essentiels des plus démunis à qui il convient d’accorder la
plus grande priorité, et l’idée des limitations que l’état de nos techniques et de notre organisation sociale
impose sur la capacité de l’environnement à répondre aux besoins actuels et à venir
[2 points]
2 Comment peut-on définir un biocarburant ?
les biocarburants sont des carburants d'origine végétale issus de la biomasse (ensemble des énergies
provenant de la dégradation de la matière organique produite à partir de l'énergie solaire transformée par
les plantes chlorophylliennes d'où le surnom de « carburants verts »). On les produit à partir de déchets
végétaux ou de plants cultivés dans ce but. Ils possèdent des propriétés similaires au pétrole et peuvent
parfois s'employer dans des moteurs diesel ou des moteurs à essence ; ils se substituent partiellement ou
totalement (ex : avec les HVP, la terminologie européenne est « huile végétale pure ») aux carburants
pétroliers, notamment pour faire rouler les véhicules équipés d'un moteur Flex Fuel (ou « polycarburant »).
Les biocarburants ne doivent pas être confondus avec les biocombustibles. Les premiers servent à
alimenter un moteur, tandis que les seconds servent à produire de la chaleur. Aujourd'hui les principaux
biocarburants, en terme de production, sont le bioéthanol et le biodiesel.
[2 points]
3. Les agro ressources contiennent, en grande quantité, des molécules carbonées, le plus souvent non
toxiques, biodégradables et polyfonctionnelles.
Une première catégorie de produits issue de ces agro ressources est constituée de polysaccharides.
Citer deux exemples de produits chimiques faisant partie des polysaccharides.
Amidon
Cellulose
[1 points]
4. Des polysaccharides peuvent être extraits du blé.
Citer deux autres exemples de plantes dont sont extraits des polysaccharides.
Maïs
Betteraves
[1 points]
5. Citer une autre catégorie de produits faisant partie des agro ressources et conduisant, entre autres, au
diester.
Triglycerides issus d’oléagineux
[1 points]
II. Biocarburants et effet de serre.
Influence des biocarburants sur l’effet de serre
Cocher la bonne case
1. Les
biocarburants :
L’augmentent
Le laissent pratiquement inchangé
Le diminuent
2. Justifier la réponse précédente
[1 points]
3. Donner l’équation de la synthèse chlorophyllienne en notant C6(H2O)6 le
sucre formé.
C6(H2O)6 + 6 O2 = 6CO2 + 6O2
[1 points]
III. Synthèse d’un diester.
La transestérification permet de transformer un alcool et un ester ( « naturel », présent dans l’huile
de colza) en un autre
ester ( ici le biocarburant parfois appelé diester) et un autre alcool ( ici, le glycérol ).
Un acide ou une base est souvent utilisé comme catalyseur
Equation de la transestérification :
O
O
C
O
R
O
C
O
R
O
C
R
R= C17H33
OH
+
3 Ethanol =
=
OH
+
3 EEC
OH
glycérol
on considèrera que l’huile de colza est constituée uniquement de trioléate de glycéryle
( triester formé à partir de glycérol et d’acide oléique ).
L’acide oléique (acide (Z) octadéc-9-ènoïque) de formule brute C18H34O2 a pour formule
topologique :
1 Vrai ou Faux ?
A Le biodiesel, biogazole (en France, on parle aussi de Diester® qui est une marque déposée, par
contraction des mots diesel et ester), est un carburant obtenu à partir d'huile végétale ou animale
transformée par un procédé chimique appelé transestérification
Faux
B La transformation des huiles ou des graisses en esters éthyliques permet de réduire la viscosité
Vrai
[1 points]
2
Donner les formules brute et semi-développée de l’éthanol.
CH3-CH2-OH
C2H6O
[1 points]
3. Citer un autre alcool utilisé pour réaliser une transestérification des huiles végétales.
Butanol
[1 points]
4. Ecrire les formules brute et semi-développée du glycérol. Identifier ses fonctions et donner son
nom en nomenclature officielle.
OH
OH
OH
[1 points]
C3H8O3
Propan-1,2,3-triol
5.
En déduire la formule de L’EEC.
[1 points]
6. Après avoir rappeler la définition d’un catalyseur, citer un catalyseur utilisé lors d’une
transestérification.
Un catalyseur est une espèce n’intervenant pas dans la réaction mais qui permet d’accélérer la
réaction.
[1 points]
7. Synthèse du diester :mode opératoire
La synthèse a été réalisé à partir de 50mL d’éthanol et de 50 mL d’huile de colza. Pour réaliser
cette réaction, on ajoute une spatule de pastille d’hydroxyde de sodium.
On porte l’ensemble à ébullition pendant 20min via un montage à reflux.
M (g.mol-1)
d
huile de colza
884
≈0,91
glycérol
92
1,25
éthanol
46
0,79
310
0,89
oléate d’éthyle (EEC)
Téb(°C)
insoluble dans l’eau et dans l’éthanol
290
soluble dans l’eau et dans l’éthanol
78
soluble dans l’eau
insoluble dans l’eau, soluble dans l’éthanol
Après avoir déterminé le réactif limitant, en déduire la masse maximale d’ oléate d’éthyle(EEC)
susceptible d’être obtenue
Le réactif limitant
x= 6,22*10-5 mol
n (EEC) = 3*n max = 1,87 *10-4 mol
m (EEC) max = n (EEC)max * M (EEC) = 57, 8mg
la masse maximale d’oléate d’éthyle (EEC) susceptible d’etre obtenu est d’environ 58 mg
[2 points]
IV. Montages et sécurité.
. Montage de chauffage à reflux.
•
1 Compléter la légende, ci-dessous, d’un montage à reflux utilisant une
agitation magnétique chauffante:
Légende du schéma
4
1. Agitateur magnétique
2.
Barreau aimanté
3. Erlenmeyer
4. Réfrigérant
3
[1 points]
2
1
.
2 Préciser les points de sécurité concernant ce montage à vérifier avant de
commencer le chauffage.(Compléter le montage si nécessaire)
.Vérification de l’entré par le bas du réfrigérant du courant d’eau et de sa sortie
par le haut.
Vérification de la bonne stabilité du montage.
[1 points]
3 Indiquer le rôle d’un tel montage.
Par le chauffage on accélère la cinétique de la réaction mais aussi le chauffage
peut servir de catalyseur.
[1 points]
4 Donner la signification des ces pictogrammes de sécurité.
1
2
3
1) Dangereux pour l’environnement
2) Explosif
3) Inflammable
4) Danger « prendre des précautions »
[1 points]
4
PARTIE II : LES TENSIOACTIFS ET LE DEAN-STARK
I. Etude d’une composition pharmaceutique
Certains tensioactifs permettent d’obtenir des émulsions. Les émulsions sont utilisées dans des domaines
divers. Ce sujet présente un exemple d’émulsion dont le brevet a été délivré par l’office européen des brevets en
1994 à un laboratoire suisse. Le brevet est présenté comme suit : « la présente invention a pour objet une
nouvelle composition à usage cosmétique ou pharmaceutique [ ] Pour l’instant on ne dispose pas de composition
associant les effets de la vitamine A et du peroxyde d’oxygène et permettant en outre de fournir l’énergie dont la
cellule a besoin. La nouvelle composition selon l’invention fournit cette énergie. L’invention a précisément pour
objet une composition contenant de la vitamine A sous forme d’ester ou d’acide et du glucose en association
avec une émulsion aqueuse stable de peroxyde d’hydrogène. [ ] Dans des conditions in vivo, la dégradation
oxydative de 1 mole de glucose ( C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O ) conduit à la formation de 38 moles
d’adénosine triphosphate (ATP) accompagnée d’une énergie de 690 kcal ... » .
Voici un des exemples cités dans le brevet :
Données : ☛ l’alcool cétylique est l’hexadécan-1ol en nomenclature systématique et est issu des huiles de palme
et palmiste, l’alcool stéarylique est l’octadécan-1ol
☛ La vaseline est un mélange d’hydrocarbures (C>25) , la vaseline officinale est une pommade grasse incolore,
totalement insoluble dans l’eau.
☛ La paraffine liquide est un mélange d’hydrocarbures saturés à chaîne linéaire (CnH2n+2 avec n de 8 à 19).
☛ L’acide stéarique a pour formule CH3-[CH2]16-COOH.
☛ Formule de la vitamine A ou rétinol
1. Donner une représentation schématique d’un tensioactif (avec la légende) :
[1 point]
Partie
lipophile
Partie
hydrophile
2. Pourquoi les alcools cétylique et stéarylique peuvent-ils servir d’émulsifiants pour cette préparation ?
(quelles sont les caractéristiques de ces 2 molécules qui correspondent à des tensioactifs ayant des propriétés
émulsifiantes)
[1]
Ces alcools possèdent une longue chaîne carbonée respectivement à 16 et 18 atomes de carbone, partie
hydrophobe (lipophile) de la molécule sur laquelle est branchée une tête hydrophile (lipophobe) grâce à la
fonction alcool ( OH), le nombre de C correspond à la catégorie des tensioactifs émulsifiants
3.Pourquoi l’auteur du texte présenté ci-dessus écrit-il phase de type « huile » et phase de type « eau » pour
la composition décrite ? Quel type de molécule contient une huile ? Comment se fait l’émulsion ? (faire un
dessin)
[2]
Il s’agit de montrer une émulsion type entre de l’huile et de l’eau, liquides non miscibles sans émulsifiant,
l’émulsion correspond à un mélange homogène grâce à la formation de micelles, la phase de type « huile »
comprend des corps insolubles dans l’eau tels les hydrocarbures mais il ne s’agit pas d’huile puisque une
huile contient des triglycérides.
4.Donner la formule du triester du glycérol obtenu avec l’acide stéarique, appelé la stéarine. Quelle est la
caractéristique de la chaîne carbonée de l’acide stéarique ?
[1]
CH2
CH
CH2
O
O
O
CO
CO
CO
(CH2)16
(CH2)16
(CH2)16
CH3
CH3
CH3
La chaîne carbonée est une chaîne saturée (simples liaisons C-C)
5. L’acide rétinoïque de la composition est dérivé du rétinol ou vitamine A, donner la formule sachant que le
nombre de C est inchangé
[1]
6.Les alcools cétylique et stéarylique sont-ils issus d’agro-ressources ? et la paraffine ?
[1]
Puisque ces alcools sont issus des huiles de palme et palmiste, il s’agit d’agro-ressources, la paraffine est un
hydrocarbure et n’est pas issu d’agro-ressources.
7.Comment nomme-t-on dans le langage courant le peroxyde d’oxygène et quelle est sa formule ? Quel est
son rôle dans la composition , par quel processus ?
[1]
Il s’agit de l’eau oxygénée, de formule H2O2. Son rôle est de fournir du dioxygène par décomposition (2
H2O2
2 H2O + O2 )
8.Dans la préparation de l’émulsifiant mis au point à l’école de chimie de Rennes, la partie hydrophile
provient de la glycine bétaïne. De quelle ressource provient cette glycine bétaïne et pourquoi peut-on
considérer que cette préparation respecte plus les principes de la chimie verte que la composition
pharmaceutique décrite précedement ?
[1] La glycine bétaïne provient d’un sous-produit de l’industrie sucrière de la betterave et donc n’utilise pas
des produits du pétrole ressource non renouvelable.
II. Une estérification en Dean-Stark
Dans cette partie, on s’intéresse à la synthèse d’un ester à partir d’un acide carboxylique et d’un alcool :
l’éthanoate de benzyle qui est l’un des constituants de l’essence de jasmin.
Mode opératoire :
On introduit dans un ballon : 12,0 g d’acide éthanoïque, 21,6 g d’alcool
benzylique (C6H5 CH2OH), une pointe de spatule d’acide paratoluènesulfonique (servant de catalyseur), 10 mL
de cyclohexane et quelques billes de verre.
On surmonte le ballon d’un Dean-Stark et on laisse chauffer doucement à reflux pendant 45 min. Au cours de la
manipulation, on observe dans le Dean-Stark deux phases : de l’eau et du cyclohexane.
A la fin du chauffage, le contenu du ballon est traité et on recueille après plusieurs opérations 5,2 mL d’ester
purifié.
Données : M(H) = 1,00 g.mol-1 ; M(C) = 12,00 g.mol-1 ; M(O) = 16,00 g.mol-1 ;
densités : d(H2O) = 1,00 ; d(cyclohexane) = 0,78 ; d(éthanoate de benzyle) = 1,06
1. Quel nom porte cette réaction de synthèse ?
[0,5] C’est une est estérification
2. Ecrire l’équation bilan de cette réaction
[1]
CH3COOH + C6H5CH2OH
=
CH3COOCH2C6H5 + H2O
3.Choisir dans la liste suivante les termes appropriés à une telle réaction :
[0,5]
Lente – Rapide – Totale – Pouvant se réaliser dans les deux sens
4. Pourquoi est-il nécessaire de chauffer au cours de cette synthèse ?
[0,5]
Pour accélérer la réaction
5. Quel est l’intérêt d’utiliser un catalyseur? D’atteindre plus rapidement l’état d’équilibre? De déplacer
l’équilibre en faveur de l’ester ?
[0,5]
D’atteindre plus rapidement l’état d’équilibre
6. Faire un schéma du Dean-Stark, et indiquer la nature des deux phases présentes, en justifiant leurs
positions relatives.
[1]
7. Expliquer le rôle du Dean-Stark et son intérêt.
[1]
Eliminer l’eau du mélange réactionnel pour déplacer l’équilibre vers la formation de l’ester
8. Par quel autre réactif aurait-on pu remplacer l’acide éthanoïque pour avoir une réaction totale
[1]
par le chlorure d’acide éthanoïque
9. Calculer les quantités des réactifs introduits présents dans l’équation bilan.
[1]
nacide éthanoïque = 12,0/ (2×
×12+ 4+2×
×16) = 0,200 mol
nalcool = 21,6 / (7×
×12+ 8+16) = 0,200 mol
10. Construire un tableau d’avancement, dans lequel figurent les avancements chimiques à un instant
quelconque et à l’état final, dans le cas où la réaction est considérée comme totale.
[1]
EI
t
EF
CH3COOH + C6H5CH2OH
0,200
0,200
0,200-x
0,200-x
0
0
=
CH3COOCH2C6H5 + H2O
0
0
x
x
xmax = 0,200
0,200
11. Calculer la quantité maximale d’eau qu’on peut recueillir dans le Dean-Stark. A quel volume correspondelle ?
[1]
neau = 0,200 mol
v = neau× Meau /ρeau = 0,200 × 18 / 1,00 =3,60 mL
12. Calculer le rendement de cette synthèse.
[1]
vester = 5,2 mL et d(éthanoate de benzyle) = 1,06 donc nester = 1,06×
×5,2/(9×
×12+10+2×
×16)
nester = 0,039 mol soit un rendement r = nester/xmax = 0,039/0,200 = 0,195 soit 19,5 %
13. Comment pourrait-on obtenir la même molécule avec des matières premières renouvelables au lieu
d’utiliser des produits issus de la pétrochimie ?
[1]
Il faut faire une extraction de l’essence de jasmin par entraînement à la vapeur
PartieIII : Obtention d’un polymère à partir d’agroressources
Voici la molécule de furfural :
O
O
-Fig1-Furfural
1: Quelle matière première avez-vous utilisée pour obtenir cette molécule ? Quel intérêt y voyez-vous ?
La matière première utilisée est la rafle de maïs. Il s’agit d’un produit secondaire de l’exploitation du maïs, qui
n’a aucune utilité alimentaire
[2points]
2 A quelle famille de composé organique appartient-elle ? Expliciter deux tests caractéristiques de cette famille.
Composés carbonylés : test à la DNPH (formation d’un précipité jaune), test à la liqueur de Fehling (formation
d’un précipité rouge brique).
Autre réponse acceptée : Famille des aldéhydes. Tests possibles : réactif de Tollens (miroir d’argent), test à la
DNPH (formation d’un précipité jaune), test à la liqueur de Fehling (formation d’un précipité rouge
brique).[2points]
3 : Citer le nom de deux étapes qui permettent de passer de la matière première au monomère.
Il manque une étape dans ce processus de formation du furfural : donner son nom et compléter l’équation.
L’étape manquante est une cyclisation [1points]
OH
cyclisation HO
O
R
O
OH OH
OH OH
OH
O
OH R
H 3O
+
O
OH équilibre céto-énolique
O
OH
déshydratation
OH
O
R
O
O
R
R
4: Faire le schéma du montage nécessaire pour réaliser ce processus.
Schéma du montage l’hydrodistillation.. [2points]
5: A la fin du processus précédent, on sépare la phase qui contient le furfural à l’aide d’une ampoule à décanter :
rappeler comment déterminer expérimentalement la position de la phase aqueuse par rapport à la phase
organique ? Dans quelle phase est alors le furfural ? Quel est le rôle du sulfate de magnésium anhydre qu’on
introduit dans la phase utile ?
Rajouter de l’eau dans l’ampoule à décanter ; observer dans quelle phase elle se rajoute ;
Le furfural est dans la phase organique (phase supérieure, dont le solvant est l’éther)).
Le sulfate de magnésium permet d’éliminer les traces d’eau présentes dans la phase éthérée (il « sèche » la phase
organique). [2points]
6: Par quelle méthode isole-t-on ensuite le furfural brut ? Expliquer son principe.
On évapore l’éther à l’évaporateur rotatif. Il fonctionne sous pression réduite, ce qui permet d’abaisser la
température d’ébullition de l’éther et de le faire évoporer plus facilement. [2points]
7: Quel est le nom de la molécule ci-dessus ? A quelle famille appartient-elle ? Pourquoi ?
O
O
Son nom est furfuryl-2-oxyranne. Il s’agit d’un époxyde : cycle de 3 atomes dont l’un est un atome d’oxygène.
[1points]
8 : Vous avez fabriqué en TP un polymère en utilisant comme matière première une molécule extraite du maïs.
On peut aussi, par exemple, fabriquer des sacs plastiques à base d’amidon de maïs. Ces sacs présentent
l’avantage de se biodégrader totalement en quelques mois, soit par compostage, soit par enfouissement dans la
terre.
a. Donner la définition d’un polymère.
b. Donner les motifs de chacun des polymères ci-dessus.
Macromolécule obtenue par formation de liaisons covalentes, soit par polycondensation, soit par polyaddition,
entre des monomères. [2points]
CH2OH
O
H
O
b.
H
OH
H
H
OH
HH
O
CH2OH
H
H
OH
H
H
OH
O
CH2OH
H
O
O
H
OH
H
H
OH
H
CH2OH
CH2OH
O
H
O
H
OH
H
H
OH
O
H H
O
H
OH
H
H
OH
CH2
HH
O
H
H
OH
H
H
OH
c. QCM :
1. Un biopolymère est :
un polymère biodégradable,
une matière pouvant être utilisée dans le corps
humain sans risque de rejet,
une matière plastique fabriquée à partir d’un
polymère naturel. , [1points]
un polymère naturel, [1points]
un polymère utilisé en médecine.
3. Une des molécule ci-dessus est ramifiée ; il
s’agit de :
l’amylose,
2. un bioplastique est :
l ‘amylopectine. , [1points]
une matière plastique naturelle,
4. Dans le motif de l’amylose, le nombre de
groupes « alcool primaire » est de :
1 , [1points]
2
3
5. Dans le motif de l’amylose, le nombre de
groupes « alcool secondaire » est de :
1
2 , [1points]
3
6. Le test permettant de caractériser les alcools
primaires et secondaires est :
une réaction mettant en jeu les ion MnO4- ,
[1points]
une réaction mettant en jeu la liqueur de Fehling,
une réaction mettant en jeu la DNPH