Exercice III: Synthèse d`une amorce à gardons (4 points)

Bac S 2012 Amérique du nord
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EXERCICE III SYNTHÈSE D’UNE AMORCE À GARDONS (4 points)
Certains pêcheurs utilisent l’acétate d’amyle pour réaliser des amorces à gardons, petits
poissons de nos rivières. Cet ester peut être synthétisé par une réaction entre l’acide
éthanoïque CH3-COOH et le pentan-1-ol CH3-(CH2)4-OH.
Données :
M (gmol-1)
 (g.mL-1)
solubilité dans l’eau
acide éthanoïque
M1 = 60
1 =1,05
totale
pentan-1-ol
M2 = 88
faible
acétate d’amyle
130
2 = 0,81
0,88
eau
18
1,00
cyclohexane
84
0,78
faible
insoluble
1. Généralités
1.1. Écrire l’équation de la réaction chimique de synthèse de l’acétate d’amyle.
CH3-COOH + HO-(CH2)4-CH3 = CH3-COO-(CH2)4-CH3 + H2O
1.2. Donner les caractéristiques de la réaction d’estérification.
C'est une transformation chimique très lente et limitée (partielle) entre la
fonction acide carboxylique de l'acide éthanoïque et la fonction alcool du
pentan-1-ol
2. Synthèse de l’ester
On introduit dans un ballon un volume V1 = 8,6 mL d’acide éthanoïque de masse
volumique 1 et un volume V2 de pentan-1-ol de masse volumique 2. On ajoute une pointe
de spatule d’acide paratoluène sulfonique et quelques grains de pierre ponce. On chauffe ce
mélange à reflux pendant environ 50 minutes. Après refroidissement, le contenu du ballon
est traité et on recueille à la suite de plusieurs opérations une masse m = 11,7 g d’acétate
d’amyle.
2.1. Établir, en fonction des données, l’expression littérale du volume V2 de
pentan-1-ol utilisé pour que le mélange (acide carboxylique – alcool) soit équimolaire.
Calculer la valeur de V2.
Pour que le mélange réactionnel soit équimolaire, il faut le réaliser avec
un nombre égal de moles d'acide éthanoïque et de pentan-1-ol.
Exprimons littéralement ces 2 quantités de matière n1 et n2 afin d'en
déduire l'expression du volume V2.
n1 =
et n2 =
=>
=
= > V2 =
L'application numérique donnera le volume V2 en millilitres puisque le
volume V1 est en millilitres.
V2 = (1,05x88)÷(0,81x60)x8,6 = 16 mL
2.2. L’acide paratoluène sulfonique est un catalyseur de la réaction d’estérification.
Préciser le rôle du catalyseur.
Le catalyseur a pour rôle d'accélérer la réaction sans modifier les
quantités de matière de l'état final du système chimique dans lequel
est impliquée l'estérification.
2.3. Nommer les éléments du montage repérés sur le document 1 de l’ANNEXE à
rendre avec la copie.
sortie d'eau
tièdetiède
sortie ininterrompue
d'eau
tube réfrigérant ou CONDENSEUR
entrée ininterrompue d'eau froide
ballon en Pyrex
source de chaleur
2.4. Quels sont les intérêts du chauffage à reflux ?
● Un tel dispositif permet de maintenir au chaud le mélange réactionnel dans le ballon
et par conséquent d'accélérer la réaction.
● D'autre part, les vapeurs, formées dans le ballon, se condensent en liquide, lequel
descend dans le mélange réactionnel assurant ainsi la conservation des matières
du système chimique.
2.5. Définir et calculer le rendement r de la synthèse.
Le rendement représente la part chiffrée de la quantité d'espèce synthétisée (ester)
par rapport à sa quantité attendue si la réaction était totale.
Comme cse rendement se calcule à partir d'une seule espèce chimique, il peut
se calculer en faisant un rapport de masses ou un rapport de nombres de
moles
La masse d'ester obtenu (recueilli) est de 11,7 g
Si la réaction avait été totale, la quantité de matiière d'ester obtenu aurait été
la même que celle initiale d'acide ou de l'alcool (mélange équimolaire). Or,
la quantité de matière initiale de l'acide s'obtient par le calcul : (8,6x1,05)÷60
en moles. Cette quantité de matière donnerait, si la réaction était totale, une
masse d'acétate d'amyle (ester) : 130x(8,6x1.05)÷60 = 20 g.
La valeur du rendement est donc : r = 11,7÷20 = 0,59 = 59%
(l'alcool utlisé étant de classe primaire, la valeur théorique maximale est de 0,67 = 67%)
3. Méthodes d’obtention de l’ester avec un rendement plus satisfaisant
3.1. Utilisation d’un Dean-Stark
Une méthode consiste à utiliser un appareil de Dean-Stark.
Les espèces chimiques utilisées dans la synthèse précédente
sont introduites en mêmes quantités que précédemment.
Le dispositif permet de séparer l’eau formée du reste du
milieu réactionnel, par distillation en présence de
cyclohexane. Le cyclohexane et l’eau formée, non miscible à
l’état liquide, forment un mélange qui s’accumule dans le tube
décanteur du Dean-Stark.
Appareil de Dean-Stark 
Le tube décanteur de Dean-Stark est rempli de cyclohexane jusqu’à la partie supérieure.
Un volume de 10 mL de cyclohexane est aussi ajouté dans le milieu réactionnel.
On chauffe à reflux, à ébulllition douce. On suppose que, lors de cette ébullition, seuls l’eau
et le cyclohexane s’évaporent.
Tube décanteur de Dean-Stark 
3.1.1. Indiquer sur le document 2 de l’ANNEXE à rendre avec la copie les
positions relatives des deux phases dans le tube décanteur. Justifier.
cyclohexane
eau
eau
D'après le tableau des données, on en déduit que le cyclohexande est non
miscible à l'eau (insoluble) et qu'il est moins dense que l'eau (masse
volumique plus faible). Donc, les gouttes d''eau liquide résultant de la
condenartion de ses vapeurs dans le tube réfrigérant tombent et traversent le
cyclohexane liquide pour stationner dans la partie basse du tube Dean-Stark.
3.1.2. L’eau est extraite du milieu réactionnel au fur et à mesure de sa
formation. Quel est l’intérêt de ce dispositif ?
L'intérêt de ce dispositif est d'isoler l'eau du système chimique dans
lequel a lieu, en même temps que la réaction d'estérification, celle
d'hydrolyse de l'ester par l'eau (équilibre chimique). On élimine ainsi
l'un des produits (l'eau) au fur et à mesure qu'il se forme et le
système chimique est alors contraint d'évoluer dans le sens direct
de la réaction d'estérification. Le rendement de l'estérification
deviendra ainsi de plus en plus satisfaisant (pourra tendre vers 1 = 100%)
3.1.3. L’expérimentateur observe attentivement le dispositif et décide d’arrêter
le chauffage au bout de 50 minutes. Qu’a-t-il observé qui l’a conduit à prendre
cette décision ?
L'expérimentateur devra veiller à ce que le débordement de liquide
qui s'effectue dans le ballon soit seulement du cyclohexane.
L'intérêt de la graduatin du tube Dean-Stark est de bien suivue
l'évolution de la surface de séparation entre l'eau et le cyclohexane.
Au bout de 50 minutes, il a constaté que la surface de séparation
était parfaitement immobile. (le système chimique dans le ballon
a cessé d'évoluer et aura atteint le meilleur rendement satisfaisant).
3.1.4. En mesurant le volume d’eau obtenue dans le tube décanteur, il en
déduit que la masse d’ester formé est m’ = 17,6 g d’ester. Vérifier l’intérêt de
cette méthode par rapport à la précédente en calculant le rendement r’ de la
synthèse.
Si la réaction étudiée était totale, on obtiendrait théoriquement 20 g
d'ester.
r' = 17,6÷20 = 0,88 = 88%
L'intérêt du dispositif Dean-Stark est vérifié puisque la
comparaion des rendements donne : r'= 88% > r = 59%
Remarques : Avec le montage simple à reflux, le rendement r pourrait
atteindre la valeur théorique de 67%.
Avec le même montage complété par Dean et Stark, le
rendement r' pourrait théoriquement atteindre 100%
3.2. Utilistation d’un dérivé de l’acide carboxylique
Une autre méthode permettant d’obtenir un rendement très supérieur à celui calculé à
la question 2.5 consiste à remplacer l’acide carboxylique utilisé par un de ses dérivés.
Nommer et donner la formule semi-développée de ce dérivé.
Il est possible d'obtenir un rendement satisfaisant avec un simple montage à
reflux à condition de remplacer l'acide carboxylique par son anhydride, molécule
dérivant de 2 molécules d'acide avec départ d'1 molécule d'eau.
Le nom du dérivé de l'acide éthanoïque est anhydride éthanoïque.
En amont, l'industrie chimique aura préparé, dans des conditions particulières, cette
molécule d'anhydride à partir des 2 molécules d'acide selon l'équation :
CH3-COOH + HOOC-CH3 = H2O +
CH3-COO-OC-CH3
anhydride éthanoïque