Corrigé - Olympiades de chimie

Académie de Rennes
Olympiades de chimie 2008-2009
Chimie, Agro-Ressources
Concours
Durée : 2h45
Nom :
Prénom :
Lycée :
Série :
NB : Le sujet s’inspire des différents TP, des conférences et de la visite d’entreprise, les
questions sont indépendantes. Les réponses (pas de calculs sur la feuille) doivent etre données
dans les emplacements prévus à cet effet sans trop de développement et les calculatrices sont
autorisées.
PARTIE I : LES BIOCARBURANTS
1. Etude d’un Biocarburant : le Diester
Le diester est produit à partir d’huile de colza, résultant de la trituration des graines de ce
végetal. L’huile subit une transestérification par action du méthanol, cette transformation peut
être schématisée de la façon suivante : le trilinoléate de glycéryle de l’huile réagit avec le
méthanol, il se forme du Diester et du glycérol.
Les caractéristiques du Diester (qui est en fait un monoester méthylique) sont très proches de
celle du gazole, de sorte qu’il peut être utilisé dans les voitures de tourisme mélangé au gazole
à hauteur de 5% et jusqu’à 50% dans les moteurs les plus puissants.
Le diester est plus respectueux de l’environnement que le gazole seul, puisqu’il émet
sensiblement moins de fumée et ne contient pratiquement pas de soufre.
Le dioxyde de carbone rejeté lors de la combustion des biocarburants correspond à la quantité
absorbée lors de la croissance des végétaux. Il n’augmente donc pas l’effet de serre. De plus,
la présence d’oxygéne dans les molécules de biocarburants améliore leur combustion et
dimunie le nombre des particules dues aux hydrocarbures imbrulés, ainsi que le monoxyde de
carbone.
Cependant, une utilisation irraisonnée d’engrais entrainant une pollution des sols et des eaux
peut contrebalancer le bilan écologique positif lié à la combustion des hydrocarbures.
Mais le principal obstacle à sa généralisation est son coût qui ne peut le rendre compétitif sans
subvention.
QUESTIONS
NB: L’indice de viscosité du carburant diesel(gazole) utilisé en France est de 5.
1.1°) Quelle est la signification du mot Diester?
Le mot Diester est la contraction des mots Diesel et Ester (1point)
1.2°) Le Diester, un ester utilisé comme carburant.
On admettra que l’huile de colza est constituée uniquement de trilinoleate de
glycéryle, ce dernier étant le triester du glycérol et de l’acide linéléique.
La transformation industrielle du trilinoleate de glycéryle en Diester est réalisée
en le faisant réagir, à chaud et en présence d’ions hydroxyde (qui catalyse la
réaction) avec du méthanol. L’équation de la réaction est la suivante.
1.3°) Recopier la molécule de trilinoléate de glyceryle et nommer les fonctions
chimiques caractéristiques de cette molécule.
On retrouve 3 fonctions esters (1.5 )
1. 4°) Expliquer pourquoi un moteur de voiture diesel classique ne peut pas
fonctionner avec de l’huile de colza.
La viscosité de l’huile de colza est très importante (1,5)
1.5°) En déduire le rôle de la trans-estérification.
La transestérification permet de produire du diester de viscosité proche de celle
du gazole. (1,5)
1.6°) On veut synthétiser le diester à partir d’un litre d’huile de colza en
respectant les proportions stœchiométriques indiquées par l’équation.
1.6.1°) Déterminer la quantité de matière de trilinoléate de glycéryle contenue
dans un litre d’huile de colza.
n (huile) = pV/M = 0.821 x 1000/873 = 0.93 mol (1point)
1.6.2°) Donnez les caractéristiques de cette transformation sachant qu’elle est
similaire à une réaction d’estérification classique.
Elle est équilibrée (donc non totale) ; lente et athermique (1.5 points)
1.6.3°) Le rendement de cette réaction n’est que de 50%. Calculer la quantité de
matière de diester obtenue. En déduire la masse de diester.
Pour 100% : n(diester) = 3n(huile) = 2.8mol ; pour 50% : n(diester)= 1.4mol
m (diester) = n(diester) x M(diester)= 411g (1 point)
1.7°) Citer les avantages et les inconvénients de ce biocarburant.
Au moins de chaque : (2points)
Avantages : carburant d’origine végétale ; « énergies renouvelables » (obtenus à
partir de la biomasse) ;
Inconvénients : nécessite une production agricole avec beaucoup de besoin en
engrais, en pesticides, nécessite une transestérification, très couteuse en énergie..
1.8°) Citer un biocarburant solide et un biocarburant gazeux.
Solide : paille, Charbon, betterave (2 points)
Gaz : H2, CH4, gaz
2. Les Biocarburants de la filière éthanol
Les biocarburants de la filière éthanol ont vocation à se substituer à l’essence.
Lorsque l’on compare les caractéristiques physico-chimiques, ceux-ci
apparaissent comme de bons substituts. L’éthanol est obtenu par fermentation
de jus sucrés obtenus à partir des matières sucrières (betteraves, canne à
sucre….) ou après hydrolyse de céréales. Des projets existent pour produire de
l’éthanol à partir de la biomasse lignocellulosique (bois, paille…).
L’utilisation d’un mélange riche en éthanol (80% éthanol –essence) est en
expérimentation localement en France. Actuellement seule l’incorporation
d’éthanol à l’essence est autorisée dans la limite de 5 à 15%.
L’énergie utilisée (par le moteur par exemple) est de l’énergie thermique
provenant de la combustion du mélange hydrocarbure-éthanol.
2.1. Matières sucrières
2.1.1°) Quel est le sucre contenu dans la betterave sucrière et dans la canne à
sucre ?
Le glucose de formule
Le fructose de formule
Le Saccharose : (de formule : ) C6H11O5-O-C6H11O5
(1 point)
2.1.2°). Quelles sont les fonctions chimiques présentes dans le glucose ?
On retrouve les onctions aldéhyde et alcools (1 point)
2.1.3°). Quelles sont les fonctions chimiques présentes dans le fructose ?
On retrouve les fonctions cétone et alcools (1point)
2.1.4°). Ecrire l’équation associée à la réaction d’hydrolyse du saccharose dont la
formule brute est : C6H11O5-O-C6H11O5
C6H11O5-O-C6H11O5 + H2O = 2 C6H1206 (glucose + fructose) (1 point)
2.2°). Formation d’alcool (éthanol) par fermentation
2.2.1°). Donner la formule semi-développée de l’éthanol
CH3-CH2-OH (1point)
2.2.2°). Ecrire l’équation associée à la réaction de fermentation alcoolique du glucose.
(rappel : formule brute du glucose : C6H12O6)
C6H1206 = 2 CH3-CH2-OH + 2CO2 (1 point)
2.3. Titrage de l’éthanol
On peut titrer l’éthanol formé à l’aide du dichromate de potassium. L’équation
de réaction est :
3 CH3-CH2OH + 2 Cr2O7 2- + 16H+
= 3 CH3-COOH + 4 Cr3+ + 11 H20
Donner les couples
d’oxydoréduction mis
en jeu
Cr2O72-/ Cr3+
CH3COOH/CH3CH2OH (2 points)
2ème partie : Tensioactif et ressources renouvelables
1. Donner la définition d’un tensioactif :
[1 point]
C’est une substance possédant deux parties : une longue chaîne carbonée hydrophobe
(lipophile) sur laquelle est branchée une tête hydrophile (lipophobe)
2. Quelles propriétés possède un tensioactif ?
[1]
Les propriétés d’un tensioactif sont des propriétés -mouillantes
-détergentes
-émulsifiantes
-adoucissantes.
3. Donner une représentation schématique d’un tensioactif (avec la légende) :
[1]
ou
Partie
lipophile
Partie
hydrophile
4. Les espèces suivantes sont des tensioactifs : indiquer s’il s’agit de tensioactif cationique,
anionique, zwittérionique ou non ionique :
espèce A
O
O
O
O
O
O
O
O
espèce B
N
[1,5]
OH
O
Espèce A : tensioactif non ionique
espèce C
Espèce B : tensioactif non ionique
O
O
S
O
-
O ,Na
+
Espèce C : tensioactif anionique
espèce D
OH
O
N
-
O
espèce E
,Cl
-
N
5.Comment se place une molécule tensioactive à l’interface eau-huile (faire un schéma
explicite) ?
[1]
eau
huile
6. Que forment les tensioactifs dans une émulsion ?
[1]
Dans une émulsion, les molécules de tensioactifs se rassemblent en micelles.
7. Pour la synthèse d’un tensioactif, il est possible d’utiliser une huile végétale pour la
partie lipophile, l’huile est constituée de triglycérides de formule générale
CH2O—CO—R
│
CHO—CO—R’
│
CH2O—CO—R”
a) A quelle famille appartient un triglycéride ?
[0,5]
Les triglycérides appartiennent à la famille des esters (triester)
b) Donner la formule semi-développée du glycérol et son nom dans la nomenclature
UPAC :
[1]
Le glycérol est le propan-1,2,3triol
CH2OH—CHOH—CH2OH
c) Pour l’oléine, le triglycéride principal de l’huile d’olive, les radicaux R sont
CH3 ( CH2 )7 CH═CH ( CH2 )7
Quelle est la formule semi-développée de l’acide gras associé à l’oléine, l’acide oléique ?
Quelle est sa caractéristique d’après cette formule ? Comment qualifie -t -on l’huile ?
[1,5]
L’acide oléique a pour formule CH3 ( CH2 )7 CH═CH ( CH2 )7COOH
Sa caractéristique : une insaturation dans la chaîne C ═ C entre C9 et C10
On qualifie l’huile d’huile insaturée.
8. On réalise la synthèse d’un tensioactif grâce à la transformation suivante :
CH3
│
glycine bétaïne + alcool oléique + CH3SO3H
CH3SO3- + CH3—N+—CH2—COO—R +
H2O
│
CH3
a) Cette transformation correspond à une estérification :
acide carboxylique + alcool
ester + eau ; identifier l’ester dans l’équation donnée cidessus en entourant la fonction ester
[0,5]
b) La glycine est l’acide 2-aminoéthanoïque, donner sa formule semi-développée. A
quelle famille appartient-elle ?
[1]
Formule de la glycine : NH2─ CH2─COOH
La glycine appartient à la famille des acides aminés.
c) Pourquoi cet émulsifiant est-il issu d’agro-ressources ?
[1]
La glycine bétaïne provient de la mélasse, sous-produit de l’industrie sucrière ( betterave à
sucre)
d) Quel montage permet d’obtenir une estérification totale par séparation de l’eau
formée ? Donner le nom et faire le schéma ci-dessous.
[1,5]
Un montage de Dean-Stark
e) L’estérification est un équilibre chimique. Pourquoi peut-on considérer que la
réaction devient totale avec ce montage ?
[1]
L’équilibre chimique est déplacé vers la formation d’eau pour compenser l’élimination du
mélange réactionnel de l’eau grâce au dispositif du Dean-Stark
f) On utilise 10,0 g de glycine bétaïne de masse molaire 117,5 g.mol-1 . Calculer la
quantité de matière initiale en glycine bétaïne :
[0,5]
niGB= 10,0/117,5 = 0,0851 mol
g) Le protocole indique qu’on utilise 1,4 équivalent d’alcool oléique et 2,5
équivalents d’AMS ( CH3SO3H) . Quelles sont alors les quantités de matière en
alcool oléique et AMS pour 10,0 g de glycine bétaïne.
[1]
niAO = 1,4 × niGB = 1,4 × 10,0/117,5 = 0,119 mol
niAMS = 2,5 × niGB = 2,5 × 10,0/117,5 = 0,213 mol
h) Compléter le tableau d’avancement (en moles) ci-dessous (pour un rendement de
100 %):
[1,5 ou 2,5 selon les points attribués aux questions sur la caractérisation]
Glycine bétaïne + alcool oléïque + AMS
mésilatede bétaïnate d’octadèc-9-ènyle +
eau
E.I.
0,0851
0,119
0,213
0
0
x
x
àt
0,0851-x
0,119-x
0,213-x
E.F.
0,0851
0,034
0,128
Posez vos calculs ci-dessous :
xmax =0,0851 mol pour nfGB =0
0,0851
0,0851
nfAO = 0,119 – 0,0851 = 0,034 mol
nfAMS = 0,213 – 0,0851 = 0,128 mol
En déduire le volume d’eau attendu dans l’appareil à la fin de la transformation :
veau = 0,0851(mol) × 18,0(g/mol) /1,00(g/mL) = 1,53 mL
PARTIE III : DU MAIS AUX POLYMERES
1°) Obtention d’un polymère à partir de rafles de mais.
1°) Quel type de molécules contiennent majoritairement les rafles de maïs ?
Les rafles de mais contiennent principalement des polysaccharides (0.5 point)
2°) Par quelle transformation obtient-on la molécule extraite, en vue de
l’obtention d’un polymère ?
C’est l’hydrolyse en milieu acide (0.5 point)
3°) Quel est le nom de cette molécule ?
La molécule est le furfural (0.5 point)
4°) Quelle est la technique utilisée pour cette extraction ?
La technique utilisée est l’hydrodistillation (0.5 point)
5°) Un intermédiaire de la synthèse est l’époxyde ci-contre. Pourquoi appartientil à la famille des époxydes ?
Il contient un cycle formé par 2 atomes de carbone et un atome d’oxygène
(1 point)
O
O
6) L’une des dernières étapes de la manipulation nécessite l’emploi d’un
évaporateur rotatif. Quel est l’intérêt de ce dispositif ?
Faible pression dans le dispositif d’où un abaissement des températures
d’ébullition des solvants (1 point)
2°) Le lait peut également être une ressource pour l’obtention d’un polymère. En
effet, il contient un glucide, le lactose, qui, par fermentation, peut se transformer
en acide lactique.
Lactose
Acide lactique
OH
O OH
OH
CH C
OH
OH
OH O O
OH
H3C
O
OH
OH
OH
OH
Ce dernier peut, par polymérisation, conduire au polylactate, un polymère
biodégradable.
2.1°) Pourquoi le lactose est-il un disaccharide ?
Il est formé de 2 saccharides (ou deux Oses) (0.5 point)
2.2°) Quels groupes fonctionnels trouve-t-on dans la molécule d’acide
lactique ?
Fonctions alcool et acide carboxylique (0.5 point)
2.3°) La molécule d’acide lactique est capable, dans certaines conditions, de
réagir avec une autre molécule d’acide lactique avec formation d’une molécule à
6 atomes de carbone et d’une molécule d’eau.
2.3.1°) Ecrire l’équation correspondante ?
2H3C-CHOH-CO2H= H3C-CH (OH)-CO2-CH (CH3)-CO2H+H2O
(1 point)
2.3.2°) Comment s’appelle la réaction chimique correspondante ?
Polymérisation (1 point)
2.3.3°) Ecrire la formule du polylactate, obtenu lorsque la nouvelle molécule
formée réagit à nouveau avec une molécule d’acide lactique un très grand
nombre de fois.
CH3CH (OH) [CO2CH (CH3)] n-CO2H (1 point)
2.3.4°) Quel est le motif du polymère ?
(-CO2-CH(CH3)-) n (1 point)
2.3.5°) Pourquoi le polylactate est-il biodégradable ?
Par hydrolyse des fonctions ester, on retrouve l’acide lactique de départ (1 point)
PARTIE IV : Chimie Verte et Engrais (10 points)
4.1. Donner cinq des douze principes de la Chimie Verte (1 point – 0,25 par
bonne réponse)
Prévention, Economie d’atomes, Synthèse chimiques moins nocives
Solvants et auxiliaires plus sécuritaires, Utilisation de matières premières
renouvelables
Catalyse, Amélioration du rendement énergétique
Conception de substances non-persistantes, Réduction de la quantité de produits
dérivés …
4.2. Donner les quatre raisons pour lesquelles on recherche de nouvelles
valorisations des agro-ressources (1 point – 0,25 par bonne réponse)
+ Offrir de nouvelles perspectives à la PAC et de nouveaux débouchés
+ Mettre l’agriculture au service du développement durable
+ Diminuer la dépendance énergétique de l’Europe
+ Soutenir le développement économique et les créations d’emploi
4.3. Qu’est ce que la formulation ? (0,5 point ; 0,25 point si activité industrielle)
La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits
homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques en mélangeant
différentes matières premières
4.4. Donner les trois principaux types et propriétés associés des tensio-actifs ?
Quelle est leur propriété commune ? (1 point – 0,25 par bonne réponse)
- Pouvoir mouillant
- Pouvoir détergent
- Pouvoir émulsifiant
Propriété commune : abaissement de la tension inter-faciale entre deux milieux
(air-eau ; huile-eau)
4.5. Qu’est-ce que REACH ? (0,5 point)
Nouvelle règlementation européenne sur les substances chimiques (REACH)
Elle impose aux entreprises qui fabriquent ou importent des produits chimiques
en quantités supérieures à une tonne par an de rassembler des données sur les
propriétés de ces produits et d’évaluer leur impact sur la santé et
l’environnement
4.6. Donner la définition de la CMC (0,5 point). A quoi correspond-elle ? (1
point)
Concentration Micellaire Critique
A partir d’une certaine concentration en tensio-actif, appelée Concentration
micellaire critique, la surface d’un liquide étant saturée de molécules tensioactives, celles –ci se regroupent entre elles dans le liquide en formant des
micelles
4.7. Quelles sont les deux techniques de fluidification des bitumes ? (0,5 point,
0,25 par réponse)
Utilisation de Fluxants ou d’Emulsifiants
4.8. Quelles sont les deux principales gammes de produits commercialisés par la
société TIMAC ? (0,5 point, 0,25 par réponse). Donner des exemples (0,5
point, 0,25 par réponse)
Consommables agricoles pour :
1) La production végétale (engrais minéraux, engrais et amendements
organiques, Biostimulants, Compléments de fertilisation, Nettoyant)
2) Spécialités zootechniques (blocs minéraux à lécher, Agents d’ensilage,
suppléments nutritionnels…)
4.9. Que signifie NPK ? Sous quelles formes chimiques les retrouve-t-on dans
les produits TIMAC ? (0,5 point par élément)
N : Azote – Urée ou Nitrates d’ammonieum
P : Phosphore - Phosphates
K : Potassium – sous forme de potasse : K2O ou KOH
4.10. Quels sont les huit principaux oligo-éléments dont les plantes ont besoin ?
(0,15 point par réponse). Dans quel mécanisme chimique interviennentils principalement ? (0,3 point)
Cu, Zn, B, Mo, Fe, Mn, Co, Se - Réactions d’oxydo-réduction