Corrigé - Olympiades de chimie

Lycée Clemenceau – Nantes
Mercredi 3 mars 2010
Olympiades de la chimie Ligérienne
Epreuves Régionales
Partie II : Questionnaire - Corrigé
SOURISSEAU Sébastien
PREAMBULE (7 points)
1
1. Que signifient les initiales I.N.R.A ? Institut National de la Recherche Agronomique
1
2. Quels sont les trois champs d’intervention majeure de l’INRA ?
Alimentation, Agriculture, Environnement
1
3. Quel autre établissement public à caractère scientifique connaissez-vous ? CNRS
1
4. Qu’est-ce qu’une agro-ressource ? matières premières constitués de végétaux, composés de base
nécessaire à l’énergie, la chimie, les matériaux.
1
5. Citer deux intérêts de faire de la chimie aves des agro-ressources.
Matières premières renouvelables (remplacent les produits issus du pétrole)
Réduction des émissions de gaz à effet de serre.
1
6. Citer un inconvénient de faire de la chimie aves des agro-ressources.
Concurrence alimentaire, déforestation, pollution (engrais).
1
7. Quels sont les trois grands domaines d’application des agro-ressources ?
Biomatériaux, biocarburants, biomolécules.
LES BIOMATÉRIAUX (44 points)
Les biomatériaux sont réalisés avec les biopolymères.
1
1. Qu’est-ce qu’un polymère ? Molécule constituée de plusieurs entités monomères.
3
2. Citer trois exemples de biopolymères en mentionnant une application pour chacun d’entre eux :
Amidon : sac plastique
Protéine : colle
Cellulose : isolant
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ORC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 2010
Le lait : un biopolymère !
1
3. Comment s’appellent les protéines du lait ? Caséine
1
4. Comment s’appelle le principal glucide présent dans le lait ? Lactose
1
5. En quelle espèce chimique le lactose est-il dégradé en présence de bactéries ? Acide lactique
1
6. Quel est l’ordre de grandeur du pH du lait frais de vache ? pH = 6,4 – 6,8
4
7.1 Quelle protéine du lait a des propriétés adhésives qui permettent le collage ? Caséne
7.2. Sous quelle forme se trouve cette protéine dans le lait ? Ionique
7.3. Cette protéine est une molécule amphotère. Que signifie ce terme ?
Composé qui possède à la fois des propriétés acide et basique.
7.4. Comment faire cailler le lait ? En ajoutant un acide (le pH diminue)
Le lait peut être une ressource pour l’obtention d’un polymère. En effet, le lactose, par fermentation, peut se
transformer en acide lactique.
Ce dernier, par polymérisation, conduit au polylactate, un polymère biodégradable qui peut servir pour
l’emballage de produits frais par exemple.
1
8. Pourquoi le lactose est-il un disaccharide ? Il est formé de deux saccharides (ou oses).
1
9. Quels groupes fonctionnels trouve-t-on dans la molécule d’acide lactique ?
Acide carboxylique et alcool.
5
10.1 Dans la molécule d’acide lactique, quelle est la particularité de l’atome de carbone n°2 ?
C’est un carbone asymétrique.
10.2 Cette particularité a été mise en évidence par Pasteur. Quel est son prénom ? Louis.
10.3 Il est mort en 1850 ? 1895 ? 1950 ?
1895
10.4. Quel est le sujet de travaux auxquels Pasteur est associé ?
Stéréochimie ou fermentation, ou rage …
10.5. Au contact de l’oxygène de l’air, l’acide lactique est oxydé en acide pyruvique. Quelle est la
formule de cet acide sachant qu’il contient une fonction cétone. Ecrire l’équation d’oxydation.
CH3-CH(OH)-COOH + ½ O2(g) = CH3-CO-COOH + H2O
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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
11. Ecrire l’équation correspondante.
2 CH3-CH(OH)-COOH = CH3-CH(OH)-CO2-CH(CH3)-COOH + H2O
1
12. Comment s’appelle la réaction chimique correspondante ? Polymérisation
2
13. 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.
CH3-CH(OH)-(CO2-CH(CH3))n-COOH
1
14. Quel est le motif du polymère ?
1
-(CO2-CH(CH3)n-
15. Pourquoi le polylactate est-il biodégradable ?
Par hydrolyse des fonctions ester, on retrouve l’acid elactique.
Le lactose du lait peut se transformer par hydrolyse acide et chauffage en galactose et glucose qui possèdent la
même formule brute, C6H12O6.
1
16. Ecrire l’équation d’hydrolyse :
C12H22O11 + H2O = C6H12O6 + C6H12O6
1
17. Le glucose et la galactose sont-ils : mésomères ? dimères ? isomères ?
Isomères
1
18. Quel est le rôle joué par l’acide ? Catalyseur
1
19. Pourquoi chauffe-t-on ? Accroître la vitesse
1
20. Que pensez-vous des affirmations suivantes :
Toute réaction rapide est totale.
Toute réaction lente est limitée.
Toute réaction spontanée est rapide.
Les trois affirmations sont fausses.
Le lait : acidité et titrages des ions chlorure
Détermination de l’acidité du lait
pKa(
/
) = 3,9 à 25°C
-14
Produit ionique de l’eau KE = 10 à 25°C
-1
Masse molaire moléculaire de l’acide lactique 90 g.mol .
Définition du degré Dornic : 1°D correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait.
1
21. Écrire l’équation de la réaction de dosage de l’acide lactique
d’hydroxyde de sodium :
CH3-CH(OH)-COOH + HO + CH3-CH(OH)-COO + H2O
par une solution
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2
22. On a dosé un volume de V0 = 20 mL de lait par une solution d’hydroxyde de sodium de
-2
-1
concentration C = 2,0.10 mol.L en présence de phénolphtaléine. Le volume versé à l’équivalence
est Ve = 15 mL. Calculer la concentration molaire, C0, puis la concentration massique, t0, en acide
lactique du lait dosé.
-2
C0V0 = CVe
C0 = 1,5.10 mol.L
-1
t0 = 1,35 g.L
-1
1
23. Calculer le degré Dornic du lait dosé.
1
24. Pour qu’un lait soit consommable il doit titrer moins de 18°D. Le lait titré est-il consommable ? OUI
DD = 13,5°
Titrage des ions chlorure dans la poudre de lait par la méthode argentimétrique de charpentier et
Volhard.
A une masse connue de lait en poudre dissous dans de l’eau désionisée, on ajoute une quantité connue
de nitrate d’argent en solution. Il se forme un précipité blanchâtre de chlorure d’argent. Le nitrate d’argent ayant
+
été introduit en excès, il reste des ions Ag non précipités. Ceux-ci sont titrés à l’aide d’une solution de
+
thiocyanate d’ammonium (NH4 , SCN ) grâce à la formation d’un précipité blanc de thiocyanate d’argent. La fin
3+
de précipitation est mise en évidence à l’aide d’un indicateur contenant des ions Fe qui donnent une coloration
+
rouge avec les ions thiocyanate lorsque ceux-ci introduits en excès ne peuvent plus précipiter faute d’ions Ag .
-1
Masse molaire moléculaire du chlore : 35,5 g.mol
Mise en œuvre expérimentale
Dans un erlenmeyer, on a introduit :
- une masse m = 2,5 g de lait en poudre,
- 20 mL d’eau désionisée,
-1
- V0 = 20 mL de solution de nitrate d’argent de concentration C0 = 0,05 mol.L ,
-1
- environ 10 mL de solution d’acide nitrique de concentration 6 mol.L ,
- 2 grains de pierre ponce.
On porte à ébullition douce le mélange jusqu’à obtention d’une solution limpide et d’un précipité blanc. Après
3+
avoir laissé refroidir le mélange, on ajoute 1 mL d’une solution saturée d’ions Fe puis on réalise le titrage par
-1
une solution de thiocyanate d’ammonium de concentration C2 = 0,02 mol.L . Le volume à l’équivalence est
Ve = 15 mL.
–
Soit neq(SCN ) la quantité de matière ajouté à l'équivalence.
1
25. Ecrire l’équation de cette première réaction consommant des ions argent :
+
Ag
1
-
aq
26. Ecrire l’équation de cette deuxième réaction consommant des ions argent :
+
Ag
1
+ Cl aq = AgCl(s)
-
aq
+ SCN (aq) = AgSCN(s)
+
27. Déterminer la quantité de matière d’ions argent introduits initialement, n0(Ag ) :
+
+
n0(Ag ) = C0V0
2
-3
n0(Ag ) = 10 mol
+
–
–
28. Retrouver la relation à l'équivalence entre n0(Ag ) , n0(Cl ) et neq (SCN )
+
–
–
n0(Ag ) = n0(Cl ) + neq (SCN )
2
29. En déduire la quatité de matière en mol pour 100 g de poudre et en gramme pour 100 g de poudre.
-4
n = 7.10 x 40 mol
-2
n = 2,8.10 mol pour 100 g de poudre soit m = 0,99 g pour 100 g de proudre.
1
30. A quel type de dosage correspondant la méthode de Charpentier & Volhard : direct ? indirect ?
Dosage indirect
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LES ESTERS DANS LES AGRO-RESSOURCES (29 points)
La famille des esters
Les esters peuvent être obtenus (réaction d’estérification) par la réaction entre un alcool et un acide
carboxylique, avec départ d’une molécule d’eau.
O
O
+ HO CH3
CH3
OH
acide éthanoïque
méthanol
CH3
O CH3
+ H 2O
ester
Les huiles et les graisses sont des triglycérides, donc des dérivés du glycérol, dont le nom en nomenclature
officielle est propan-1,2,3-triol, et d’acides gras.
1
1. Représenter une molécule de glycérol
OH
OH
OH
1
2. Qu’est-ce qu’un acide gras ? Acide carboxylique dont la chaîne carbonée possède au moins 4
carbones.
1
3. Le premier terme des acides gras est l’acide butyrique. Donner la formule semi-développée d’une
molécule d’acide butyrique. Donner le nom de cette molécule en nomenclature officielle.
Acide butanoïque. CH3-(CH2)2-COOH
La noix de muscade contient le triglycéride (triesters du glycérol) appelé, trimyristine.
O
O
O
O
O
O
Triglycéride : la trimyristine
2
4. Retrouver l’acide carboxylique dont est issu ce triester, appelé acide gras.
HO-CO-C13H27
1
5. Est-ce un acide saturé ou insaturé ? Saturé
Les savons
Les savons appartiennent à la famille des tensio-actifs. Ce sont des grosses molécules qui présentent une “tête”
hydrophile et une “queue” hydrophobe.
1
6. Que signifient ces deux termes ?
Hydrophile : affinité pour l’eau
Hydrophobe : aucune affinité pour l’eau
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1
7. Identifier ces deux parties sur la représentation schématique ci-dessous :
hydrophobe
hydrophile
1
8. La trimyristine permet d’obtenir un savon lorsqu’on fait réagir à chaud une solution alcoolique
d’hydroxyde de sodium. Quel nom porte cette réaction ?
Réaction de saponification.
1
9. Les savons d’origine végétale représentent aujourd’hui plus de 20% du marché. Citer deux
bénéfices tirés des agro-ressources dans la synthèse des savons.
Image verte, non utilisation des ressources fossiles, biodégradabilité.
Etude d’un Biocarburant : le Diester
Le diester est produit à partir d’huile de colza, résultant de la trituration des graines de ce végétal. 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’oxygène dans les
molécules de biocarburants améliore leur combustion et diminue 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.
Formule brute
Masse volumique à
-3
25 °C en g.cm
Masse
-1
g.mol
molaire
méthanol
Trilinoléate de glycéryle
(huile de colza)
Diester
CH3OH
C57H98O6
C19H34O2
0,79
0,82
0,89
32
878
294
98
7
en
Indice de viscosité
L’indice de viscosité du carburant diesel (gazole) utilisé en France est de 5.
1
10. Quelle est la signification du mot Diester. Contaction des mots diesel et ester
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Par une réaction appelée trans-estérification et rappelée ci-dessous, des triglycérides sont transformés en ester
méthylique noté EMHV, comme ester méthylique d’huile végétale.
O
C17H33
H
O
O
O
O
O
C17H33
3 H3C OH
C17H33
O
trioléate de glycéryle
triglycéride
1
+
NaOCH3
O
O
méthanol
O
H
+ 3 H3C O
C17H33
H
glycérol
ester méthylique de l'acide oléique
"diester"
11. Utiliser cet exemple pour expliquer le terme ester méthylique d’huile végétale.
L’ester réactif est contenu dans une huile végétale. La partie issue du glycérol a été remplacé par le
groupe méthyle
1
1
12. 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
13. En déduire le rôle de la trans-estérification
Elle permet de produire du diester de viscosité proche de celle du gazole.
On veut synthétiser le diester à partir d’un litre d’huile de colza en respectant les proportions stoechiométriques
indiquées par l’équation.
1
14. Déterminer la quantité de matière de trilinoléate de glycéryle contenue dans un litre d’huile de
colza.
n = V/M
n = 0,93 mol
1
15. Donner les caractéristiques de cette transformation sachant qu’elle est similaire à une réaction
d’estérification classique.
Equilibrée, lente, athermique
2
16. Le rendement de cette réaction n’est que de 50%. Calculer la quantité de matière de diester
obtenue. En déduire la masse de diester.
ndiester = 3 nhuile = 2,8 mol pour 100%
ndiester = 3 nhuile = 1,4 mol pour 50%
mdiester = 411 g
1
17. Citer un avantage et un inconvénient de ce biocarburant.
Carburant d’origine végétale.
Production agricole avec beaucoup de besoin en engrais, en pesticides, transesterification coûteuse
en énergie.
Autres exemples de Biocarburants : « 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 anaérobie qui se fait sous l’action de levures 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.
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1
18. Ecrire l’équation associée à la réaction d’hydrolyse du saccharose dont la formule brute est
C6H11O5-O-C6H11O5 :
C6H11O5-O-C6H11O5 + H20 = 2 C6H12O6 (glucose et fructose)
1
19. Donner la formule semi-développée de l’éthanol
CH3-CH2OH
2
20. Ecrire l’équation associée à la réaction de fermentation alcoolique du glucose (rappel : formule
brute du glucose : C6H12O6)
C6H12O6 = 2 CH3CH2OH + 2 CO2(g)
3
21.1. Que signifie « anaérobie » ? Sans dioxygène
21.2. Quel est le rôle des levures ? Catalyseur
21.3. Proposer un test du gaz libéré. Test à l’eau de chaux.
1
22. L’éthanol est plutôt utilisé comme additif : à quel carburant est il ajouté ? Essence.
1
23. Dans quel pays le bioéthanol est-il produit et utilisé à grande échelle ? Brésil.
Titrage de l’éthanol
On peut titrer l’éthanol formé à l’aide du dichromate de potassium. L’équation de réaction est :
2-
+
3 CH3-CH2OH + 2 Cr2O7 + 16 H = 3 CH3-COOH + 4 Cr
1
3+
+ 11 H20
24. Donner les couples d’oxydoréduction mis en jeu lors de ce titrage.
CH3-COOH / CH3-CH2OH
23+
Cr2O7 / Cr
FIN DE L’EPREUVE…
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