Olympiades de la chimie Ligérienne Epreuves Régionales

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1 Lycée Clemenceau Nantes Mercredi 3 mars 200 lympiades de la chimie Ligérienne Epreuves Régionales Partie II : Questionnaire - Corrigé SURISSEAU Sébastien PREAMBULE (7 points). Que signifient les initiales I.N.R.A? Institut National de la Recherche Agronomique 2. Quels sont les trois champs d intervention majeure de l INRA? Alimentation, Agriculture, Environnement 3. Quel autre établissement public à caractère scientifique connaissez-vous? CNRS 4. Qu est-ce qu une agro-ressource? matières premières constitués de végétaux, composés de base nécessaire à l énergie, la chimie, les matériaux. 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. 6. Citer un inconvénient de faire de la chimie aves des agro-ressources. Concurrence alimentaire, déforestation, pollution (engrais). 7. Quels sont les trois grands domaines d application des agro-ressources? Biomatériaux, biocarburants, biomolécules. Les biomatériaux sont réalisés avec les biopolymères. LES BIMATÉRIAUX (44 points). Qu est-ce qu un polymère? Molécule constituée de plusieurs entités monomères Citer trois exemples de biopolymères en mentionnant une application pour chacun d entre eux : Amidon : sac plastique Protéine : colle Cellulose : isolant RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 /8

2 Le lait : un biopolymère! 4 3. Comment s appellent les protéines du lait? Caséine 4. Comment s appelle le principal glucide présent dans le lait? Lactose 5. En quelle espèce chimique le lactose est-il dégradé en présence de bactéries? Acide lactique 6. Quel est l ordre de grandeur du ph du lait frais de vache? ph = 6,4 6,8 7. 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 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. 8. Pourquoi le lactose est-il un disaccharide? Il est formé de deux saccharides (ou oses). 9. Quels groupes fonctionnels trouve-t-on dans la molécule d acide lactique? Acide carboxylique et alcool Dans la molécule d acide lactique, quelle est la particularité de l atome de carbone n 2? C est un carbone asymétrique. 0.2 Cette particularité a été mise en évidence par Pasteur. Quel est son prénom? Louis. 0.3 Il est mort en 850? 895? 950? Quel est le sujet de travaux auxquels Pasteur est associé? Stéréochimie ou fermentation, ou rage 0.5. 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. CH 3 -CH(H)-CH + ½ 2 (g) = CH 3 -C-CH + H 2 RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 2/8

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. Ecrire l équation correspondante. 2 CH 3 -CH(H)-CH = CH 3 -CH(H)-C 2 -CH(CH 3 )-CH + H 2 2. Comment s appelle la réaction chimique correspondante? Polymérisation 2 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. CH 3 -CH(H)-(C 2 -CH(CH 3 )) n -CH 4. Quel est le motif du polymère? -(C 2 -CH(CH 3 ) n - 5. 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, C 6 H Ecrire l équation d hydrolyse : C 2 H 22 + H 2 = C 6 H C 6 H Le glucose et la galactose sont-ils : mésomères? dimères? isomères? Isomères 8. Quel est le rôle joué par l acide? Catalyseur 9. Pourquoi chauffe-t-on? Accroître la vitesse 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 Produit ionique de l eau K E = 0-4 à 25 C Masse molaire moléculaire de l acide lactique 90 g.mol -. Définition du degré Dornic : D correspond à 0, g d acide lactique par litre de lait. 2. Écrire l équation de la réaction de dosage de l acide lactique par une solution d hydroxyde de sodium : CH 3 -CH(H)-CH + H - + CH 3 -CH(H)-C - + H 2 RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 3/8

4 2 22. n a dosé un volume de V 0 = 20 ml de lait par une solution d hydroxyde de sodium de concentration C = 2,0.0-2 mol.l - en présence de phénolphtaléine. Le volume versé à l équivalence est V e = 5 ml. Calculer la concentration molaire, C 0, puis la concentration massique, t 0, en acide lactique du lait dosé. C 0 V 0 = CVe C 0 =,5.0-2 mol.l - t 0 =,35 g.l Calculer le degré Dornic du lait dosé. DD = 3,5 24. Pour qu un lait soit consommable il doit titrer moins de 8 D. Le lait titré est-il consommable? UI 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 (NH + 4, SCN - ) grâce à la formation d un précipité blanc de thiocyanate d argent. La fin de précipitation est mise en évidence à l aide d un indicateur contenant des ions Fe 3+ qui donnent une coloration rouge avec les ions thiocyanate lorsque ceux-ci introduits en excès ne peuvent plus précipiter faute d ions Ag +. 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, - V 0 = 20 ml de solution de nitrate d argent de concentration C 0 = 0,05 mol.l -, - environ 0 ml de solution d acide nitrique de concentration 6 mol.l -, - 2 grains de pierre ponce. n porte à ébullition douce le mélange jusqu à obtention d une solution limpide et d un précipité blanc. Après avoir laissé refroidir le mélange, on ajoute ml d une solution saturée d ions Fe 3+ puis on réalise le titrage par une solution de thiocyanate d ammonium de concentration C 2 = 0,02 mol.l -. Le volume à l équivalence est V e = 5 ml. Soit n eq (SCN ) la quantité de matière ajouté à l'équivalence. 25. Ecrire l équation de cette première réaction consommant des ions argent : Ag + aq + Cl - aq = AgCl(s) 26. Ecrire l équation de cette deuxième réaction consommant des ions argent : Ag + aq + SCN - (aq) = AgSCN(s) 27. Déterminer la quantité de matière d ions argent introduits initialement, n 0 (Ag + ) : n 0 (Ag + ) = C 0 V 0 n 0 (Ag + ) = 0-3 mol Retrouver la relation à l'équivalence entre n 0 (Ag + ), n 0 (Cl ) et n eq (SCN ) n 0 (Ag + ) = n 0 (Cl ) + n eq (SCN ) En déduire la quatité de matière en mol pour 00 g de poudre et en gramme pour 00 g de poudre. n = x 40 mol n = 2,8.0-2 mol pour 00 g de poudre soit m = 0,99 g pour 00 g de proudre. 30. A quel type de dosage correspondant la méthode de Charpentier & Volhard : direct? indirect? Dosage indirect RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 4/8

5 LES ESTERS DANS LES AGR-RESSURCES (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. CH 3 H + H CH 3 CH3 acide éthanoïque méthanol ester CH 3 + H 2 Les huiles et les graisses sont des triglycérides, donc des dérivés du glycérol, dont le nom en nomenclature officielle est propan-,2,3-triol, et d acides gras.. Représenter une molécule de glycérol H H H 2. Qu est-ce qu un acide gras? Acide carboxylique dont la chaîne carbonée possède au moins 4 carbones. 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. CH 3 -(CH 2 ) 2 -CH La noix de muscade contient le triglycéride (triesters du glycérol) appelé, trimyristine. Triglycéride : la trimyristine 2 4. Retrouver l acide carboxylique dont est issu ce triester, appelé acide gras. H-C-C 3 H 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. 6. Que signifient ces deux termes? Hydrophile : affinité pour l eau Hydrophobe : aucune affinité pour l eau RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 5/8

6 7. Identifier ces deux parties sur la représentation schématique ci-dessous : hydrophobe hydrophile 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. 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. méthanol Trilinoléate de glycéryle (huile de colza) Diester Formule brute CH 3 H C 57 H 98 6 C 9 H 34 2 Masse volumique à -3 0,79 0,82 0,89 25 C en g.cm Masse molaire en g.mol Indice de viscosité 98 7 L indice de viscosité du carburant diesel (gazole) utilisé en France est de Quelle est la signification du mot Diester. Contaction des mots diesel et ester RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 6/8

7 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. C 7 H 33 H C 7 H 33 C 7 H H 3 C H NaCH 3 H H + 3 H 3 C C 7 H 33 trioléate de glycéryle triglycéride méthanol glycérol ester méthylique de l'acide oléique "diester". 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 2. 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 3. En déduire le rôle de la trans-estérification Elle permet de produire du diester de viscosité proche de celle du gazole. n veut synthétiser le diester à partir d un litre d huile de colza en respectant les proportions stoechiométriques indiquées par l équation. 4. Déterminer la quantité de matière de trilinoléate de glycéryle contenue dans un litre d huile de colza. n = V/M n = 0,93 mol 5. Donner les caractéristiques de cette transformation sachant qu elle est similaire à une réaction d estérification classique. Equilibrée, lente, athermique 2 6. Le rendement de cette réaction n est que de 50%. Calculer la quantité de matière de diester obtenue. En déduire la masse de diester. n diester = 3 n huile = 2,8 mol pour 00% n diester = 3 n huile =,4 mol pour 50% m diester = 4 g 7. 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 5%. L énergie utilisée (par le moteur par exemple) est de l énergie thermique provenant de la combustion du mélange hydrocarbure-éthanol. RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 7/8

8 8. Ecrire l équation associée à la réaction d hydrolyse du saccharose dont la formule brute est C 6 H 5 --C 6 H 5 : C 6 H 5 --C 6 H 5 + H 2 0 = 2 C 6 H 2 6 (glucose et fructose) 9. Donner la formule semi-développée de l éthanol CH 3 -CH 2 H Ecrire l équation associée à la réaction de fermentation alcoolique du glucose (rappel : formule brute du glucose : C 6 H 2 6 ) C 6 H 2 6 = 2 CH 3 CH 2 H + 2 C 2 (g) Que signifie «anaérobie»? Sans dioxygène 2.2. Quel est le rôle des levures? Catalyseur 2.3. Proposer un test du gaz libéré. Test à l eau de chaux. 22. L éthanol est plutôt utilisé comme additif : à quel carburant est il ajouté? Essence. 23. Dans quel pays le bioéthanol est-il produit et utilisé à grande échelle? Brésil. Titrage de l éthanol n peut titrer l éthanol formé à l aide du dichromate de potassium. L équation de réaction est : 3 CH 3 -CH 2 H + 2 Cr H + = 3 CH 3 -CH + 4 Cr 3+ + H Donner les couples d oxydoréduction mis en jeu lors de ce titrage. CH 3 -CH / CH 3 -CH 2 H Cr / Cr 3+ FIN DE L EPREUVE RC / Corrigé Questionnaire / Acad-Nantes / 200 8/8

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