TD : L eau dans l industrie I. Extraction de l huile essentielle de chanvre Le chanvre industriel est cultivé en Europe et en Inde pour sa tige fibreuse et ses graines. C est une plante dont la croissance est très rapide et dont la résistance permet de réduire l utilisation d engrais, d insecticides et d herbicides. La France est le premier pays européen à le cultiver avec une production annuelle de 50 000 tonnes (soit 50% de la production de l'union Européenne). Le chanvre est une agro-ressource écologique dont les applications sont nombreuses: alimentation, cosmétiques, tissus, construction, combustibles, biocarburants, papeterie ou matériaux composites en association avec des matières plastiques. Le chanvre industriel est différent du chanvre indien, connu pour ses propriétés psychotropes. L huile essentielle de chanvre qui contient les composés les plus volatils du chanvre est extraite à partir des fleurs de chanvre. Elle est utilisée comme arôme, en cosmétique et comme antibiotique à large spectre. 600 kg de fleurs sont nécessaires pour extraire environ L d huile.. Choisir le montage qui doit être utilisé pour son extraction. Quel est son nom? Quel est son principe? thermomètre réfrigérant à eau ballon feuilles de menthe, eau et pierre ponce chauffe-ballon 2 erlenmeyer distillat (A) (B) 2. Légender les différentes parties fléchées du montage choisi et préciser le sens de circulation de l eau dans le système refroidissant. 3. De quoi est constitué le distillat? Une solution de chlorure de sodium est ajoutée au distillat. Après décantation, la phase organique est récupérée. Du sulfate de magnésium anhydre y est ajouté, puis après filtration, un liquide jaune pâle est obtenu. 4. En utilisant les données, justifier l ajout de la solution de chlorure de sodium et donner le nom de cette étape. Huile essentielle de chanvre : liquide jaune pâle, densité : 0,848 Solvant Eau Eau salée Densité,0, Solubilité de l huile essentielle Peu soluble Très peu soluble 5. Où se trouve la phase organique? Quel est le rôle du sulfate de magnésium anhydre? 6. Le myrcène présent en grande quantité dans l huile essentielle de chanvre, est une molécule très utilisée pour ses qualités odorantes. Voici sa formule topologique : quelle est sa formule brute? 7. Le myrcène est un diène ; la chaîne carbonée de sa molécule comporte deux doubles liaisons carbone-carbone. Quelle est la configuration adoptée par l une de ces deux liaisons?
II. L électrolyse de la solution de chlorure de sodium. Le chlorure de sodium Le chlorure de sodium est une matière première importante dans l industrie chimique. Le chlorure de sodium existe à l état solide dans des mines de l est de la France (sel gemme) ou en solution dans les mers et les océans. Le chlorure de sodium est constitué d un assemblage régulier d ions sodium et d ions chlorure. Chaque ion peut être assimilé à une sphère. L empilement compact des grosses sphères, les ions chlorures et des sphères plus petites, les ions sodium constituent le cristal de chlorure de sodium. Comme dans tout cristal, il y a répétition d'un motif élémentaire, la maille cristalline ; dans le cas du chlorure de sodium, la maille cristalline est une maille cubique à faces centrées. Toute la matière de l ion chlorure placé au centre d une face ou à un sommet n appartient pas au seul cube représentant la maille ; de même, seulement une partie de la matière de l ion sodium placé au milieu d une arête du cube appartient à la maille. Rechercher le nombre d ions chlorure et le nombre d ions sodium qui constituent une maille. En déduire la formule attribuée au chlorure de sodium. Modèle compact Modèle éclaté 2. L électrolyse de la solution de chlorure de sodium 2.. Quelles sont les espèces chimiques présentes dans la solution de chlorure de sodium (ou saumure)? 2 Le procédé dit à membrane est schématisé ci-dessous :
2.2. Indiquer le sens du courant dans le circuit ainsi que le sens de déplacement des électrons. 2.3. Les couples mis en jeu sont Cl 2(g) /Cl - (aq) et H 2 O (l) /H 2(g). Ecrire les équations des réactions ayant lieu à chacune des électrodes puis l équation globale de la réaction. Identifier la cathode, l électrode où a lieu la réduction et l anode, l électrode où a lieu l oxydation. 2.4. Représenter les déplacements des ions dans la solution ainsi que les produits formés dans les rectangles prévus à cet effet. Le sens de déplacement des électrons est-il conforme aux prévisions? Quel est le troisième produit valorisable sachant que les cations traversent la membrane? 2.5. L électrolyse industrielle d une solution de chlorure de sodium fait apparaître 2700 m 3 de dichlore. Calculer la masse de chlorure de sodium qui a été transformé au cours de cette électrolyse. Le volume molaire dans les conditions de l électrolyse est de 30 L. mol -. L industrie dichlore-soude est une industrie de production de fort tonnage qui est l un des plus gros consommateurs d énergie. Dichlore % Soude % Solvants chlorés 26 Industrie inorganique 38 Polychlorure de vinyle 20 Pâtes et papiers 20 Pâtes et papiers 4 Chimie inorganique Chimie inorganique 2 Savons et détergents 5 Oxyde de propylène 8 Textiles 5 Traitement des eaux 4 Aluminium 4 Autres 6 Autres 7 III. Utilisation du dichlore : l eau de Javel L eau de Javel, préparée depuis plus de deux siècles, reste l un des produits désinfectants les plus efficaces contre les contaminations bactériennes et virales. Industriellement, l eau de javel est essentiellement obtenue en dissolvant du dichlore gazeux provenant d une électrolyse dans une solution aqueuse d hydroxyde de sodium résultant de cette même électrolyse selon la réaction d équation : Cl 2 (g) + 2 HO - (aq) = ClO - (aq) + Cl - (aq) + H 2 O (l) Les eaux de Javel sont donc des solutions aqueuses contenant les ions suivants : ClO -, Cl -, Na + et HO -. Le degré chlorométrique ( chl) donne le pouvoir oxy dant d un litre d eau de javel, à 20 C, exprimé en litres de dichlore gazeux sous,03.0 5 Pa et à 0 C. Il correspond au dichlore gazeux util isé pour fabriquer l eau de javel. Le pourcentage de chlore actif, généralisé en Europe rend compte de la quantité totale de dichlore utilisé lors de la fabrication de l eau de Javel et l expression «chlore actif» désigne le chlore de l ion hypochlorite ClO - et aussi celui de l ion chlorure Cl -. Le terme «extrait» est réservé aux solutions titrant au moins 0,7 % de chlore actif, les solutions de titre inférieur étant appelées «eaux de Javel». Le tableau donne pour une eau de javel et pour un extrait les correspondances entre les définitions : 3 Extrait de Javel Eau de Javel Degré chlorométrique 48 2 Pourcentage de chlore actif 2,5 à 2,97 3,6 à 3,65 Chlore actif 52,6 g. L - 38,04 g. L - Densité moyenne,26 à,73,054 à,043 ph 2,5,5. A partir de l équation de la réaction, vérifier qu un extrait de Javel (48 chl ; densité =,26) contient: - 52, g de chlore actif par L - 2,5 % en chlore actif. Donnée : Volume molaire : V m = 22,4 L. mol -. 2. Quels couples oxydant/réducteur du chlore l équation chimique de la réaction de fabrication de l eau de Javel faitelle intervenir? Quel est des deux ions, hypochlorite ou chlorure celui qui a un pouvoir oxydant dans cette réaction? Le terme «chlore actif» est-il approprié pour définir une eau de Javel? Justifier la réponse. Lire le document «Traitement des eaux potables» page 7 et répondre aux questions ci-après. 3. Ecrire la réaction entre le dioxyde de carbone et l ion hypochlorite. Justifier l affirmation : «Dans ce procédé, l addition d eau de Javel est réalisée lentement avec un brassage vigoureux et prolongé. Ces conditions favorisent la dissolution du dioxyde de carbone, ce qui abaisse le ph et favorise la forme HClO.». Données: CO 2, H 2 O / HCO 3 - : pk A = 6,4 ; HClO/ClO - : pk A = 7,5.
4. A quel ph a-t-on le mélange HClO ClO -? 5. Ecrire les demi-équations électroniques relatives aux couples Cl 2 /Cl - et ClO 2 /Cl -. 6. On dit que le dioxyde de chlore a un pouvoir oxydant 2,5 fois plus élevé que le dichlore. Justifier cette affirmation. S aider du tableau pour montrer les avantages du dioxyde de chlore sur le dichlore. 7. L ozone est le meilleur désinfectant parmi les trois cités. Quels sont ses inconvénients? IV. Utilisation de la soude. Les savons et leurs propriétés L'invention du savon en Syrie date de 3000 ans. Les premiers savons étaient obtenus avec de l'huile d'olive et de la soude végétale. Le savon a ensuite été utilisé comme shampoing par les Gaulois qui le fabriquaient avec des cendres et du suif. À partir du XV e siècle, du savon est produit dans la région marseillaise avec de l'huile d'olive. En 823, le chimiste français Eugène Chevreul explique la réaction de saponification et démontre que les corps gras ou triglycérides sont formés d une combinaison entre le glycérol et des acides gras... Entourer et nommer la(les) fonction(s) qui constitue(nt) un triglycéride..2. Voici la formule semi-développée de l acide oléique ou acide (Z) octadéc-9-énoïque : 4 CH 3 (CH 2 ) 7 CH CH (CH 2 ) 7 COOH Ecrire la formule du triglycéride qui dérive de l acide oléique..3. La réaction de saponification est une hydrolyse en milieu basique. Les savons à ions sodium sont plutôt durs (on les trouve dans les savonnettes), ceux à ions potassium plus mous (employés dans la mousse à raser ou comme émulsionnants dans les crèmes). Ecrire l équation chimique de la saponification du triglycéride écrit à la question précédente par une solution d hydroxyde de sodium. Donner le nom chimique du savon obtenu. Quel est le nom en nomenclature IUPAC du glycérol?.4. Dans une savonnerie, pour obtenir,0 tonne de savon, on utilise une masse m =,3 tonne d oléine et un volume V 2 = 2,0 m 3 de solution d'hydroxyde de sodium de concentration c = 6,0 mol. L -. Calculer la masse de savon attendue et en déduire le rendement de la réaction. Données : La densité de la solution d hydroxyde de sodium est d =,2. Masses molaires : M(oléine) = 884 g.mol - ; M(savon) = 304 g.mol -..5. L ion carboxylate obtenu lors de la synthèse d un savon peut être schématisé comme suit : Partie Partie 2 L ion carboxylate du savon est un tensioactif : il diminue considérablement la tension superficielle de l eau par la disposition que les molécules prennent dans l eau. Les composés tensioactifs sont des molécules amphiphiles, c'està-dire qu'elles présentent deux parties de polarité différente, l'une lipophile (qui retient les matières grasses) et apolaire, l autre hydrophile (miscible à l eau) et polaire. Identifier la partie hydrophile et la partie lipophile de l ion carboxylate..6. Faire un schéma représentant un film savonneux à la surface de l eau.
.7. Les schémas ci-après représentent une tache de graisse à la surface d un tissu plongé dans l eau savonneuse puis sa dislocation par action du savon. Justifier l orientation des ions carboxylates dans l eau et dans la graisse dans l étape. A partir d une certaine concentration en tensioactif, appelée concentration micellaire critique, la surface du liquide étant saturée de molécules tensioactives, celles-ci se regroupent entre elles dans le liquide en formant des micelles. C est la formation de micelles qui est à la base des pouvoirs de détergence. Indiquer les taches de graisse dans l étape 2. 2. D autres tensioactifs Le classement des tensioactifs s effectue suivant la nature de la partie hydrophile : - Les tensioactifs ioniques : la partie hydrophile est chargée négativement. - Les tensioactifs cationiques : la partie hydrophile est chargée positivement. - Les tensioactifs zwitterioniques ou amphotères : la partie hydrophile comporte une charge positive et une charge négative ; la charge globale est nulle. - Les tensioactifs non ioniques : la molécule ne comporte aucune charge nette. 5 Classer chacun des tensioactifs suivants dans une catégorie. A Le bromure de cétyltriméthylammonium, de la famille des ammoniums quaternaires. C'est un antiseptique bactériostatique : C 6 H 33 N + (CH 3 ) 3, Br - B Les alkylpolyglucosides, utilisés comme détergents pour la vaisselle et pour les mains: 0 < n < 5 et 7 < m < 3 C - Le dodécylbenzène sulfonate de sodium, un composant de nombreux détergents (Teepol, ) : C 2 H 25 C 6 H 4 SO 3 -, Na + D - Les dérivés de bétaïnes, d excellents détergents qui entrent dans la composition de nombreux shampooings doux, démaquillants pour les yeux.
3. Classement des tensioactifs En 954, W.C. Griffin a défini une échelle de valeurs appelée H.L.B. (Hydrophilic Lipophilic Balance) permettant de classer les molécules tensioactives suivant leur caractère plutôt hydrophile, plutôt lipophile ou amphiphile. Il donna la valeur à l acide oléique et la valeur 20 à l'oléate de potassium en solution dans l'eau. Lors de la formulation d un produit, cette échelle permet de choisir les composés tensioactifs en fonction du but recherché. 3.. Lorsque le HLB est compris entre 9 et, le composé est amphiphile. Le composé est-il hydrophile ou lipophile lorsque le HLB est inférieur à 9? Même question si le HLB est supérieur à. Une émulsion est un système constitué par un liquide se trouvant dispersé sous la forme de fines gouttelettes dans un autre liquide, les deux liquides n étant pas miscibles. On peut avoir des gouttelettes d huile dans l eau ou d eau dans l huile. 3.2. Un tensioactif a une valeur de HLB égale à 4. Sera-t-il utilisable comme émulsifiant de l huile dans l eau ou de l eau dans l huile? Justifier la réponse. Même question pour un tensioactif de valeur de HLB égale à 5. V. Des polyacrylates qui aiment l eau Les polyacrylates sont des polymères dont les monomères, les acrylates sont des esters contenant des groupes vinyles, c'est-à-dire deux atomes de carbone doublement liés, directement attachés au carbone du groupe carbonyle. Formule générale d un polyacrylate Deux d entre eux sont représentés ci-dessous. - Le polyacrylamide non réticulé est soluble dans l'eau, et les polyacrylamides réticulés peuvent se charger d'eau. Les polyacrylamides réticulés sont utilisés pour réaliser des lentilles de contact souples. - Le polyacide acrylique peut absorber plusieurs fois son propre poids en eau sans problème : c est un superabsorbant. Il est utilisé dans les couches de bébés. 6 Polyacrylamide Polyacide acrylique. Ecrire les formules semi-développées de l acrylamide et l acide acrylique. 2. Un gel de polyacrylamide utilisé en électrophorèse est formé par polymérisation de l acrylamide en présence du N,N-méthylène-bisacrylamide (voir ci-dessous). Quelle est la formule semi-développée du N,N-méthylènebisacrylamide? De quel type de polymère s agit-il? 3. Le polyacide acrylique est un polyélectrolyte, c est-à-dire que chaque motif a un groupe ionisable. Quel est ce groupe?
Le traitement des eaux potables Dans le cas des désinfections locales ou ponctuelles d eaux suspectes, le traitement anti- microbien peut utiliser l eau de Javel, malgré son ph alcalin, selon deux procédés : - la javellisation : la quantité d eau de Javel à ajouter est fonction de la contamination, ou, grossièrement, du taux de matières organiques. Les doses sont de à 5 mg de chlore actif par litre. - la verdunisation préconise des doses d eau de Javel de dix à cinquante fois plus faibles (de l ordre de 0, mg de chlore actif par litre) avec une efficacité démontrée. La différence vient du protocole : dans ce procédé, l addition d eau de Javel est réalisée lentement avec un brassage vigoureux et prolongé. Ces conditions favorisent la dissolution du dioxyde de carbone, ce qui abaisse le ph et favorise la forme HClO qui est plus efficace. Le terme verdunisation provient de la première guerre mondiale au cours de laquelle cette technique a été utilisée à grande échelle pour désinfecter l eau de la Meuse consommée par les poilus de Verdun. Dans le cas des stations d épuration et de distribution des eaux, le traitement anti- microbien peut-être effectué par trois réactifs chimiques d oxydation : - l ozone, très efficace mais qui ne reste pas dans l eau distribuée - le dichlore souvent utilisé sous forme gazeuse qui se transforme, à ph proche de la neutralité, en un mélange HClO--ClO - : ainsi une solution d hypochorite est produite «in situ» - le dioxyde de chlore ClO 2 obtenu «in situ» par décomposition de chlorite de sodium. Le tableau compare l efficacité de ces procédés, celle-ci étant définie par le coefficient spécifique de létalité λ, exprimé en L.mg -.min -, qui se détermine à l aide d une étude de la mortalité, en fonction du temps, de micro-organismes en suspension. Pour une augmentation C d oxydant, on a : N t /N 0 = exp(-λ.c.t) avec N 0 et N t, nombres de microorganismes aux temps t = 0 et t. 7 Désinfectants Ozone Dioxyde de chlore Dichlore λ à 5 C pour - Les bactéries 500 20 20 - Les virus 5 - Les spores de bactéries 2 - Les amibes 0,5 Durée du traitement 4 min 30 min 45 min Action sur NH 3 Nulle Nulle Très bonne Elimination de Fe 2+, Fe 3+, Mn 2+ Très bonne Bonne Faible Absence de goût, action bénéfique sur la couleur Très efficace Efficace Peu efficace Absence d organochlorés Oui Oui Non Coûts de revient relatifs 20 0 Comparaison des propriétés désinfectantes des oxydants employés dans le traitement de l eau potable Le traitement par chloration pouvant donner un goût désagréable à l eau, on mesure le taux de chlore résiduel pour le limiter. Le chlore résiduel libre prend en compte le chlore sous forme Cl 2, HClO, ClO -, à l exclusion des ions chlorures Cl - et du chlore combiné à divers produits organiques et à l ammoniac. En France, le taux de chlore résiduel libre est de 0,2 à 0,3 mg. L - à la sortie des stations, alors qu à New-York, il atteint 2 mg. L -, l odeur et le goût d eau de Javel y étant considérés comme gage d une eau saine. Extrait du BUP 792 L eau de Javel : sa chimie et son action biochimique. Sources : Olympiades de la Chimie Rouen 2003, Lille 2009, Les cosmétiques ou produits d hygiène corporelle (F.Rivoal et M.Vidal). BUP n 698 et 792. Site : http://pslc.ws/french/acrylate.htm