Terminale S Chapitre 12 Comment modifie-t-on l évolution d un système chimique dans l industrie? I. Par un choix judicieux des conditions expérimentales II. Par un changement de réactif. III. Par l utilisation de la catalyse. I. Par un choix judicieux des conditions expérimentales. Les transformations associées à la réaction d'estérification entre un acide carboxylique et un alcool et la réaction d'hydrolyse d'un ester sont lentes et limitées. Nous avons vu en TP et en cours que des conditions expérimentales permettent de privilégier une réaction, d en augmenter le rendement et/ou la vitesse : Augmentation de la température Augmentation de la concentration d un des réactifs Récupération d un produit de la réaction Ces méthodes impliquent un surplus de matière et d'énergie et augmentent donc le coût de production des produits de ces réactions. Pour réduire ces coûts de production, les chimistes ont alors réfléchi à un choix judicieux de réactifs qui permettra d'obtenir les produits souhaités selon une transformation rapide et avec un meilleur rendement. Ainsi, un réactif sera préférentiellement choisi s'il rend impossible la réaction inverse qui limite le rendement de la transformation : la transformation devient alors totale et l'avancement maximal est alors atteint II. Par un changement de réactif. 1. Comment réaliser la synthèse totale d un ester? Écrire l équation de la réaction d un anhydride d acide sur un alcool et de l hydrolyse basique d un ester. Savoir que l action d un anhydride d acide sur un alcool est rapide, qu elle donne un ester et que l avancement maximal est atteint. La réaction qui limite l estérification est l hydrolyse. Pour éviter cette réaction, il ne faut pas produire d eau. Quel composer chimique utiliser? un anhydride d acide. La formule générale d'un anhydride d'acide est : Le nom anhydride (acide sans eau) provient du procédé d obtention : on élimine une molécule d'eau entre deux molécules d'acide carboxylique : Le nom s'obtient en remplaçant le mot acide de l acide carboxylique de départ par le mot anhydride. L anhydride d'acide est beaucoup plus réactif que l acide carboxylique ; il réagit totalement (on atteint l avancement maximal) avec un alcool pour former un ester et un acide carboxylique.
La transformation associée à cette réaction est : - plus rapide que celle mettant en jeu l acide carboxylique et l alcool - totale, pour laquelle l avancement maximal est atteint. On explique cela par le fait que l acide carboxylique formé ne réagit pas avec l ester (la réaction inverse n a donc pas lieu). Contrairement à la synthèse d un ester, l ester est formé dans un milieu anhydre puisqu il ne se forme pas d eau : la réaction d hydrolyse qui limite le rendement n a donc pas lieu. Une application industrielle : la synthèse de l aspirine. Mettre en œuvre au laboratoire, en justifiant le choix du matériel à utiliser : chauffage à reflux, distillation fractionnée, cristallisation, filtration sous vide, chromatographie sur couche mince Justifier les étapes d un protocole Calculer le rendement d une transformation. Voir TP Questions auxquelles ont doit pouvoir répondre : Quel système (distillation fractionnée, hydrodistillation, montage à reflux) va-t-on utiliser? Quel procédé utilise-t-on pour réaliser la cristallisation de l aspirine? Qu appelle-t-on filtration sous vide? Expliquer le procédé. Comment réaliser une CCM? 2. Comment réaliser l hydrolyse totale d un ester? Écrire l équation de la réaction d un anhydride d acide sur un alcool et de l hydrolyse basique d un ester. Savoir que l hydrolyse basique d un ester est rapide et que l avancement maximal est atteint. Identifier la partie hydrophile et la partie hydrophobe d un ion carboxylate à longue chaîne. La réaction qui limite l hydrolyse est l estérification. Pour éviter cette réaction, il ne faut pas produire d alcool ou d acide carboxylique. La réaction aves l ion hydroxyde, très réactif produit un ion carboxylate à la place de l acide carboxylique correspondant. L hydrolyse basique. L'hydrolyse basique d'un ester est la réaction de l'ion hydroxyde HO - avec cet ester. On obtient un ion carboxylate et un alcool selon la réaction d'équation : Cette réaction d'hydrolyse basique d'un ester (ou saponification) est une réaction assez rapide et totale. L'avancement final est égal à l'avancement maximal. Le taux d'avancement final est égal à 100 %. La réaction d'hydrolyse basique d'un ester étant totale, elle peut être utilisée, dans l'industrie pour préparer certains alcools et certains ions carboxylate qui, par acidification, pourront donner certains acides carboxyliques.
Remarque : l hydrolyse basique a des caractéristiques différentes de l'hydrolyse d'un ester qui est lente et limitée Une application industrielle : la fabrication d un savon : saponification. 3. Saponification. Film «Savon de Marseille» A chaud, on fait réagir de la soude concentrée sur un corps gras (huile, graisse : triglycérides ou triesters du glycérol et d acides gras dont le squelette comporte entre 12 et 22 atomes de carbone) C est quoi un corps gras? C est un triester formé d'acide gras et du glycérol. Les corps gras sont encore appelés triglycérides. Le glycérol est un trialcool : le propan-1, 2, 3 -triol. La fabrication d un savon ( Power point). Etape 1 : le montage à reflux. Réfrigérant droit Huile (corps gras) Soude (milieu basique) éthanol Pierres ponces
Etape 2 : le relargage Contenu du ballon après le chauffage à reflux Savon Eau salée Le savon précipite en présence d eau salée (il devient solide et tombe au fond) => c est le relargage. On récupère le savon solide après séchage. 4. Les propriétés des savons. La molécule de savon. Le savon est un composé solide formé de différentes molécules de la famille des carbonates de sodium ou de potassium : R-COONa La chaîne carbonée R est non ramifiée et possède plus de dix atomes de carbone. Le cation permet l électro neutralité de la solution. Dans l eau on a la dissolution : RCOONa R-COO - + Na + C est l ion carboxylate qui a les propriétés détergentes. Dissolvons du savon dans de l eau : on obtient une solution légèrement trouble. Ajout d acide : précipité blanc d acide carboxylique Ajout d une eau dure (solution avec des ions calcium) : précipité blanc (trainées blanche dans le bain) Mesurons le ph de la solution : elle est basique Un savon n agit presque plus dans une eau très calcaire car les ions carboxylate R COO - constituants le savon précipitent avec l ion Ca ++ : Un savon n agit presque plus en milieu acide car une partie des ions carboxylate disparaît : R COO - (aq) + H 3 O + (aq) = R COOH (aq) + H 2 O (liq) Un savon n agit presque plus dans une eau salée comme l'eau de mer car, en présence des ions Na +, l'équilibre suivant évolue vers la droite : Le sel amène les ions Na +. Ces ions Na + font diminuer la quantité de savon RCOO - aqueux en solution. Le milieu contient surtout RCOONa solide (grumeaux) inactif
Action du savon. L ion carboxylate du savon possède une extrémité négative attirée par l'eau. On dit que cette extrémité est hydrophile (amie de l'eau). Cet ion carboxylate possède également une chaîne carbonée lipophile (amie des lipides ). L'ion carboxylate possède donc une partie lipophile et une partie hydrophile On dit que c est un amphiphile (ami de l un et l autre). Remarque : La partie hydrophile est évidemment lipophobe (peur des lipides) alors que la partie lipophile est évidemment hydrophobe (peur de l'eau). Exemple : Appliquons les considérations ci-dessus à un savon particulier : La formation de micelles (agrégats d ions carboxylates) rend possible la dissolution dans l eau d une tache d huile présente sur un tissus. Cette tache d'huile se laisse pénétrer par la partie lipophile (hydrophobe) du savon alors que la partie hydrophile entraîne la tache vers l eau (voir schéma ci-dessous). Une tache de terre (hydrophile) sera entraînée, elle, par une bicouche de savon. III. L utilisation des catalyseurs. Savoir qu un catalyseur agit sélectivement lors d une transformation. 1. Définition d un catalyseur Expérience Introduire 20 ml de solution de peroxodisulfate de sodium dans un becher. Ajouter 20 ml de solution d iodure de potassium Observer. Refaire la même expérience et ajouter quelques gouttes de catalyseur : nitrate de fer III. Observer et conclure sur le rôle du catalyseur. En présence d ions fer (III ), la vitesse de formation du diode est plus grande. Il se produit deux nouvelles réactions : réaction qui consomme des ions fer (III) : 2 Fe 3+ + 2 I - Fe 2+ + I 2 réaction qui les régénère : S 2 O 8 2- + 2 Fe 2+ 2 SO 4 2- + 2 Fe 3+ Un catalyseur est une espèce chimique capable d augmenter la vitesse d une réaction thermodynamiquement possible. Il n intervient pas dans le bilan réactionnel.
2. Les différents types de catalyses. Il existe trois types de catalyse : la catalyse hétérogène, le catalyseur est dans un état physique différent des réactifs de la réaction qu il catalyse la catalyse homogène, le catalyseur est dans le même état physique que les réactifs de la réaction qu il catalyse la catalyse enzymatique est une catalyse en présence d amylase 3. Les principales caractéristiques de la catalyse : Quantité de catalyseur nécessaire : On remarque, si on établit l équation de la transformation catalysée, que le catalyseur n y intervient pas. En effet, même si ce catalyseur est consommé à un moment donné, il sera régénéré par la suite. On n a besoin d utiliser que peu de catalyseur dans une réaction afin de la catalyser et réaliser une transformation d une grande quantité de réactifs. Spécificité et sélectivité du catalyseur Un catalyseur est spécifique d un type de réaction chimique. Un des grands intérêts des réactions catalysées, c est qu un catalyseur est spécifique à une réaction donnée. Exemple : Influence du catalyseur sur l état d équilibre : Nous avons vu sur les réactions d estérification et d hydrolyse que le catalyseur (les ions H + dans ce cas) accélérait la réaction directe et la réaction inverse. Ainsi, la présence d un catalyseur dans la réalisation d une transformation chimique n affecte en rien l état d équilibre du système. 4. La catalyse dans le monde industriel. a. Catalyse hétérogène et préparation de l ammoniac : La réaction de préparation est la suivante : N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) Une augmentation de la température lors de cette réaction augmenterait la vitesse d obtention de l état d équilibre, mais est défavorable au taux d avancement de la réaction (le rendement diminue). Pour trouver un compromis, on utilise un catalyseur, Fe(s), et on travaille à une température intermédiaire : 450 C. b. Catalyse enzymatique pour la préparation de la bière : Les enzymes protéases et amylases sont ajoutés lors de la phase de brassage de la bière, elles permettent de transformer plus rapidement l amidon de l orge en acides aminés et en sucres. Le souci industriel est la fragilité de ces enzymes, qui freinent leur fréquence d utilisation.