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Étude de la fabrication d'un savon
:
Les premiers savons dits " durs " ont été élaborés dans le
Nord de l'actuelle Syrie au VIIIème siècle (Un savon est mou si l'on
utilise de la potasse, dur si on emploie de la soude). Le savon d'Alep
est obtenu par traitement à chaud d'huile d'olive par l'hydroxyde de
sodium. Le processus chimique qui aboutit au savon peut se formuler
ainsi : huile d'olive + soude = savon + glycérol
Les deux produits de la réaction sont séparés lors de
l'opération de relargage.
Fabrication " en chaudron " du savon d'Alep.
La technique, pratiquée à l'ancienne, dure plus d'une
semaine et comprend les quatre phases suivantes :
L'empâtage : il consiste à mettre en présence
l'huile d'olive et la soude caustique dans des proportions données (de
telle manière que la soude soit en quantité suffisante pour saponifier
complètement l'huile) et à les mélanger intimement en les faisant
bouillir en présence d'eau dans une cuve.
Le relargage : les deux produits sont séparés en
ajoutant de l'eau salée. L'ensemble se divise en deux couches. La
partie inférieure, mélangée avec de l'eau, est retirée par le fond du
chaudron à travers une tubulure.
La cuisson : la pâte de savon restant dans le
chaudron est chauffée à ébullition pendant de nombreuses heures avec un
excès de soude caustique.
Les lavages : ils éliminent l'excès de soude restant
dans le savon. On fait bouillir la pâte de savon avec de l'eau salée en
deux ou trois lavages successifs, jusqu'à ce que le savon ne contienne
plus qu'une proportion donnée de soude. Enfin, la pâte chaude du savon
d'Alep est sortie de la cuve pour être étendue, sur une feuille de
papier, afin qu'elle refroidisse et perde une partie de son eau.
D'après un article de la compagnie générale de cosmétique
- D'après le texte, quels sont les réactifs de la
saponification produisant le savon d'Alep ?
- Donner la formule chimique de la solution aqueuse
d'hydroxyde de sodium ainsi que la formule du glycérol (ou propan -
1,2,3 - triol).
- Un des savons gras utilisés pour la fabrication du savon
d'Alep est l'oléine de formule :
Écrire l'équation chimique de la réaction associée à la
transformation qui conduit au savon d'Alep.
- D'après le texte, quel réactif est introduit en excès lors
de la saponification ?
- Parmi les quatre techniques citées (soulignées dans le
texte), laquelle est utilisée pour extraire le savon du milieu
réactionnel ? Expliquer son principe à l'aide du tableau suivant :
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eau
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eau salée
|
|
savon
|
peu soluble
|
très peu soluble
|
- Les ions carboxylate présents dans ce savon comportent deux
parties, une partie hydrophile et une partie hydrophobe. Définir ces
deux termes.
- Donner la formule semi-développée de l'ion carboxylate en
indiquant les deux parties précédemment citées.
Étude de la fabrication d'un parfum
:
- Le savon d'Alep est parfumé à partir d'essences naturelles.
Aujourd'hui, de nombreux savons sont parfumés par ajout d'un ester
synthétique. On s'intéresse dans cette partie à la fabrication d'un
ester dont l'odeur rappelle celle de l'abricot. Il s'agit du butanoate
de pentyle de formule semi-développée :
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3.
- Estérification
- Donner les formules semi-développées et les noms respectifs de
l'acide carboxylique A et de l'alcool B qui réagissent pour donner cet
ester.
- Écrire l'équation chimique de la réaction d'estérification modélisant
cette transformation.
-Cette transformation est-elle lente ou rapide ? Totale ou limitée ?
- Suivi cinétique de l'estérification
Afin de suivre l'évolution au cours du temps de l'avancement x de cette
réaction chimique, on réalise l'expérience suivante : on mélange 16,0
mL de l'acide carboxylique A pur, 0,17 mol de l'alcool B et 2 mL d'une
solution aqueuse d'acide sulfurique concentrée. Le mélange est réparti
dans plusieurs ampoules chauffées à 50°C. À intervalles de temps
réguliers, on dose le contenu des ampoules par une solution d'hydroxyde
de sodium de concentration molaire en soluté apporté cB =
2,0 mol.L-1 en présence d'un indicateur coloré.
L'équivalence est obtenue pour un volume de solution d'hydroxyde de
sodium noté VBE.
- Le mélange réactionnel préparé est-il équimolaire ? Justifier.
Données : Masse volumique de l'acide carboxylique A :
rA = 0,96 g.mL-1; Masse molaire de l'acide
carboxylique A : MA = 88 g.mol-1.
Aide au calcul : 0,96/(16*88) = 6,8 10-4 ; 0,96*16/88=0,17 ;
88/(16*0,96) = 5,7.
- On plonge chaque ampoule dans l'eau glacée avant d'effectuer le
dosage. Pourquoi ?
- Lors de l'ajout de la solution d'hydroxyde de sodium, les ions
hydroxyde réagissent simultanément avec les deux acides présents dans
l'ampoule :
d'une part avec les ions oxonium (H3O+) libérés
par l'acide sulfurique selon l'équation H3O+ +HO-=2H2O
d'autre part avec l'acide carboxylique A (de formule notée RCO2H)
selon l'équation RCO2H+HO-=RCO2-
+H2O
- Montrer que la quantité d'acide carboxylique A présent dans une
ampoule à l'instant de date t est donnée par la relation : nRCO2H(t)
= cBVBE-nH3O+
nH3O+ représente la quantité de matière d'ions
oxonium libérés par l'acide sulfurique.
- Montrer que l'avancement de la réaction d'estérification à ce même
instant de date t a pour expression : x(t) = nRCO2H(t=0) - cBVBE+nH3O+
On pourra s'aider d'un tableau d'évolution du système.
- À l'aide des données ci-dessous, calculer x60 l'avancement
de la réaction à l'instant de date t = 60 min.
Données :
Un dosage par la solution d'hydroxyde de sodium des ions oxonium
apportés par l'acide sulfurique dans chaque ampoule fournit, après
calculs, la quantité de matière en ions oxonium = 3,2 10 -3
mol
Quantité de matière d'acide carboxylique A introduit à t = 0s : nRCO2H(t=0)
= 2,3 10 -2 mol
Volume équivalent de la solution d'hydroxyde de sodium versé lors du
dosage d'une ampoule à l'instant de date t = 60 min : VBE =
6,7 mL.
- Les dosages ayant été effectués, on trace le graphe de la
variation de l'avancement x de la réaction en fonction du temps :
Répondre par VRAI ou FAUX aux propositions données
ci-dessous en justifiant clairement la réponse.
Proposition 1 : On peut obtenir " davantage d'ester "
en éliminant l'eau formée au cours de la transformation.
Proposition 2 : La vitesse volumique instantanée de la
réaction augmente au cours du temps.
Proposition 3 : Le temps de demi-réaction vaut 100
min.
Proposition 4 : Si la température du milieu
réactionnel augmente, on peut obtenir la courbe 2 suivante :
corrigé
D'après le
texte, les réactifs de la saponification produisant le savon d'Alep
sont : huile d'olive et hydroxyde de sodium.
Formule chimique de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium
: NaOH ( Na+(aq) + HO-(aq) ;
Formule du glycérol (ou propan - 1,2,3 - triol) : C3H8O3
ou HOCH2-CHOH-CH2OH.
-
Equation chimique de la réaction associée à la
transformation qui conduit au savon d'Alep :
C57H104O6+3 ( Na+(aq)
+ HO-(aq) ) = 3 ( C17H33-COO- +
Na+(aq) ) + HOCH2-CHOH-CH2OH.
D'après le texte,le réactif introduit en excès lors de la
saponification est la soude ou hydroxyde de sodium.
Parmi les quatre techniques citées, le relargage est
utilisé pour extraire le savon du milieu réactionnel. Le savon est très
peu soluble dans l'eau salée ; il précipite.
Les ions carboxylate présents dans ce savon comportent deux
parties, une partie hydrophile et une partie hydrophobe.
L'ion carboxylate peut être représenté
selon le schéma suivant : 
dans lequel la partie rectiligne correspond à la chaîne carbonée et le
cercle au groupe carboxylate.
- Partie hydrophile : elle présente une affinité avec
l'eau, elle s'y dissout (c'est le groupe carboxylate -COO-).
- Partie hydrophobe : elle "fuit" l'eau, reste en
dehors de l'eau (c'est la chaîne carbonée C17H33-
).
Estérification
:
Le savon d'Alep est parfumé à partir d'essences naturelles.
Aujourd'hui, de nombreux savons sont parfumés par ajout d'un ester
synthétique. On s'intéresse dans cette partie à la fabrication d'un
ester dont l'odeur rappelle celle de l'abricot. Il s'agit du butanoate
de pentyle de formule semi-développée :
CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3.
Les formules semi-développées et les noms respectifs de
l'acide carboxylique A et de l'alcool B qui réagissent pour
donner cet ester :
CH3-(CH2)2-CO2H
acide butanoïque
HO-CH2-(CH2)3-CH3 pentan-1-ol
Equation chimique de la réaction d'estérification modélisant
cette transformation :
CH3-(CH2)2-CO2H +
HO-CH2-(CH2)3-CH3 = CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3
+ H2O (1)
Cette transformation (estérification) est lente et limitée par
l'hydrolyse de l'ester.
Suivi
cinétique de l'estérification :
On mélange 16,0 mL de l'acide carboxylique A pur, 0,17 mol de
l'alcool B et 2 mL d'une solution aqueuse d'acide sulfurique
concentrée.
masse d'acide (g) = volume (mL) * masse volumique (g/mL)=
16*0,96 g
Quantité de matière (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)
= 16*0,96 / 88 = 0,17 mol.
Les quantités de matière initiales des réactifs sont
proportionnelles au coeficients stoechiométriques de l'équation (1) :
le mélange réactionnel préparé est équimolaire.
On plonge chaque ampoule dans
l'eau glacée avant d'effectuer le dosage. On réalise un blocage
cinétique ; la composition du mélange réactionnel n'évolue plus à
basse température ( facteur cinétique).
Lors de l'ajout de la solution d'hydroxyde de sodium, les ions
hydroxyde réagissent simultanément avec les deux acides présents dans
l'ampoule :
d'une part avec les ions oxonium (H3O+) libérés
par l'acide sulfurique selon l'équation H3O+ +HO-=2H2O
à l'équivalence : n(HO-) 1 = nH3O+
d'autre part avec l'acide carboxylique A (de formule notée RCO2H)
selon l'équation RCO2H+HO-=RCO2-
+H2O
à l'équivalence : n(HO-) 2 = nRCO2H(t)
Quantité de matière totale d'ion hydroxyde ayant réagi à
l'équivalence : cBVBE = n(HO-) 1+n(HO-)
2 ;
cBVBE =nH3O+ + nRCO2H(t)
La quantité d'acide carboxylique A présent dans une ampoule à l'instant
de date t est donnée par la relation : nRCO2H(t) = cBVBE-nH3O+
nH3O+ représente la quantité de matière d'ions
oxonium libérés par l'acide sulfurique.
Avancement de la réaction
d'estérification à ce même instant de date t :
|
avancement (mol)
|
CH3-(CH2)2-CO2H
|
+ HO-CH2-(CH2)3-CH3
|
= CH3-(CH2)2-CO2-(CH2)4-CH3
|
+ H2O
|
|
initial
|
0
|
nRCO2H(t=0)
|
nalcool(t=0)
|
0
|
0
|
|
en cours
|
x(t)
|
nRCO2H(t=0) -x(t)
|
nalcool(t=0) -x(t)
|
x(t)
|
x(t)
|
nRCO2H(t=0) -x(t) = nRCO2H(t)
x(t) = nRCO2H(t=0) -nRCO2H(t) ; or nRCO2H(t)
= cBVBE-nH3O+
d'où : x(t) = nRCO2H(t=0) - cBVBE+nH3O+
calcul de x60 l'avancement de la réaction à
l'instant de date t = 60 min :
Un dosage par la solution d'hydroxyde de sodium des ions oxonium
apportés par l'acide sulfurique dans chaque ampoule fournit, après
calculs, la quantité de matière en ions oxonium = 3,2 10 -3
mol
Quantité de matière d'acide carboxylique A introduit à t = 0s : nRCO2H(t=0)
= 2,3 10 -2 mol
Volume équivalent de la solution d'hydroxyde de sodium versé lors du
dosage d'une ampoule à l'instant de date t = 60 min : VBE =
6,7 mL ; cB = 2,0 mol.L-1
x60 = nRCO2H(t=0) - cBVBE+nH3O+
x60 = 2,3 10 -2 - 2,0*6,7 10-3+3,2
10 -3 = (23 - 13,4 + 3,2)10-3 =12,8 10-3
mol = 1,28 10-2 mol.
Les dosages ayant été
effectués, on trace le graphe de la variation de l'avancement x de la
réaction en fonction du temps :
-
Proposition 1 : On peut obtenir " davantage
d'ester " en éliminant l'eau formée au cours de la transformation. vrai.
En éliminant l'un des produis on déplace l'équilibre dans le sens
direct ( loi de Le Chatelier ou loi de modération )
Proposition 2 : La vitesse volumique instantanée de la
réaction augmente au cours du temps. faux.
La vitesse volumique instantanée est proportionnelle au
coefficient directeur de la tangente à la courbe ci-dessus à la date t.
Or les tangentes se rapprochent de plus en plus de l'horizontale ; leur
coefficient directeur décroît au cours du temps.
Proposition 3 : Le temps de demi-réaction vaut 100 min. faux.
Le temps de demi réaction est la durée au bout de laquelle
l'avancement est égal à la moitié de l'avancement final.
Or le graphe indique xf= 0,015 mol ; ½xf=
0,0075 mol ; l'abscisse correspondante vaut environ 25 min.
Proposition 4 : Si la température du milieu réactionnel
augmente, on peut obtenir la courbe 2 suivante : vrai.
La température est un facteur cinétique ; l'équilibre est plus
rapidement atteint ; sa composition ne change pas.
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