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PROBLEME A RESOUDRE n° 13-B : L'arôme de banane - (Bac Sept 2003 - France)

(Calculatrice interdite)

 

ENONCE :


L'arôme de banane est dû :

· soit à la présence d'extraits naturels de banane;

· soit à la présence d'un composé artificiel, l'acétate de butyle (ou éthanoate de butyle).


·
1- Composé naturel ou composé artificiel ?

Donner une des raisons qui font qu'un industriel puisse plutôt avoir recours à l'utilisation du composé artificiel.


·
2- Questions préliminaires.

L'acétate de butyle a pour formule semi-développée : CH3 - COO - CH2 - CH2 - CH2 - CH3.

2.1. A quelle famille de composés organiques appartient cette espèce chimique ?

2.2. La synthèse de l'acétate de butyle (E) peut être réalisée à partir d'un acide carboxylique (A) et d'un alcool (B).

L'équation associée à la réaction modélisant la synthèse de E s'écrit :

A + B = E + H20

Parmi les composés cités ci-dessous reconnaître les composés A et B.

Acides carboxyliques

Alcools

acide méthanoïque

acide acétique (ou acide éthanoïque)

acide butanoïque

butan-1-ol

éthanol

propan-1-ol


·
3- Synthèse de l'acétate de butyle au laboratoire.

On se propose de synthétiser au laboratoire l'acétate de butyle (E) à partir des composés A et B et de réaliser un suivi cinétique de cette synthèse. Pour cela, dans un bécher placé dans un bain d'eau glacée, on introduit

· un volume VA = 5,8 mL d'acide carboxylique A;

· un volume VB = 9,2 mL d'alcool B (soit 0,10 mol);

· quelques gouttes d'acide sulfurique concentré.

3.1. Indiquer pourquoi il est nécessaire de placer initialement le bécher dans un bain d'eau glacée.

3.2. Justifier succinctement l'intérêt d'ajouter de l'acide sulfurique sachant qu'il ne participe pas à la transformation chimique étudiée.

3.3. Le mélange initial (acide + alcool) est équimolaire : la quantité d'acide introduit est égale à 0,10 mole.

En utilisant les données, écrire l'expression littérale permettant de calculer la quantité d'acide carboxylique A introduite dans le volume VA.

3.4. Déterminer l'avancement maximal de la réaction dans ces conditions. Pour la résolution de cette question, l'utilisation ou non d'un tableau d'avancement est laissée au choix du candidat.


4- Suivi de la synthèse par titrage de l'acide restant.

On agite le mélange initial et on répartit avec précision le mélange dans 10 tubes à essais placés préalablement dans un bain d'eau glacée ; chaque tube contient ainsi un dixième du volume du mélange initial. On munit chaque tube d'un réfrigérant.

On place ensuite simultanément tous les tubes dans un bain thermostaté à 80 °C et on déclenche alors le chronomètre (instant de date to = 0 s).

Afin de réaliser un suivi temporel de la synthèse de l'acétate de butyle, on dose, à des dates déterminées, les acides restants (acide sulfurique et acide carboxylique A) dans chacun des tubes par une solution de soude de concentration molaire apportée C = 1, 0 mol. L- 1, en présence d'un indicateur coloré. Avant chaque titrage, on plonge le tube dans un bain d'eau glacée.

Une étude préalable a permis de connaître le volume de soude nécessaire au titrage de l'acide sulfurique présent dans chacun des tubes.

Les résultats expérimentaux des titrages successifs sont donnés ci-dessous. On désigne par Veq le volume de soude nécessaire au titrage de l'acide carboxylique seul.

t (en min)

0

5

10

15

20

30

45

60

75

90

Veq (en mL)

10,0

6,3

5,0

4,4

4,0

3,7

3,4

3,3

3,3

3,3

4.1. Quel est le rôle de l'indicateur coloré ?

4.2. Justifier, sans calcul, l'évolution au cours du temps du volume de soude à verser pour atteindre l'équivalence.

4.3. L'équation chimique associée au titrage de l'acide carboxylique seul par la soude est la suivante :

RCOOH(aq) + HO -(aq) = RCOO - (aq) + H2O (liq)

Définir l'équivalence correspondant à ce titrage.

4.4. En raisonnant sur le contenu d'un tube (c'est-à-dire sur un volume égal au dixième du volume du mélange réactionnel initial), exprimer la quantité d'acide carboxylique présent dans un tube à un instant de date t en fonction de C et Veq. Pour la résolution de cette question, le candidat pourra, s'il le souhaite, utiliser un tableau d'avancement.

4.5. Pour la totalité du mélange initialement préparé (5,8 mL d'acide carboxylique A et 9,2 mL d'alcool B) :

4.5.1 Préciser la relation existant entre l'avancement de la réaction de synthèse de l'ester et la quantité d'ester formé. Pour la résolution de cette question, l'utilisation ou non d'un tableau d'avancement est laissée au choix du candidat.

4.5.2 Montrer qu'à une date t donnée, l'avancement de cette réaction de synthèse de l'ester est donné par la relation :

X = 0,10 - 10 . C . Veq


5- Evolution temporelle de l'avancement de la synthèse organique.

A partir des résultats expérimentaux, il est donc possible de tracer la courbe donnant l'évolution temporelle de l'avancement x de la réaction de synthèse pour le mélange initial. La courbe est donnée ci-dessous :

5.1. Déterminer graphiquement la valeur de l'avancement final. En utilisant le résultat de la question 3.4, montrer que le taux d'avancement final est inférieur à 1.

5.2. A partir des résultats de la question 5.1 et de l'allure de la courbe X = f (t), justifier chacune des deux propositions suivantes

· la transformation chimique est lente.

· la transformation chimique n'est pas totale.

5.3. Au bout d'une certaine durée, le système chimique est en état "d'équilibre dynamique". Expliquer cette expression.

5.4. La transformation réalisée est lente et non totale ce qui entraîne deux inconvénients pour cette synthèse.

5.4.1 A partir des mêmes réactifs (acide carboxylique A et alcool B) et du même catalyseur

· indiquer une méthode permettant d'accélérer la synthèse de l'acétate de butyle.

· indiquer une méthode permettant d'augmenter le taux d'avancement à l'équilibre.

5.4.2 Pour synthétiser l'acétate de butyle par une transformation chimique rapide et totale, il est possible de remplacer l'acide carboxylique A par un de ses dérivés.

Donner son nom et sa formule semi-développée.


Après avoir résolu ce problème, consultez la solution type.


A VOIR :

Problème résolu n° 13-A : Ester gras - Savon - Rendement (Bac 1996).

Problème n° 13 B ci-dessus (à résoudre) : L'arôme de banane (Bac Sept 2003).

Problème n° 13 C (à résoudre) : Catalyse homogène (Bac 2004 - Réunion).

Problème n° 13 D (à résoudre) : Un biocarburant : le diester (Bac 2006/09 - Polynésie).

Problème n° 13 E (à résoudre) : Utilisons le beurre pour dissoudre une tache de graisse (Bac 2005 - Afrique).

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