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PROBLEME RESOLU n° 13-A : Ester gras - Saponification

 

Ce devoir comporte deux parties. La première partie nécessite de faire des calculs. La deuxième partie est plus théorique et fait appel directement aux connaissances du cours.

 

ENONCE DE LA PARTIE 1 : Ester gras - Savon - Rendement   (Bac 1996)


Sur les traces du chimiste Chevreul
: Cet illustre chimiste du XIX ° siècle étudia des corps gras. Avec Gay-Lussac, il inventa la bougie qui fut une révolution pour l’éclairage. Il fit également des travaux sur les colorants et la photographie.


· 1- Le glycérol a pour formule semi-développée CH2OH - CHOH - CH2OH.

1.1 Quelle fonction possède ce composé ? (corrigé)

1.2 Quel est son nom officiel ? (c)


· 2- L’acide palmitique a pour formule C15H31 - COOH. Le glycérol réagit avec l’acide palmitique pour donner un corps gras, la palmitine.

Ecrire l’équation de la réaction. (c)


· 3- La palmitine peut réagir avec un excès de soude en présence d’éthanol.

3.1 Ecrire l’équation de la réaction sachant qu’il se forme du glycérol et un autre produit désigné par P. (c)

3.2 Quel est le nom usuel de ce type de réaction? Quelles sont ses caractéristiques? Quel est l’intérêt d’opérer à chaud ? (c)

3.3 On fait réagir une tonne de palmitine. Quelle masse de composé P obtiendrait-on avec un rendement de 70% ?

(La masse molaire de la palmitine est M = 806 g/mole). (c)

3.4 Identifier la partie hydrophile et la partie hydrophobe du composé P. (c)

Masses molaires atomiques :

C : 12 g / mol

Na : 23 g / mol

O : 16 g / mol

H : 1 g / mol

 

SOLUTION DE LA PARTIE 1 :


Rappel préliminaire : Une molécule d'alcool renferme le groupe hydroxyle - OH fixé sur un atome de carbone possédant 4 liaisons simples : la liaison - C - OH et 3 autres liaisons simples avec C ou H.

Un alcool est tertiaire si le carbone fonctionnel est tertiaire c'est-à-dire s'il est relié à 3 atomes de carbone. Un alcool peut aussi être secondaire, primaire ou nullaire.


·
1- Présentation du glycérol

1-1 (énoncé) Fonction chimique du glycérol CH2OH - CHOH - CH2OH

Le glycérol ou propan-1, 2, 3-triol possède 2 fonctions alcool primaire et une fonction alcool secondaire. (1)

1-2 (e) Le glycérol porte officiellement le nom de propan-1, 2, 3-triol. (2)


·
2-
(e) Action de l'acide palmitique sur le glycérol

L'acide palmitique (3)sera noté C15H31 - COOH

Le propan-1, 2, 3-triol CH2OH - CHOH - CH2OH (ou glycérol) sera noté (4)

Le glycérol va réagir avec l'acide en donnant un triester et de l'eau. Cette réaction d'estérification est lente, athermique et limitée. L'équation de la réaction s'écrit :

(5)


·
3- Action du triester (la palmitine, corps gras) avec un excès de soude en présence d’éthanol.

3.1 (e) Ecrivons l’équation de la réaction sachant qu’il se forme du glycérol et un autre produit désigné par P.

Le triester va réagir avec la soude en donnant un savon (sel) et un trialcool (propan-1, 2, 3-triol ou glycérol) :

(6)

 Le composé P dont parle l'énoncé est donc le palmitate de sodium (savon).

3.2 (e) Nom usuel de ce type de réaction. Principales caractéristiques.

- Cette réaction est une saponification. Cette réaction est lente mais totale.

- Cette réaction est effectuée à chaud car la température est un facteur cinétique, la vitesse de formation du savon augmente avec la température.

- La présence d'éthanol a pour but de faciliter la dissolution du corps gars (triester ou triglycéride) dans le milieu réactionnel.

3.3 (e) Calcul de la masse de savon obtenu avec un rendement de 70%.

La masse molaire moléculaire de la palmitine est M = 806 g/mole.

La quantité de matière (en mole) correspondant à m = 1 tonne = 1000 kg = 1000000 g de palmitine est :

N = 1000000 / 806 = 1240,7 moles. (7)

D'après l'équation ci-dessus :

1 mole de palmitine donne théoriquement 3 moles de savon

1240,7 moles donnent théoriquement 3722,1 moles de savon (8)

En fait, le rendement de la préparation étant de 70 %, on obtiendra :

N' = (70 / 100) ´ 3722,1 = 2605,4 moles de savon. (9)

La masse molaire du savon est M (C15H31COONa) = 278 g/mole.

La masse de savon (composé P) obtenue est :

m' = 2605,4 ´ 278 = 724301 g = 724,3 kg (10)

3.4 (e) Identifions la partie hydrophile et la partie hydrophobe du savon ( C15H31-COO - ).

- Le composé P dont parle l'énoncé est le palmitate de sodium (savon) composé d'ions palmitate C15H31-COO - et d'ions sodium Na +.

- L'ion sodium Na + est soluble dans l'eau.

- L'ion palmitate C15H31- COO - comprend 2 parties :

- une extrémité négative - COO - qui s'entoure facilement de molécules d'eau polaires. On dit que cette extrémité est hydrophile (amie de l'eau).

- une chaîne hydrocarbonée C15H31- lipophile (amie des lipides).

Cet 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).

 

ENONCES ET SOLUTIONS DE LA PARTIE 2 : Répondez aux questions de cours suivantes


· A- Ecrire l'équation d'une réaction de saponification. Quelles sont ses caractéristiques ?

Réponse : (voir la leçon 13)

La saponification d’un ester résulte de l’action des ions hydroxyde HO sur cet ester. Elle fournit un alcool et un ion carboxylate (les carboxylates de sodium et de potassium sont des savons).

L’équation s’écrit :

(11)

La saponification est une réaction lente mais totale.


· B- Donner la formule générale d'un triester gras.

Réponse : (voir la leçon 13)

· Les corps gras sont essentiellement constitués de triglycérides. Ce sont des triesters du propan-1, 2, 3-triol (glycérol) et d'acides gras (acide à chaîne non ramifiée, à nombre pair d'atomes de carbone, en général de 4 à 22 atomes C)

(12)

· C- Ecrire la réaction de saponification d'un triester.

Réponse : (voir la leçon 13)

La saponification des triesters gras (triglycérides) conduit au propan-1,2,3-triol (glycérol) et à des carboxylates de sodium ou de potassium qui sont des savons.

(13)

· D- Définir les termes suivants :

- hydrophile

- lipophile

- amphiphile

- hydrophobe

- lipophobe

Réponse : (voir la leçon 13)

- Un composé hydrophile (ami de l'eau) est un composé soluble dans l’eau. Comme l'eau est un solvant polaire, le composé doit être lui même polaire et doit pouvoir établir des liaisons hydrogènes avec l'eau.

- Un solvant lipophile (ami des lipides) est un composé qui peut dissoudre les graisses ou qui est miscible aux huiles. Ces solvants sont, comme les lipides, apolaires ou peu polaires. C'est le cas de l'essence.

- Un composé amphiphile (ami de l’un et l’autre) possède une partie lipophile et une partie hydrophile. C'est le cas de l’ion carboxylate d'un savon qui 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).

- Un composé hydrophobe (peur de l'eau) est insoluble on non miscible à l'eau. Ce composé est, contrairement à l'eau, apolaire ou peu polaire. C'est le cas de l'huile.

- Un solvant lipophobe (peur des lipides) est non miscible aux lipides. Ce composé est, contrairement à l'huile, assez polaire. C'est le cas de l'eau ou du vinaigre.


· E- Expliquer le mode d'action d'un savon. Dire ce qu'est une micelle.

Réponse : (voir la leçon 13)

- Un savon est hydrophile, lipophile, amphiphile.

- 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 :

(14)

Mode d'action d'un savon :

· Un savon est un peu soluble dans l'eau. Sa dissolution est partielle :

RCOONa solide RCCO - aqueux + Na + aqueux (15)

· La formation de micelles (agrégats d’ions carboxylate) rend possible la dissolution dans l’eau d’une tache d'huile présente sur un tissus. Cette tache se laisse pénétrer par la partie lipophile du savon alors que la partie hydrophile entraîne la tache vers l’eau (voir schéma ci-dessous).

(16)

· F- Expliquer ce qu'est le relargage d'un savon.

Réponse : (voir la leçon 13)

Préparation et relargage d'un savon : un mélange d'huile et de soude est chauffé, à reflux, vers 120 °C pendant une demi-heure (voir le schéma ci-dessous).

(17)

Le savon formé est séparé du glycérol et de l’excès de soude par relargage dans une solution concentrée de chlorure de sodium. Le savon est en effet très peu soluble dans l’eau salée. Il précipite donc. Il reste à le recueillir par filtration sur un filtre Büchner.


· G- Expliquer pourquoi un savon est peu efficace :

- en milieu acide.

- avec l'eau de mer.

- avec une eau dure (calcaire).

Réponse : (voir la leçon 13)

- Un savon n’agit presque plus en milieu acide car une partie des ions carboxylates disparaît :

R – COO - (aq) + H3O + (aq) = R – COOH (aq) + H2O (liq) (18)

- 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 :

(19)

Le sel amène les ions Na +. Ces ions ajoutés à de l'eau douce savonneuse diminuent la quantité de savon RCOO-aqueux en solution. Le savon initialement dissous redevient en partie solide (grumeaux).

- Un savon n’agit presque plus dans une eau très calcaire car les ions carboxylates précipitent avec l’ion Ca ++ :

(20)

A VOIR :


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

Problème n° 13 B (à résoudre) : L'arôme de banane (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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