D. Comment
le chimiste contrôle-t-il les transformations de la matière?
Exemples pris dans les sciences de l’ingénieur et dans les sciences
de la vie
1. Les réactions d’estérification
et d’hydrolyseLes réactions d’estérification et d’hydrolyse
(3H)
CONTENUS
Formation d’un ester à partir d’un acide et d’un
alcool, écriture de l’équation de la réaction
correspondante, appelée réaction d’estérification.
Hydrolyse d’un ester, écriture de l’équation
de la réaction correspondante.
Mise en évidence expérimentale d’un état
d’équilibre lors des transformations faisant intervenir
des réactions d’estérification et d’hydrolyse.
Définition du rendement d’une transformation.
Définition d’un catalyseur. Contrôle de la vitesse
de réaction : température
et catalyseur.
Contrôle de l’état final d’un système
: excès d’un réactif ou élimination d’un
produit.
COMPÉTENCES EXIGIBLES
Reconnaître dans la formule d’une espèce chimique
organique les groupes
caractéristiques : – OH, – CO2H, – CO2R, –
CO – O – CO –.
Écrire l’équation des réactions d’estérification
et d’hydrolyse.
À partir de la formule semi-développée d’un
ester, retrouver les formules de l’acide carboxylique et de l’alcool
correspondants.
Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum.
Savoir que les réactions d’estérification et
d’hydrolyse sont inverses l’une de l’autre et que
les transformations associées à ces réactions sont
lentes.
Savoir qu’un catalyseur est une espèce qui augmente
la vitesse d’une réaction chimique sans figurer dans l’équation
de la réaction et sans modifier l’état d’équilibre
du système.
Savoir que l’excès de l’un des réactifs
et/ou l’élimination de l’un des produits déplace
l’état d’équilibre du système dans
le sens direct.
A chercher seul (corrigé)
A
faire
1. Rappels sur quelques
composés oxygénés.
1. Alcools et phénols
Un
alcool est un composé organique dans lequel le groupe
hydroxyde -OH est fixé sur un atome de carbone tétragonel.
Le nom d'un alcool dérive de celui de l'alcane de même
squelette carboné en remplaçant le -e final par
la terminaison -ol précédée de l'indice
de position du groupe hydroxyde sur la chaine carbonée
principale.
ex
: CH3-OH méthanol C2H5-OH
éthanol...;
Un
phénol est un composé organisque dans lequel le
groupe hydroxyde -OH est porté par un cycle benzénique.
Ex
4/5 p.266
Ex
6 p.266
2. Les acides carboxyliques
Les
acides carboxyliques possèdent le groupe caractéristique
-COOH appelé groupe carboxyle.
Le
nom des acides carboxylique dérive de celui de l'alcane
de même squelette carboné en remplaçant
le -e final par la terminaison -oïque, l'ensemble étant
précédé du mot acide.
Ex
8 p.267
Ex
9 p.267
3. Les anhydride d'acide
Un
anhydride d'acide est un composé organique qui possède
le groupe caractéristique :
Un
anhydride se nomme en remplaçant le mot acide par le
mot anhydride dans le nom de l'acide carboxylique correspondant
Ex
11 p.267
2. Les esters
Un
ester est un composé organique qui possède le groupe
caractéristique suivant :
Le
nom d'un ester comporte deux termes :
Le
premier, qui se termine en -oate, désigne la chaine dite
principale provenant de l'acide carboxylique. Cette chaine est,
si nécessaire, numérotée à partir
de l'atome de carbone fonctionnel.
Le
second, qui se termine en -yle, est le nom du groupe alkyle
provenant de l'alcool. Cette chaine est, si nécessaire,
numérotée à partir de l'atome de carbone
lié à l'atome d'oxygène.
Ex
12/13 p.267
16/17
p.268
Ex
14 p.267
3. Estérification
et hydrolyse
1. Estérification
Un ester peut être obtenu par la réaction d'un acide carboxyliqu R-COOH (ou R-CO2H) avec un alcool R'-OH selon l'équation
L'ion H+ est un catalyseur de cette synthèse.
Le rendement de la synthèse est donné par le quotient de la quantité d'ester obtenu oar la quantité maximale d'ester attendu d'où :
Ex 20/21 p.269
Ex 19 p.269
2. Hydrolyse des esters
C'est la réaction inverse. L'eau hydrolyse R-CO2R' pour donner l'acide carboxylique R-CO2H et l'alcool R'-OH correspondants selon l'équation :
L'ion H+ est un catalyseur de cette synthèse.
Ex 23 p.270
Ex 32 p.271
Ex 27 p.270
Ex 35 p.272
4. Equilibre d'estérification-hydrolyse
1. Constante d'équilibre
L'estérification et l'hydrolyse sont des réactions lentes et limitées. Elles constituent un équilibre dynamique. L'état d'équilibre chimique est atteint lorsque la vitesse de formation de l'ester lors de l'estérification est exactement égale à sa vitesse de disparition lors de l'hydrolyse. Cet équilibre est caractérisé par une constante d'équilibre K tel que :
Dans le cas des estérification et des hydrolyse et dans ces cas seulement la constante d'équilibre et le quotient de réaction peut s'exprimer en fonction des quantités de matière et non des concentration.
Ex 5 p.288
Ex 7/9 p.289
Ex 8 p.289
2. Facteur
influençant l'équilibre
La
température : Les réactions d'estérification
et d'hydrolyse sont des réaction athermique. Une élévation
de température permet d'atteindre plus rapidement la limite
de l'équilibre d'estérification-hydrolyse mais ne modifie
pas cette limite.
Le
catalyseur :
Une entité chimique qui augmente la vitesse d'une transformation
sans être consommée s'appelle un catalyseur. Il ne figure
pas dans l'équation de la réaction. Il ne modifie pas un état d'équilibre,
car il catalyse de la même façon les deux réactions
inverses l'une de l'autre. Il permet d'atteindre plus rapidement l'état
d'équilibre.
Nature
des réactifs
: le rendement dépend de la classe d'alcool utilisés
Alcool primaire
=> rendement 67%
Alcool secondaire
=> rendement 60%
Alcool tertiaire
=> rendement 5%
Proportions
initiales des réactifs : Introduire en excés
l'un des réactifs permet d'augmenter le taux d'avancement final
d'une réaction chimique. L'état d'équilibre se
trouve déplacé dans le sens de la formation des produits.
Pour l'hydrolyse on choisira l'eau.
3. Comment
améliorer le rendement d'une estérification ?
L'utilisation d'un
excés d'acide ou d'alcool augmente le taux d'avancement
final de l'estérification et permet d'en amériorer
le rendement
Extraction de l'estrer
: si sa température d'ébullition est nettement
inférieure à celle des autres constituants du
système, on peut l'extraire par distillation fractionnée.
L'élimination
de l'eau ou de l'ester lors de leur formation déplace
l'équilibre dans le sens direct de l'estérification
et permet d'en améliorer le rendement. On utilise pour
cela un Dean et Stark
A chercher seul (corrigé)
A
faire
est donné par le quotient de la quantité d'ester obtenu oar la quantité maximale d'ester attendu d'où :
