Aurélie 05/06
ester : éthanoate de 3-méthylbutyle, composés organiques oxygénés.

d'après concours manipulateur électroradiologie médicale AP Paris

L'éthanoate de 3-méthylbutyle (4 pts)
  1. L'éthanoate de 3-méthylbutyle est utilisé comme arôme de banane dans certains sirops. La formule semi-développée de ce composé C est :
    CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2. Nommer la fonction chimique de ce composé.
  2. Le composé C est obtenu par réaction d'un acide carboxylique A et d'un alcool primaire B. Ecrire la formule semi-développée de A et B et nommer A et B.

    Ecrire l'équation de la réaction entre A et B.

    Quel est le nom de la réaction chimique entre A et B, quelles sont ces caractéristiques ?

  3. Pour préparer cet arôme, on introduit 0,5 mol de A, 0,5 mol de B et 2 mL d'acide sulfurique concentré. On chauffe à reflux pendant une heure, on refroidit le mélange réactionnel.

    On prélève en cours de réaction, à intervalles réguliers, un échantillon du mélange réactionnel que l'on dose. On note l'évolution du nombre de moles du réactif A noté nA. Les courbes 1,2 et 3 ne correspondent pas à l'expérience. Expliquer pourquoi.

    En utilisant les informations lues sur le graphique correspondant à l'expérience réalisée, calculer le rendement de la réaction.

    La valeur du rendement varie t-elle : en prolongeant la durée du chauffage ; en augmentant la température ; en augmentant la quantité de matière du composé A. Justifier les réponses.

     

corrigé
fonction chimique de ce composé : fonction ester -COO-C

A : acide éthanoïque CH3-COOH ; B : (CH3)2CH-CH2-CH2OH : 3-méthylbutan-1-ol

CH3-COOH + (CH3)2CH-CH2-CH2OH = CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2 + H2O

estérification lente, athermique, limitée par l'hydrolyse de l'ester.

Les courbes 1, 2 et 3 ne correspondent pas à l'expérience :

1 : à la fin le graphe indique nA=0, or l'estérification est limitée par l'hydrolyse de l'ester et à l'équilibre il reste de l' acide.

2 : le graphe indique une augmentation de nA; or la quantité de matière d'un réactif décroît au cours du temps.

3 : le graphe indique nA= 1 mol au départ au lieu de 0,5 mol ; de plus la réaction est limitée et la quantité finale d'acide ne peut pas être égale à 0,5 mol.

rendement de la réaction ( graphe 4)

quantité de matière finale d'ester / quantité théorique d'ester ( si réaction totale) *100

soit (0,5-0,17) / 0,5 *100 = 66 %.

La valeur du rendement ne varie pas en prolongeant la durée du chauffage, dans la mesure ou l'équilibre est atteint.

La valeur du rendement ne varie pas en augmentant la température ; l'équilibre est etteint plus rapidement.

La valeur du rendement augmente en augmentant la quantité de matière du composé A ou B : l'équilibre est alors déplacé dans le sens de la consommation du réactif A ou B introduit en excès ; la quantité d'ester augmente, équilibre déplacé dans le sens direct.
composés organiques oxygénés
  1. Entourer et nommer les fonctions chimiques présentes dans les molécules A, B, C, D, E.
  2. Certaines de ces molécules sont isomères. Lesquelles ?
  3. Les composées C et D sont des liquides, leur mélange subit une transformation modélisée par la réaction d'équation :

    Quel est le nom de cette réaction ?
  4. On verse 150 mL de composé C dans 120 mL de composé D, lorsque la transformation est terminée le mélange contient entre autre 4/3 moles de composé F.
    - Déterminer en moles la composition initiale du mélange.
    - La transformation est-elle totale ? Justifier.
    - Déterminer en mole la composition du mélange final.
    C : M(C)= 60 g/mol ; masse volumique 0,80 g/mL ; D : M(D) = 60 g/mol ; masse volumique 1,0 g/mL.
corrigé

isomères : même formule brute, mais des formules développées différentes. A et B ( C3H6O)

Les composées C et D sont des liquides, leur mélange subit une transformation : estérification.

composition initiale du mélange : mC=150*0,8 = 120 g ; n(C) = mC/M(C) = 120/60 = 2 mol

mD=120*1 = 120 g ; n(D) = mD/M(D) = 120/60 = 2 mol

Si la transformation était totale, on devrait obtenit 2 mol de F. Or on obtient seulement 4/3 mol de F, donc la transformation est limitée.

composition du mélange final : C et D : 2-4/3 = 2/ 3 mol ; F : 4/3 mol ; eau : 4/3 mol
Utilisation d'un excès d'un réactif (4 pts)
  1. On se propose de préparer l'éthanoate de 3-méthylbutyle par estérification. Donner la formule semi-developpée et le nom dé l'acide, puis de l'alcool nécessaire à la réaction.
    - Ecrire l'équation de la réaction et donner ces caractéristiques.
  2. On réalise un mélange stoechiométrique contenant 0,2 mol de chaque réactif. Calculer le volume d'acide et d'alcool qu'il faut utiliser.
  3. La réaction étant limitée, on titre l'acide restant. Il faut verser un volume vB=33,5 mL de solution d'hydroxyde de sodiu, de concentration cB=2,0 mol/L pour atteindre l'équivalence.
    - Quelle quantité d'acide restait-il dans le milieu réactionnel ?
    - Calculer le rendement de cette transformation. ( nombre de mol d'ester formé / nombre de mol initial)
    - Quelle masse d'ester peut-on espérer obtenir par cette méthode ?
  4. On effectue une seconde préparation en partant d'un mélange initial formé de 0,2 mol d'alcool et de 1,0 mol d'acide.
    - Justifier qualitativement l'obtention d'un rendement supérieur au précédent.
    - A l'aide de la question 3, calculer la constante d'équilibre K associée à l'équation de la réaction.
    - Déterminer le rendement de cette seconde préparation.

réactif
masse molaire (g/mol)
masse volumique (g/mL)
acide
60
1,05
alcool
88
0,8
-

corrigé
acide éthanoïque CH3-COOH ; (CH3)2CH-CH2-CH2OH : 3-méthylbutan-1-ol

CH3-COOH + (CH3)2CH-CH2-CH2OH = CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2 + H2O

lente, athermique, limitée par l'hydrolyse de l'ester.

volume d'acide et d'alcool qu'il faut utiliser :

masse (g) = Qté de matière (mol) * masse molaire (g/mol) ; puis diviser la masse (g) par la masse volumique (g/mL)

acide : 0,2*60 / 1,05 = 11,4 mL ; alcool : 0,2*88/0,8 = 22 mL

quantité d'acide restant dans le milieu réactionnel : vBcB=0,035*2 = 0,070 mol

rendement de cette transformation : il s'est formé 0,2-0,07 = 0,13 mol d'ester

rendement 100*0,13/0,2 = 65%.

masse d'ester (g) = Qté de matière (mol) d'ester * masse molaire ester (g/mol) = 0,13*130 = 16,9 g.

obtention d'un rendement supérieur au précédent : en ajoutant l'acide en excès pour 0,2 mol d'alcool ( réactif limitant), on déplace l'équilibre vers la droite, consommation de l'acide, fabrication d'ester ( loi de Le Chatelier) . La quantité d'ester augmente alors que la quantité initial de réactif limitant ne change pas : donc le rendement augmente.

constante d'équilibre K associée à l'équation de la réaction : K=[ester]éq[eau]éq/([alcool]éq[acide]éq)

K= 0,13*0,13/(0,07*0,07) = 3,45.

rendement de cette seconde préparation : on note x l'avancement à l'équilibre.

K= X²/((1-X)(0,2-X))= 3,45

X² = 3,45(1-X(0,2-X) = 3,45X²-4,14 X+0,69

2,45X²-4,14 X+0,69= 0 la résolution donne X= 0,187 mol

rendement : 0,187*100/0,2 = 93,7 %.
Estérification ( 5 pts)

On désire étudier l'influence de certains facteurs sur une réaction d'estérification. Pour cela on fait deux expériences de synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle de formule CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2. à partir de l'acide éthanoïque et du 3-méthylbutan-1-ol.

Lorsque la transformation chimique est achevée, on dose la quantité d'acide éthanoïque restant par une solution d'hydroxyde de sodium Na+ + HO-, de concentration molaire cB= 2,0 mol/L. Soit VB le volume de solution d'hydroxyde de sodium ajouté à l'équivalence pour doser l'acide restant.
expérience 1
expérience 2
quantité initiale d'acide (mol) nac
0,10
0,10
quantité initiale d'alcool (mol) nal
0,10
0,50
VB à l'équivalence
17,0
2,5

  1. Ecrire l'équation de cette réaction d'estérification. Préciser les caractéristiques de cette transformation.
  2. Ecrire l'équation de la réaction de dosage de l'acide éthanoïque restant par la solution d'hydroxyde de sodium.
  3. Y a-t-il un réactif limitant dans chacune des deux expériences d'estérification ? Si oui, lequel ? Justifier.
    - En déduire l'expression littérale de la quantité d'acide éthanoïque nacide restant, puis celle de la quantité d'ester formé nester, lorsque l'estérification est terminée. Faire les applications numériques pour chaque expérience.
  4. Définir le rendement et le calculer pour chaque expérience.
  5. Le résultat est-il prévisible ? Expliquer.
  6. On peut également augmenter le rendement en remplaçant l'acide éthanoïque par un autre réactif. Lequel ? Ecrire l'équation de la transformation chimique correspondante et donner ces caractéristiques.
corrigé
équation de cette réaction d'estérification :

acide éthanoïque CH3-COOH ; (CH3)2CH-CH2-CH2OH : 3-méthylbutan-1-ol

CH3-COOH + (CH3)2CH-CH2-CH2OH = CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2 + H2O

lente, athermique, limitée par l'hydrolyse de l'ester.

équation de la réaction de dosage de l'acide éthanoïque restant par la solution d'hydroxyde de sodium :
CH3-COOH + HO- = CH3-COO- + H2O

réactif limitant dans chacune des deux expériences d'estérification : expérience n°1 : proportions stoechiométriques

expérience n°2 : acide en défaut, alcool en large excès.

expression littérale de la quantité d'acide éthanoïque nacide restant : nacide = nac- nester = cBvB

nacide 1= 2*17 10-3 = 3,4 10-2 mol ; nacide 2= 2*2,5 10-3 = 5 10-3 mol ;

quantité d'ester formé nester : nester = nac- nacide = nac-cBvB

nester 1 =0,1-3,4 10-2 =6,6 10-2 mol ; nester 2 =0,1-5 10-3 =9,5 10-2 mol

rendement : nester / nac= Qté de matière d'ester / Qté de matière initiale de réactif limitant

exp n°1 : 6,6 10-2 / 0,1 = 0,66 ( 66 %) ; exp n°2 : 9,5 10-2 / 0,1 = 0,95 ( 95 %)

Le résultat était prévisible : en ajoutant l'un des réactifs en excès on déplace l'équilibre vers la droite, consommation du réactif en excès et formation de l'ester ( loi de Le Chatelier )

en remplaçant l'acide éthanoïque par l'anhydride acétique CH3-CO-O-CO-CH3, la transformation est totale et exothermique.

CH3-CO-O-CO-CH3 + (CH3)2CH-CH2-CH2OH = CH3-COO-CH2-CH2-CH(CH3)2 +CH3-COOH