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Économiser les ressources et respecter l'environnement
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Pondichéry • Avril 2016
Exercice 1 • 4 points
Le Diester
Un agrocarburant est un carburant obtenu à partir de ressources issues de l'agriculture, par opposition aux carburants issus de ressources fossiles. Il vient en complément ou en substitution du combustible fossile.
Développé dans les années 1980, le Diester (marque déposée provenant de la contraction de (« DIESel » et « esTER ») est le nom donné au premier agrocarburant issu essentiellement de la transformation des huiles de colza et de tournesol, végétaux cultivés en France.
Schéma de la chaîne de fabrication d'un carburant à base de Diester
Au-delà de sa teneur quasi nulle en soufre, le Diester contribue à la lutte contre le réchauffement climatique avec un bilan carbone réputé plus favorable que le gazole fossile. Néanmoins, ces agrocarburants de première génération ont un bilan controversé du fait de l'occupation de terres cultivables et de la remise en cause de leur neutralité environnementale.
L'objet de cet exercice est l'étude de la synthèse du Diester à partir de l'huile de colza.
La transformation de l'huile de colza
L'huile de colza est un mélange d'esters d'acide gras. Dans un souci de simplification, on l'assimilera à son constituant majoritaire, le trioléate de glycéryle.
La modification de cette huile est nécessaire pour le fonctionnement d'un moteur diesel. Elle va donc subir une transformation appelée transestérification en présente d'un excès de méthanol et d'hydroxyde de potassium de formule KOH. On obtient l'oléate de méthyle qui sera assimilé au Diester ainsi qu'un produit dérivé, la glycérine. L'équation chimique de la réaction modélisant cette transformation est écrite ci-dessous.
Données
| Caractéristiques physico-chimiques | Gazole | Huile de colza | Diester |
| Masse volumique (kg/m3 à 15 °C) | 820-860 | 920 | 880 |
| Viscosité à 40 °C (en mm/s) | 2-4,5 | 30,2 | 4,5 |
| Indice de cétane | 51 | 35 | 49-51 |
| Teneur en souffre (mg/kg) | 350 | ≈ 0 | ≈ 0 |
L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer sur une échelle de 0 à 100. Il est particulièrement important pour les moteurs diesel dans lesquels le carburant doit s'auto-enflammer sous l'effet de la compression. Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer.
| Formule brute | Masse molaire (g · mol–1) | |
| Trioléate de glycéryle | C57H104O6 | 884 |
| Méthanol | CH3OH | 32 |
| Glycérine | C3H8O3 | 92 |
| Oléate de méthyle | C19H36O2 | 296 |
| Hydroxyde de potassium | KOH | 56 |
1 Entourer les groupes caractéristiques présents dans le méthanol et l'oléate de méthyle et nommer les fonctions associées, sur l'annexe. (0,5 point)
2 Choisir le nom, en nomenclature systématique, de la glycérine parmi les trois propositions suivantes : propan-1,2,3-trione propan-1,2,3-trial propan-1,2,3-triol.
Justifier votre choix. (0,25 point)
3 Pour simplifier l'écriture d'étapes du mécanisme réactionnel de cette transestérification d'un triester, on donne en annexe les étapes d'une transestérification analogue sur l'exemple d'un ester simple. Dans le cas de l'huile de colza, le changement de groupe caractéristique s'applique aux trois groupes présents dans le triolate de glycéryle. Compléter sur l'annexe l'étape 2 à l'aide de flèches courbes. (0,5 point)
4 Justifier le terme de catalyse basique associée à la transestérification et préciser l'espèce chimique qui en est à l'origine. (0,5 point)
5 Justifier le fait qu'une transestérification de l'huile de colza soit nécessaire avant son incorporation au gazole. (0,5 point)
6 Le schéma de la chaîne de fabrication d'un carburant à base de Diester suggère que 1 150 kg de colza permettent d'obtenir environ 1 200 L de Diester. Déterminer le volume de Diester obtenu théoriquement si la transestérification est totale. Proposer une explication pour rendre compte d'un éventuel écart entre la valeur du volume de Diester trouvée et la valeur annoncée dans le schéma. (1,25 point)
Toute démarche de résolution entreprise sera valorisée même si elle n'a pas abouti.
7 Citer un avantage et un inconvénient à l'ajout d'un agrocarburant comme le Diester dans la gazole. (0,5 point)
Annexe
Formules
Mécanisme réactionnel d'une transestérification en milieu basique
Les clés du sujet
Notions et compétences en jeu
Économiser les ressources et respecter l'environnement.
Conseils du correcteur
1 Le nom des fonctions organiques est le même que celui des familles associées.
3 Les flèches courbes symbolisent le mouvement des électrons, donc partent d'un site excédentaire (site nucléophile) et se dirigent vers un site déficitaire en électrons (site électrophile).
5 Calculez d'abord la quantité du réactif puis faites un tableau d'avancement pour déterminer la quantité de Diester fabriqué et enfin utilisez la masse volumique pour trouver le volume de Diester.
6 Dans les questions « énergies et ressources », pensez toujours au dégagement de CO2 et à l'aspect environnemental.
Corrigé
1 Identifier les groupes caractéristiques
2 Retrouver le nom d'une molécule polyfonctionnelle
Il s'agit du propan-1,2,3-triol. On peut en effet observer, dans cette molécule, trois groupes hydroxyle (-OH) liés aux carbones 1, 2 et 3, d'où la terminaison en triol : il y a 3 fonctions alcool.
3 Proposer un mécanisme réactionnel
Notez bien
Les flèches courbes partent toujours d'un doublet d'électrons.
4 Justifier l'appellation « catalyse basique »
Les ions hydroxyde sont consommés dans la première étape de réaction et formés dans la dernière étape. Globalement ils ne sont ni consommés, ni produits par la réaction, et ne font donc pas partie du bilan de la transestérification. Ils facilitent donc le mécanisme de la réaction et accélèrent cette dernière. En ce sens, ils agissent en tant que catalyseur.
Or ces ions sont caractéristiques des milieux basiques en solution aqueuse. Il s'agit de la base conjuguée de l'eau, d'où le terme de catalyse basique : cette réaction est catalysée en milieu basique (milieu aqueux dans lequel les ions hydroxyde sont majoritaires).
5 Savoir analyser les données
En regardant le tableau des propriétés physico-chimiques du gazole, de l'huile de colza et du Diester, on se rend vite compte que l'indice de cétane de l'huile de colza est beaucoup plus faible que celui du gazole. Comme il est expliqué juste en dessous, cet indice (de 0 à 100) évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer, ce qui est une qualité très importante pour un carburant. Le mélange gazole-huile de colza n'est donc pas intéressant. En revanche, en effectuant une transestérification, on obtient du Diester qui, lui, a un indice presque identique au gazole : les deux composés vont donc s'auto-enflammer de façon très similaire.
6 Déterminer le volume d'une espèce chimique produite par une réaction
D'après l'équation de la réaction ci-dessus, une mole de triolate de glycéryle permet de former trois moles d'oléate de méthyle donc :
ndiester = 3 × nhuile
Calculons la quantité de triolate de glycérile qui réagit. Nous avons 1 150 kg d'huile végétale (assimilé à l'huile de colza) ce qui correspond à une quantité :
nhuile = 
.
Notez bien
Pour un liquide pur on a la relation entre nombre de mole et masse volumique :
n = 
Donc on pourra produire trois fois cette quantité de Diester c'est-à-dire :
ndiester = 3nhuile = 3 903 moles.
Le volume correspondant de Diester théoriquement formé est donné par la relation de la masse volumique :
V = 
= 
Tout ceci est calculé en considérant la réaction totale.
Les documents donnent 1 200 L, c'est-à-dire un volume inférieur d'environ 10 % à celui que l'on a déterminé. Il y a plusieurs explications. D'une part, on peut supposer que la réaction n'est pas totale, contrairement à l'hypothèse de départ. D'autre part, comme il est précisé dans l'énoncé, l'huile de colza n'est pas composée que de trioléate de glycéryle mais d'un « mélange d'acides gras ».
Utilisation d'une calculatrice
Reprendre tous les chiffres significatifs d'un résultat intermédiaire en utilisant la touche « Ans » de votre calculatrice.
Utiliser la touche 
(ou EE sur Texas instrument) pour l'écriture scientifique.
Autre méthode : Vous pouviez aussi faire un tableau d'avancement en considérant que le méthanol est en quantité suffisante pour consommer entièrement toute l'huile de colza.
| Avancement | n(huile) | n(méthanol) | n(diester) | n(glycérine) |
| • État initial x = 0 | 1 301 | excès | 0 | 0 |
| • État intermédiaire x | 1 301 – x | excès | 3x | x |
| • État final maximal x ax | 0 | excès | 3xmax = 3 903 | xmax = 1 301 |
On obtient la quantité de Diester formée et on continue suivant la première méthode pour déterminer le volume correspondant.
7 Trouver les avantages et inconvénients d'une méthode
Avantages : Le Diester est une ressource renouvelable, contrairement au carburant fossile qu'il remplace en partie, le gazole. Son utilisation dégage aussi moins de dioxyde de carbone que celle du gazole.
Inconvénients : L'utilisation d'un produit agricole comme carburant diminue la surface de terres agricoles dédiées aux cultures pour l'alimentation humaine ou animale. Dans un contexte mondial où une grande partie de la population ne mange pas à sa faim, il ne semble pas cohérent sur le plan éthique de baisser la production de denrées alimentaires, ce qui risque en plus de faire monter les prix de ces mêmes denrées.