Quelques alcools de l’industrie chimique

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Moyen-Orient
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Quelques alcools de l’industrie chimique
 
 

Structure et transformation de la matière

pchT_1405_09_00C

Comprendre

25

CORRIGE

 

Liban • Mai 2014

Exercice 3 • 5 points

Les alcools se forment naturellement par fermentation de certaines solutions sucrées : le jus de raisin se transforme ainsi en éthanol lors de la fabrication du vin par exemple. Dans l’industrie chimique, bien d’autres procédés conduisent à la production d’alcools, qui seront eux-mêmes à la base de la fabrication de nombreux produits : solvants, polymères, détergents…

Les trois parties de cet exercice sont indépendantes.

Elles concernent trois alcools parmi les plus importants de l’industrie chimique.

1. Le méthanol

Document 1

Production et usages du méthanol

Le méthanol est un liquide incolore et inflammable ; il est miscible à l’eau, aux alcools, aux esters et à la plupart des autres solvants organiques.

Pour produire du méthanol, l’hydrogénation du dioxyde de carbone est la voie la plus étudiée actuellement.

Ce procédé peut être modélisé par la réaction chimique dont l’équation est :

CO2+ 3H2 → méthanol + H2O.

Le méthanol intervient par exemple dans la production du formaldéhyde, de l’acide acétique ou encore du MTBE (2-méthoxy 2-méthylpropane), lequel est un adjuvant des carburants. Dans de moindres volumes, le méthanol est utilisé dans les piles à combustible DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ou encore dans le traitement des eaux usées.

D’après un rapport réalisé pour l’ADEME, juin 2010

Document 2

Schéma d’une pile à combustible au méthanol


 

1 Le tableau suivant donne les électronégativités des atomes H, C et O dans l’échelle de Pauling.

 

Atome

H

C

O

Électronégativité

2,2

2,5

3,4

 

Justifier le caractère polaire de la molécule de méthanol. (1 point)

2 Associer chacune des équations ou demi-équations de la liste suivante à un des usages du méthanol cités en exemple. (0,5 point)

(a) 

(b) CH3OH + CO → CH3CO2H

3 Dans la demi-équation électronique (a) ci-dessus, le méthanol intervient-il en tant qu’oxydant ou en tant que réducteur ? Justifier la réponse. (0,25 point)

4 La synthèse du MTBE peut être modélisée par la réaction d’équation suivante :


 

L’alcène réagissant avec le méthanol présente-t-il une isomérie Z/E ?

Justifier la réponse. (0,5 point)

5 La recherche étudie actuellement la voie de production du méthanol citée dans le document 1.

Quel(s) intérêt(s) celle-ci présente-t-elle du point de vue du respect de l’environnement ? (0,25 point)

2. L’éthanol

L’éthanol est très utilisé en tant que solvant car il est miscible avec la plupart des composés organiques. C’est également un carburant, ajouté à l’essence en diverses proportions selon les pays.

Une grande partie de l’éthanol industriel est produite par hydratation de l’éthène C2H4 par catalyse acide.

1 Écrire l’équation de la réaction chimique correspondant à la synthèse de l’éthanol par hydratation de l’éthène. (0,25 point)

2 À quelle grande catégorie de réactions en chimie organique cette réaction appartient-elle ? Justifier la réponse. (0,25 point)

3 La première étape du mécanisme réactionnel de cette réaction chimique consiste en une réaction entre la molécule d’éthène et un ion hydrogène H+ provenant du catalyseur.

Identifier les sites donneur et accepteur de doublet d’électrons puis représenter, à l’aide d’une flèche courbe, le mouvement du doublet d’électrons dans cette étape. (0,25 point)

4 Pour quelle raison, au cours d’une étape ultérieure, l’ion H+ sera-t-il nécessairement régénéré ? (0,25 point)

3. Le butan-2-ol

Le butan-2-ol est surtout un intermédiaire en synthèse chimique.

La règle de Zaïtsev en chimie organique stipule que, lors de la déshydratation d’un alcool, la double liaison se forme plutôt entre l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle et l’atome de carbone voisin le moins hydrogéné (porteur du moins grand nombre d’atomes d’hydrogène).

1 Déshydratation du butan-2-ol

Déterminer la formule semi-développée de l’alcène obtenu majoritairement après déshydratation du butan-2-ol. (0,5 point)

2 Oxydation du butan-2-ol

L’oxydation du butan-2-ol peut conduire à la formation d’un solvant, la butanone.

1. Donner la formule topologique de la butanone. (0,25 point)

2. Le laboratoire de recherche et développement d’une entreprise innovante cherche à mettre au point un procédé d’oxydation du butan-2-ol en butanone respectant l’environnement. Le technicien réalise le spectre RMN du produit fabriqué par ce procédé. Ce spectre est reproduit ci-après (document 3).

Le produit formé est-il bien celui attendu ? Justifier. (0,75 point)

Document 3

Spectroscopie RMN du proton


 

Notions et compétences en jeu

Reconnaître le caractère polaire d’une molécule • Connaître les mécanismes réactionnels • Savoir utiliser la nomenclature officielle • Exploiter un spectre RMN.

Conseils du correcteur

La première question de cet exercice est la plus difficile. Ne vous laissez pas déstabiliser. La suite est beaucoup plus simple.

Partie 1

1 Pensez que, pour être polaire, une molécule doit posséder des liaisons polarisées et que les centres des charges partielles ne soient pas superposés.

3 Souvenez-vous qu’une demi-équation redox s’écrit : réducteur = oxydant +n électrons.

4 Il faut émettre une hypothèse quant aux réactifs utilisés.

Partie 2

1 Il vous faut utiliser la définition d’une réaction d’hydratation.

2 Un site accepteur est chargé (partiellement ou non) positivement. Un site donneur négativement.

3 N’oubliez pas ce qu’est un catalyseur !

Partie 3

1 Utilisez la nomenclature officielle pour représenter le réactif. Utilisez ensuite les informations fournies dans l’énoncé.

22. Il va falloir analyser complètement le spectre fourni. Il doit vous permettre de déterminer à la fois le nombre de groupes de protons équivalents et, pour chaque groupe, leur nombre de voisins.

Corrigé

1. Le méthanol

1 Reconnaître le caractère polaire d’une molécule


 

La molécule de méthanol a la formule chimique représentée ci-contre.


 

Les liaisons covalentes C-H ne sont pas polarisées : l’électronégativité de C (2,5) est très proche de celle de H (2,2). Par contre, les liaisons covalentes C-O et O-H sont polarisées puisque l’électronégativité de O est beaucoup plus importante (3,4). L’atome d’oxygène possède donc une charge négative partielle alors que l’atome de carbone et l’atome d’hydrogène lié à O possèdent des charges positives partielles.

Compte-tenu de la géométrie de la molécule de méthanol, ces deux centres de charge ne sont pas superposés. La molécule est donc polaire comme représenté ci-contre.

2 Reconnaître des types de réactions chimiques

 

Notez bien

L’acide acétique est le nom usuel de l’acide éthanoïque.

La réaction (a) est une réaction d’oxydo-réduction puisqu’elle met en jeu un échange d’électrons. Elle correspond donc à l’usage du méthanol dans la pile à combustible DMFC.

La réaction (b) est celle qui permet de produire de l’acide acétique CH3CO2H.

3 Reconnaître un oxydant ou un réducteur

La réaction libère des électrons. Le méthanol est donc ici le réducteur du couple CH3OH/CO2.

 

Notez bien

La double liaison C=C présente dans un alcène ne peut pas pivoter librement. Cela crée potentiellement des isomères spatiaux Z/E parmi les alcènes si les atomes sont liés à deux groupes différents.

4 Connaître la stéréoisomérie Z/E

Ici, l’alcène est symétrique : les groupes liés aux carbones de la double liaison sont identiques deux à deux. Il n’y a donc pas de stéréo­isomères Z/E possibles.

5 Émettre une hypothèse

La production de méthanol à partir de dioxyde de carbone est une voie possible de valorisation du dioxyde de carbone. Ce gaz, produit en trop grosse quantité par l’activité humaine, est un gaz à effet de serre qui participe au réchauffement climatique. Son utilisation industrielle serait donc bénéfique d’un point de vue environnemental.

2. L’éthanol

1 Exploiter des données

D’après le texte, l’éthène C2H4 réagit avec l’eau pour former de l’éthanol C2H6O. Soit :

C2H4+ H2O → C2H6O.

2 Connaître les réactions d’hydratation

 

Notez bien

L’éthène est le nom officiel de l’éthylène.

L’éthène est un alcène de formule H2C‗CH2. La réaction d’hydratation est en réalité une réaction d’addition d’une molécule d’eau sur la double liaison :

H2C‗CH2+ H2O → CH3—CH2—OH.

3 Connaître les mécanismes réactionnels

 

Notez bien

Les flèches courbes se font dans le sens du donneur vers l’accepteur du doublet d’électrons.

La double liaison C=C est un site donneur de doublet d’électrons. L’ion H+ est un site accepteur d’électrons.

On a donc :

4 Reconnaître un catalyseur

Il est écrit dans le texte que l’ion H+ est un catalyseur de la réaction. Il n’apparaît donc pas dans le bilan global de la réaction. Il doit donc être régénéré.

3. Le butan-2-ol

1 Utiliser la nomenclature officielle et exploiter des données


 

La formule semi-développée du butan-2-ol est représentée ci-contre.

« Butan- » veut dire qu’il y a une chaîne carbonée à 4 carbones. Le « 2 » veut dire que la fonction alcool est portée par le 2e carbone.

D’après la règle de Zaïtsev, la déshydratation du butan-2-ol entraîne la formation d’une double liaison entre le carbone 2 (porteur du groupe hydroxyle) et l’atome de carbone voisin le moins hydrogéné. Ici le carbone 3 est lié à deux atomes d’hydrogène alors que le carbone 1 est lié à trois atomes d’hydrogène. La double liaison se forme donc entre le carbone 2 et le carbone 3 : cela correspond au but-2-ène :

CH3—CH‗CH—CH3

21. Utiliser la notation topologique

 

Notez bien

Dans une formule topologique, on ne représente que les liaisons C-C et les atomes autres que C et H.

La butanone est une cétone. Sa formule semi-développée est donc :

En écriture topologique cela devient :


 

2. Étudier un spectre RMN

Le spectre présente trois signaux. Il correspond donc à une molécule comportant trois groupes de protons équivalents.

Le schéma ci-dessous montre que le spectre représenté peut être celui de la butanone.