Chapitre 9: Acide carboxylique, estérification, hydrolyse et saponification - Physique-Chimie Terminale D | DigiClass
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Acide carboxylique, estérification, hydrolyse et saponification

I.  Les propriétés des acides carboxyliques

A.  Définition

Un acide carboxylique est un composé organique dont la molécule contient le groupe carboxylique 

La molécule est du du type   où R est un groupe alkyle $C_{n}H_{2n}{+}{1}{-}$ pour les acides saturés.

La formule générale d’un acide carboxylique aliphatique est $C_{n}H_{2n}O_{2}$

Exemple :

Exercice 1

Ecrire la formule générale de l’acide carboxylique saturé à n atome de carbone.
Quelles sont les formules semi – développées possibles et les noms des acides carboxyliques saturés dont la masse molaire vaut 88 g.mol-1

Exercice 2

Remarque

Si le carbone fonctionnel est lié à un groupe alkyle, l’acide est dit aliphatique.
Si le carbone fonctionnel est lié à un atome de carbone appartenant à un cycle aromatique, l’acide carboxylique est dit aromatique

B.  Nomenclature

Le nom d’un acide carboxylique aliphatique saturé s’obtient en remplaçant la terminaison << e >> de l’alcane correspondant par la terminaison << oïque>>. Le nom résultant est précédant du mot acide. Le carbone du groupe carbonyle porte toujours l’indice 1.

Exemple :

$HCOOH$ : acide méthanoïque

$CH_{3}-COOH$ : acide propanoïque

$C_{6}H_{5}-COOH$ : acide benzoïque

Propriétés acides

  • Couple : R – COOH/R – COO-   on a : R – COOH         ⇄        R – COO-     +   H+
  • Réaction avec l’eau :   R – COOH   +  H2O     ⇄     R – COO    +   H3OCette réaction est réversible et conduit à un équilibre chimique.
  • Constante d’acidité du couple :

II.  L’estérification – hydrolyse

A.  Définition

$\textbf{L’estérification est la réaction d’un acide carboxylique avec un alcool.}$

$\textbf{L’hydrolyse d’un ester est son action sur l’eau}$ : c’est la réaction inverse de l’estérification.
L’estérification et l’hydrolyse sont deux réactions inverses l’une de l’autre. Elles se produisent simultanément, conduisant à un équilibre chimique.

On a:

Exemple :

 

B.  Nomenclature des esters

Pour nommer un ester, on cherche le nom de l’acide dont il dérive, on supprime le mot << acide >> puis on remplace la terminaison << oïque >> par << oate >> et on fait suivre le nom du groupe alkyle correspondant à l’alcool précédé de ‘’ de ‘’ ou ‘’ d’ ‘’.

Exemple :
HCOOCH3 : méthanoate de méthyle ;  CH3 – CH2 – COOCH2 – CH3 : propanoate d’éthyle.

Exercice 1

Ecrire l’équation- bilan de la réaction :

  1. De l’acide méthanoïque sur le méthanol
  2. De l’acide éthanoïque sur l’éthanol
  3. L’acide éthanoïque sur le méthanol

Quels sont les noms des esters formés.

Exercice 2

  1. Nommer les composés suivants.
    1. CH3 – CH2 – COOCH3
    2. CH3 – COO(CH2 – CH3)
    3. CH3 – CH2 – COO(CH2 – CH3)
  2. Donner la formule des composés suivants.
    1. Butanoate de propyle
    2. Propanoate de butyle
    3. 2-méthylpropanoate de 2,3-diméthylpentyle

C.  Caractéristiques communes

Les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont deux réactions lentes, limitées et athermique. Elles sont catalysées par les acides forts et elles conduisent à la même limite.

D.  Limite d’estérification et d’hydrolyse

Elle est commune à ces deux réactions. On la définit par la fraction de mole d’ester formé à partir d’un mélange équimolaire d’acide et d’alcool ou d’ester et d’eau.

Exemple :

En partant :

  • de 1 mol de CH3COOH et de 1 mol de C2H5OH (estérification)
  • de 1 mol de CH3COOC2H5 et de 1 mol de H2O (hydrolyse d’ester)

On aboutit à un même état d’équilibre où coexistent ces quatre constituants dans les proportions :

La limite d’estérification dans ce cas est de $\frac{2}{3}$ ou 67%.

On peut déplacer l’équilibre :

  • soit en utilisant l’un des réactifs en excès.
  • Soit en éliminant l’un des produits au fur et à mesure de sa formation.

L’utilisation d’un catalyseur (l’acide sulfurique) ou l’élévation de la température du mélangeréactionnel permet d’atteindre plus rapidement l’équilibre sans modifier la composition à l’équilibre.

Remarque :  $\textbf{Action des chlorures d’acyle sur les alcools.}$

Les chlorures d’acyle réagissent avec les alcools pour donner de l’ester selon une réaction total et rapide.

L’équation- bilan est :

Exemple :

III.  La saponification (sapo = savon en latin).

A.  Definition

La saponification est une réaction entre un ester et l’ion hydroxyde OH-. La réaction est totalement est totale exothermique et conduit à un anion carboxylate et à l’alcool.

           

Cette réaction est lente mais totale. Elle est utilisée dans la fabrication de savon à partir des corps gras.

B.  Fabrication du savon

Les corps gras sont constitués à 95% par les triesters du propane-1, 2, 3-triol et des acides gras

R1, R2 et R3 sont des chaînes carbonées non ramifiées ayant 4 à 22 atomes de carbone et, éventuellement, des liaisons doubles C = C.
Equation – bilan lors de la préparation du savon :

EXERCICES D'APPLICATIONS

$\textbf{Exercice 1}$

On mélange une mole d’un d’acide carboxylique A de formule CnH2n + 1COOH et une mole d’éthanol.


    1. Ecrire l’équation – bilan de la réaction qui se produit.
    2. A quelle famille appartient le composé organique E obtenu.
  1. Le pourcentage en masse de carbone du composé E est 58,82%.
    1. Donner la formule semi – développée et le nom du composé organique E obtenu.
    2. Quels sont la formule semi – développée et le nom de l’acide carboxylique.
  2. La réaction entre l’acide carboxylique et l’éthanol est lente. Parmi les possibilités suivantes, quelles  sont celles qui permettent d’augmenter la vitesse de formation du composé E ? Justifier votre choix.
    1. Abaisser la température du mélange.
    2. Elever la température du mélange.
    3. Ajouter de l’acide sulfurique.
  3. En utilisant un réactif autre que l’acide carboxylique, on peut obtenir le même composé organique E à partir de l’éthanol, beaucoup rapidement.
    1. Donner le nom et la formule semi – développée d’un réactif
    2. Ecrire l’équation – bilan de sa réaction sur l’éthanol.
  4. L’éthanol utilisé est obtenu, par dissolution de 6,8 g d’éthanolate de sodium dans un litre d’eau. On prélève 25 mL de cette solution qu’on introduit dans une fiole jaugée de 250 mL puis on complète avec de l’eau distillée jusqu’au très du jauge. La solution obtenu a un pH = 12.
    1. Montrer que la solution obtenue est celle d’une base forte.
    2. Ecrire l’équation – bilan de la réaction acide – base correspondant.
    3. Quels sont les couples acide – base mis en jeu ?
    4. Calculer la concentration en mol.L-1 de toutes les espèces présentes dans la solution.

$\textbf{Solution}$


    1. Equation – bilan : CnH2n + 1COOH  +  HO – CH2 – CH3      →      CnH2n + 1COOCH2 – CH3  +   H2O
    2. E est de la famille des esters.

    1. Formule semi – développée de E : CH3 – CH2 – COO – C2H5 propanoate d’éthyle
    2. Formule semi – développée de A : CH3 – CH2 – COOH acide propanoïque
  1. Les possibilités d’augmenté la vitesse de la réaction : b. et c.

    1. Le chlorure de propanoyle CH3 – CH2 – COCl
    2. Equation – bilan :

CH3 – CH2 – COCl    +  HO – CH2 – CH3    →    CH3 – CH2 – COO – C2H5     +  HCl

  1.  
    1. La solution est une base forte.

La formule de l’éthanolate de sodium (CH3 – CH2O- + Na+)

$C_0 = \frac{6,8}{68 \times 1} =0,1 mol.L^{-1}$

$C = \frac{0,1 \times 25}{250} =10^{-2} mol.L^{-1}$        $14 + logC = 14 + log10^{-2} = 12 = pH$

L’éthanolate de sodium est une base forte.

  b. Equation – bilan

CH3 – CH2O-   +    H2O          ⟶           CH3CH2OH   +     OH-

  c. Les couples acide – base : CH3CH2OH / CH3 – CH2O- et H2O/ OH-

  d. Les concentrations des espèces

[H3O+] = 10-pH = 10-12 mol.L-1

[OH-]  = 10-2 mol.L-1

[Na+] = 10-2 mol.L-1

[CH3CH2OH] = 10-2 mol.L-1

$\textbf{Exercice 2}$

Alcool saturé A, à chaîne carbonée linéaire a pour formule brute C5H12O.

  1. Quels sont les isomères possibles en se limitant aux alcools à chaîne carbonée linéaire ? Donner leurs formules semi – développées et les nommer.
  2. On oxyde de façon ménagée une masse m = 0,80 g de A par une solution acidifiée de permanganate de potassium de concentration 0,50 mol.L-1. On obtient un composé organique B qui réagit à chaud avec la Liqueur de Fehling pour donner, en particulier, un précipité rouge brique.
    1. Préciser la fonction chimique de B, nommer A et B.
    2. Etablir l’équation – bilan de l’oxydation ménagée de A en B par la solution acidifiée de permanganate de potassium. Le couple redox auquel l’ion permanganate appartient est MnO42-/Mn2+.
    3. Quel volume minimal de solution oxydante de concentration 0,5 mol.L-1 a – t – on utilisé pour oxyder m = 0,80 g de A ?

On donne : M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1 ; M(H) = 1 g.mol-1.

  1. On introduit 2,0.10-2 mol de A ainsi que 0,92 g d’acide méthanoïque dans un tube scellé qui est placé dans une étuve.  Au bout d’un certain temps, on dose l’acide méthanoïque restant à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration 1 mol.L-1. L’équivalence est obtenue après addition de 12 mL de solution NaOH.
    1. Ecrire l’équation – bilan de la réaction entre l’acide méthanoïque et l’alcool A. Nommer le corps organique formé.
    2. Déterminer le pourcentage d’alcool A qui réagit avec l’acide méthanoïque aux cours de l’expérience

$\textbf{Solution}$

  1. Les isomères : $CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2}OH : pentan-1-ol$ ;     $CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CHOH – CH_{3}: pentan -2-ol$;     $CH_{3} – CH_{2} – CHOH – CH_{2} – CH_{3}: pentan -3-ol$

    1. B est un aldéhyde : le pentanal :  $CH_{3} – CH_{2} –CH_{2} – CH_{2} – COH$ 
    2. Equation – bilan de l’oxydation

$5(CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2}OH    ⇄    CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} –CH_{2} – COH  +   2H^{+}   2e^{-})$

$2(MnO^{2-}_{4}   +   8H^{+}   +   5e^{-}    ⇄    Mn^{2+}   +   4 H_{2}O)$

$\textbf{-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}$

$5 CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2}OH  +  6H^{+}  +  2 MnO^{2-}_{4}$    →    $5 CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – COH   +   2 Mn^{2+}   +   8H_{2}O$

ou

$5 CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2}OH  +  6H_{3}O^{+}  +  2 MnO^{2-}_{4}$    →    $5 CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – COH   +   2 Mn^{2+}   +   14H_{2}O$

             c. Le volume minimal

$nA=\frac{m_A}{M_A} =\frac{0,8}{88} =9,09.10^{-3} mol$

De l'équation bilan précédente on a : $2n(MnO^{2-}_{4}) = 5n_A$ donc $n(MnO^{2-}_{4}) = \frac{5}{2} n_A$

$n(MnO^{2-}_{4}) =\frac{2 \times 9,09.10^{-3}}{5}$ = $3,63.10^{-3} mol$

$n(MnO^{2-}_{4}) = CV$ et $V=\frac{n(MnO^{2-}_{4})}{C} = \frac{3,63.10^{-3}}{0,5}$ = $7,27.10^{-3} L$

    3. a) Equatio bilan

$HCOOH  +  5 CH_{3} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2}OH    ⇄    HCOO – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{3}  +  H_{2}O$

HCOO – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{2} – CH_{3} : méthanoate de pentyl

b) A l'équivalence acido-basique

n(acide restant) = nb = CbVb = 1x12.10-3 mol

n(acide restant) = 12.10-3 mol

m(acide restant) = n(acide restant) xM

m(acide restant) = 0,012 x46 = 0,552 g

m(acide ayant réagit) = 0,92 – 0,552 = 0,348 g

% alcool = 0,348x100/0,92 = 38,66%