Fiche pédagogique enseignant organique et les … · correspondent aux propriétés chimiques des alcools : l’oxydation, la combustion, la fermentation acétique

Les fonctions de la chimie

organique et les réactions de

synthèse

Fiche pédagogique réalisée

dans le cadre du projet Inforoutes

TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie

avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie

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Partenaires :

Fiche pédagogique enseignant

Fiche réalisée en partenariat avec l'Université Montpellier II.

Pays Roumanie

Cadre Lycées à section bilingue francophone

Niveaux Classes de Terminale scientifique

Discipline Chimie

Programme

Curriculum spécifique aux sections bilingues

http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-

programmes/74.html

Thème du

programme La classification des composés organiques

Sujet Les fonctions de la chimie organique et les réactions de synthèse

Approche

méthodologique

Mettre en place une démarche d’investigation (ou une démarche

expérimentale)

Pré-requis

La différence entre chimie organique et chimie minérale

Les origines de la chimie organique (synthèse de l’urée par exemple)

La valence des éléments carbone, hydrogène, oxygène et des halogènes

Formule simple, développée, semi-développée et nomenclature des

alcanes et des alcènes

L’isomérie

OBJECTIFS

Disciplinaires

Classer les composés organiques selon leur groupe caractéristique

Utiliser correctement la nomenclature des composés organiques

Savoir qu’il existe plusieurs classes d’alcool

Expliquer les propriétés physiques des alcools (état d’agrégation, solubilité,

point d’ébullition)

Réaliser les réactions, identifier les produits créés et écrire les équations qui

correspondent aux propriétés chimiques des alcools : l’oxydation, la

combustion, la fermentation acétique

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

http://www.vizavi-edu.ro/fr/ressources/baccalaureat/textes-officiels-programmes/74.html

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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 sans 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

Définir le rendement d’une réaction

Linguistiques

Maîtriser le lexique spécifique aux fonctions de la chimie organique et aux

réactions classiques entre produits organiques

Exprimer la condition et l’hypothèse

Décrire les étapes d’un processus, d’une transformation

Maîtriser le raisonnement par implication

Comparer, distinguer

Énoncer les caractéristiques, les propriétés (d’un composé organique, d’un

alcool) / Définir / Décrire

Identifier et utiliser les connecteurs logiques

DOCUMENTS

Document 1

Fiche professeur pour l’activité 1 : comment reconnaître un alcool, un aldéhyde,

un acide carboxylique ou un anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec

leur nom ?

TP n°11 « jeu des composés organiques » tiré de

http://www.physagreg.fr/premiere-word.php

Document 2

Fiche élève pour activité 2 documentaire : étude de quelques données physico

chimiques de quelques alcools

Tiré du CDRom du MEN « documents d’accompagnement des programmes de 1ère

S

2001 » La chimie créatrice -TP1 : Influence de la chaîne carbonée sur la solubilité

des alcools

Document 3

Fiche élève pour l’activité 3 expérimentale : Oxydation ménagée des alcools en

fonction de leur classe :

TP n°12 « oxydation des alcools » tiré de


Document 4

Fiche professeur pour l’activité 4 expérimentale : estérification et hydrolyse d’un

ester

TP n°13 « préparation d’un ester » tiré de







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OUTILS LINGUISTIQUES

Lexique utile

- composés oxygénés

- dériver de …

- fonctions organiques

- estérification, ester, polyester

- hydrolyse

- miscibilité, miscible

- goutte à goutte

- catalyseur

- préfixes et suffixes (noms des composés organiques)

- verbes de transformation, le changement d’état (passer de … à …)

- les marqueurs de la succession (ensuite, enfin…)

Formes

syntaxiques /

discursives utiles

L’expression du but (pour que + subjonctif)

Tournures impersonnelles

Présent de vérité générale, verbes d’état, verbes de changement d’état

Le pronom indéfini : « on »

Les connecteurs logiques de cause, de conséquence

Les valeurs du présent de l’indicatif

Le genre des adjectifs

La comparaison

Les pronoms relatifs

La condition et l’hypothèse :

- Si + indicatif

- Si + présent ou passé composé

- Si + présent dans la principale

- Quand

- Lorsque

- Dès que

La condition nécessaire : l’implication (« On dit qu’une force travaille si

son point d’application se déplace »)

- A implique B

- B dépend de A

- Si A alors B

- Pour que A il faut que B

- On dit que… si…



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SÉQUENCE PEDAGOGIQUE

Durée de la séquence : 3h30 en TP-cours.

Problème scientifique : Pourquoi dit-on que les composés oxygénés dérivent des alcanes ? Comment la

structure des alcools influe-t-elle sur leurs propriétés ?

Une première séance permet d’exposer les fonctions organiques oxygénées les plus courantes : alcools, acides

et dérivées d’acide et la classe des alcools.

Ensuite on étudie les propriétés des alcools.

Comment passer d’une fonction organique à une autre ?

Cette 2e séance étudie l’oxydation des alcools puis les réactions qui permettent de passer par exemple d’un

acide à un alcool.

Comment fabriquer un ester et contrôler les réactions d'estérification et d'hydrolyse des esters ?

Cette 3e séance permet, avec l’exemple de la fabrication d’un ester, de montrer comment le chimiste contrôle la

vitesse et le rendement d’une réaction. On introduira ici la notion de catalyse.

Durée de la séquence et répartition des séances : 3h30 sur 3 séances.

Séance 1 :

Démarche

Consigne

Activité 1 : comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique

ou un anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec leur nom ?

Situation déclenchante

On présente des flacons (ou des bouteilles pour les gaz) de différents composés

organiques parmi ceux qui ont été étudiés (alcanes et des alcènes) ou qui vont l’être

(alcool, acide carboxylique, aldéhyde, anhydride d’acide).

Cette présentation peut être aussi faite avec un diaporama ou une photocopie

d’étiquettes de flacons.

Il faut qu’il y ait au moins la formule brute ou semi-développée et le nom standard

du composé

Exemple de liste : éthanol, éthanal, acide éthanoïque, méthanol, butanol-2, acide

méthanoïque, propanal, propane, éthylène (ou éthéne)…

Activité des élèves

Par groupe de 3 ou 4, classer ces différents composés en familles et déterminer pour

chaque famille ce qui la caractérise.

Problématique

Comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un



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anhydride d’acide, avec leurs formules ou avec leur nom ?

Hypothèses

On retrouve dans le nom et dans la formule de chaque composé organique d’une

famille une partie commune.

Conclusion après mise en commun des réponses des élèves

A - Les composés oxygénés de la chimie organique

Parmi ces composés qui possèdent des atomes d’oxygène, on peut distinguer 4

familles : les alcools, les aldéhydes, les acides carboxyliques et les anhydrides

d’acide.

Famille de composés Groupe caractéristique Suffixe utilisé pour

désigner le groupe

caractéristique

Alcool –OH -ol

Aldéhyde –CHO -al

Acide carboxylique –COOH Acide …-oïque

Anhydride d’acide –CO–O–CO– Anhydride …-oïque

Chaque groupe caractéristique correspond à une fonction organique du même

nom.

Pour déterminer le nom de l’un de ces composés voici les étapes successives :

- déterminer l’alcane qui correspond à la chaîne carbonée la plus longue portant le

groupe caractéristique

- numéroter la chaîne carbonée de l’alcane, le sens de la numérotation est tel que le

groupe caractéristique est affecté du plus petit indice (exemple : l’atome de

carbone du groupe caractéristique porte le numéro 1 dans le cas de l’acide

carboxylique et de l’aldéhyde, de l’anhydride d’acide)

- identifier les groupes alkyles

- préfixes classés dans l’ordre alphabétique

Exemples :

acide hexanoïque

CH3 CH2 CO2H4

CH3 CO2H

acide éthanoïque

(acide acétique)

HCO2H

acide méthanoïque

(acide formique)

CH3 CHO

éthanal

CH3 CH CH CHO

CH3

CH3

4 3

2 1

2,3-diméthylbutanal



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CH3 OH

méthanol

CH3 CH2 OH

éthanol 3-méthylpentan-2-ol

CH3 CH

OH

CH

CH3

CH2 CH3

1 2

3 4

5

Activité 2 expérimentale : étude documentaire de quelques données physico

chimiques de quelques alcools


Distribution du document de l’activité 2 avec les données physico-chimiques de

quelques alcools.


Par groupe de 3 ou 4, répondre aux 3 questions du document.

Problématique

Comment classer les différents alcools ?

Hypothèses

Les alcools se classent suivant la formule développée.

Conclusion après mise en commun des réponses des élèves

B - les propriétés des alcools

1) la classe d’un alcool

Si on compare la solubilité de 3 alcools de même formule brute C4H9OH par

exemple on constate que :

- celui qui (comme l’éthanol) a 2 atomes H sur le C de OH est très soluble : on dit

que c’est un alcool primaire

- celui dont qui a 1 seul atome H sur le C de OH est moins soluble : on dit que c’est

un alcool secondaire

- ce celui dont qui n’a aucun atome H sur le C de OH est très peu

soluble : on dit que c’est un alcool tertiaire

Les 3 classes d’alcools

Les alcools primaires

Un alcool est primaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH n’est lié

qu’à un groupe alkyl.

Il est de la forme : R-CH2-OH (avec R un groupe alkyl ou un H)

Les alcools secondaires

Un alcool est secondaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH est lié

à 2 groupes alkyl.

Il est de la forme :

R1-CH-OH

R2



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Les alcools tertiaires

Un alcool est tertiaire si le carbone qui porte le groupe fonctionnel –OH est lié à

3 groupes alkyl.

Il est de la forme :

2) les propriétés physiques des alcools

Le tableau donné dans l’activité 2 montre que la solubilité, les températures de

changements d’état et la densité dépendent de la classe de l’alcool.

Modalités de

travail

Travail de groupe sur la situation déclenchante.

Mise en commun des résultats pour aboutir à la conclusion.

Durée 1h

Objectifs

- Classer les composés organiques selon leur groupe caractéristique

- Utiliser correctement la nomenclature des composés organiques

- Savoir qu’il existe plusieurs classes d’alcools

- Expliquer les propriétés physiques des alcools (état d’agrégation, solubilité,

point d’ébullition)

Évaluation /

Correction Exercices d’application

Séance 2 :

Démarche

Consigne

Activité 3 expérimentale : Oxydation ménagée des alcools en fonction de leur

classe


Présentation par le professeur (ou réalisation par 2 élèves ou en TP) de :

- la manipulation n°1 : oxydation d’un alcool primaire.

- la manipulation n°2 : oxydation d’un alcool secondaire


Notez les schémas des dispositifs expérimentaux.

Notez les conditions expérimentales et les observations.

Complétez la conclusion 4) de la fiche.

Problématique

D’où viennent les différences de comportement des alcools vis-à-vis de

l’oxydation ?

Hypothèses

R1-C-OH

R2

R3



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Selon sa classe, un alcool ne donne pas le même produit par oxydation.

Conclusion

3) Oxydation ménagée des alcools

Oxydation des alcools primaires

lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool primaire de

formule R-CH2-OH donne un aldéhyde de formule R- CHO.

Si l’oxydant est en excès l’aldéhyde est oxydé en acide carboxylique R-COOH

Oxydation des alcools secondaires

lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool secondaire de

formule R1-C R2 H-OH donne une cétone de formule R1-C R2 = O

Oxydation des alcools tertiaires : impossible

Conclusion : la réactivité d’un alcool, vis-à-vis de l’oxydation, dépend de la

position du groupe fonctionnel hydroxyle –OH sur la chaîne carbonée.

4) Comment passer d’un groupe caractéristique à un autre ?

Nous allons voir dans ce chapitre les différentes réactions qui nous permettent de

changer le groupe caractéristique d’une molécule (mise à part le changement du

groupe hydroxyle, vu précédemment).

Pourquoi créer sans cesse de nouvelles molécules ?

Afin de répondre industriellement à la demande de nouveaux parfums, de

nouveaux médicaments ou de nouveaux matériaux.

Mais la nature pratique les mêmes changements pour créer des hormones, des

protéines, etc.

Différentes réactions

Passage du composé carbonylé à l’alcool

On réalise une réduction catalytique :

R-CO-R’ + H2 R-CHOH-R’

Les aldéhydes sont généralement des intermédiaires de synthèse, le méthanal et

l’éthanal servent à la fabrication de polymères, de résines et de colles.

On utilise les cétones comme solvants (acétone par exemple).

Aldéhyde

ou cétone Alcool

Ni 80°C



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Passage de l’acide carboxylique à l’alcool

On utilise aussi du dihydrogène, mais la réaction est difficile.

R-COOH + 2 H2 R-CH2OH + H2O

Passage d’un dérivé halogéné à l’alcool

Cette réaction est facile, il suffit de faire réagir le composé halogéné avec de la

soude.

R-X + OH- R-OH + X

-

C’est encore une réaction de substitution.

Les dérivés halogénés interviennent aussi dans l’industrie des solvants. Ils

constituent de très bons fluides frigorifiques.

Mais il faut citer le polychlorure de vinyle (PVC), contenant l’atome de chlore, ainsi

que le tétrafluoroéthylène CF2=CF2 dont la polymérisation donne le téflon.

Le problème de ces composés est qu’il favorise la destruction de la couche d’ozone,

qui nous protège d’un rayonnement trop intense du soleil.

Passage d’un aldéhyde à un acide carboxylique et inversement

Nous avons vu dans le chapitre précédent qu’une oxydation faisait apparaître l’acide

à partir de l’aldéhyde. Ainsi la réaction inverse pour passer de l’acide à l’aldéhyde

sera une réduction. Mais généralement, réduire un acide conduit directement à

l’alcool, il est difficile de s’arrêter à l’aldéhyde.

Un exemple dans la chimie industrielle

Le méthanol produit par la réaction CO + H2 = CH3OH (25 millions de tonnes par

an en France) est transformé ensuite soit en méthanal soit en cholormathane, soit en

méthylamine soit en MTBE (méthyltertiobutyléther) additif des carburants.

Modalités de

travail

Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche

élève de l’activité 3

Mise en commun des résultats pour aboutir aux conclusions.

La partie 4) « Comment passer d’un groupe caractéristique à un autre ? » sera

traité sous forme de cours dialogué.

Durée 1h

Objectifs - Réaliser les réactions, identifier les produits créés et écrire les équations qui

correspondent à l’oxydation des alcools

- Expliquer le passage d’une fonction organique à une autre

Évaluation /

Correction Exercices de réinvestissement

Séance 3 :

Démarche

C - les esters

On va travailler sur le contrôle des transformations de la matière, et pour ce faire il

est commode de prendre un exemple : ici nous allons nous intéresser à la formation

CuO ou Cr2O3

300 bars, 200°C



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Consigne ou la destruction d’un nouveau type de composé organique : l’ester.

Un nouveau groupe caractéristique, une nouvelle famille chimique

1) Définition

Les esters sont des composés organiques qui possèdent le groupe caractéristique –

COO–.

Ils forment des composés du type R-COO-R’ où R et R’ sont des chaînes

carbonées.

Ces esters sont généralement obtenus par réaction entre un acide et un alcool.

2) Obtention et nomenclature

a. Obtention des esters

Ces esters peuvent être obtenus en laboratoire par réaction entre un acide

RCOOH et un alcool R’OH.

Cette réaction se nomme l’estérification, nous l’étudierons par la suite.

Ceci nous indique que d’après la formule de l’ester, nous pouvons retrouver

l’acide et l’alcool qui ont servi à sa préparation :

L’acide fournit le groupe R, relié au carbone qui porte les deux atomes

d’oxygène.

L’alcool fournit le groupe R’, relié à l’oxygène simplement lié avec le

carbone.

b. Nomenclature

Nous allons donc utiliser les noms de l’acide et de l’alcool pour composer le nom de

l’ester :

Nous commencerons par nommer l’acide (R) en lui ajoutant la terminaison

« –ate ».

On ajoutera la particule « de ».

On finira par nommer l’alcool (R’) en lui ajoutant la terminaison « -yle

Exemple

Donner la formule semi-développée du méthanoate d’éthyle et les réactifs utilisés

pour l’obtenir en laboratoire (réponse : H – COO – C2H5 obtenu à partir de l’acide

méthanoïque et de l’éthanol).

Donner le nom et la formule semi-développée de l’ester obtenu par réaction entre

l’acide 2-méthylpropanoïque et le 1-méthylpropan-2-ol (réponse : le 2-

méthylpropanoate de 1-méthylpropanyle).

D - L’estérification et l’hydrolyse d’un ester

Activité 4 expérimentale : estérification et hydrolyse d’un ester


Présentation par le professeur (ou réalisation par 2 élèves ou en TP) de la réaction



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d’estérification et de la réaction d’hydrolyse


Notez les schémas des dispositifs expérimentaux.

Notez les conditions expérimentales et les observations.

Rédigez les interprétations des observations.

Problématique

Qu’est-ce qu’une réaction d’estérification ? Une réaction d’hydrolyse ?

Conclusion

Les étapes de cette activité permettront de développer le cours suivant qui sera

élaboré au fur et à mesure des conclusions des expériences

1) La réaction d’estérification

a. Caractéristiques de cette réaction

La réaction est lente (l’odeur de fruit ne se ressent pas

instantanément dès le mélange des réactifs), c’est pourquoi nous avons

chauffé le mélange et ajouté un catalyseur.

Cette réaction est limitée, il n’y a donc pas de réactif limitant. On

peut montrer qu’en partant d’un mélange équimolaire de réactifs, on obtient

60% de la quantité d’ester que l’on aurait obtenue si la réaction était totale. Ceci

étant vrai quelle que soit la durée de la transformation.

Attention, le rendement est différent selon la classe de l’alcool

utilisé en réactif : on a 67% de rendement avec un primaire alors que l’on n’a

que 5% pour un alcool tertiaire.

Ainsi on peut définir la notion de rendement de cette réaction :

c’est le rapport entre le nombre de moles d’ester effectivement obtenu par

le nombre de moles d’ester que l’on aurait obtenu si la réaction avait été

totale.

totaleréactionester

obtenuester

n

n

b. Équation de la réaction modélisant la transformation

R-COOH + R’-OH R-COO-R’ + H2O

La flèche permet juste d’indiquer qu’au départ, on met en présence l’acide et

l’alcool pour réaliser l’estérification.

2) La réaction d’hydrolyse

a. Caractéristiques de cette réaction

La diminution de l’acidité ne se fait pas instantanément, ce qui prouve que



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la réaction est lente. C’est pour ça que la réaction se fait avec un montage de

chauffage à reflux.

Cette réaction est limitée, quand on part d’un mélange équimolaire d’ester

et d’eau, on obtient environ en acide le 1/3 de la quantité d’acide qu’on

obtiendrait si la réaction était totale.

Le rendement de cette réaction est de 33% pour un ester issu d’un alcool

primaire, mais varie selon la classe de l’alcool. Il passe à 40% pour un ester

issu d’alcool secondaire et à 95% pour un ester issu d’alcool tertiaire.

b. Équation de la réaction modélisant la transformation(2)

R-COO-R’ + H2O R-COOH + R’-OH

3) Etat d’équilibre concernant les réactions d’estérification et d’hydrolyse

a. Résultats

Si nous traçons la courbe, pour les réactions

d’estérification et d’hydrolyse, de la quantité de

matière d’ester présente dans le milieu en fonction

du temps, nous obtenons la courbe ci-contre (en

partant de mélanges équimolaires contenant une mole

de chaque réactif) :

b. Conclusion

Ces courbes ont été obtenues pour un temps de

réaction de 200 heures environ, ce qui prouve

une nouvelle fois la lenteur des deux réactions.

Nous voyons aussi que les deux réactions

admettent une limite : il y a toujours 67%

d’ester dans le milieu à l’état d’équilibre. On peut schématiser cela de la

façon suivante :

Équation de l’état d’équilibre et constante d’équilibre

Les deux réactions d’estérification et d’hydrolyse, toutes deux lentes, sont

inverses et se limitent l’une l’autre.



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Elles conduisent toutes les deux vers le même état d’équilibre, atteint quand la

réaction directe et la réaction inverse s’effectuent à la même vitesse.

On écrit cet état d’équilibre de la manière suivante :

R-COOH + R’-OH = R-COO-R’ + H2O

Et, par exemple pour la réaction d’estérification, la constante d’équilibre

s’écrit :

K = Qr,éq = alcoolacide

eauester

nn

nn

Remarques

On rappelle qu’un quotient de réaction s’écrit avec des concentrations,

mais qu’ici, le volume du mélange réactionnel est V et les concentrations

des différentes espèces s’écrivent ni/V. Ainsi le volume disparaît.

La grande différence avec ce que nous avons vu jusqu’à maintenant, c’est

que nous ne sommes plus en solution aqueuse : l’eau n’est plus en

excès et devient un réactif ou un produit à part entière.

Sa quantité de matière apparaît donc dans la constante d’équilibre.

4) Comment contrôler les réactions d’estérification et d’hydrolyse ?

1) Contrôle de la vitesse

Vu que ces réactions sont lentes, il est intéressant industriellement de pouvoir

augmenter leur vitesse. Pour cela nous pouvons jouer sur deux paramètres :

Comme nous l’avons vu dans le chapitre 3, augmenter la température du

système permet généralement d’augmenter la vitesse des réactions qui y

ont lieu.

Nous pouvons aussi ajouter une espèce dans le milieu, qui ne va pas

intervenir dans la réaction (elle n’apparaît pas dans l’équation de la

réaction) mais qui a pour but d’augmenter la vitesse de celle-ci : une

telle espèce s’appelle un catalyseur.

Exemple : les ions H+ apportés par l’acide sulfurique catalysent la réaction

d’estérification (voir II.1.) mais aussi celle d’hydrolyse.

Attention, ces deux paramètres ne permettent de contrôler que

cinétiquement les réactions, ils n’ont aucune influence sur la constante

d’équilibre de la réaction donc sur le taux d’avancement à l’équilibre.

Remarques

Nous pouvons le comprendre pour ce qui est du catalyseur, mais pour la

température, celle-ci a théoriquement une influence sur K. Et même nous avons dit



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dans le chapitre 6 que K ne dépendait que de la température.

Ceci est une particularité des réactions d’estérification et d’hydrolyse qui sont

athermiques, c’est à dire qui ne dégagent ni n’absorbent pas de chaleur : alors

leur K ne dépend que très peu de la température.

2) Contrôle de l’état final : peut-on modifier le rendement des

réactions ?

En effet, un industriel ne se contentera pas d’un rendement de 67% pour l’obtention

d’un ester, il voudra utiliser ses réactifs pour obtenir, à partir de ceux-ci, 100% de

produits. Son but est donc de trouver la recette pour obtenir des réactions totales.

a. Quelles sont les méthodes à utiliser ?

Il peut tout d’abord faire un choix judicieux au niveau des réactifs : on a vu

qu’en utilisant les différentes classes d’alcool, les réactions avaient un

rendement plus ou moins élevé.

Il peut aussi gérer la quantité de matière initiale des réactifs qu’il va mettre en

présence.

Regardons le résultat du taux d’avancement de la réaction d’estérification en

fonction de la

proportion des réactifs :

Nous voyons donc que mettre un des réactifs en excès dans l’état initial est très

avantageux pour obtenir un bon rendement. On choisira bien sûr le moins cher.

Enfin, il peut éliminer un des produits de la réaction au cours de sa

formation : l’industriel va alors utiliser un montage expérimental permettant de

séparer le produit dés sa

formation. Le montage de

distillation paraît alors tout à fait

approprié :

Lors de l’estérification par exemple,

l’ester qui a une température

d’ébullition faible par rapport à l’eau,

l’acide et l’alcool, va passer dans la

Composition

du mélange

initial (mol)

acide 5 2 1 1 1

alcool 1 1 1 2 5

Taux d’avancement à

l’équilibre (%) 95 85 67 85 95



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colonne Vigreux à l’état gazeux, puis va passer dans le réfrigérant où, avant de

retomber dans l’erlenmeyer, il se transforme en liquide.

b. Pourquoi ses méthodes fonctionnent-elles ?

Pour ce qui est de la classe de l’alcool utilisé, nous n’en parlerons pas car c’est

une histoire de réactivité, trop complexe à expliquer.

Regardons l’expression du quotient de réaction dans l’état d’équilibre (pour

l’estérification) : K = Qr,éq =

éqalcooléqacide

éqeauéqester

nn

nn

Si, alors que le système est dans son état d’équilibre, on rajoute une

quantité de réactif (soit de l’acide soit de l’alcool), alors on fait

diminuer le Qr qui devient inférieur au K, le système évolue alors

dans le sens direct (sens de la consommation de réactif).

De la même manière, si on élimine un des produits de la réaction (l’ester

ou l’eau), alors le Qr diminue et devient inférieur à K, alors le système

évolue dans le sens direct pour compenser cette élimination.

Modalités de

travail

Travail de groupe avec observation des expériences et remplissage de la fiche

élève de l’activité 3.

Mise en commun des résultats pour aboutir au contenu du cours.

Durée 1h30

Objectifs

- 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.

Définir le rendement d’une réaction.



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Évaluation /

Correction Exercices de réinvestissement

CONSEILS POUR LES ENSEIGNANTS

Dans la première séance on pourra faire utiliser aux élèves les modèles moléculaires pour les reconnaître

et nommer les composés des familles étudiées.

Protocole possible

Sur des tables différentes sont rassemblés, classés par familles, des modèles moléculaires éclatés de molécules à

chaîne carbonée différente. Les élèves, par groupes, peuvent à partir de leurs observations et selon les consignes

données par l’enseignant :

- écrire les formules semi-développées de chaque molécule,

- donner la représentation de Lewis de chaque molécule,

- reconnaître le groupe caractéristique présenté sur chaque table, le nommer,

- donner le nom de la famille qui lui correspond ainsi que le nom en nomenclature officielle des trois premières

molécules à chaîne linéaire de chaque famille.

Sur une autre table, sont placés quelques modèles moléculaires à classer : les mettre dans l’ordre.

Chaque fois que c'est possible, des flacons des produits courants sont installés dans le laboratoire à proximité

des modèles moléculaires les représentant. Les élèves peuvent aussi réaliser un test caractéristique pour chaque

famille de molécules.

Variante : molécules en 3D, utilisation des modèles moléculaires et d'un logiciel

Il existe quelques plug-in gratuits (logiciels à installer pour visualiser des molécules dans un navigateur). Ils

permettent de visualiser et de manipuler des molécules dans des pages HTML.

Spécifiques Adresse de téléchargement taille

Chime de Chemscape http://www.mdlchime.com/chime/ 2,03 Mo

Chem3D http://www.cambridgesoft.com/products/family.cfm?FID=3 3.9 Mo

ChemSketch http://www.acdlabs.com/download/chemsk.html 5,62Mo

WebLab http://www.msi.com/download/index.html 4,4Mo

http://www.mdlchime.com/chima/

http://www.cambridgesoft.com/products/family.cfm?FID=3

http://www.acdlabs.com/download/chemsk.html

http://www.msi.com/download/index.html



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Activité 1

Comment reconnaître un alcool, un aldéhyde, un acide carboxylique ou un

anhydride d’acide, avec leur formule ou leur nom ?

Fiche professeur


Présenter des flacons (ou des bouteilles pour les gaz) de différents composés organiques parmi ceux qui ont été

étudiés (alcanes et des alcènes) ou qui vont l’être (alcool, acide carboxylique, aldéhyde, anhydride d’acide).

Cette présentation peut être aussi faite avec un diaporama ou une photocopie d’étiquettes de flacons.

Il faut qu’il y ait au moins la formule brute ou semi-développée et le nom standard du composé.

Exemple de liste : éthanol, éthanal, acide éthanoïque, méthanol, butanol-2, acide méthanoïque, propanal, propane,

éthylène (ou éthéne), etc.

Par groupe de 3 ou 4, classer ces différents composés en familles et déterminer pour chaque famille ce qui

caractérise chaque famille.

Mise en commun

1) On s’intéresse d’abord aux familles sans atomes d’oxygène.

C’est l’occasion si nécessaire de faire des rappels sur la nomenclature des alcanes et des alcènes.

Rappel de la méthode - La chaîne linéaire la plus longue est déterminée, c’est la chaîne principale qui identifie l’alcane (par exemple s’il

y a 3 carbones c’est le propane).

- Les groupes alkyles (groupes substituants) sont identifiés et nommés (par exemple méthyle, éthyle, etc.).

- La chaîne principale est numérotée afin que le chiffre obtenu par l’ensemble des indices soit le plus bas et les

groupes substituants sont classés par ordre alphabétique.

- L’ensemble des indices le plus bas est celui qui, comparé à un autre ensemble d’indices, chacun classé par ordre

croissant (indépendamment de la nature des substituants), présente l'indice le plus bas au premier point de

différence. Soit sur cet exemple (2,3,5) au lieu de (2,4,5).

CH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

6

5

4 3

2 1

CH3 CH

CH3

CH

CH2

CH2 CH

CH3

CH3

CH3

65

43

2

1

et non

3-éthyl-2,5-diméthylhexane 4-éthyl-2,5-diméthylhexane



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- La présence d’une double liaison est indiquée en remplaçant la terminaison « ane » du nom de l’alcane par la

terminaison « ène ».

- L’indice le plus bas posssible est attribué à la double liaison et seul l’indice le plus bas des deux atomes de la

liaison double est cité.

- Pour les composés halogénés : les noms substitutifs sont formés en plaçant les préfixes chloro-ou bromo- devant

le nom de l’alcane.

On pourra donner des exemples ou faire chercher les élèves, par exemple en donnant le nom et en demandant

de représenter la formule développée ou inversement.

2) Les familles de composés oxygénés

La mise en commun du travail des groupes permet d’identifier 4 familles avec des groupes caractéristiques (–OH,

–CHO, –COOH, –CO–O–CO– ) et des noms caractérisés par des suffixes ( -ol, -al, -oïque).

On peut donner les noms de ces 4 familles avec un tableau qui résume ce qui vient d’être établi :

Famille de composés Groupe caractéristique Suffixe utilisé pour désigner le

groupe caractéristique

Alcool –OH -ol

Aldéhyde –CHO -al

Acide carboxylique –COOH Acide …-oïque

Anhydride d’acide –CO–O–CO– Anhydride …-oïque

On pourra introduire la notion de fonction organique : fonction alcool, fonction aldéhyde, fonction acide

carboxylique, fonction anhydride d’acide.

Méthode d'obtention d'un nom substitutif

- détermination de l’alcane qui correspond à la chaîne carbonée la plus longue portant le groupe caractéristique,

- numérotation de la chaîne carbonée de l’alcane, le sens de la numérotation est tel que le groupe caractéristique

est affecté du plus petit indice (l’atome de carbone du groupe caractéristique porte le numéro 1 dans le cas de

l’acide carboxylique et de l’aldéhyde, de l’anhydride d’acide)

- identification des groupes alkyles,

- classement alphabétique des préfixes.



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Activité 2 documentaire

Etude de quelques données physico chimiques de quelques alcools

Fiche élève

Ce tableau donne quelques valeurs de constantes pour 3 alcools :

T. de fusion

(°C)

T.

d’ébullition

(°C)

Densité

d

Solubilité dans

l’eau à 20 °C

butan-1-ol - 90 117,7 0,810 soluble

butan-2-ol - 115 98 0,808 très soluble

2-méthylpropan-

2-ol 25 83 0,775 très soluble

Questions

- Dans les conditions normales de température et de pression, donnez en justifiant, l’état physique (solide,

liquide ou gazeux) des espèces chimiques du tableau ci-dessus.

- Que faut-il faire généralement pour le 2-méthylpropan-2-ol avant de l’utiliser ?

- Écrivez sur votre feuille les formules semi-développées et topologiques des alcools et déduisez-en les masses

molaires moléculaires M de ces molécules.



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Activité 3 expérimentale

Oxydation ménagée des alcools en fonction de leur classe

Fiche élève

1) Définition

Contrairement à la combustion qui est une oxydation brutale, l’oxydation ménagée est douce, elle conserve le

squelette carboné de la molécule.

2) Oxydation des alcools primaires et secondaire, l’oxydant est en défaut

Ici nous réaliserons cette oxydation par le permanganate de potassium K+

(aq) + MnO4-(aq) acidifié par l’acide

sulfurique.

Le dispositif expérimental

Manipulation n°1 : oxydation des alcools primaires

a. Dans un ballon posé sur un anneau en liège, introduisez :

15 mL de la solution oxydante de permanganate de potassium 2,0.10-2

mol.L-1

en milieu acide

sulfurique à 5,0. 10-1

mol.L-1

.

5 mL de butan-1-ol.

b. Réalisez le dispositif expérimental ci-dessus.

c. Portez le mélange à ébullition très douce et recueillez le produit dans le tube à essai, sur une hauteur de 3

cm environ.

becher forme haute

eau + glace pilée

distillat

tube à essai de grande taille

tube à dégagement

alcool + solution

oxydante

chauffe-

ballon



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d. Observez la couleur du mélange réactionnel au bout de quelques minutes : que s’est-il passé ?

e. Retirez le tube à dégagement du tube à essai pour éviter un retour dans le ballon avant d’arrêter le chauffage.

Caractérisation n°1 du produit formé

Prenez deux tubes à essais très propres.

a. Dans le premier, versez 1 mL de 2.4 DNPH puis une dizaine de gouttes du distillat obtenu. Agitez, observez

et concluez.

b. Dans le deuxième tube, versez 1 mL de réactif de Schiff (préalablement refroidi dans la glace) puis le reste

du distillat. Agitez, placez le tube dans un bain de glace, observez et concluez.

Manipulation n°2 : oxydation des alcools secondaires

Reprenez le même protocole expérimental que pour la 1ère

manipulation mais remplacez le butan-1-ol par le

butan-2-ol.

Caractérisation n°2 du produit formé

Refaites les mêmes tests caractéristiques et concluez.

Récapitulons les résultats

Complétez le tableau ci-dessous en indiquant un + ou un – selon que le test est positif ou négatif.

Test réalisé sur le

produit

d’oxydation

D.N.P.H Réactif de Schiff

Produit

d’oxydation

obtenu

butan-1-ol

butan-2-ol

3) Oxydation ménagée des alcools tertiaires

Manipulation

a. Mettez dans un tube à essais 1 mL de 2-méthylpropan-2-ol et 1 mL de la solution de permanganate de

potassium 2,0.10-2

mol.L-1

en milieu acide sulfurique.

b. Fermez le tube à essai avec un bouchon et agitez le mélange.

c. Observez la coloration initiale et la coloration finale du mélange.

Conclusion

Que se passe-t-il lors de l’oxydation ménagée d’un alcool tertiaire ?

4) Conclusion générale (complétez)

Oxydant en défaut

La généralisation de cette expérience aux alcools primaires et aux alcools secondaires permet de tirer les deux

conclusions suivantes :



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lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool primaire de formule R-CH2-OH donne

……………………….…….. de formule :

lorsque l’oxydant est en défaut, l’oxydation ménagée d’un alcool secondaire de formule R1-CH-OH

|

R2

donne ……………………….…….. de formule :

Oxydation des alcools tertiaires : Que se passe-t-il ?

………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………

La réactivité d’un alcool, vis-à-vis de l’oxydation, dépend-elle de la position du groupe fonctionnel

hydroxyle – OH sur la chaîne carbonée ?

……………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………



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Activité 4 expérimentale

Estérification et hydrolyse d’un ester

Fiche professeur

Ce TP intervient après la présentation des esters de leurs nomenclatures.

1) Une réaction d’estérification

Expérience

On peut relever le pH au début de la manipulation et à la fin pour voir que celui-ci a augmenté,

signe de la disparition de l’espèce acide.

Observations

On obtient au bout d’une dizaine de minutes un liquide non miscible à la solution de sulfate de cuivre qui

présente une odeur fruitée.

Interprétations

Alors que le mélange réactionnel initial est soluble dans l’eau, en fin de manipulation, on obtient un produit

non miscible : il y a bien eu réaction.

L’odeur fruitée nous renseigne sur la nature du produit obtenu, il s’agit bien d’un ester.

Caractéristiques de cette réaction (cf. cours)

Équation de la réaction modélisant la transformation (cf. cours)

80°C

Chauffer à 80°C pendant 10 minutes

Réfrigérant à air

Agitateur magnétique

chauffant

Verser le contenu de l’erlenmeyer dans un

verre pied contenant une solution de

sulfate de cuivre

10 mL d’acide éthanoïque

10 mL de butan-2-ol

Quelques gouttes d’acide sulfurique



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2) Une réaction d’hydrolyse

Expérience

Observation

Le pH en fin de manipulation a diminué.

Interprétations

Ceci traduit l’apparition d’un acide ce qui prouve qu’il y a bien eu réaction entre l’eau et l’ester.

Caractéristiques de cette réaction (cf. cours)

Équation de la réaction modélisant la transformation (cf. cours)

3) État d’équilibre concernant les réactions d’estérification et d’hydrolyse

Principe de l’étude expérimentale

Pour étudier cet équilibre, on va suivre l’évolution de mélanges équimolaires, d’acide éthanoïque et d’éthanol

d’une part, et d’éthanoate d’éthyle et d’eau d’autre part. Marcellin Berthelot et Péan de saint Gilles ont réalisé

ces études en procédant comme suit :

On enferme les différents mélanges dans des ampoules scellées.

10 mL d’eau distillée

10 mL d’éthanoate d’éthyle

Eau froide

Mesurer le pH ; après avoir agité les réactifs

fortement.

Chauffer à reflux pendant 1 heure.

Après refroidissement, mesurer le pH



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On les place dans un même milieu, par exemple à une température de 100°C, à une date précise choisie

comme étant t = 0.

On sort alors une ampoule à la date à laquelle on veut connaître l’état du système et on détermine la quantité

de matière d’acide restant ou formée par titrage.

Ainsi, on peut connaître l’état du système à l’aide des tableaux d’avancement :

Equation de la réaction

d’estérification R-COOH + R’-OH R-COO-R’ + H2O

Etat Avancement

(mol)

Initial 0 n N 0 0

En cours X n - x n – x x x

Etat d’équilibre xéq n - xéq n - xéq xéq xéq

La quantité de matière d’acide à l’équilibre est na = n - xéq, on obtient donc xéq et les autres quantités de

matière des réactifs et/ou des produits.

En effectuant le même travail sur le tableau d’avancement relatif à l’hydrolyse, on comprend que nous

obtiendrons l’avancement de la réaction directement avec la quantité de matière d’acide dans l’état

d’équilibre.

Résultats (cf. cours)

Conclusion (cf. cours)

Documents

Fiche pédagogique enseignant organique et les … · correspondent aux propriétés chimiques des alcools : l’oxydation, la combustion, la fermentation acétique