Chap. N° 17

Une chimie du

développement

durable.

Exercices.

 

   

 

Moteur de recherche sur les différents sites

 

 


 En travaux

I- Exercice 5 page 452 : comprendre les enjeux de la chimie durable.

II- Exercice 7 page 452 : utiliser des solvants alternatifs.

III- Exercice 8 page 452 : limiter les sources de pollution.

IV- Exercice 9 page 453 : réduire l’émission de gaz à effet de serre.

V- Exercice 11 page 453 : recycler les déchets.

VI- Exercice 12 page 454 : privilégier les ressources naturelles.

VII- Exercice 13 page 454 : capter le dioxyde de carbone.

VIII- Exercice 15 page 455 : valoriser les déchets.

IX- Exercice 16 page 456 : limiter l’usage des solvants.

Les molécules ont été réalisées avec
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I- Exercice 5 page 452 : comprendre les enjeux de la chimie durable.

 

En plus de s’alimenter sainement, de disposer d’eau potable ou de réduire les pollutions, l’homme doit aussi prendre soin de sa santé.

Cela peut passer par l’usage de médicaments. Les chercheurs extraient de la nature des molécules thérapeutiques, les copient (plus des trois-quarts sont bio-inspirées) ou en synthétisent de nouvelles toujours plus efficaces, avec des procédés de moins en moins polluants.

Les industriels les produisent à grande échelle lorsqu’elles sont rentables économiquement.

Si dans des pays développés la mortalité liée aux maladies infectieuses a « pratiquement » disparu, il n’en est pas de même dans les autres pays.

Et, malheureusement, même si les traitements existent, les coûts de production élevés et l’insolvabilité des populations expliquent la difficulté des pays en développement à accéder aux soins.

1)- Que signifie le terme en italique ?

2)- Quels sont les leviers sur lesquels il faut agir pour améliorer la santé des populations ?

3)- Quels rôles la chimie peut-elle jouer ?

4)- Expliquer, à l’aide des trois piliers du développement durable, les enjeux de l’accès aux soins.

 

1)- Bio-inspirées :

-    C’est le concept de la chimie douce qui  a pour ambition de synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant (animaux et végétaux).

2)- Leviers sur lesquels il faut agir pour améliorer la santé des populations :

-    Il faut améliorer les médicaments, il faut que les populations aient accès à l’eau potable, qu’elles puissent se nourrir convenablement. Il faut aussi limiter au maximum la pollution.

3)- Rôles que la chimie peut jouer :

-    La chimie peut fabriquer les médicaments à grande échelle, mais aussi proposer les procédés plus efficaces et moins polluants.

4)- Les enjeux de l’accès aux soins :

-    Les trois piliers : social, environnemental et économique

-    La chimie durable s’inscrit dans une logique de développement durable. Sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique :

-    Économiser et partager les ressources de manière équitable

-    Utiliser des technologies qui polluent moins et consomment moins d’énergie.

-    Développer des procédés suffisamment efficaces et rentables.

-    Social : permettre l’accès aux soins à toutes les populations.

-    Environnemental : privilégier les ressources naturelles pour fabriquer les médicaments, utiliser le plus possibles les procédés qui limitent la pollution.

-    Économique : permettre l’essor de nouvelles technologies économiquement rentables.

 

II- Exercice 7 page 452 : utiliser des solvants alternatifs.

 

Le 2-méthyltétrahydrofurane (MeTHF), produit à partir du sucre de canne, est un agrosolvant alternatif  au tétrahydrofurane THF, pétrosolvant. Il peut être utilisé dans de nombreuses réactions.

Non miscible à l’eau, contrairement au THF, sa capacité d’extraction pour les composés polaires est meilleure. En outre, son isolement et son recyclage sont plus faciles. Le MeTHF réduit les étapes d’extraction et le volume de solvant utilisé. Il améliore les rendements.

1)- Le MeTHF :

a)-  Pourquoi qualifie-t-on de MeTHF d’agrosolvant ?

b)-  Qu’est-ce qu’un prétrosolvant ?

2)- Le tableau suivant mentionne les dangers associés au THF et au MeTHF. Commenter.

THF

 

 

 

 

H225 : Liquides et vapeurs inflammables.

H319 : Provoque une sévère irritation des yeux

H335 : Peut irriter les voies respiratoires.

MeTHF

 

 

 

H225 : Liquides et vapeurs inflammables.

H319 : Provoque une sévère irritation des yeux

3)- Quels sont, parmi les principes de la chimie verte, ceux qui sont respectés ?

 

1)- Le MeTHF :

a)-  MeTHF : agrosolvant :

-    Solvant issu d’agroressources  (ici la canne à sucre).

b)-  Pétrosolvant :

-    Un Pétrosolvant est un solvant issu du pétrole.

2)- Commentaires :

-    Le MeTHF n’irrite pas les voies respiratoires à l’inverse du THF.

-    Mais les deux produits présentent des risques analogues

-    (inflammables et irritation des yeux).

3)- Les principes :

    La chimie verte est fondée sur 12 principes :

-    1. Limiter la pollution à la source,

-    2. Économiser les atomes,

-    3. Travailler avec des conditions opératoires sûres,

-    4. Concevoir des produits sûrs,

-    5. Rechercher des solvants alternatifs,

-    6. Économiser l’énergie,

-    7. Privilégier les ressources renouvelables,

-    8. Réduire les déchets,

-    9. Préférer les réactions catalysées,

-    10. Concevoir les produits dégradables,

-    11. Analyser en temps réel pour prévenir la pollution,

-    12. Réduire les risques accidents.

-    La sécurité est légèrement améliorée si on utilise le MeTHF à la place du THF, de plus , le MeTHF réduit les étapes d’extraction: (principe N° 4 concevoir des produits sûrs et principe N° 12 réduire les risques d’accidents).

-    Si on utilise le MeTHF à la place du THF, le volume de solvant utilisé est réduit  et on utilise une ressource renouvelable (principes N° 5, 7 et 8).

 

III- Exercice 8 page 452 : limiter les sources de pollution.

 

Lorsque les pommes de terre atteignent un certain stade de développement, elles émettent une substance baptisée solanoéclepine A.

Dans le sol, les larves de nématodes réagissent à ce signal pour dévorer les tubercules. Habituellement, ces insectes parasites sont combattus avec des pesticides chimiques.

Le professeur Henk HEIMSTRA de l’université d’Amsterdam développe un procédé alternatif : pulvériser la solanoéclepine de synthèse avant la plantation de pommes de terre, afin de réveiller prématurément les larves de nématodes. Ne trouvant rien à manger, elles meurent de faim. La plantation peut ensuite être effectuée.

1)- Citer les dangers liés à l’usage des pesticides.

2)- Pourquoi le procédé alternatif utilisé se place-t-il dans le cadre de la chimie verte ?

 

1)- Dangers liés à l’usage des pesticides :

-    L’utilisation des pesticides dans les espaces verts, dans les jardins présente des risques importants pour notre santé et notre environnement.

-    L’épidémiologie nous montre ainsi que les personnes exposées aux pesticides ont plus de risque de développer de nombreuses maladies que les autres :

-    Risques de cancer, malformations congénitales, infertilités, problèmes neurologiques, système immunitaire affaibli.

-    Dégradation de la qualité des eaux

2)- Procédé dans le cadre de la chimie verte :

-    Ce procédé respecte les principes de la chimie verte N° 1, 3,8 et 10.

-    1. Limiter la pollution à la source,

-    3. Travailler avec des conditions opératoires sûres,

-    8. Réduire les déchets,

-    10. Concevoir les produits dégradables,

 

IV- Exercice 9 page 453 : réduire l’émission de gaz à effet de serre.

 

Les experts du GIEC s’accordent sur la nécessité de maintenir la hausse de la température de la planète en dessous de + 2 °C par rapport à l’ère pré-industrielle (1850-1899). La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) implique des mesures énergétiques, industrielles, etc., mais aussi un changement de notre mode de vie comme l’indique le graphique suivant.

 

1)-  

a)-  Qu’est-ce que le GIEC ?

b)-  Sur le graphique, la masse des GES émis est exprimée en CO2 éq. Qu’est-ce que cela signifie ?

2)- Quelles semblent être les mesures les plus efficaces pour réduire l’émission de GES.

3)-  

a)-  Que sont les puits de carbone forestiers ?

b)-  En 2050, de quelle masse pourrait-on réduire les émissions de GES par captage-stockage du dioxyde de carbone ?

 

1)- Le GIEC :

-    Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

-    Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) a été créé en 1988 par deux institutions des Nations unies : l’Organisation météorologique mondiale (OMM) et le Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE).

-    Le GIEC a pour mandat d’évaluer, sans parti pris et de manière méthodique et objective, l’information scientifique, technique et socio-économique disponible en rapport avec la question du changement du climat.

2)- CO2 éq :

-    Le CO2 éq désigne le potentiel de réchauffement global (PRG) d'un gaz à effet de serre (GES), calculé par équivalence avec une quantité de CO2 qui aurait le même PRG.

-    La durée de vie du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est estimée à environ 100 ans.

-    Son PRG vaut exactement 1 puisque ce gaz est l’étalon de base.

-    Le tableau ci-dessous résume les durées de vie et PRG des GES les plus courants.

Gaz

Durée de

vie en ans

PRG

Échelle considérée

 

 

20 ans

100 ans

500 ans

Méthane

12

72

25

7,6

Oxyde nitreux

114

289

298

153

Tétrafluorure

de carbone

50000

5 210

7 390

11 200

Trifluorure

de méthane

260

9 400

12 000

10 000

Hexafluorure

de soufre

3200

15 100

22 200

32 400

3)-  

a)-  Les puits de carbone forestiers :

-    Un puits de carbone ou puits CO2 est un réservoir, naturel ou artificiel, de carbone qui absorbe le carbone de l'atmosphère et donc contribue à diminuer la quantité de CO2 atmosphérique.

-    Les puits de carbone  forestiers : les forêts permettent une séquestration optimale et naturelle du dioxyde de carbone.

 

b)-  Réduction des émissions de GES par captage-stockage du dioxyde de carbone :

-    Exploitation graphique :

 

-    La diminution de CO2 éq est de l’ordre de 10 gigatonnes.

 

V- Exercice 11 page 453 : recycler les déchets.

 

 Le polychlorure de vinyle est un polymère plastique fabriqué à partir du chlorure de vinyle :

CH2 = CHCl  

Industriellement, le chlorure de vinyle est obtenu par chloration de l’éthylène (éthène) selon les réactions d’équations :

 

 

FeCl3

 

 

CH2 = CH2

+ Cl2

ClCH2CH2Cl

(1)

 

 

Craquage

Thermique

 

 

ClCH2CH2Cl

CH2 = CHCl + HCl

(2)

 

500 °C

30 bar

 

 

En présence de dioxygène et de chlorure d’hydrogène, une autre réaction peut se produire :

 

 

CuCl2

 

 

2 CH2 = CH2

+ 2 HCl + O2

2 CH2 = CHCl + 2 H2O

(3)

1)- Quel est le rôle des chlorures de fer et de cuivre ?

2)-  

a)-  Quel intérêt les industriels ont-ils à mettre en œuvre, en plus des réactions (1) et (2), la réaction (3) ?

b)-  Pourquoi cette démarche s’inscrit-elle dans le cadre d’une chimie durable ?

 

1)- Rôle des chlorures de fer et de cuivre :

-    Les chlorures de fer et de cuivre sont des catalyseurs.

2)-  

a)-  Intérêt des industriels  à mettre en œuvre, en plus des réactions (1) et (2), la réaction (3) :

-    Ceci permet d’utiliser le chlorure d’hydrogène qui est un produit indésirable de la réaction (2).

-    La réaction (3) entraîne une augmentation du rendement global.

b)-  La démarche s’inscrit dans le cadre d’une chimie durable :

-    Les principes de la chimie verte respectées sont :

-    Principe N°1 : Limiter la pollution à la source.

-    Principe N°2 : Économiser les atomes.

-    Principe N°6 : Économiser l’énergie.

-    Principe N°8 : Réduire les déchets.

 

VI- Exercice 12 page 454 : privilégier les ressources naturelles.

 

Le polychlorure de vinyle est largement utilisé comme revêtements des sols, emballages, canalisations d’eau, etc.

Il est synthétisé à partir du chlorure de vinyle CH2 = CHCl, lui-même obtenu par chloration de l’éthène (éthylène)  CH= CH2 par le dichlore Cl2.

L’éthène peut être obtenu soit à partir du pétrole, soit par déshydratation du bioéthanol C2H5OH issu de la canne à sucre.

Le PVC biosourcé, nommé bioPVC, et celui obtenu à partir du pétrole ne sont pas biodégradables.

Le groupe chimique belge SOLVAY a implanté au Brésil, une usine de production sur des terres où la culture de la canne à sucre, comme matière première, n’entre pas en compétition avec celle à usage alimentaire et crée plus d’emplois que d’autres cultures.

1)- Qu’est-ce qu’une matière biosourcée ? Est-elle nécessairement biodégradable ?

2)-  

a)-  Les propriétés chimiques et physiques du PVC biosourcé et de celui fabriqué à partir du pétrole sont-elles identiques ?

b)-  Que peut-on penser de la phrase en italique ? Quelle solution alternative au PVC pourrait-on envisager ?

3)- La balance GES de la production d’éthanol à partir de la canne à sucre et du pétrole est donnée ci-après :

 

Émission totale de dioxyde de carbone pour la production de PVC, sur l’ensemble du procédé (électrolyse, transport, etc.).

a)-  Expliquer la présence du cylindre bleu, puis commenter le graphique.

b)-  Montrer, à l’aide d’exemples, que le procédé bioPVC s’inscrit dans une perspective de chimie durable.

4)- La chloration de l’éthène conduit au 1,2-dichloroéthane. Chauffé à haute température et sous pression, ce dernier produit le chlorure de vinyle et un sous-produit A.

a)-  Écrire l’équation de la chloration de l’éthène par le dichlore.

b)-  À quelle famille de réaction appartient cette étape de chloration ?

c)-  Identifier A. Constitue-t-il nécessairement un déchet ?

 

1)- Matière biosourcée et biodégradabilité :

-    Matière biosourcée : une matière issue de la biomasse végétale.

-    Un matériau plastique biosourcé est obtenu à partir de ressources renouvelables.

-    Le terme « biosourcé » est donc relatif à l’origine de la matière première et il est important de noter qu’un plastique biosourcé n’est pas nécessairement biodégradable ou compostable.

-    De même, un plastique biodégradable n’est pas nécessairement issu de ressources renouvelables.

2)-  

a)-  Propriétés chimiques et physiques du PVC biosourcé et de celui fabriqué à partir du pétrole :

-    Les propriétés chimiques et physiques du PVC biosourcé et de celui fabriqué à partir du pétrole sont identiques.

b)-  Phrase en italique :

-    Le PVC biosourcé, nommé bioPVC, et celui obtenu à partir du pétrole ne sont pas biodégradables.

-    Étant non biodégradable, le PVC va agir sur l’environnement.

-    Il faut envisager de fabriquer des matières plastiques biodégradables.

3)-  

a)-  Le graphique :

-    La canne à sucre absorbe du CO2 pour la photosynthèse.

-    La balance est favorable au PVC biosourcé (le procédé absorbe plus de dioxyde de carbone qu’il n’en émet).

b)-  La chimie durable :

-    Les trois piliers : social, environnemental et économique

-    La chimie durable s’inscrit dans une logique de développement durable. Sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique :

-    Économiser et partager les ressources de manière équitable

-    Utiliser des technologies qui polluent moins et consomment moins d’énergie.

-    Développer des procédés suffisamment efficaces et rentables.

-    Social : permettre l’accès aux soins à toutes les populations.

-    Environnemental : privilégier les ressources naturelles pour fabriquer les médicaments, utiliser le plus possibles les procédés qui limitent la pollution.

-    Économique : permettre l’essor de nouvelles technologies économiquement rentables.

-    Dans le cadre de la production de bioPVC, les trois piliers de la chimie durable sont concernés :

-    Environnement : balance GES favorable.

-    Social : pas de compétition avec la nourriture.

-    Économique : création d’emplois.

4)-  

a)-  Équation de la chloration de l’éthène par le dichlore :

-     Première étape : Équation de chloration de l’éthène

 

 

FeCl3

 

 

CH2 = CH2

+ Cl2

ClCH2CH2Cl

(1)

-    Deuxième étape : Craquage thermique :

 

Craquage

Thermique

 

 

ClCH2CH2Cl

CH2 = CHCl   +    HCl

(2)

 

500 °C

30 bar

Chlorure de vinyle       A

 

b)-  Réaction de chloration :

-    Étape (1) : chloration de l’éthène : réaction d’addition

-    Étape (2) : Craquage catalytique : réaction d’élimination

c)-  Identification de A :

-    Lors de l’étape (2) : Craquage catalytique : réaction d’élimination

-    Le produit A est du chlorure d’hydrogène.

-    Il peut être utilisé industriellement : on peut recycler le chlorure d’hydrogène obtenu.

-    En présence de dioxygène et de chlorure d’hydrogène, une autre réaction peut se produire avec l’éthène :

 

 

CuCl2

 

 

2 CH2 = CH2

+ 2 HCl + O2

2 CH2 = CHCl + 2 H2O

(3)

-    Cette réaction permet d’utiliser le chlorure d’hydrogène obtenu lors de l’étape (2).

 

VII- Exercice 13 page 454 : capter le dioxyde de carbone.

 

La combustion en boucle chimique (ou chimical looping combustion CLC) est une technique de traitement en oxycombustion qui convertit initialement les combustibles fossiles en dioxyde de carbone et vapeur d’eau, facilement séparable par refroidissement. Aucune autre espèce carbonée n’est produite, contrairement à une combustion classique.

Le procédé consiste à oxyder à l’air un métal réducteur pour le réduire ensuite en présence d’un combustible :

Lors de la première étape, la température atteinte (autour de 1000 °C) ne permet pas la formation d’oxydes d’azote NOx gaz à effet de serre indirect. L’air chaud dégagé peut servir à la production d’énergie électrique par l’intermédiaire d’une turbine à gaz.

L’énergie thermique, produite lors de la deuxième étape, est également récupérée.

L’efficacité d’une centrale fonctionnant en CLC est très élevée.

1)- Pourquoi qualifie-t-on ce procédé d’oxycombustion ?

2)-  

a)-  En notant M le métal et MO son oxyde, écrire l’équation d’oxydation du métal M par le dioxygène.

b)-  Écrire l’équation de la réduction de l’oxyde métallique MO par le méthane CH4 sachant que le métal M est régénéré.

c)-  Montrer que la somme de ces deux équations est équivalente à une équation de la combustion du méthane dans le dioxygène.

d)-  Lors d’une combustion classique, quelles autres espèces carbonées peuvent être produites ? Justifier alors l’intérêt de l’oxycombustion.

3)- Comment le dioxyde de carbone est-il récupéré ?

4)-  

a)-  D’où pourraient provenir les oxydes d’azote NOx dont il est question dans le texte ?

b)-  Pourquoi sont-ils qualifiés de gaz à effet de serre indirect ?

5)- Dans le cadre de la chimie verte, expliquer pourquoi cette technique est un gain en termes d’énergie.

 

1)- Oxycombustion :

-    Le préfixe « Oxy » est utilisé pour oxydation. La réaction est une oxydation.

2)-  

a)-  Équation d’oxydation du métal M par le dioxygène :

2 M (s)

+ O2 (g)

2 MO (s)

(1)

b)-  Équation de la réduction de l’oxyde métallique MO par le méthane CH4 :

4 MO (s)

+ CH4 (g)

4 M (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g)

(2)

c)-  Bilan des deux réactions :

2 (2 M (s)

+ O2 (g)

2 MO (s))

(1)

4 MO (s)

+ CH4 (g)

4 M (s) + CO2 (g) + 2 H2O (g)

(2)

----------------------------------------------------------------------------

CH4 (g)

+ 2 O2 (g)

CO2 (g) + 2 H2O (g)

(3)

-    Le bilan de la réaction correspond à la combustion complète du méthane dans le dioxygène.

d)-  Autres espèces carbonées qui peuvent être produites :

-    Si la combustion est incomplète, on peut avoir la formation de monoxyde de carbone CO (g) et de carbone C (s)au cours de la réaction.

-    Ceci n’est pas possible avec une oxycombustion.

-    Avec une oxycombustion, il y a moins de pollution.

3)- Récupération du dioxyde de carbone :

-    Il est récupéré par refroidissement.

-    Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau, sont facilement séparables par refroidissement.

4)-  

a)-  Provenance des oxydes d’azote NOx :

-    Ils proviennent du diazote N2 (g) de l’air.

b)-  Gaz à effet de serre indirect :

-    Les gaz à effet de serre indirect, tels que le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) autres que le méthane, absorbent faiblement les IR, mais favorisent la formation de gaz à effet de serre comme le méthane (CH4).

-    Ce sont des gaz responsables de la formation de gaz à effet de serre.

5)- Gain en termes d’énergie :

-    Les principes respectés :

-    Principe N°1 : Limiter la pollution à la source.

-    Principe N°6 : Économiser l’énergie.

-    Principe N°8 : Réduire les déchets.

-    Dans le texte de l’énoncé de l’exercice :

-    L’air chaud dégagé peut servir à la production d’énergie électrique par l’intermédiaire d’une turbine à gaz.

-    L’énergie thermique, produite lors de deuxième étape, est également récupérée.

-    L’efficacité d’une centrale fonctionnant en CLC est très élevée.

 

VIII- Exercice 15 page 455 : valoriser les déchets.

L’épichlorhydrine est utilisée majoritairement dans la production de résines époxydes à la base de peintures, d’adhésifs, etc.

Cette molécule peut être synthétisée à partir du propène issu du vapocraquage du pétrole selon les réactions d’équations :

 

L’industrie oléochimique produit des quantités surabondantes de glycérol :

Son coût de revient est relativement faible.

Molécule d’épichlorhydrine en 3D

Aujourd’hui, grâce à la technologie Epicerol®, brevetée par le groupe chimique belge SOLVAY,

l’épichlorhydrine peut être fabriquée à partir du glycérol biosourcé :

 Les dangers associés à l’épichlorhydrine :

 

ÉPICHLORHYDRINE

1)- Pourquoi cherche-t-on à remplacer le procédé de synthèse à partir du propène ?

2)-  

a)-  Pourquoi le procédé Epicerol® s’inscrit dans une démarche de chimie durable ?

b)-  En s’aidant du tableau des dangers associés à l’épichlorhydrine, doit-on nuancer la réponse à la question 2)- a)- ?

3)- À quelle famille de réactions appartient la réaction (2) ?

 

1)- Procédé de synthèse à partir du propène :

-    Le propène est issu du vapocraquage du pétrole.

-    Il est plus cher que le glycérol qui est un sous-produit de la saponification  et il est issu de matières premières fossiles épuisables.

2)-  

a)-  Démarche de chimie durable pour le procédé Epicerol® :

-    Les trois piliers : social, environnemental et économique

-    La chimie durable s’inscrit dans une logique de développement durable. Sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique.

 Le procédé utilise du glycérol renouvelable à la place de propène d’origine fossile. Il contribue à l’économie de ressources fossiles :

-    Ceci est en accord avec le principe N° 7 de la chimie durable :

-    Principe N° 7 : Privilégier les ressources renouvelables.

 Le procédé présente une meilleure  économie du nombre de molécules utilisées :

-    Ceci est en accord avec le principe N° 2 : Économiser les atomes.

 La production de sous-produits et résidus est réduite :

-    Ceci est en accord avec le principe N° 8 : Réduire les déchets.

 Il économise l’énergie :

-    Ceci est en accord avec le principe N° 6 : Économiser l’énergie

b)-  Dangers associés à l’épichlorhydrine :

-    Le principe N° 4 n’est pas respecté : Concevoir des produits sûrs.

-    L’épichlorhydrine est un produit toxique.

3)- La réaction  (2) :

 

-    La réaction (2) est une réaction d’addition.

-    Dans une réaction d’addition, des atomes, ou groupes d’atomes, sont ajoutés aux atomes d’une liaison multiple.

 

IX- Exercice 16 page 456 : limiter l’usage des solvants.

 

Le benzile est utilisé comme réactif en synthèse organique.

Il est préparé par oxydation de la benzoïne :

 

Protocole 1 :

*  Dans un ballon tricol, on chauffe à reflux à 100 °C, pendant une heure et demi, 6,0 g de benzoïne, 45 mL d’acide nitrique concentré HNO3, 30 mL d’acide acétique pur utilisé comme solvant.

-    Un dégagement de dioxyde d’azote NO2 a lieu. Ce gaz est piégé par un système approprié. Ube fois la réaction terminée, on ajoute 150 mL d’eau froide.

-    Un précipité jaune se forme.

-    Après filtration et purification, on obtient 4,5 g de benzile.

 Protocole 2 :

*  Dans un mortier, on mélange intimement 1,0 g de benzoïne, 4 g de poudre d’argile, 0,5 g de dioxyde de manganèse MnO2.

-    Après chauffage du mélange solide au four micro-ondes pendant 2 min, le benzile est extrait à l’éthanol.

-    Après évaporation et purification, on obtient 0,7 g de cristaux jaunâtres de benzile.

1)- Justifier l’utilisation du chauffage à reflux dans le protocole1 et la nécessité de mélanger intimement les réactifs dans le protocole 2.

2)-  

a)-  Quels sont les oxydants dans chaque synthèse ?

b)-  Écrire la demi-équation de l’oxydation de la benzoïne en benzile.

3)- Commenter le tableau suivant :

Acide nitrique

 

 

H272 : Peut aggraver un incendie

H314 : Provoque de graves brûlures

de la peau et des lésions oculaires.

Acide acétique

 

 

H226 : Liquides et vapeurs inflammables.

H314 : Provoque de graves brûlures

de la peau et des lésions oculaires.

Dioxyde d’azote

  

 

H314 : Provoque de graves brûlures

de la peau et des lésions oculaires.

H330 : Mortel par inhalation.

Dioxyde de manganèse

 

 

H302 : Nocif en cas d’ingestion.

H332 : Nocif par inhalation.

Éthanol

 

 

H225 : Liquide et vapeurs

très inflammables.

4)- Dans les deux cas, le réactif limitant est la benzoïne. Calculer le rendement de chacune des réactions.

5)- Pourquoi le protocole 2 s’inscrit-il dans le cadre d’une chimie verte et non le protocole1 ?

 

1)- Utilisation du chauffage à reflux dans le protocole1 et mélange intime pour le protocole 2 :

 Utilisation du chauffage à reflux dans le protocole1 :

-    On obtient un mélange homogène dont l’acide acétique est le solvant.

-    On peut porter le mélange réactionnel à ébullition sans perte de matière grâce à ce dispositif.

-    Le fait de travailler à température élevée (pratiquement la température d’ébullition du solvant) permet d’augmenter la vitesse de la réaction chimique.

 Mélange intime pour le protocole 2 :

-    On est en présence de réactifs à l’état solide finement divisés (poudre).

-    On les mélanges intimement pour accroître la surface de contact entre les différents réactifs. Ainsi on augmente la vitesse de la réaction chimique.

2)-  

a)-  Les oxydants dans chaque synthèse :

-    Protocole 1 : l’oxydant est le l’acide nitrique concentré HNO3.

-    Au cours de la réaction, il se forme du dioxyde d’azote (vapeurs rousses) NO(g).

-    Protocole 2 : L’oxydant est le dioxyde de manganèse MnO2.

b)-  Demi-équation de l’oxydation de la benzoïne en benzile :

 

3)- Commentaires du tableau :

-    Les réactifs et produits du protocole 1 sont plus dangereux que ceux du protocole 2.

4)- Rendement de chacune des réactions :

        Protocole 1 :

-    Le réactif limitant est la benzoïne.

-    En conséquence, le rendement se calcule à partir de ce réactif.

-    Masse molaire de la benzoïne : M (C14H12O2) = 212 g / mol

-    Quantité de matière de benzoïne :

-     

-    Quantité de matière maximale de benzile attendu nmax:

-    nmax = n1 ≈ 4,7 x 10–3  mol

-    Quantité de matière de benzile que l’on a effectivement obtenu :

-     

-    Rendement du protocole 1 :

-    Le rendement d’une synthèse, noté ρ, est égal au quotient de la quantité de produit obtenu nexp, par la quantité maximale de produit attendu nmax.

-     

        Protocole 2 :

-     

-    Quantité de matière maximale de benzile attendu nmax:

-    nmax = n1 ≈ 2,8 x 10–2  mol

-    Quantité de matière de benzile que l’on a effectivement obtenu :

-     

-    Rendement du protocole 2 :

-     

5)- Protocoles et chimie verte :

-    Le protocole 2 utilise moins d’énergie que le protocole 1 :

-    Protocole 1 :

-    Chauffage à reflux à 100 °C, pendant une heure et demie.

-    Protocole 2 :

-    Chauffage du mélange solide au four micro-ondes pendant 2 min.

-    Le rendement est sensiblement le même pour les deux protocoles.

-    Le principe N° 06 est respecté pour le protocole 2.

-    Principe N° 06 : Économiser l’énergie.

-    Les réactifs sont moins dangereux pour le protocole 2 que pour le protocole 1.

-    Le principe N° 12 est respecté pour le protocole 2.

-    Principe N° 12 : Réduire les risques accidents.

-    Pour le protocole 2, on n’utilise pas de solvant.

-    Le principe N° 08 est respecté : Réduire les déchets.