Chimie N° 09 :

Estérification et Hydrolyse

Cours

 

   


I - Étude expérimentale.

1)- Vérification de la concentration de la solution de soude.

2)- Le dosage de l’acide éthanoïque restant.

3)- Le graphe.

4)- QCM :

II - Les caractéristiques de la réaction d'estérification et d'hydrolyse.

III - Estérification et hydrolyse: équilibre chimique.

1)- L'état d'équilibre.

2)- Le déplacement d'équilibre.

3)- Influence de la nature des réactifs.

4)- Influence de la température et du catalyseur.

 

I- Étude expérimentale. Exploitation du TP chimie N° 9.

 

1)-  Vérification de la concentration de la solution de soude.

    Équation bilan de la réaction de dosage :

-    Cette réaction fait intervenir une base forte, la soude et un acide faible, l’acide éthanoïque :

CH3COOH  +  OH  →  CH3COO +  H2O

 

-    Constante d’équilibre de la réaction :

-     

-    La réaction est quasi-totale car KR > 104

    Quantité de matière d’acide éthanoïque utilisé : nA

-    Masse molaire de l’acide éthanoïque : MA = 60,05 mol . L–1

-    On a utilisé un volume VA = 5,75 mL d’acide éthanoïque à 99,5%
et de densité d1 = 1,05

-    Masse de solution utilisée :

-    m = V1 . m

-    m = V1 . m0 . d1

-    Masse d’acide éthanoïque présent :

-    mA = m . P1%

-    mA = V1 . m0 . d1 . P1%

-    Quantité de matière d’acide éthanoïque :

-     

-         À l’équivalence, les réactifs ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques.

-         En conséquence :

-        

-    Volume de solution de soude versé à l’équivalence V2 = 20,5 mL

-    Valeur de concentration CB de la solution de soude servant pour le titrage.

-    Application numérique :

-   

-    À l'équivalence, l'espèce majoritaire est CH3COO (base faible) et pH > 7.

-    Le domaine de virage de l'hélianthine se situe au-dessous de pH = 7,

-    Le domaine de virage de de la phénolphtaléine est au-dessus de pH = 7.

 

2)-  Le dosage de l’acide éthanoïque restant.

-    Quantité de matière d’acide éthanoïque initialement présent dans l’erlenmeyer :

-     

-    Application numérique :

-     

-    Quantité de matière de butan-1-ol initialement présent dans l’erlenmeyer :

-     

-    Application numérique :

-     

-    On a réalisé un mélange équimolaire d’alcool et d’acide carboxylique.

-  Les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques.

-    On effectue la trempe pour stopper la réaction d’estérification en agissant sur la température du milieu réactionnel qui est un facteur cinétique.

-    Quantité d’acide éthanoïque initialement présent dans un tube à essais :

-    Volume total de la solution :

-    V = V3 + V4

-    V ≈ 57,5 + 92,0

-    V ≈ 149,5 mL

-    Il y a 10 mL de solution dans chaque tube à essais :

-    Quantité de matière d’acide éthanoïque présente à la date t :

-    nA = CA . VA

-    Quantité de matière d’ester formée au temps t :

 

RCOOH

+

R’OH

RCOOR’

+

H2O

t = 0 s

n0A

 

n0A

 

0

 

0

t > 0 s

nA = n0A nE

 

nA = n0A nE

 

nE

 

nE

-         Tableau :

Temps 

en min

Volume

de

 soude

versée

acide éthanoïque

 restant

dans un tube

à essais

Ester formé

dans

un tube à essais

acide éthanoïque

 restant

ramené

à une mole

Ester formé

ramené

à une mole

 t min

VB

en mL

nA

en mol

nE

en mol

n'A

en mol

n'E

en mol

0

13.70

0.067

0.0000

1.003

0.000

2

13.00

0.063

0.003

0.948

0.052

4

12.35

0.060

0.007

0.901

0.099

6

11.75

0.057

0.010

0.857

0.143

8

11.20

0.055

0.012

0.817

0.183

10

10.70

0.052

0.015

0.781

0.219

15

9.55

0.047

0.020

0.697

0.303

20

8.65

0.042

0.025

0.631

0.369

25

7.90

0.039

0.028

0.576

0.424

30

7.30

0.036

0.031

0.533

0.467

35

6.80

0.033

0.034

0.496

0.504

40

6.40

0.031

0.036

0.467

0.533

45

6.10

0.030

0.037

0.445

0.555

50

5.80

0.028

0.039

0.423

0.577

60

5.40

0.026

0.041

0.394

0.606

70

5.10

0.025

0.042

0.372

0.628

80

4.90

0.024

0.043

0.357

0.643

90

4.80

0.023

0.043

0.350

0.650

100

4.70

0.023

0.044

0.343

0.657

120

4.60

0.022

0.044

0.336

0.666

 

 

 

 

 

 

 

Tube A

VB = 13,2 mL

 

Température :    70 °C

 

Tube B

VB = 7,8 mL

 

 

 

 

 

 

 

-    Taux d’estérification : le taux limite d’estérification est donné par la relation

-     

-    Rendement de la réaction

-     

-    ρ ≈ 67 %  

La réaction est donc limitée, il y a coexistence dans la même solution des réactifs et des produits.

Le système n’évoluant plus dans le temps, cet état est caractéristique d’un équilibre chimique.

-    Rôle des tubes A et B :

-    les tubes A et B ont été laissés à la température ambiante.

-    Le tube B contient en outre de l’acide sulfurique.

-    Tube A :   

-    Tube B : 

 

-    À température ambiante, la réaction d’estérification est très lente.

-    L’acide sulfurique est un catalyseur de la réaction d’estérification.

3)-  Le graphe.

-    Les courbes nA = f (t) et nE = g (t)

 

 

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-    nA = f (t) est une fonction décroissante du temps et nE = g (t) est une fonction croissante du temps.

-    La réaction d’estérification étant limitée, il existe une réaction inverse qui est la réaction d’hydrolyse d’un ester.

-    C’est aussi une réaction limitée.

-    Donner les caractéristiques de chaque courbe obtenue. En déduire les caractéristiques de la réaction étudiée.

-    Formule semi-développée de chaque molécule et classe de l’alcool utilisé :

-    Cette réaction fait intervenir l’acide éthanoïque et le butan-1-ol qui est un alcool primaire.

-    Acide éthanoïque : CH3 COOH

-    Butan-1-ol : CH3CH2 – CH2 – CH2 – OH  Alcool primaire.

-    Fonctions organiques rencontrées :

-    Fonction acide carboxylique :

-    Fonction alcool :

-    Réaction d’estérification et réaction d’hydrolyse :

 

 

 

 

Estérification

 

 

 

 

RCOOH

+

R’OH

1 →

← 2

RCOOR’

+

H2O

 

 

 

 

Hydrolyse

 

 

 

t = 0 s

1

 

1

 

0

 

0

t > 0 s

0,33 mol

 

0,33

 

0,67

 

0,67

-    Augmentation la vitesse de la réaction d’estérification ou d’hydrolyse :

-    Pour augmenter la vitesse de la réaction, on peut augmenter la température du milieu réactionnel et utiliser un catalyseur.

-    Le catalyseur agit aussi bien sur la vitesse de la réaction d’estérification ou d’hydrolyse.

-    Il n‘agit pas sur la limite de la réaction.

-    Le catalyseur utilisé ici est l’acide sulfurique en conséquence les ions H3O+.

-    Le catalyseur ne modifie pas la limite d’estérification.

-    Amélioration le rendement de la réaction :

-    Pour améliorer le rendement de la réaction, il faut déplacer l’équilibre dans le sens 1 ou 2.

-    Pour déplacer l’équilibre dans le sens 1, on peut utiliser un excès d’acide ou d’alcool.

-    Pour déplacer l’équilibre dans le sens 2, on peut utiliser un excès d’eau.

4)-  QCM.

QCM :

 Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

 

Énoncé

A

B

C

Réponse

1

Un catalyseur a

uneaction sur :

Sur la

cinétique

de la réaction

Sur l’état final

de la réaction

Sur les deux

A

2

Le rendement de la

réaction d’estérification

d’un alcool primaire est :

33%

67%

5%

B

3

La réaction d’hydrolyse

d’un ester est :

totale

lente

limitée

B et C

4

La réaction d’estérification

est :

exothermique

endothermique

athermique

C

II- Les caractéristiques de la réaction d'estérification et de la réaction d'hydrolyse.

 

La réaction d'estérification est une réaction lente, limitée et athermique.
Il en est de même de la réaction d'hydrolyse.

III- Estérification et hydrolyse : l'équilibre chimique.

 

1)- L'état d'équilibre.

- Les réactions d'estérification et d'hydrolyse sont des réactions inverses se produisant dans les mêmes conditions expérimentales. L'état final obtenu est le même que l'on parte d'un mélange équimolaire d'acide et d'alcool ou d'ester et d'eau.

- Dans l'état final, les proportions des différents composés n'évoluent plus au cours du temps. On est en présence d'un état d'équilibre. C'est un équilibre chimique dynamique. Les vitesses des deux réactions inverses sont égales et annulent ainsi leurs effets.

 

 

 

 

Estérification

 

 

 

 

RCOOH

+

R’OH

1 →

← 2

RCOOR’

+

H2O

 

 

 

 

Hydrolyse

 

 

 

2)- Le déplacement de l'équilibre.

a)- Influence de la quantité de réactifs.

-    Un apport d’acide ou d’alcool déplace l’équilibre dans le sens de l’estérification.

-    Le rendement de l’estérification est d’autant plus important que l’acide soit en excès par rapport à l’alcool ou inversement.

-    Si l’acide est en excès par rapport à l’alcool, c’est l’alcool qui limite la réaction.

-    Exemple : on mélange 5 moles d’acide avec 1 mole d’un alcool primaire.

-    Calculer le rendement de la réaction.

 

 

 

 

Estérification

 

 

 

 

RCOOH

+

R’OH

1 →

← 2

RCOOR’

+

H2O

 

 

 

 

Hydrolyse

 

 

 

t = 0 s

1

 

5

 

0

 

0

Équilibre

1 – n

 

5 – n

 

n

 

n

-    En conséquence :

-     

-    Il faut résoudre une équation du second degré :

-    On trouve n ≈ 0,94

-    On améliore le rendement de l’hydrolyse en ajoutant un excès d’eau (moins cher que l’ester).

b)- Autre façon d'améliorer le rendement de l'estérification.

-    Extraction de l’ester au fur et à mesure de sa formation.

-    Cette méthode est possible si la température d’ébullition de l’ester est nettement plus faible que celle de l’eau, de l’alcool et de l’acide présent.

-    Exemple : méthanol 65 °C, acide méthanoïque 101 °C, ester obtenu méthanoate de méthyle 31,5 °C.

-    Dans ce cas, on peut extraire l’ester par distillation.

-    Élimination de l’eau : cette méthode est souvent délicate.

-    On peut ajouter un produit avide d’eau.

3)- Influence de la nature des réactifs.

-    Le rendement de l’estérification dépend de la classe de l’alcool utilisé. Pour des mélanges équimolaires, le rendement est de :

-    67 % pour un alcool primaire

-    60 % pour un alcool secondaire

-    5 % pour un alcool tertiaire.

4)- Influence de la température et du catalyseur.

-    Pour que l’équilibre soit atteint plus rapidement, il est nécessaire de chauffer pour augmenter la vitesse de la réaction

-  (aussi bien l’estérification que l’hydrolyse) et d’utiliser un catalyseur : l’acide sulfurique.

-    Ceci ne modifie pas l’état d’équilibre.