11 Ester Correction

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

SYNTHESE D'UN ESTER: l'éthanoate de 3-méthylbutyle I. LES ESTERS 1) Réaction d'estérification 2) Rendement

II. SYNTHESE D'UN ESTER AVEC MONTAGE A REFLUX 1) Expérience Matériel: - montage à reflux: pied élévateur, chauffe-ballon, ballon, réfrigérant vertical - 8,0 mL de 3-méthylbutan-1-ol pur (attention !) - 10,0 mL d'acide éthanoïque pur (attention !) - acide paratoluène sulfonique (solide) - pierre ponce - solution de chlorure de sodium saturée - solution d'hydrogénocarbonate de sodium - sulfate de magnésium anhydre - erlenmeyer 250 mL - éprouvette graduée 100 mL - 3 pôts en verre - spatule métallique - ampoule à décanter avec support

acide paratoluène sulfonique (solide blanc) 10,0 mL d'acide éthanoïque pur incolore 8,0 mL de 3-méthylbutan-1-ol pur incolore

Remarque: l'acide paratoluène sulfonique est un acide totalement dissocié en solution: il donne donc des ions H+. Il remplace avantageusement l'acide sulfurique (généralement utilisé comme catalyseur) en évitant la carbonisation de l'ester pendant le chauffage.

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

Condensation des vapeurs formées sur les parois froides du réfrigérant

Ebullition douce du mélange réactionnel

a)

Schéma du montage à reflux: Sortie eau tiède

Réfrigérant

Entrée eau froide

Ballon Mélange réactionnel: - 8,0 mL de 3-méthylbutan-1-ol pur - 10,0 mL d'acide éthanoïque pur - acide paratoluène sulfonique (solide) - pierre ponce

Chauffe ballon Pied élévateur

Montage à reflux b) On chauffe le mélange réactionnel car la réaction d'estérification est lente. La température est un facteur cinétique: elle permet d'accélérer la réaction. Remarque: le chauffage ne modifie pas la composition du mélange réactionnel lorsque l'équilibre est atteint mais il permet de l'atteindre plus rapidement. c) Le réfrigérant à eau (condenseur) permet de condenser les vapeurs formées au cours de l'ébullition. En son absence, les vapeurs formées seraient perdues dans l'air environnant: le rendement de l'estérification en serait grandement affecté. On parle de montage "à reflux" car les vapeurs condensées retombent (refluent) sous forme de gouttelettes vers le mélange réactionnel.

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

d) Equation de la synthèse de cet ester en utilisant les formules semi-développées: O CH3

C

O

OH

+ CH3  CH  CH2  CH2  OH = CH3  CH3

acide éthanoïque

e)

3-méthylbuthan-1-ol

C

O  CH2  CH2  CH  CH3  CH3

éthanoate de 3-méthylbutyle

+ H 2O

eau

tableau d'avancement de la réaction:

EI En cours EF

acide no no - x no - xf

+

alcool n1 n1- x n1- xf

=

ester 0 x xf

+

eau 0 x xf

Remarque: les réactifs sont purs donc ils ne contiennent pas d'eau (pas de solution aqueuse). L'eau est ici un produit de la réaction et non le solvant. L'eau est un produit au même titre que l'ester: la colonne "eau" ne contient pas le terme "excès". Quantité initiale d'acide: no =

mo µo × Vo 1, 05 × 10, 0 = = = 0,175 mol Mo Mo 60, 0

m1 µ1 × V1 0, 81 × 8, 0 = = = 0,074 mol M1 M1 88, 0 f) Dans le cas d'une réaction totale (xf = xmax ) , le réactif limitant est totalement consommé. Si l'acide est limitant alors: no - xmax = 0 ⇔ xmax = 0,175 mol ⇔ xmax = 0,074 mol Si l'alcool est limitant alors: n1 - xmax = 0 Le réactif limitant est celui qui a la plus petite valeur de xmax: l'alcool est le réactif limitant et xmax = 0,074 mol. Quantité initiale d'alcool: n1 =

f) Dans le cas d'une réaction totale, nmax(ester) = xmax = 0,074 mol. La masse théorique d'ester que l'on pourrait obtenir est alors: mmax(ester) = nmax(ester) × M(ester) = 0,074 × 130 = 9,6 g.

III. EXTRACTION DE L'ESTER FORME 1) Relargage et décantation Au bout de 30 min, arrêter le chauffage et descendre de quelques cm le chauffe ballon. Laisser refroidir le ballon à l'air quelques minutes en laissant la circulation d'eau. (Attention le ballon est brûlant !). • Retirer le ballon et y ajouter environ 50 mL de solution saturée de chlorure de sodium (Na+ (aq), Cl- (aq)). Cette opération est appelée relargage. Agiter.

50 mL d'une solution de chlorure de sodium saturée Mélange réactionnel

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

Le mélange réactionnel est nettement séparé en deux phases distinctes

Après relargage • Placer le mélange dans une ampoule à décanter (ne pas introduire les grains de pierre ponce et faire remonter les éventuelles bulles).

Phase organique: - ester (majoritairement): d = 0,87 - alcool (minoritairement): d = 0,81 ( traces d'acide éthanoïque et d'eau)

Phase aqueuse: - ions (Na+(aq) , Cl- (aq) , H+ (aq) …) - acide éthanoïque en excès - eau

a) Voir photo. b) Le relargage permet de bien séparer les deux phases du mélange réactionnel: une phase aqueuse et une phase organique. En effet, l'ester qui est peu soluble dans l'eau, l'est encore moins dans une solution ionique (voir tableau). c) La phase aqueuse contient toutes les espèces chimiques solubles dans l'eau: les ions (Na+(aq) , Cl- (aq), H+ (aq) …) et l'acide éthanoïque en excès qui n'a pas réagi. La phase organique contient toutes les espèces chimiques insolubles dans l'eau: l'ester formé (majoritairement) et l'alcool qui n'a pas totalement réagi (car la réaction d'estérification est limitée). Elle contient aussi des traces d'acide éthanoïque et d'eau que nous allons ensuite éliminer. Les espèces chimique de la phase organique sont moins denses que l'eau: la phase organique est donc située au-dessus de la phase aqueuse.

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

Nom Acide éthanoïque 3-méthylbutan-1-ol Ethanoate de 3-méthylbutyle Ion CH3COO-

Masse molaire M en g.mol-1 60 88 130

Masse volumique µ en g.cm-3 1,05 0,81 0,87

Tebullition(°C) 118 128,5 142

Solubilité dans une solution ionique Grande Faible Très Faible Très Grande

• Elimination de la phase aqueuse:

Elimination de la phase aqueuse

Il reste la phase organique

2) Lavage dans une solution d'hydrogénocarbonate de sodium: NaHCO3 • Le relargage a permis d'éliminer la plus grande partie de l'acide éthanoïque du mélange réactionnel mais la phase organique en contient encore un peu. Ajouter lentement à la phase organique environ 50 mL d'une solution saturée d'hydrogénocarbonate de sodium jusqu'à la fin du dégagement de CO2. Ne pas boucher l'ampoule à décanter quand elle est droite et ouvrir le robinet quand elle est renversée pour l'agitation.

Ajout de 50 mL d'une solution d'hydrogénocarbonate de sodium à la phase organique

Après décantation

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

a) L'ion HCO3- est la base du couple (CO2, H2O / HCO3-). équation de la réaction entre l'ion hydrogénocarbonate et l'acide éthanoïque: CH3COOH + HCO3- (aq) = CH3COO- (aq) + CO2 (g) + H2O L'ion HCO3- (aq) réagit avec les traces d'acide éthanoïques restantes dans la phase organique: il conduit à la formation de gaz CO2 (d'où les bulles visibles lors de l'ajout) et d'ions CH3COO- (aq) solubles dans l'eau. On a ainsi lavé la phase organique des traces d'acide éthanoïque qu'elle contenait.

(g)

b) La phase aqueuse contient les ions: Na+ (aq), HCO3- (aq) (en excès) , CH3COO- (aq). La phase organique contient: l'ester (majoritairement), un peu d'alcool et des traces d'eau. • É1imination de la phase aqueuse (phase du bas):

3) Séchage et pesée • Recueillir la phase organique dans un petit pot en verre sec. • Ajouter une spatule de sulfate de magnésium anhydre en poudre. Agiter.

a) Le mot « anhydre » signifie littéralement "sans eau". Le rôle du sulfate de magnésium anhydre est d'éliminer les traces d'eau encore présentes dans la phase organique. Remarque: on obtient alors une phase organique limpide.

TS - TP Chimie n°11

Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org

En récupérant la phase organique dans un erlenmeyer sec et préalablement pesé, on obtient une masse: mexp(ester) = 6,7 g en supposant que toute la phase organique soit constituée d'ester.

b) Rendement de la réaction d'estérification:

ρ=

mexp (ester) 6,7 n f (ester) = = = 0,70 = 70 %. n max (ester) m max (ester) 9,6

La réaction n'est donc pas totale (car ρ < 100 %) , mais limitée. Remarque: le rapport des quantités initiales est ici de 2,4. Pour un rapport de 2, le rendement d'une estérification avec un alcool primaire (ce qui est le cas ici) est de 85 %. La valeur inférieure obtenue peut s'expliquer par des pertes d'ester lors des opérations de lavage de la phase organique et la durée de chauffage qui n'est peut être pas suffisante pour que l'équilibre soit atteint.