QCM Sous forme de tableau 01 QCM  01 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer QCM Sous forme de tableau 02 QCM  02 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer QCM sous forme de tableau 03 (révisions 1) QCM 03 Questy (révisions 1) QCM sous forme de tableau 04 (révisions 2) QCM 04 Questy (révisions 2)

Exercices : énoncé et correction a)- Exercice 3 page 282 : connaître le matériel utilisé pour une synthèse. b)- Exercice 5 page 282 ; nommer les étapes d’une synthèse. c)- Exercice 9 page 284 : Le baume du Pérou. d)- Exercice 13 page 286 : les texticaments.

I- Nécessité de la chimie de synthèse.

1)- Définition.

-    Réaliser la synthèse d’une espèce chimique, c’est la préparer à partir d’autres espèces chimiques grâce à une transformation chimique.

-    La synthèse est la préparation d’une espèce chimique à partir de réactifs.

-    Elle se déroule en trois étapes :

-    Étape 1 : synthèse de l’espèce chimique (Montage : chauffage à reflux).

-    Étape 2 : isolement de l’espèce chimique (Extraction solide/liquide ou liquide/liquide, filtration, décantation,…)

-    Étape 3 : Identification de l’espèce chimique

-  (Mesure de la température d’ébullition, mesure de l’indice de réfraction, mesure de la température de fusion, réalisation du C.C.M)

2)- Présentation du problème.

-    Pour répondre aux besoins de l’homme, l’industrie chimique synthétise un nombre considérable de produits.

-    On distingue : la chimie lourde et la chimie fine.

►    La chimie lourde synthétise, à partir de matières premières simples des produits en grande quantité :

-    La chimie lourde fabrique des espèces chimiques en grande quantité et pour un coût peu élevé.

-    Ces synthèses nécessitent peu d’étapes.

-    Synthèse de matières plastiques (polyéthylène, polychlorure de vinyle PVC…) :

-  La production française de PVC dépasse le million de tonnes.

-    Synthèse de l’ammoniac (NH₃,…).

-    Synthèse de l’aluminium (bauxite → alumine)

►    La chimie fine synthétise des substances plus complexes :

-    Les parfums et les médicaments sont des produits de la chimie fine.

-    La chimie fine élabore, à partir des produits de la chimie lourde ou d’espèces naturelles, des espèces chimiques à haute valeur ajoutée.

-    Les médicaments préparés en plus faibles quantités que ceux de la chimie lourde, sont plus coûteux et nécessitent souvent de nombreuses réactions chimiques successives.

-    Synthèse de l’acétate de linalyle.

-    Synthèse de l’aspirine (acide acétylsalicylique).

II- Réalisation d’une synthèse.

1)- Le mode opératoire.

     Le protocole expérimental précise : (ou mode opératoire)

-    La nature et les quantités de réactifs nécessaires,

-    Le solvant approprié,

-    Les consignes de sécurité à respecter,

-    Le montage utilisé,

-    Les différentes étapes à effectuer.

-    Exemple : le chauffage à reflux

 

2)- L’étape de transformation.

-    Lors de la synthèse d’une espèce chimique, des réactifs réagissent pour former un ou plusieurs produits, dont l’espèce attendue.

-    Réactifs et produits d’une synthèse.

-    La synthèse d’une espèce chimique nécessite d’autres espèces chimiques.

-    Les espèces chimiques nécessaires à la synthèse sont appelées : les réactifs de la synthèse.

-    Les espèces chimiques obtenues sont appelées : les produits de la synthèse.

-    Les réactifs et les produits différent par leurs caractéristiques physiques.

-    Exemple : Pour synthétiser l’acétate d’isoamyle, on utilise de l’acide acétique et de l’alcool isoamylique.  

	densité	θ eb °C	Solubilité dans l'eau	Formule brute
Acide éthanoïque	1,05	118,2	Grande	CH3COOH
Alcool isoamylique	0,81	128	Faible	C5H11OH
Éthanoate de 3-méthylbutyle	0,87	142	Très faible	C7H14O2

 

-    On peut schématiser cette transformation chimique comme suit :

 

 

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Ou

C₂H₄O₂  +  C₅H₁₂O    →    C₇H₁₄O₂  +  H₂O

 

-    Certaines réactions, qui sont lentes à température ambiante, nécessitent un chauffage qui permet d’accélérer la réaction.

-    On effectue alors un chauffage à reflux pour éviter les pertes d’espèces chimiques par vaporisation.

-    Pour accélérer certaines réactions chimiques, on peut ajouter un catalyseur au mélange réactionnel.

Le catalyseur : Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

3)- Les étapes de séparation et de purification.

-    L’espèce chimique obtenue par synthèse est généralement mélangée :

-    Au solvant,

-    Aux réactifs restants,

-    Et aux autres produits de la réaction.

 

►    Les techniques de séparation : cela dépend de la nature de l’espèce synthétisée

-    Si l’espèce synthétisée est un solide :

-    On peut la séparer par filtration

-    Et la purifier par recristallisation.

-    Si l’espèce est dissoute dans le mélange réactionnel,

-    On peut la séparer par extraction

-    Puis la purifier par évaporation ou distillation.

 

4)- L’étape d’identification.

-    Il est nécessaire de vérifier la présence de l’espèce attendue ainsi que son degré de pureté.

-    La caractérisation de l’espèce chimique peut se faire grâce à ses propriétés physiques :

-    Aspect,

-    Solubilité,

-    Température d’ébullition, température de fusion,

-    Densité,

-    Indice de réfraction…

-    On peut effectuer une analyse comparative :

-    On peut réaliser une chromatographie sur couche mince (C.C.M) :

-    De l’espèce synthétique,

-    De l’espèce de référence,

-    D’un extrait naturel contenant la même espèce chimique.

-    Il faut ensuite comparer la position des différentes taches du chromatogramme obtenu.

-    Remarque : Une espèce chimique d’origine naturelle est identique à l’espèce chimique obtenue par synthèse.

-   Rien ne permet de les différencier.

III- Exemple : synthèse de l’acide acétylsalicylique.TP N° 11

 

IV- Applications.

1)- Synthèse du polystyrène.

a)-  Quelques données.

b)-  Introduction.

-    Les polymères sont très utilisés dans le sport car ils constituent souvent les matériaux de base à la construction du matériel utilisé par les sportifs.

-    On peut citer par exemple le polyuréthane utilisé dans les combinaisons des nageurs et ayant  permis entre 2005 et 2009 une spectaculaire amélioration des performances.

-    L'utilisation des polymères dans l'élaboration des équipements du sportif constitue aujourd'hui, avec la pharmaceutique, le principal lien entre sportifs et chimistes.

-    Pour illustrer cette contribution des chimistes à la pratique du sport, on propose d’étudier, la fabrication d'un polymère : le polystyrène.

-    Le polystyrène est une matière dure, cassante et très transparente.

-    Parmi les plastiques industriels usuels, c'est un produit de très grande diffusion, offrant un  vaste  champ d'application.

-    L'application la plus connue est le polystyrène expansé, sorte de mousse blanche compacte qui sert au niveau de l’habitat à l’isolation des murs,

-   à emballer les appareils sensibles aux chocs (électroménager, chaîne hifi...),

-   mais c'est aussi le plastique transparent et dur utilisé pour de nombreux types de boîtes et boîtiers (Boîtier CD, couverts, verres, …).

-    Le solvant utilisé pour cette réaction est le toluène.

 

-    L’AIBN permet l’amorçage de la réaction de polymérisation.

-    Ce polymère est employé dans le domaine du nautisme, en particulier le surf,

-   pour la fabrication des planches mais aussi dans le conditionnement des produits et l’isolation thermique.

c)-  Synthèse du polystyrène.

-    Pour réaliser la synthèse du polystyrène, on utilise :

-    5 mL de styrène pur,

-    20 mL d’une solution d’AIBN dans le toluène (3,4 g d’AIBN pour 100 mL de toluène)

-   On ajoute la solution d’AIBN grâce à une ampoule de coulée.

-   On commence par 5 mL de solution.

-    AIBN : 2,2-azobis (2-méthylpropionitrile). (C₈H₁₂N₄).

-    Le solvant :

►    Remarque :

-    Si on utilise le styrène du commerce

-    Le styrène commercial utilisé contient une faible quantité de stabilisant, le 4-tertbutylcatéchol (Environ 15 mg par kg de styrène), inhibiteur de réactions radicalaires.

-    Il permet d’empêcher la polymérisation du styrène dans la bouteille.

-    Le styrène est sensible à la lumière et la chaleur et peut se polymériser dans la bouteille.

-    Pour obtenir du styrène pur, on l’isole du p-tert-butylcatéchol  (C₁₀H₁₄O₂) par lavages.

-    4-tert-butylcatéchol

    Lavage du styrène commercial :

-    1.  Prélever 15 mL de styrène à l’aide d’une éprouvette graduée de 50 mL. Les verser (sous la hotte commune) dans un erlenmeyer.

-    2.  Fixer l’ampoule à décanter, puis introduire les 15 mL de styrène.

-    3.  Prélever 15 mL de soude de concentration à 1,0 mol / L dans une éprouvette graduée de 50 mL.

-    4.  Verser la solution de soude dans l’ampoule à décanter.

-    5.  Boucher, agiter l’ampoule, dégazer puis laisser décanter (sans oublier d’enlever le bouchon).

-    6.  Éliminer la phase aqueuse.

-    7.  Laver une fois avec 15 mL de solution de soude [Na⁺(aq) + OH^– (aq)] à environ 1 mol.L^–1. (aq)

-    8.  Laver deux fois la phase organique avec 20 mL d’eau distillée (Agiter l’ampoule, dégazer puis laisser décanter).

-    9.  Récupérer la phase aqueuse 

-    10. Recueillir par le haut de l’ampoule à décanter le styrène dans un erlenmeyer.

-    15. Le styrène est ensuite séché sur carbonate de potassium anhydre :

      Ajouter 1 spatule de carbonate de potassium (ou de sulfate de magnésium anhydre) dans l’erlenmeyer,

-   agiter manuellement,

-   boucher avec un bouchon en liège et laisser reposer pendant quelques minutes.

-    16. Le styrène est filtré sur un petit entonnoir en verre muni d’un petit morceau de coton.

-    On obtient le styrène pur.

     Le montage :

-    Le montage où se déroule la réaction doit permettre :

-    De contrôler la température du milieu réactionnel,

-    D’agiter et chauffer le milieu réactionnel sans perte de matière,

-    De réaliser des ajouts de liquide au cours de la réaction.

-    D’éloigner rapidement la source de chaleur en cas de surchauffe.

    Dans la liste de matériel, cocher ce dont vous avez besoin pour réaliser cette synthèse.

    Réaliser un schéma du montage :

►    Le matériel : Que choisir ?

 

 

 

 

 

 

-    Cocher le matériel nécessaire :

-    Matériel :

-    Ampoule de coulée (c), ballon tricol (e), thermomètre (g), vallet ou support élévateur (h), réfrigérant vertical (m),

-  Bécher (s), bouchon rodé (t), noix de serrage (u), pince (v), olive aimantée (x),

-    Pas présent dans la liste du matériel : support avec potence, dispositif de chauffage avec agitateur magnétique.

►    Montage :

 

-    Agitateur magnétique chauffant :

 

Bouton température et bouton agitation

d)-  Récupération du polystyrène :

-    À la fin de la réaction, le ballon contient essentiellement du polystyrène et du toluène.

-    On verse le mélange dans l’un des trois solvants suivants et on récupère le polystyrène solide avec un dispositif approprié.

    Élaborer un protocole détaillé permettant de récupérer le polystyrène.

►    Précipitation du polystyrène :

-    On verse le mélange réactionnel dans un solvant ou le polystyrène est très peu soluble.

-    Ainsi, le polystyrène précipite.

-    L’éthanol et le méthanol conviennent, mais on choisit l’éthanol car il est moins toxique que le méthanol.

-    Ensuite, on peut récupérer le polystyrène solide par filtration.

     Protocole :

-    On verse le mélange réactionnel, sous agitation, dans un bécher contenant de l’éthanol à température ambiante.

     Filtration sous pression réduite :

-    On humidifie le papier filtre avec de l’éthanol pour qu’il adhère aux parois du filtre Büchner.

 

-    On récupère ainsi le polystyrène solide.

►    Caractérisation du polymère :

-    Une caractérisation pertinente d’un polymère passe par la détermination de sa masse molaire moyenne.

-    On cherche à obtenir ici l’intervalle approximatif dans lequel se situent les masses molaires des polymères contenus dans l’échantillon  synthétisé. 

-    On  propose donc de déposer sur une plaque CCM le produit synthétisé ainsi que plusieurs  polystyrènes de référence (de masses molaires respectives : 3460, 9630, 139000 g . mol ^–1).

     On dissout 6 cg de chaque échantillon de polystyrène dans 10 mL d’acétone.

-    Le choix de l’éluant est une étape cruciale dans la réalisation d’une CCM.

-    L’éluant de la CCM doit être préparé avec une grande précision et dans un récipient fermé hermétiquement pour éviter toute évaporation de ses constituants :

-  Le moindre écart dans les  proportions fausse considérablement les résultats ; l’utilisation de verrerie  jaugée est nécessaire.

-    Les résultats de cette  analyse chromatographique sont exceptionnellement sensibles à la composition de l’éluant :

* : tache de forme assez allongée.

-    Les différents constituants :

►    Choix de l’éluant :

-    Le choix de l’éluant est une étape cruciale dans la réalisation d’une CCM.

-    Parmi les éluants proposés en annexe, celui qui est adapté à l’expérience, est le mélange N° 3.

-    C’est le mélange 4,6 volumes de 1,4-dioxane pour 5 volumes d’heptane.

-    Il permet une meilleure différenciation des différentes taches (l’écart entre les différentes taches est le plus important).

-    Il rend le chromatogramme plus lisible.

2)- QCM : pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

QCM Sous forme de tableau 01 QCM  01 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer QCM Sous forme de tableau 02 QCM  02 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer QCM sous forme de tableau 03 (révisions 1) QCM 03 Questy (révisions 1) QCM sous forme de tableau 04 (révisions 2) QCM 04 Questy (révisions 2)

3)- Exercices :  Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 3 page 282 : connaître le matériel utilisé pour une synthèse.

b)- Exercice 5 page 282 ; nommer les étapes d’une synthèse.

c)- Exercice 9 page 284 : Le baume du Pérou.

d)- Exercice 13 page 286 : les texticaments.