EXERCICE III : Quelques alcools de l’industrie chimique

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1 EXERCICE III : Quelques alcools de l’industrie chimique
Bac S 2014 Liban EXERCICE III : Quelques alcools de l’industrie chimique (5 points)

2 Les alcools se forment naturellement par fermentation de certaines solutions sucrées : le jus de raisin se transforme ainsi en éthanol lors de la fabrication du vin par exemple. Dans l’industrie chimique, bien d’autres procédés conduisent à la production d’alcools, qui seront eux-mêmes à la base de la fabrication de nombreux produits : solvants, polymères, détergents … Les trois parties de cet exercice sont indépendantes. Elles concernent trois alcools parmi les plus importants de l’industrie chimique. 1. Le méthanol

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4 Atome Électronégativité
1.1. Le tableau suivant donne les électronégativités des atomes H, C et O dans l’échelle de Pauling. Justifier le caractère polaire de la molécule de méthanol. Atome H C O Électronégativité 2,2 2,5 3,4 Le tableau nous montre que l’électronégativité du carbone et de l’hydrogène sont proches, ainsi les liaisons C – H ne sont pas polarisées. Par contre comme χ(C) < χ(O), la liaison C–O est polarisée. Il apparaît une charge partielle négative sur l’atome O et une charge partielle positive sur l’atome C. De même comme χ(H) < χ(O), la liaison O–H est polarisée. Représentons la molécule de méthanol avec la représentation de CRAM et avec ses charges partielles : δ+ δ+ δ- Il apparaît que le centre géométrique des charges partielles positives n’est pas confondu avec celui des charges négatives, alors la molécule de méthanol est polaire.

5 1.2. Associer chacune des équations ou demi-équations de la liste suivante à un des usages du méthanol cités en exemple. (a) CH3OH + H2O  CO H e– L’équation (a) correspond à la réaction utilisée dans la pile à combustible présentée sur le document 2. (b) CH3OH + CO  CH3CO2H L’équation (b) correspond à la production de l’acide acétique CH3CO2H évoquée en fin de document 1. 1.3. Dans la demi-équation électronique (a) ci-dessus, le méthanol intervient-il en tant qu’oxydant ou en tant que réducteur ? Justifier votre réponse. Dans la demi-équation (a), on comprend que le méthanol libère 6 électrons, c’est donc un réducteur. Rappel : un réducteur est une espèce chimique capable de donner un ou plusieurs électrons. Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons.

6 1.4. La synthèse du MTBE peut être modélisée par la réaction d’équation suivante :
L’alcène réagissant avec le méthanol présente-t-il une isomérie Z/E ? Justifier la réponse. Les atomes de carbone engagés dans la double liaison sont porteurs de groupes d’atomes identiques (CH3 et CH3 d’un côté, et H et H de l’autre), ainsi cet alcène ne présente pas d’isomérie Z/E. 1.5. La recherche étudie actuellement la voie de production du méthanol citée dans le document 1. Quel(s) intérêt(s) celle-ci présente-t-elle du point de vue du respect de l’environnement ? La production de méthanol suivant la réaction d’équation CO2 + 3 H2  méthanol + H2O permet de consommer du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre (mais elle produit de l’eau qui est aussi un gaz à effet de serre, il faut alors que l’eau soit produite sous forme liquide et le reste). Cette réaction valorise le dioxyde de carbone.

7 Si l’on utilise le méthanol produit par cette réaction dans une pile à combustible, du dioxyde de carbone sera alors produit et il pourrait resservir pour produire à nouveau du méthanol ; tandis que l’on récupèrerait de l’énergie électrique. Il faut tout de même envisager l’impact environnemental de la production du dihydrogène nécessaire (électrolyse de l’eau avec de l’énergie électrique d’origine solaire ou nucléaire ?). 2. L’éthanol L’éthanol est très utilisé en tant que solvant car il est miscible avec la plupart des composés organiques. C’est également un carburant, ajouté à l’essence en diverses proportions selon les pays. Une grande partie de l’éthanol industriel est produite par l’hydratation de l’éthène C2H4 par catalyse acide. 2.1. Écrire l’équation de la réaction chimique correspondant à la synthèse de l’éthanol par hydratation de l’éthène. Synthèse de l’éthanol par hydratation de l’éthène : CH2 = CH2 + H2O  CH3 – CH2 –OH

8 2.2. À quelle grande catégorie de réactions en chimie organique cette réaction appartient-elle ? Justifier la réponse. Il s’agit d’une réaction d’addition, les atomes de la molécule d’eau s’additionnent sur la molécule d’éthène (Ou 2 réactifs donnent un seul produit). 2.3. La première étape du mécanisme réactionnel de cette réaction chimique consiste en une réaction entre la molécule d’éthène et un ion hydrogène H+ provenant du catalyseur. Identifier les sites donneur et accepteur de doublet d’électrons puis représenter, à l’aide d’une flèche courbe, le mouvement du doublet d’électrons de cette étape. CH2 = CH2 La double liaison est le site donneur du doublet d’électrons H+ H+ est le site accepteur du doublet d’électrons. 2.4. Pour quelle raison, au cours d’une étape ultérieure, l’ion H+ sera-t-il nécessairement régénéré ? L’ion H+ étant un catalyseur, il est normal qu’il soit régénéré dans une étape ultérieure.

9 3. Le butan-2-ol Le butan-2-ol est surtout un intermédiaire en synthèse organique. La règle de Zaïtsev en chimie organique stipule que, lors de la déshydratation d’un alcool, la double liaison se forme plutôt entre l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle et l’atome de carbone voisin le moins hydrogéné (porteur du moins grand nombre d’atomes d’hydrogène). 3.1. Déshydratation du butan-2-ol Déterminer la formule semi-développée de l’alcène obtenu majoritairement après la déshydratation du butan-2-ol. « Règle de Zaïtsev : la double liaison se forme entre l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle et l’atome de carbone voisin porteur du moins grand nombre d’atomes d’hydrogène. » CH3–CH–CH2–CH3 | OH conduit par déshydratation à l’alcène CH3–CH=CH–CH3

10 3.2. Oxydation du butan-2-ol
L’oxydation du butan-2-ol peut conduire à la formation d’un solvant, la butanone. Donner la formule topologique de la butanone. O Formule topologique de la butanone : Le laboratoire de recherche et de développement d’une entreprise innovante cherche à mettre au point un procédé d’oxydation du butan-2-ol en butanone respectant l’environnement. Le technicien réalise le spectre de RMN du produit fabriqué par ce procédé. Ce spectre est reproduit ci-après (document 3). Le produit formé est-il bien celui attendu ? Justifier. Prévisions : Trois H voisins : 3+1 = quadruplet CH3– C – CH2– CH3 || O Deux H voisins : 2+1 = triplet Pas de H voisins : singulet

11 Le spectre de RMN présente trois signaux, or la butanone possède trois groupes de protons équivalents. De plus la multiplicité des signaux est en accord avec nos brillantes prédictions. Il est probable que le spectre de RMN soit bien celui de la butanone. Pour en être convaincu, il faudrait disposer d’une table des déplacements chimiques pour vérifier la cohérence des valeurs lue sur le spectre. Sans table, on peut néanmoins noter que les deux groupes proches du C = O ont logiquement un déplacement chimique plus grand que le groupe plus éloigné (hors programme).