Ch 4.1Etude d’une réaction estérification -hydrolyse

1. But du TP

Etudier les différentes caractéristiques d’une réaction d’estérification et d’hydrolyse.
Pour cela, on étudiera l’évolution dans le temps de différents mélanges

Compositions des différents mélanges préparés
Certains mélanges ont été préparés au laboratoire ( n° 1 – 2 – 5 – 7).
Les autres mélanges ( notés en caractères gras) seront préparés en début de séance
N° Mélanges  initiaux Conditions expérimentales
1 Eau
115 mL 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Indifférent
2 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante
3 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Préparation en début de séance et à température ambiante .
Titrage à 0 min puis à différentes dates (dont 30 min)
4 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Préparation en début de séance et à température ambiante.
Titrage à 0 min puis à différentes dates ( dont 30 min)
5 Éthanol
1,33 mol 		Acide éthanoïque
0,67 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante
6 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Préparation en début de séance, reflux pendant 20 min et titrage à 30 min
7 éthanoate d'éthyle
1 mol 		Eau
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante


2. Principe

2.1 Réactions

Estérification : on fait réagir de l’acide éthanoïque avec de l’éthanol .
Ecrire l’équation de la réaction.
     CH3COOH  +    HOCH2CH3  =     CH3COOCH2CH3    +     H2O
Acide éthanoïque         éthanol             éthanoate d’éthyle        eau

Hydrolyse : on fait réagir de l’éthanoate d’éthyle avec de l’eau.
Ecrire l’équation de la réaction.
CH3COOCH2CH3     +    H2O    =     CH3COOH     +     HOCH2CH3 
éthanoate d’éthyle            eau         Acide éthanoïque         éthanol 


2.2 Méthode de suivi

On suivra l’évolution de chaque système chimique sera suivie par un dosage acido-basique.
Quelles sont les espèces dosées ? Ecrire les équation des réactions.
On dose l’acide éthanoïque restant en solution ;
Equation du dosage : CH3COOH  + HO- (aq)  = CH3COO-(aq)  + H2O
On dose ( éventuellement) l’acide sulfurique présent ;
Equation du dosage : H3O+(aq)  + HO- (aq)  = 2 H2O



3.  Calculs préliminaires

1) Déterminer, à partir des données physico-chimiques ci-dessous :
Espèce chimique Masse molaire (g.mol-1) Densité par rapport à l’eau à 20 °C θéb (°C) Concentration molaire (mol.L-1)
Acide éthanoïque 60 1,05 118
Éthanol 46 0,79 78
Acide sulfurique concentré 18
Éthanoate d'éthyle 88 0,90 78
eau 18 1,00 100










rappel : densité  avec µeau = 1g.mL-1 donc : µéthanol = d×1 = 0,79 g.mL-1
or : , et, pour une mole, m= M, donc


De même,  .

2)  Montrer que les mélanges numérotés de 1 à 7 ont le même volume total, à moins de 1,5 % près.
Calcul des volumes
mélange 1 2 _ 4 _ 6 3 5 7
Volume (mL) 116 58,2 +57,1 +1
= 116,3 		58,2 + 57,1
= 115,3
1,33×58,2+0,67 × 57,1 +1 = 116,7
88/0,90 + 18/1 +1
= 116,8

Calcul de l'erreur relative:  
Donc, pour tous les calculs ultérieurs, on pourra considérer  le volume comme constant et on prendra V = 116 mL.


3) Calculer le volume de solution d'hydroxyde de sodium ( concentration molaire 1,00 mol.L-1 ) nécessaire au titrage de l'acide éthanoïque dans 2,00 mL du mélange 3.
Le mélange réactionnel a pour volume : 116 mL et il contient : 1 mol d’acide éthanoïque
Donc dans 2 mL du mélange 3 , il y a :  d’acide éthanoïque.
Pour doser cette quantité, il faut un volume VB de soude tel que :
cB.VB = 1 × VB = 1,72.10-2 mol   donc VB = 17,2 mL
remarque : pour tous les autres dosages, la quantité de soude sera inférieure !


4) Sachant que, dans les mélanges où coexistent l'acide sulfurique et l'acide éthanoïque, ces deux acides ont intégralement réagi avec l'hydroxyde de sodium lors du virage de la phénolphtaléine, expliquer comment il est possible de déterminer la quantité d'acide éthanoïque restant ou formé dans un mélange.
La soude versée à l’équivalence (volume VBE) sert à :
            neutraliser l’acide éthanoïque : VBE2
            neutraliser l’acide sulfurique : VBE1
Donc  VBE=  VBE1 + VBE2    d’où : VBE2 = VBE – VBE1


4.  Manipulation


4.1 Préparation des mélanges

Préparer le mélange réactionnel correspondant à votre groupe. ( voir organisation à la fin de ce corrigé)

4.2 Dosage

Pour  tous les titrages :
prélever un volume V0 = 2,00 mL de mélange ; verser dans un erlenmeyer et le placer dans un cristallisoir rempli d’eau glacée.
Doser avec une solution d'hydroxyde de sodium de concentration molaire c = 1,00 mol.L-1 en présence de phénolphtaléine comme indicateur coloré.
Ne pas ajouter d’eau ni de glace au prélèvement!


Résultats année 2008/2009 groupe 1
N° Volume de soude VBE (mL)
(date en min) 		Taux d’avancement τ
1
VBE1 =  0,7   mL       V = 0,65    mL
2 V=   6.6   mL 0.65

3 		0 17,0 3 19,1 5 0 -0.05 3 -0.08 5
10 20,3 15 19,9 20 10 -0,14 15 20
30 17,3 45 60 30 0,04 45 60

4 		0 19,0 3 20,1 5 24,6 0 -0.07 3 5
10 22,8 15 19,5 20 23,2 10 15 20
30 18,6 45 16,4 60 30 -0.04 45 0.08 60
5 V=  3,2  mL             V =  3,2  mL
0.85????
6
V =  6,6 mL            V =  6,55 mL 		0,67
7
V =  6,4 mL            V =  6,3 mL 		0.33

Résultats année 2008/2009 groupe 2
N° Volume de soude VBE (mL)
(date en min) 		Taux d’avancement τ
1
VBE1 =  0,6   mL       
2 V=    6.3  mL 0.67

3 		0 17,9 3 18,2 5 0 0 3 0 5
10 18,5 15 18,2 20 10 15 20
30 18,1 45 18,1 60 30 45 60

4 		0 19,2 3 18,2 5 17,8 0 -0.08 3 -0.02 5 0
10 17,3 15 17,2 20 16,9 10 0.03 15 0.03 20 0.05
30 16,6 45 14,6 60 30 0.07 45 0.19 60
5 V=  1,4  mL            
?????
6
V =  8,1 mL             		0.57
7
V =  6,2 mL             		0,32



Exemple de calcul ( mélange 6 groupe 1 )
Volume de soude ayant servi à doser l’acide éthanoïque :
    VBE2 = VBE – VBE1 = 6,6 - 0,7 = 5,9 mL
Donc la quantité d’acide éthanoïque restant dans 2 mL du mélange :
    nA =CB × VBE2 = 1,00 × 5,9 .10-3 = 5,9.10-3 mol.
Donc la quantité d’acide éthanoïque restant dans 116 mL du mélange :
   
 
Tableau d’avancement de la réaction :
    Acide      +    alcool     =     ester     +  eau
Etat initial x = 0 1 1 0 0
Etat intermédiaire x 1 -  x 1 -  x x x
Si réaction totale xmax 1 -  xmax 1 -  xmax xmax xmax
        xmax = 1 mol   

De plus n’A = 1 - x      donc :  x = 1 - n’A = 1 – 0,34 = 0,66 mol
Donc le taux d’avancement :

Ce calcul est valable pour les mélanges 2, 4 et 6.
Pour le mélange 3, il est inutile de soustraire 0.6 mL puisqu’il n’y a pas d’acide sulfurique !


Exemple de calcul ( mélange 7 groupe 2)
Volume de soude ayant servi à doser l’acide éthanoïque :
    VBE2 = VBE – VBE1 = 6,2 - 0,6 = 5,6 mL
Donc la quantité d’acide éthanoïque présent dans 2 mL du mélange :
    nA =CB × VBE2 = 1,00 × 5,6 .10-3 = 5,6.10-3 mol.
Donc la quantité d’acide éthanoïque présent dans 116 mL du mélange :
   
 
Tableau d’avancement de la réaction :
       Ester      +    eau     =     acide     +  alcool
Etat initial x = 0 1 1 0 0
Etat intermédiaire x 1 -  x 1 -  x x x
Si réaction totale xmax 1 -  xmax 1 -  xmax xmax xmax
        xmax = 1 mol   
ici, l'acide est formé, donc : x = 0,32 mol
Donc le taux d’avancement :




5. Exploitation des résultats


N° Mélanges  initiaux Conditions expérimentales
1 Eau
115 mL 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Indifférent
2 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante
3 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Préparation en début de séance et à température ambiante .
Titrage à 0 min puis à différentes dates (dont 30 min)
4 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Préparation en début de séance et à température ambiante.
Titrage à 0 min puis à différentes dates ( dont 30 min)
5 Éthanol
1,33 mol 		Acide éthanoïque
0,67 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante
6 Éthanol
1 mol 		Acide éthanoïque
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		Préparation en début de séance, reflux pendant 20 min et titrage à 30 min
7 éthanoate d'éthyle
1 mol 		Eau
1 mol 		Acide sulfurique concentré
1 mL 		1 semaine à température ambiante


Quelles sont les conclusions que l’on peut  tirer en comparant :

Les résultats des mélanges 2 et 4.

La réaction d’estérification est très lente.


Les résultats des mélanges 2,5 et 7

Les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont des réactions limitées.


Les résultats des mélanges 3 et 4

L’acide sulfurique est un catalyseur pour la réaction d’estérification


Les résultats des mélanges 4 et 6

La réaction est plus rapide quand la température augmente.


Les résultats des mélanges 2 et 6

En chauffant le mélange réactionnel, en 1 h, on atteint la même limite qu’au bout d’une semaine à froid .
Donc, une augmentation de température ne modifie pas la limite atteinte.


Les résultats des mélanges 2 et 5

La composition du mélange réactionnel influe sur la composition du mélange à l’équilibre.






Conduite de la manipulation :

Sur le bureau :
Il y a 4 pipeteurs ; chaque pipeteur, identifié, est réservé pour un mélange spécifique.

Groupe A : (3 binômes )
Préparation du mélange 3  ( erlenmeyer + pipettes + fioles )
Dosage des mélanges 2 et 3

Groupe B : (3 binômes )
Préparation du mélange 4 ( erlenmeyer + pipettes + fioles )
Dosage des mélanges 4 et 5

Groupe C : (2 binômes )
Préparation du mélange 6 ( erlenmeyer + pipettes + fioles + chauffage à reflux )
Dosage des mélanges 6, 7 et 8