Contrôle de l'évolution de systèmes chimiques

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Tests
L'ambition du chimiste est de maîtriser les transformations aussi bien du point de vue temporel que du point de vue quantitatif. La recherche de réactifs plus performants à permis de remplacer certaines réactions lentes et limitées par d'autres réactions rapides et totales. Mais comment peut-on faire pour rendre totales les réactions d'hydrolyse et d'estérification ?
1. Comment augmenter le rendement d'une réaction ?
• Le rendement d'une transformation est égal au rapport de la quantité de produit obtenue sur la quantité que l'on obtiendrait si la réaction était totale. Il est aussi donné par le taux d'avancement exprimé en pourcentage.
• L'ajout d'un des réactifs en excès ou l'élimination de l'un des produits au fur et à mesure de sa formation permet d'augmenter le rendement d'une réaction conduisant à un équilibre.
Par exemple, pour augmenter le rendement de la réaction d'hydrolyse, il faut soit ajouter un excès d'eau, soit éliminer l'alcool qui se forme.
• Un changement de réactif permet également d'augmenter le rendement d'une réaction.
Par exemple, dans le cas de la réaction d'estérification, on peut remplacer l'acide carboxylique par un anhydride d'acide. La réaction devient alors totale, on utilise donc le symbole \ll{\rightarrow}\gg pour son écriture. Il y a formation d'ester et d'acide carboxylique selon la réaction générale :
Les composés de la famille des anhydrides d'acide ont pour formule générale  ; ils possèdent le groupe caractéristique -\mathrm{CO}-\mathrm{O}-\mathrm{CO}-.
Test n°1Test n°2Test n°3
2. Qu'est-ce qu'un catalyseur ?
• Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction sans figurer dans son équation ni modifier l'état d'équilibre du système.
• La catalyse est l'action d'un catalyseur sur une transformation chimique. Une catalyse est dite homogène si le catalyseur et les réactifs forment une même phase, hétérogène si le catalyseur et les réactifs forment deux phases distinctes et enzymatique si le catalyseur biologique est une protéine.
Par exemple, dans la lampe sans flamme, on utilise du cuivre métallique pour catalyser la réaction entre les vapeurs d'alcool et le dioxygène. Le catalyseur est à l'état solide alors que les réactifs sont à l'état gazeux. La catalyse est donc hétérogène.
• Contrairement aux facteurs cinétiques (température, concentration, pression) qui accélèrent toutes les transformations en agissant sur la probabilité de chocs efficaces entre entités réactives, le catalyseur n'agit que sur certaines transformations. On dit qu'il est spécifique à une réaction.
Test n°4Test n°5Test n°6
3. Comment modifier la cinétique d'une réaction  ?
• Dans le cas de réactions lentes, on pourra utiliser d'autres paramètres que les facteurs cinétiques pour faire varier la vitesse de réaction.
• Un catalyseur permet d'augmenter la vitesse d'une transformation sans modifier l'état d'équilibre.
Par exemple, les courbes (1) et (2) représentent l'évolution de la quantité d'ester formé en fonction du temps, lors d'une réaction d'estérification.
La transformation (2) a été réalisée dans les mêmes conditions que la transformation (1), à l'exception d'un catalyseur – l'acide sulfurique – qui a été ajouté au milieu réactionnel. Sur la courbe (2), l'état d'équilibre est atteint plus rapidement mais, dans les deux cas, cet équilibre reste identique.
• Un changement de réactif permet de modifier la vitesse d'une réaction et l'état d'équilibre.
Par exemple, la réaction d'hydrolyse des esters est rapide et totale en milieu basique. Elle conduit à la formation d'un ion carboxylate et d'un alcool.
Un autre exemple vu précédemment (l'utilisation d'un anhydride d'acide à la place d'un acide carboxylique) rend la réaction d'estérification rapide et totale.
Test n°7
4. Comment préparer un savon ?
• Un corps gras est constitué de triglycérides, chaque triglycéride étant un triester du glycérol (ou propan−1,2,3−triol) de formule \mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}-\mathrm{CHOH}-\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}.
• La réaction d'hydrolyse basique entre un corps gras et la soude concentrée à chaud est appelée saponification.
On appelle « savon », le carboxylate de sodium (R\mathrm{CO}_{2}^{-}+\mathrm{Na}^{+}) obtenu.
Test n°8Test n°9
5. Pourquoi les savons nettoient-ils les taches de graisse ?
• Une entité chimique hydrophile aime l'eau, elle est soluble dans une phase aqueuse. Une entité chimique hydrophobe n'aime pas l'eau, elle est peu soluble dans une phase aqueuse et très soluble dans les phases organiques (on dit aussi qu'elle est lipophile, elle aime les graisses).
• Les savons sont des carboxylates de sodium de formule R\mathrm{CO}_{2}^{-}+\mathrm{Na}^{+} en solution aqueuse. Un ion carboxylate à longue chaîne R\mathrm{CO}_{2}^{-} peut se schématiser comme indiqué ci-dessous.
• La chaîne carbonée d'un savon est lipophile et son groupe caractéristique -\mathrm{CO}^{2}_{-} est hydrophile. Un savon est donc soluble à la fois dans l'eau et dans les graisses.
• Les « molécules » de savon s'agglomèrent autour des particules graisseuses pour former des micelles. La tête hydrophile de l'ion carboxylate s'oriente vers la phase aqueuse tandis que la queue hydrophobe s'oriente vers la phase lipophile. Les micelles piègent donc les graisses qui sont ensuite entraînées par l'eau.
• Ces micelles s'entourent d'ions sodium qui se repoussent par des forces électrostatiques assurant la dispersion des particules graisseuses.
Test n°10
À retenir
• Un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans modifier l'état d'équilibre du système. Il ne figure pas dans l'équation de la réaction.
Un catalyseur est spécifique à une transformation, son action est sélective.
• On rend rapide et totale la réaction d'estérification en faisant réagir un anhydride d'acide avec un alcool, selon la réaction : R-\mathrm{CO}-\mathrm{O}-\mathrm{CO}-R+R^{\prime}\mathrm{OH}\rightarrow\,R-\mathrm{CO}_{2}-R^{\prime}+R\mathrm{CO}_{2}\mathrm{H}.
Pour cette transformation, l'avancement maximal est atteint.
• On rend rapide et totale la réaction d'hydrolyse des esters en faisant réagir de la soude concentrée à chaud avec un ester, selon la réaction : R-\mathrm{CO}_{2}-R^{\prime}+\mathrm{HO}^{-}\rightarrow{R}-\mathrm{COO}^{-}+R^{\prime}\mathrm{OH}.
Pour cette transformation, l'avancement maximal est atteint.
• Un savon s'obtient par hydrolyse basique d'un triester du glycérol. Il est constitué de carboxylate de sodium. L'ion carboxylate présente des propriétés hydrophile et hydrophobe.
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