Espèce naturelle, espèce de synthèse identique et espèce artificielle ; les trois étapes d’un protocole (transformation, isolement, identification) ; le montage de chauffage à reflux et son schéma ; l’identification du produit par chromatographie sur couche mince et température de fusion ; le réactif limitant et la masse maximale de produit.
À propos de cette page
Cinq problèmes corrigés pas à pas, du plus simple au plus difficile : l’indigo des jeans et sa chromatographie, l’arôme de banane, un montage à reflux plein d’erreurs, la synthèse du salicylate de méthyle de l’huile de gaulthérie et l’oxydation du bornéol en camphre.
5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je repère l’espèce voulue, l’équation et les données (quantités, masses, volumes, masses volumiques, températures des tables).
Je range les opérations du protocole en trois étapes : transformation, isolement, identification.
Je calcule les quantités de matière des réactifs (m = ρ × V, N = m ÷ masse d’une entité, n = N ÷ NA), puis le réactif limitant et la masse maximale de produit.
J’exploite l’identification : taches à la hauteur des références, nombre de taches, fusion nette ou étalée.
Je conclus avec le vocabulaire du cours : même espèce, pur ou impur, réactif en excès, masse obtenue inférieure à la masse maximale.
Problème 1 · L’indigo des jeans★★★Facile
L’indigo, le colorant bleu des jeans, était autrefois extrait des feuilles de l’indigotier (Indigofera tinctoria) et, en Europe, du pastel. Le chimiste Adolf von Baeyer en décrit une première synthèse en 1878, puis une seconde en 1880 ; l’entreprise BASF le produit industriellement à partir de 1897. Aujourd’hui, la plus grande partie de l’indigo produit est synthétique : environ 80 000 tonnes par an en 2023. Teindre un jean en demande en moyenne 3 à 12 g. Un laboratoire compare par CCM de l’indigo extrait de feuilles d’indigotier (N), de l’indigo de synthèse (S) et le colorant gratté sur un jean (J). Le front est à 5,0 cm de la ligne de dépôt ; N donne deux taches, à 1,0 cm et 3,0 cm ; S et J donnent chacun une tache à 3,0 cm.
1. Tirer l’indigo des feuilles de l’indigotier ne forme aucune espèce nouvelle : c’est une
On sépare une espèce déjà présente dans la plante : c’est une extraction, alors que BASF fabrique l’indigo par une transformation chimique.
2. Il existe dans les feuilles de l’indigotier : l’indigo de synthèse n’est donc pas une espèce
Une espèce artificielle n’existe pas dans la nature ; l’indigo, si : il n’est pas artificiel.
3. Rapport frontal de l’indigo : Rf =
S donne l’indigo pur : 0,60.
4. L’extrait N donne deux taches : c’est un
Deux espèces au moins : l’extrait naturel est un mélange. Sa tache à 3,0 cm montre qu’il contient de l’indigo.
5. Masse d’indigo pour teindre 1 000 jeans à 12 g chacun : kg
1 000 × 12 = 12 000 g = 12 kg.
6. L’indigo de l’indigotier et celui de BASF migrent à la même hauteur : ce sont la même
Mêmes molécules, mêmes propriétés : c’est la même espèce. La CCM ne dit donc pas d’où vient l’indigo du jean ; elle montre seulement que J contient de l’indigo sans les autres espèces de l’extrait N.
Problème 2 · L’arôme de banane★★★Moyen
L’acétate d’isoamyle C₇H₁₄O₂ donne son odeur à la banane. On peut l’extraire du fruit ou le synthétiser selon la réaction : C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O (acide acétique + alcool isoamylique → acétate d’isoamyle + eau). Protocole. Dans un ballon, introduire 0,35 mol d’acide acétique, 0,18 mol d’alcool isoamylique, quelques gouttes d’acide sulfurique (qui accélère la transformation sans être consommé) et deux grains de pierre ponce. Chauffer à reflux pendant 30 minutes. Après refroidissement, verser le mélange dans une ampoule à décanter contenant de l’eau salée, agiter, laisser reposer et recueillir la phase organique, qui surnage. Analyse. On réalise une CCM avec trois dépôts : A (produit obtenu), B (acétate d’isoamyle extrait de la banane), C (acide acétique). Après élution et révélation, B et C donnent chacun une tache ; A donne deux taches, l’une à la hauteur de la tache de B, l’autre à la hauteur de celle de C. Données : masse d’une molécule : alcool isoamylique 1,46 × 10⁻²² g ; acétate d’isoamyle 2,16 × 10⁻²² g ; masse volumique de l’alcool isoamylique : 0,810 g·mL⁻¹ ; NA = 6,02 × 10²³ mol⁻¹.
1. Nombre d’atomes d’hydrogène de chaque côté de l’équation :
À gauche 4 + 12 = 16 ; à droite 14 + 2 = 16. De même C : 2 + 5 = 7 = 7 et O : 2 + 1 = 3 = 2 + 1 : l’équation est ajustée, nombres stœchiométriques égaux à 1.
2. Le passage en ampoule à décanter appartient à l’étape d’
On sépare le produit du mélange : isolement. Le chauffage à reflux est la transformation, la CCM l’identification.
3. Volume d’alcool isoamylique à prélever : V ≈ mL
m = 0,18 × 6,02 × 10²³ × 1,46 × 10⁻²² ≈ 15,8 g ; V = m ÷ ρ = 15,8 ÷ 0,810 ≈ 19,5 mL.
4. En supposant la transformation totale, le réactif limitant est l’alcool
Nombres stœchiométriques égaux à 1 : 0,18 < 0,35, l’alcool isoamylique est limitant.
5. Masse maximale d’acétate d’isoamyle : ≈ g
Au plus 0,18 mol : m = 0,18 × 6,02 × 10²³ × 2,16 × 10⁻²² ≈ 23,4 g. En pratique on en obtient moins : une partie reste dans l’eau et la transformation n’est pas totale.
6. Le produit A contient l’acétate d’isoamyle et un reste d’acide
Sa tache à la hauteur de B prouve la présence d’acétate d’isoamyle, la même espèce que celle de la banane ; sa tache à la hauteur de C, celle d’acide acétique : A est impur.
7. C’est cohérent avec les quantités : si la transformation était totale, il resterait mol d’acide acétique.
L’acide est en excès : 0,35 − 0,18 = 0,17 mol resterait. Le lavage à l’eau salée n’en a éliminé qu’une partie.
Problème 3 · Un montage à reflux à corriger★★★Moyen
Léa doit synthétiser un ester par chauffage à reflux. Elle pose le chauffe-ballon directement sur la paillasse, place le ballon dedans et fixe le réfrigérant au-dessus avec une pince. Elle introduit les réactifs et lance le chauffage. Elle n’ouvre le robinet d’eau du réfrigérant qu’au moment où le mélange se met à bouillir, et pense alors seulement à ajouter la pierre ponce.
1. Avant que l’eau circule, une partie des vapeurs a pu sortir du montage par le du réfrigérant.
Sans eau froide, le réfrigérant ne liquéfie rien : les vapeurs montent et sortent par le haut, ouvert. Léa a perdu un peu de matière.
2. Pour que le manchon se remplisse entièrement, l’eau froide doit arriver par l’olive du
Entrée par le bas, sortie par le haut : le manchon reste plein d’eau froide.
3. Une fois l’eau ouverte, les vapeurs se dans le réfrigérant et retombent dans le ballon.
Elles se liquéfient au contact des parois froides et retombent : plus rien ne se perd.
4. La pierre ponce doit être introduite le chauffage.
Elle se place avant de chauffer, avec les réactifs ; dans un liquide bouillant, elle peut déclencher un jaillissement brutal.
5. Sans support élévateur, Léa ne peut pas arrêter le chauffage
Le chauffe-ballon reste chaud : il faut pouvoir l’écarter rapidement du ballon en l’abaissant.
6. Après 40 min de reflux, Léa arrête le chauffage : l’étape qui commence ensuite est l’
La transformation est terminée ; on sépare maintenant le produit : isolement, puis identification.
Problème 4 · L’huile de gaulthérie★★★Difficile
Le salicylate de méthyle C₈H₈O₃ a été isolé en 1843 d’une petite plante, la gaulthérie ; on le trouve dans des pommades contre les douleurs musculaires. Aujourd’hui, on le produit par synthèse : C₇H₆O₃ + CH₄O → C₈H₈O₃ + H₂O (acide salicylique + méthanol → salicylate de méthyle + eau). Sous la hotte, on chauffe à reflux 6,88 g d’acide salicylique, 20,0 mL de méthanol et quelques gouttes d’acide sulfurique. Après refroidissement, on lave le mélange à l’eau dans une ampoule à décanter et on recueille le liquide qui ne se mélange pas à l’eau. Données : masse d’une molécule : acide salicylique 2,29 × 10⁻²² g ; méthanol 5,32 × 10⁻²³ g ; salicylate de méthyle 2,53 × 10⁻²² g ; masse volumique du méthanol : 0,79 g·mL⁻¹ ; NA = 6,02 × 10²³ mol⁻¹.
1. Nombre de molécules d’acide salicylique : N ≈ × 10²²
m = 0,79 × 20,0 = 15,8 g ; N = 15,8 ÷ (5,32 × 10⁻²³) ≈ 2,97 × 10²³ ; n ≈ 0,493 mol.
4. Des deux réactifs, celui qui limite la quantité de produit est l’acide
Nombres stœchiométriques égaux à 1 : 4,99 × 10⁻² < 0,493, l’acide salicylique est limitant ; le méthanol, bon marché, est en large excès.
5. Masse maximale de salicylate de méthyle : ≈ g
m = 4,99 × 10⁻² × 6,02 × 10²³ × 2,53 × 10⁻²² ≈ 7,60 g.
6. Quantité de méthanol restante si la transformation est totale : ≈ mol
0,493 − 0,0499 ≈ 0,443 mol. Le méthanol se mélange à l’eau : le lavage l’élimine en grande partie.
7. Le méthanol est toxique et très volatil : toutes ces opérations se font sous la
La hotte aspire les vapeurs ; le réfrigérant évite déjà qu’elles s’échappent pendant le chauffage.
Problème 5 · Du bornéol au camphre★★★Difficile
Le camphre C₁₀H₁₆O, extrait autrefois du bois du camphrier, est aujourd’hui surtout fabriqué à partir de la térébenthine. Au laboratoire, on l’obtient en oxydant du bornéol C₁₀H₁₈O par l’eau de Javel, qui apporte des ions hypochlorite ClO⁻, en présence d’acide acétique, vers 45 °C. La réaction est modélisée par : C₁₀H₁₈O + ClO⁻ → C₁₀H₁₆O + Cl⁻ + H₂O. On utilise 3,07 g de bornéol ; l’eau de Javel versée apporte 0,030 mol d’ions ClO⁻. Après isolement, on recueille 2,41 g de camphre brut, qui fond progressivement entre 165 °C et 172 °C. Données : masse d’une molécule : bornéol 2,56 × 10⁻²² g ; camphre 2,53 × 10⁻²² g ; température de fusion du camphre : 175 °C à 177 °C selon les tables ; NA = 6,02 × 10²³ mol⁻¹.
1. Nombre d’atomes d’hydrogène de chaque côté de l’équation :
À gauche : 18 ; à droite : 16 + 2 = 18. O : 1 + 1 = 1 + 1 ; Cl : 1 = 1 ; charge : −1 = −1. L’équation est ajustée.
3. Si la transformation est totale, le réactif entièrement consommé est le
Nombres stœchiométriques égaux à 1 : 1,99 × 10⁻² < 3,0 × 10⁻², le bornéol est limitant ; les ions ClO⁻ sont en excès.
4. Masse maximale de camphre : ≈ g
Au plus 1,99 × 10⁻² mol : m = 1,99 × 10⁻² × 6,02 × 10²³ × 2,53 × 10⁻²² ≈ 3,03 g. Les 2,41 g recueillis sont bien en dessous.
5. Le camphre brut est
Il fond sur une plage, en dessous de 175 °C : il contient des impuretés, il est impur et doit être purifié.
6. Le camphre fabriqué à partir de la térébenthine existe dans le camphrier : ce n’est pas une espèce
Il est synthétisé, mais il existe dans la nature : ce n’est pas une espèce artificielle.
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