|
Chimie N° 10 |
|
|
|
I- La réaction de Saponification.
1)- Introduction et Historique.
|
Le mot saponification vient du latin sapo qui signifie "savon ". C'est l'une des plus vieilles réactions chimiques connues. Elle permet la fabrication des savons à partir d'esters naturels présents dans les corps gras d'origine animale ou végétale. Les corps gras font partie de composés organiques, les lipides présents dans les tissus animaux et végétaux. Ce sont des lipides simples caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur toucher onctueux. L'Histoire des corps gras se confond avec celle de l'Humanité. On retrouve des lampes à huile et des chandelles chez les Égyptiens (3000 ans A.V J.C). Ils utilisaient les huiles comme lubrifiant : huile de palme, huile d'olive. Homère mentionne l'usage de l'huile d'olive pour faciliter le tissage des fibres. La fabrication du savon était connue du temps des Phéniciens plusieurs siècles avant notre ère. PLINE (le vieux) décrit les savons et spécifie même qu'il y en a des durs et des mous. Ce n'est que vers 1815 que Michel Eugène CHEVREUL (1786-1889) prouve la nature chimique exacte des corps gras. Il décrit ses travaux dans l'ouvrage paru en 1823 : " Recherche chimique sur les corps gras d'origine animale". |
2)- Définition.
|
La réaction de saponification résulte de l'action de l'ion hydroxyde OH – sur un ester. Elle conduit à la formation d'un alcool est d'un ion carboxylate, base conjuguée d'un acide carboxylique. - Équation bilan : |
|
- Étude des réactifs : schéma de LEWIS de l'ester
et de l'ion hydroxyde.
- L'atome d'oxygène est plus électronégatif que l'atome de carbone :
χO
= 3,5 et χC = 2,5, en
conséquence, les liaisons C – O ;
C = O sont polarisées.
L'atome de carbone fonctionnel d'un ester porte une charge
partielle positive
Il est appauvri en électrons e – . Cet atome constitue un site électrophile : il attire les électrons. C'est un réactif électrophile. L'atome d'oxygène de l'ion hydroxyde constitue un site riche en électrons. Cet atome constitue un site nucléophile(il attire les noyaux). L'ion hydroxyde est un réactif nucléophile. La saponification résulte de l'interaction entre un site nucléophile et un site électrophile. Les flèches courbes utilisées dans les mécanismes réactionnels indiquent le mouvement des électrons. - Première étape :
- Deuxième étape : - L'ion alcoolate est une base. En milieu aqueux, c'est une base forte. - L'acide carboxylique est un acide faible en milieu aqueux. - En conséquence, il se produit une réaction acido-basique entre un acide faible et une base forte. - La réaction est quasi totale. - Troisième étape :
|
4)- Caractéristiques de la réaction de saponification.
|
La réaction de saponification est lente. Pour accélérer la réaction et atteindre plus rapidement l'état final, on doit chauffer le mélange réactionnel. La troisième étape étant totale, la réaction de saponification est totale. |
II- Préparation d'un savon. Saponification d'un corps gras.
1)- Expérience.
|
Il faut commencer l'expérience en début de cours (après l'historique). - Matériel : erlenmeyer de 250 mL, agitateur magnétique chauffant, - barreau aimanté, chauffage à reflux, réfrigérant, trompe à vide et büchner. - Produits : - 15 mL d'huile d'olive - 20 mL de soude de concentration C = 10 mol / L. - 20 mL d'éthanol. -- On verse dans l'erlenmeyer, on chauffe tout en agitant. - Quel type de montage utilise-t-on ?
Chauffage à reflux |
2)- Composition d'un corps gras.
|
- Un corps gras est un triester d'acide gras et du glycérol. - Les corps gras sont encore appelés triglycérides. - Le glycérol est un trialcool : le propan-1, 2,3 -triol. - Un acide gras est un acide carboxylique à chaîne linéaire, saturée ou non, possédant en général un nombre pair d'atomes de carbone, entre 4 et 22. |
|
|
|
|
|
Glycérol |
Corps gras |
Acides gras |
|
Les acides gras : on distingue : - Les acides gras saturés : acide stéarique ou
acide octadécanoïque :
C17H35COOH
- acide palmitique en
C16 :
C15H31COOH
- Les acides gras mono-insaturés : acide oléique ou acide (9Z)-octadéca-9-énoïque C17H33COOH
- Les acides poly-insaturés : - l'acide linoléique : C17H31– COOH
CH3
– (CH2)4 –
CH =
CH – CH2
–– CH =
CH – (CH2)7 –
COOH - l'acide linolénique : C17H29– COOH CH3 – (CH2 – CH = CH)2 – CH2 – CH = CH – (CH2)7 – COOH - Les triglycérides ou corps gras sont des triesters des acides gras et du glycérol. - Les triglycérides sont dits simples si R = R' = R''. - Sinon les triglycérides sont mixtes. - Exemple : - le palmitate de glycéryle est un triglycéride simple provenant de l'estérification de l'acide palmitique avec le glycérol. - Exemple : - le stéaroplamitooléate de glycéryle est un triglycéride mixte provenant de l'estérification d'un mélange d'acide stéarique, palmitique et oléique avec le glycérol. |
3)- Obtention du savon. Le relargage. (Suite et fin de la réaction).
|
- Relargage : - Au bout de 30 min environ, on arrête le chauffage et on verse le mélange réactionnel dans un bécher contenant une solution glacée de chlorure de sodium. - On remarque que le savon précipite. - On agite. - Équation bilan de la réaction de saponification : |
|
|
||
| corps gras |
savon |
glycérol |
|
- Le glycérol est un sous produit de la saponification. On peut le récupérer par distillation. - Le relargage permet de récupérer le savon. - Pourquoi agite-t-on au cours de la réaction ? Le corps gras et la solution de soude ne sont pas miscibles, on agite pendant l'expérience pour maintenir les réactifs en contact. - Pourquoi ajoute-t-on de l'éthanol ? L'utilisation de l'éthanol rend le mélange réactionnel plus homogène. - Pourquoi effectue-t-on le relargage avec une solution saturée de chlorure de sodium ? La présence des ions chlorure et des ions sodium diminue la solubilité du savon et facilite la précipitation. - Savon dur, savon mou : La saponification d'un corps gras peut être réalisée : - Avec la soude : on obtient un savon dur, type savon de Marseille. - Avec la potasse : on obtient un savon mou, type savon noir. - Séparation : - On filtre sur Büchner en commençant à verser le plus de liquide clair. - On obtient un savon qui n'est pas utilisable car il faut le laver à l'eau glacée pour enlever l'excès de soude. En résumé : un savon est un mélange de carboxylate de sodium (savon dur) ou un carboxylate de potassium (savon mou). |
|
Le savon de Marseille est un oléate de sodium. On fait réagir une solution de soude sur de l'huile d'olive (oléine) à 80 °C environ. - L'oléine est un triglycéride provenant de la réaction entre le glycérol et l'acide (Z octadéca-9-énoïque ou acide oléique. - Proposer la formule développée de l'acide oléique. - Écrire l'équation bilan de la réaction de saponification de ce triester. - Déterminer les quantités de matière des différentes espèces en fin de réaction. - En déduire la masse théorique de savon obtenu. - On donne : on considère que 15 mL d'huile d'olive renferment 10 g d'oléine pure. - Masse molaire de l'oléine : M(oléine) = 884 g / mol. - Masse molaire de l'oléate de sodium : M(oléate de sodium) = 304 g / mol. - On utilise 20 mL de soude de concentration C = 10 mol / L. |
|
Formule semi-développée de l'acide oléique :
Formule semi-développée de l'oléine : triester de l'acide oléique et du glycérol
- Saponification de l'ester :
- Quantité de matière de chacun des réactifs : - - il faut comparer
-
-
Or - La soude est en large excès
-
nOHf =
0,20 – 0,033
-
nOHf ≈
0,167 mol
-
nOHf ≈
0,17 mol - Masse de savon que l'on peut théoriquement obtenir : - moleate
de Na = 3 noléine .
M (oléine) - moleate de Na ≈ 10 g |
5)- Solubilité des savons.
|
Les savons sont peu solubles dans l'eau : RCOONa
Une solution aqueuse de savon est basique du fait de la présence de l'ion carboxylate RCOO – . En milieu acide, l'acide carboxylique RCOOH : précipite. Un milieu acide est défavorable à l'action d'un savon. D'autre part une solution aqueuse de chlorure de sodium fait précipiter le savon contenu dans une solution aqueuse, elle permet le relargage du savon. En présence d'ions calcium et magnésium, il y a précipitation de carboxylate de calcium et de magnésium. 2
RCOO –
+ Ca2+ →
(RCOO)2Ca 2
RCOO –
+ Mg2+ →
(RCOO)2Mg Les eaux dures qui contiennent des ions calcium et potassium sont défavorables à l'action d'un savon. |
III- Mode d'action des Savons.
1)- Hydrophile, Lipophile et Amphiphile.
|
Dans les savons, on trouve l'ion carboxylate du type RCOO – , R est un radical alkyle et COO – le groupe carboxylate. - Le groupe carboxylate est hydrophile (il s'entoure de molécules d'eau polaire), il est lipophobe car il n'a pas d'affinité pour les chaînes carbonées présentes dans les graisses. - Le groupe alkyle est hydrophobe car il n'est pas polaire, mais il est lipophile car il a beaucoup d'affinité pour les chaînes carbonées. - Les ions carboxylates possèdent : - une extrémité hydrophile COO – tête hydrophile
- une extrémité lipophile
R –
queue hydrophobe
- Ce sont des espèces amphiphiles.
|
2)- Mode d'action des savons.
|
Dans l'eau les particules de savon se regroupent sous forme de micelles. LLes parties hydrophobes ( un radical alkyle) qui fuient l'eau se rassemblent entre elles. Elles sont solubilisées grâce à l'affinité pour l'eau des extrémités hydrophiles (le groupe carboxylate).
Les parties hydrophobes sont solubles dans les huiles et les graisses constituant la saleté du linge. Ainsi les particules savonneuses peuvent s'enfoncer dans les tâches organiques et les retirer du tissu. Les gouttelettes d'huile se retrouvent enfermées dans un film polaire soluble dans l'eau.
Les micelles chargées négativement vont se repousser et se retrouver dispersées et forment une émulsion. Le savon va donner naissance à une mousse qui entraîne les particules mouillées. En s'interposant entre le tissu et la saleté, en détruisant son adhérence, un savon abaisse les tensions superficielles. C'est un agent tensioactif. Les savons ont de ce fait des propriétés : - Mouillantes - Émulsifiantes - Moussantes. Ce sont de bons détergents. |
1)- Préparation d'un savon (sujet du bac).
|
Mode opératoire. - Dans un ballon de
250 mL
20,0 mL d'une solution
aqueuse de soude
de concentration C = 8,0 mol / L, 11,0 mL
d'une huile alimentaire, 10,0 mL d'éthanol
et
quelques grains de pierre ponce.
-
On chauffe à reflux le
mélange durant 30 min.
- ensuite, on verse le mélange
réactionnel dans une solution de chlorure de sodium pour
effectuer le relargage du savon.
-
Une filtration est
réalisée, puis le savon obtenu est lavé et
séché.
Données.
- On considère que l'huile
alimentaire n'est constituée que d'oléine qui est le
triester du propane-1,2 ,3-triol
(glycérol) et de
l'acide oléique ;
sa masse volumique est
ρ = 0,90
g / mL et sa masse molaire est
884 g /
mol.
- Formule de l'acide oléique
:
C17H33COOH, ce qui sera noté
RCOOH .
Questions.
- Quels sont les rôles du chauffage
et du reflux ?
- Quel est le but du relargage ?
- Écrire la formule
semi-développée de l'oléine.
- Représenter le schéma de
Lewis de l'ion hydroxyde.
-
Cet ion a-t-il un caractère
électrophile ou nucléophile ?
- Préciser la position des sites
électrophiles dans l'oléine en les entourant dans la
formule semi-développée.
- Écrire l'équation bilan
de la réaction de saponification de l'oléine.
- Déterminer la quantité de
matière n1 d'ions hydroxyde introduite
dans le ballon.
- Déterminer la quantité de
matière n2 d'oléine introduite
dans le ballon.
- Déterminer la masse maximale m
de savon sec que l'on peut espérer recueillir.
|
|
- En chauffant, on accélère la réaction de saponification qui est une réaction lente. - Le chauffage à reflux permet de condenser les vapeurs des réactifs et des produits dans le réfrigérant et de les faire retourner à l'état liquide dans le ballon. - L'ajout d'un composé ionique tel que le chlorure de sodium dans le mélange réactionnel diminue la solubilité du savon, qui de ce fait, précipite. - Formule semi-développée de l'oléine :
- Schéma de Lewis de l'ion hydroxyde :
- Équation bilan : - Quantité de matière d'ions hydroxyde :
-
n1
= C .
V = 8,0 x 20 x 10 –3
-
n1
≈ 0,16 mol - Quantité de matière d'oléine : - - Masse de savon : la soude est en excès, c'est l'oléine qui limite la réaction - m = 3 n2 . Msavon - m ≈ 3 x 0,011 x 304
- m ≈ 10,2 g Réaction d'estérification entre l'acide oléique et le glycérol : |
|
|
|
|
RCOO – +
Na+
