Exercices et corrigés

Exercices Physique Chimie

Production de biodiesel

Production de biodiesel

Production de biodiesel

Calculer les quantités de réactifs et de produits, ainsi que le rendement d'une réaction de transestérification pour la production de biodiesel.

Le biodiesel est un carburant renouvelable produit à partir d'huiles végétales ou de graisses animales. Il est principalement composé d'esters méthyliques (ou éthyliques) d'acides gras (EMAG ou EEAG). La réaction chimique la plus courante pour produire du biodiesel est la transestérification.

Lors de la transestérification, un triglycéride (composant principal des huiles et graisses) réagit avec un alcool (généralement du méthanol ou de l'éthanol) en présence d'un catalyseur (acide, base ou enzymatique) pour former des esters d'alkyle d'acides gras (le biodiesel) et du glycérol (ou glycérine) comme sous-produit.

L'équation générale pour la transestérification d'un triglycéride avec du méthanol est :

\[ \text{Triglycéride} + 3 \cdot \text{Alcool} \rightarrow{\text{Catalyseur}} 3 \cdot \text{Esters d'alkyle (Biodiesel)} + \text{Glycérol} \]

Pour cet exercice, nous considérerons la transestérification de la trioléine (un triglycéride courant) avec du méthanol.

Données du Problème

On réalise la transestérification de \(100.0 \text{ g}\) de trioléine (C\(_\text{57}\)H\(_\text{104}\)O\(_6\)) avec \(20.0 \text{ g}\) de méthanol (CH\(_3\)OH) en excès, en présence d'un catalyseur approprié. Les produits formés sont l'oléate de méthyle (C\(_\text{19}\)H\(_\text{36}\)O\(_2\)), qui est le composant principal du biodiesel dans ce cas, et le glycérol (C\(_3\)H\(_8\)O\(_3\)).

  • Masse de trioléine utilisée : \(m_{\text{trioléine}} = 100.0 \text{ g}\)
  • Masse de méthanol utilisée : \(m_{\text{méthanol}} = 20.0 \text{ g}\)
  • Masses molaires atomiques :
    • C : 12.0 g/mol
    • H : 1.0 g/mol
    • O : 16.0 g/mol
  • Après réaction et purification, on obtient \(95.5 \text{ g}\) d'oléate de méthyle.
Trioléine (Huile) + Méthanol (Alcool) Catalyseur Biodiesel (Esters Méthyliques) + Glycérol (Glycérine)
Schéma simplifié de la réaction de transestérification pour produire du biodiesel.

Questions

  1. Écrire l'équation de la réaction de transestérification de la trioléine (C\(_\text{57}\)H\(_\text{104}\)O\(_6\)) par le méthanol (CH\(_3\)OH) pour former l'oléate de méthyle (C\(_\text{19}\)H\(_\text{36}\)O\(_2\)) et le glycérol (C\(_3\)H\(_8\)O\(_3\)).
  2. Calculer les masses molaires de la trioléine, du méthanol, de l'oléate de méthyle et du glycérol.
  3. Déterminer les quantités de matière (en moles) de trioléine et de méthanol initialement introduites.
  4. Identifier le réactif limitant.
  5. Calculer la masse théorique d'oléate de méthyle (biodiesel) que l'on pourrait obtenir si la réaction était totale.
  6. Calculer le rendement de la réaction en oléate de méthyle.

Correction : Production de biodiesel

1. Équation de la Réaction de Transestérification

La réaction de transestérification d'un triglycéride avec un alcool produit trois molécules d'ester d'alkyle et une molécule de glycérol. La trioléine est un triglycéride formé à partir de l'acide oléique.

\[ \text{C}_{57}\text{H}_{104}\text{O}_6 \text{ (trioléine)} + 3 \text{ CH}_3\text{OH (méthanol)} \rightarrow 3 \text{ C}_{19}\text{H}_{36}\text{O}_2 \text{ (oléate de méthyle)} + \text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3 \text{ (glycérol)} \]

L'équation équilibrée est : C\(_\text{57}\)H\(_\text{104}\)O\(_6\) + 3 CH\(_3\)OH \(\rightarrow\) 3 C\(_\text{19}\)H\(_\text{36}\)O\(_2\) + C\(_3\)H\(_8\)O\(_3\).

2. Calcul des Masses Molaires

On utilise les masses molaires atomiques données : C=12.0 g/mol, H=1.0 g/mol, O=16.0 g/mol.

M(Trioléine, C\(_\text{57}\)H\(_\text{104}\)O\(_6\)) :

\[ \begin{aligned} M(\text{C}_{57}\text{H}_{104}\text{O}_6) &= (57 \times 12.0) + (104 \times 1.0) + (6 \times 16.0) \\ &= 684 + 104 + 96 \\ &= 884.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

M(Méthanol, CH\(_3\)OH) :

\[ \begin{aligned} M(\text{CH}_3\text{OH}) &= (1 \times 12.0) + (4 \times 1.0) + (1 \times 16.0) \\ &= 12.0 + 4.0 + 16.0 \\ &= 32.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

M(Oléate de méthyle, C\(_\text{19}\)H\(_\text{36}\)O\(_2\)) :

\[ \begin{aligned} M(\text{C}_{19}\text{H}_{36}\text{O}_2) &= (19 \times 12.0) + (36 \times 1.0) + (2 \times 16.0) \\ &= 228 + 36 + 32 \\ &= 296.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

M(Glycérol, C\(_3\)H\(_8\)O\(_3\)) :

\[ \begin{aligned} M(\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3) &= (3 \times 12.0) + (8 \times 1.0) + (3 \times 16.0) \\ &= 36 + 8 + 48 \\ &= 92.0 \text{ g/mol} \end{aligned} \]

M(Trioléine) = 884.0 g/mol.
M(Méthanol) = 32.0 g/mol.
M(Oléate de méthyle) = 296.0 g/mol.
M(Glycérol) = 92.0 g/mol.

3. Quantités de Matière Initiales

On utilise la formule \(n = m/M\).

Données :
\(m_{\text{trioléine}} = 100.0 \text{ g}\), \(M_{\text{trioléine}} = 884.0 \text{ g/mol}\)
\(m_{\text{méthanol}} = 20.0 \text{ g}\), \(M_{\text{méthanol}} = 32.0 \text{ g/mol}\)

Quantité de matière de trioléine :

\[ \begin{aligned} n_{\text{trioléine}} &= \frac{100.0 \text{ g}}{884.0 \text{ g/mol}} \\ &\approx 0.1131 \text{ mol} \end{aligned} \]

Quantité de matière de méthanol :

\[ \begin{aligned} n_{\text{méthanol}} &= \frac{20.0 \text{ g}}{32.0 \text{ g/mol}} \\ &= 0.625 \text{ mol} \end{aligned} \]

\(n_{\text{trioléine}} \approx 0.1131 \text{ mol}\).
\(n_{\text{méthanol}} = 0.625 \text{ mol}\).

Quiz Intermédiaire : Quantité de Matière

Question : Si on a 180 g d'eau (H\(_2\)O, M=18 g/mol), combien de moles d'eau a-t-on ?

4. Identification du Réactif Limitant

On compare le rapport (quantité de matière / coefficient stœchiométrique) pour chaque réactif. L'équation montre qu'1 mole de trioléine réagit avec 3 moles de méthanol.

Rapports à comparer :
Pour la trioléine : \(n_{\text{trioléine}} / 1\)
Pour le méthanol : \(n_{\text{méthanol}} / 3\)

\[ \begin{aligned} \frac{n_{\text{trioléine}}}{1} &= \frac{0.1131 \text{ mol}}{1} \\ &= 0.1131 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} \frac{n_{\text{méthanol}}}{3} &= \frac{0.625 \text{ mol}}{3} \\ &\approx 0.2083 \end{aligned} \]

Puisque \(0.1131 < 0.2083\), la trioléine est le réactif limitant.

La trioléine est le réactif limitant.

5. Calcul de la Masse Théorique de Biodiesel

La quantité de biodiesel (oléate de méthyle) formée est déterminée par le réactif limitant. D'après l'équation, 1 mole de trioléine produit 3 moles d'oléate de méthyle.

Données :
\(n_{\text{trioléine}} \approx 0.1131 \text{ mol}\) (réactif limitant)
\(M_{\text{oléate de méthyle}} = 296.0 \text{ g/mol}\)

Quantité de matière théorique d'oléate de méthyle :

\[ \begin{aligned} n_{\text{oléate,théorique}} &= 3 \times n_{\text{trioléine}} \\ &= 3 \times 0.1131 \text{ mol} \\ &\approx 0.3393 \text{ mol} \end{aligned} \]

Masse théorique d'oléate de méthyle :

\[ \begin{aligned} m_{\text{oléate,théorique}} &= n_{\text{oléate,théorique}} \times M_{\text{oléate de méthyle}} \\ &= 0.3393 \text{ mol} \times 296.0 \text{ g/mol} \\ &\approx 100.43 \text{ g} \end{aligned} \]

La masse théorique d'oléate de méthyle est d'environ \(100.43 \text{ g}\).

6. Calcul du Rendement de la Réaction

Le rendement (\(\eta\)) est le rapport entre la masse réelle obtenue et la masse théorique, exprimé en pourcentage.

Données :
Masse réelle d'oléate de méthyle obtenue : \(m_{\text{réelle}} = 95.5 \text{ g}\)
Masse théorique d'oléate de méthyle : \(m_{\text{théorique}} \approx 100.43 \text{ g}\)

\[ \begin{aligned} \eta &= \frac{m_{\text{réelle}}}{m_{\text{théorique}}} \times 100\% \\ &= \frac{95.5 \text{ g}}{100.43 \text{ g}} \times 100\% \\ &\approx 0.9509 \times 100\% \\ &\approx 95.09\% \end{aligned} \]

Le rendement de la réaction en oléate de méthyle est d'environ \(95.1\%\).

Quiz : Testez vos connaissances !

Question 1 : La transestérification est une réaction entre :

Question 2 : Lequel des éléments suivants est un sous-produit majeur de la production de biodiesel par transestérification ?

Question 3 : Le réactif limitant dans une réaction chimique est celui qui :

Question 4 : Un rendement de 100% signifie que :

Glossaire des Termes Clés

Biodiesel :

Carburant renouvelable, alternative au gazole, produit à partir d'huiles végétales ou de graisses animales. Chimiquement, ce sont des esters d'alkyle (méthyle ou éthyle) d'acides gras.

Transestérification :

Réaction chimique entre un ester (ici un triglycéride) et un alcool pour former un nouvel ester (le biodiesel) et un nouvel alcool (le glycérol).

Triglycéride :

Ester formé à partir de glycérol et de trois acides gras. C'est le composant principal des huiles végétales et des graisses animales.

Glycérol (Glycérine) :

Trialcool (propane-1,2,3-triol), sous-produit de la réaction de transestérification.

Ester Méthylique d'Acide Gras (EMAG) :

Composant principal du biodiesel lorsque le méthanol est utilisé dans la transestérification.

Réactif Limitant :

Réactif qui est entièrement consommé lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit pouvant être formée.

Rendement Théorique :

Quantité maximale de produit qui pourrait être obtenue si la réaction était totale et sans pertes, basée sur le réactif limitant.

Rendement Réel (ou Pratique) :

Quantité de produit effectivement obtenue lors d'une expérience.

Rendement en Pourcentage :

Rapport de la masse réelle obtenue à la masse théorique, multiplié par 100.

Questions d'Ouverture ou de Réflexion

1. Quels sont les avantages et les inconvénients de l'utilisation du biodiesel comme carburant par rapport au gazole d'origine fossile ?

2. Pourquoi est-il souvent nécessaire d'utiliser un excès d'alcool (comme le méthanol) dans la réaction de transestérification ?

3. Le glycérol est un sous-produit de la production de biodiesel. Quelles sont ses utilisations potentielles pour valoriser ce sous-produit ?

4. Citez différentes sources de matières premières (huiles végétales, graisses animales, microalgues) pour la production de biodiesel et discutez de leurs implications.

5. Qu'est-ce que l'économie d'atomes d'une réaction chimique ? Comment pourrait-on l'évaluer pour la réaction de transestérification ?

Production de biodiesel

D’autres exercices de chimie terminale:

Détermination de la constante de vitesse
Détermination de la constante de vitesse

Détermination de la Constante de Vitesse d’une Réaction Détermination de la Constante de Vitesse d’une Réaction Comprendre la Cinétique Chimique et la Constante de Vitesse La cinétique chimique est l'étude de la vitesse des réactions chimiques et des facteurs qui...

Géométrie Moléculaire du Dichlorométhane
Géométrie Moléculaire du Dichlorométhane

Géométrie Moléculaire du Dichlorométhane Géométrie Moléculaire du Dichlorométhane Comprendre la Géométrie des Molécules La géométrie d'une molécule, c'est-à-dire la disposition spatiale des atomes qui la composent, est cruciale pour comprendre ses propriétés physiques...

Calcul de la concentration de la soude
Calcul de la concentration de la soude

Calcul de la Concentration d’une Solution de Soude Calcul de la Concentration d’une Solution de Soude par Titrage Comprendre le Titrage et la Concentration Le titrage (ou dosage) est une technique de laboratoire couramment utilisée en chimie pour déterminer la...

Solutions Mère et Fille
Solutions Mère et Fille

Préparation de Solutions par Dilution : Solutions Mère et Fille Préparation de Solutions par Dilution : Solutions Mère et Fille Comprendre la Dilution En chimie, la dilution est un procédé qui consiste à obtenir une solution de concentration inférieure à celle d'une...

Enthalpie de Neutralisation du HCl et NaOH
Enthalpie de Neutralisation du HCl et NaOH

Enthalpie de Neutralisation : Réaction HCl + NaOH Enthalpie de Neutralisation : Réaction HCl + NaOH Comprendre l'Enthalpie de Neutralisation La réaction de neutralisation entre un acide fort et une base forte est une réaction exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage...

Cinétique d’une réaction chimique
Cinétique d’une réaction chimique

Cinétique d’une Réaction Chimique Cinétique d’une Réaction Chimique Étudier la cinétique de la décomposition du peroxyde d'hydrogène, déterminer l'ordre de la réaction, la constante de vitesse et le temps de demi-réaction. La cinétique chimique étudie la vitesse des...

Détermination de l’Enthalpie de Réaction
Détermination de l’Enthalpie de Réaction

Détermination de l’Enthalpie de Réaction Détermination de l’Enthalpie de Réaction Comprendre le concept d'enthalpie de réaction et la calculer en utilisant les enthalpies standard de formation (Loi de Hess) pour la synthèse de l'ammoniac. L'enthalpie de réaction,...

Calcul d’enthalpie de réaction
Calcul d’enthalpie de réaction

Calcul de l’Enthalpie de Réaction Calcul de l’Enthalpie de Réaction Comprendre le concept d'enthalpie de réaction et la calculer en utilisant les enthalpies standard de formation (Loi de Hess). L'enthalpie de réaction, notée \(\Delta_r H^\circ\), est la variation...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *