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Synthèse de la rayonne
P.246-247

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ACTIVITÉ EXPÉRIMENTALE
90 minutes

3
Synthèse de la rayonne




Le triacétate de cellulose obtenu à partir de cellulose est à la base de la fabrication d’un certain nombre de plastiques utilisés dans la vie quotidienne.
Soluble dans l’acétone, le triacétate de cellulose peut être filé et donne des fibres artificielles aux noms divers : rayonne, soie artificielle, viscose.

➜ Comment une fibre naturelle devient-elle un plastique ?


Objectifs

  • Mettre en œuvre un protocole de synthèse.


Doc. 1
Cellulose et triacétate de cellulose

Cellulose et triacétate de cellulose

Principal constituant des végétaux, la cellulose, de formule brute (C6H10O5)n\text{(C}_6\text{H}_{10}\text{O}_{5}\text{)}_{n}, est la matière organique la plus abondante sur Terre. C’est un glucide constitué de chaînes linéaires de molécules de D-glucose liées entre elles pour former des polymères linéaires, mais, transversalement, ils peuvent développer des liaisons inter- ou intramoléculaires de type pont hydrogène.

La chimie de la cellulose est riche en histoire : le triacétate de cellulose obtenu par action de l’anhydride éthanoïque sur la cellulose a été découvert en 1865 par Paul Schützenberger, président de la Société chimique de France (SFC) en 1885. Sa fabrication industrielle fut mise au point par les frères Dreyfus à Bâle vers 1900 et, dès 1905, des tonnages importants furent commercialisés sous forme de vernis.

Les Frères Lumière employaient le triacétate de cellulose pour le cinématographe et cet usage est toujours d’actualité.

D’après le sujet des Olympiades de chimie 2018, sélection AEFE.

Données

  • Masses molaires :
  • M(cellulose)=162M\text{(cellulose)} = 162 g⋅mol-1
    M(triaceˊtate de cellulose)=288M\text{(triacétate de cellulose)}= 288 g⋅mol-1

    Doc. 2
    Du coton à la rayonne

    Substances chimiques Pictogrammes Données
    Anhydride éthanoïque
    C4H6O3\text{C}_4\text{H}_{6}\text{O}_{3}
    pictogramme de sécurité, inflammable, corrosif
    M= 102\bm{M =} 102 g⋅mol-1
    Tfus=73\bm{T_\bold{fus}} \text{=} -\text{73} °C
    Teˊb = 139\bm{T_\bold{éb}}  \text{=} \text{139} °C
    d = 1,08\bm{d}  \text{=} \text{1,08}
    Très soluble dans l’eau
    Acide éthanoïque
    C2H6O2\text{C}_2\text{H}_{6}\text{O}_{2}
    pictogramme de sécurité Inflammable et corrosif
    M= 60\bm{M =} 60 g⋅mol-1
    Tfus= 16,6\bm{T_\bold{fus}} \text{=}  \text{16,6} °C
    Teˊb = 118\bm{T_\bold{éb}}  \text{=} \text{118} °C
    d = 1,05\bm{d}  \text{=} \text{1,05}
    Très soluble dans l’eau
    Acide sulfurique
    H2SO4\text{H}_2\text{SO}_{4}
    pictogramme de sécurité corrosif
    M= 98,1\bm{M =} 98,1 g⋅mol-1
    Teˊb = 337\bm{T_\bold{éb}}  \text{=} \text{337} °C
    d = 1,83\bm{d}  \text{=} \text{1,83}
    Hydrogénocarbonate de sodium
    NaHCO3\text{NaHCO}_3
    M= 84\bm{M =} 84 g⋅mol-1
    Tfus= 270\bm{T_\bold{fus}} \text{=}  \text{270} °C
    d = 2,2\bm{d}  \text{=} \text{2,2}
    Très soluble dans l’eau

    Doc. 3
    Matériel nécessaire

    • Montage à reflux avec ballon bicol ampoule de coulée
    • Deux éprouvettes graduées de 25 mL et de 10 mL
    • Bécher de 400 mL
    • Trois béchers de 100 mL
    • Montage de filtration sous vide type Büchner
    • Papier pH\text{pH}
    • Spatule et sabot de pesée ou coupelle
    • Agitateur en verre
    • Balance précise à 0,01 g
    • Étuve
    • 2,5 g de coton en petits morceaux
    • Flacons d’acide éthanoïque pur et à 20 %
    • Flacon d’acide sulfurique à 95 %
    • 15 mL d’anhydride éthanoïque
    • Solution saturée d’hydrogénocarbonate de sodium (Na+(aq);HCO3(aq)). \left(\text{Na}^{+}\text{(aq)} ; \text{HCO}_{3}^{-}\text{(aq)}\right).

    Doc. 4
    Solubilités

    Cellulose Triacétate de cellulose
    Eau Insoluble Insoluble
    Acide éthanoïque Insoluble Soluble

    Doc. 5
    Équation de réaction d’obtention du triacétate de cellulose

    Equation de réaction d'obstention du triacétate de cellulose

    Doc. 6
    Protocole de synthèse suivi au laboratoire

    Le protocole suivant est un protocole sommaire, c’est-à-dire qu’il ne précise pas toujours les techniques de façon détaillée. Il est donc nécessaire de les expliciter et de les faire valider par le professeur. Ces éléments apparaissent en bleu dans le texte ci-dessous.
    • Prendre connaissance des documents et mettre en œuvre les mesures de sécurité nécessaires.
    • Dans un récipient de 250 mL bien sec, introduire :
      • 2,5 g de coton sous forme de petites boules ;
      • 12 mL d’acide éthanoïque pur et 2 gouttes d’acide sulfurique concentré.
    • À l’aide d’un montage adapté, chauffer le mélange durant 20 minutes en maintenant la température du milieu autour de 80 °C.
    • Laisser refroidir puis verser lentement 1 mL d’anhydride éthanoïque dans le ballon.
    • Chauffer le mélange entre 60 et 70 °C jusqu’à disparition complète du coton (entre 10 et 20 minutes généralement).
    • Ajouter environ 5 mL de solution aqueuse d’acide éthanoïque à 20 % en volume.
    • Chauffer à nouveau pendant 10 minutes, puis laisser refroidir le milieu réactionnel.
    • Transvaser le milieu réactionnel dans un grand bécher contenant environ 50 mL d’eau tiède en agitant constamment.
    • Sous agitation, neutraliser l’acide par ajout progressif d’environ 10 mL d’une solution d’hydrogénocarbonate de sodium, puis contrôler la réussite de l’opération.
    • Séparer le polymère de la solution et rincer à l’eau froide.
    • Sécher le produit obtenu à l’étuve à 60 °C.
    • Peser le produit sec.

    Supplément numérique


    Compétences

    RAI/ANA : Justifier un protocole

    REA : Respecter les règles de sécurité

    APP : Extraire l’information sur supports variés

    Questions

    1. À l’aide des documents fournis, apporter des précisions concernant les éléments en bleu dans le texte du protocole :
      • les précautions à prendre pour réaliser cette synthèse ;
      • le montage à utiliser ;
      • la vérification de la neutralisation de l’acide ;
      • la séparation du triacétate de cellulose du mélange réactionnel.



    2. À l’aide du doc. 5 (⇧), nommer les groupes caractéristiques de la molécule de cellulose et de triacétate de cellulose. Préciser s’il y a eu modification de chaîne carbonée ou modification de groupe caractéristique lors de cette synthèse.


    Lors de la première étape de la synthèse, la cellulose est imprégnée de solvant (l’acide éthanoïque). Le but de cette opération est de rendre les groupes caractéristiques des fonctions alcools tous disponibles et donc réactifs.

    3. Expliquer le rôle de l’acide sulfurique dans cette étape.


    4. Après ajout de 50 mL d’eau, le triacétate de cellulose précipite. Expliquer pourquoi.
    Voir les réponses

    Synthèse de l'activité

    Calculer le rendement de la synthèse en considérant que le coton est entièrement constitué de cellulose et commenter sa valeur.
    Voir les réponses
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