Le monoï de Tahiti, prétexte à deux chapitres de chimie organique

Ce premier exercice du bac S 2009 Métropole, session de rattrapage, est noté sur 6,5 points pour une durée conseillée de 1 h 18. Il part d'un produit cosmétique, le monoï, fait d'huile de coprah et de fleur de Tiaré, pour aborder deux parties indépendantes : la fabrication d'un savon à partir de l'huile, puis le comportement d'un ester présent dans la fleur, le salicylate de méthyle. On y retrouve le tableau d'avancement, les propriétés des savons, les équilibres chimiques et la cinétique suivie par spectrophotométrie.

Partie 1 : de l'huile de coprah au savon

La réaction entre une huile et la soude s'appelle la saponification, c'est-à-dire l'hydrolyse basique d'un ester. L'équation avec un triglycéride demande un coefficient 3 devant l'ion hydroxyde et devant le carboxylate, puisque la molécule porte trois groupes ester. Le savon obtenu est le laurate de sodium, de formule CH3-(CH2)10-COO- associé à Na+.

Le tableau d'avancement donne n1 = 2,0 × 10^3 mol de laurate de glycéryle et n0 = 1,2 × 10^4 mol d'hydroxyde de sodium. Pour trouver le réactif limitant, il faut diviser n0 par son nombre stœchiométrique 3 : on obtient 4,0 × 10^3 mol, valeur plus grande que n1. Le triglycéride est donc limitant et xmax = 2,0 × 10^3 mol. La masse maximale de savon vaut m2 = 3 xmax × M2, soit environ 1,33 t, et le rendement, rapport de la tonne réellement obtenue à cette masse maximale, est voisin de 75 %.

La suite porte sur la structure de l'ion actif : la longue chaîne carbonée est hydrophobe et lipophile, le groupe carboxylate hydrophile et lipophobe. Le schéma 1.a est le bon, car les chaînes plongent dans la graisse et les têtes chargées restent dans l'eau.

Partie 2 : le salicylate de méthyle de la fleur de Tiaré

La molécule porte un groupe ester et un groupe hydroxyle. Son hydrolyse est lente et limitée par la réaction inverse, l'estérification. Le chauffage ou un catalyseur accélèrent la réaction sans changer l'état final ; pour obtenir davantage de produit, on élimine le méthanol, l'espèce la plus volatile (65 °C), par distillation.

L'étude de la dégradation à la lumière se fait au maximum d'absorbance, vers 306 nm, dans l'ultraviolet. La baisse d'absorbance après irradiation traduit la disparition d'une partie du salicylate de méthyle. Sur la courbe d'avancement, la tangente devient de moins en moins inclinée : la vitesse diminue. Le temps de demi-réaction se lit à l'ordonnée xf/2 et vaut environ 60 h, ce qui rend l'usage dans une crème solaire envisageable pour une demi-journée d'exposition.

Pièges et conseils

Les conversions d'unités coûtent souvent des points : une tonne vaut 10^6 g et un mètre cube 10^3 L. Comparer directement n1 et n0 sans tenir compte du coefficient 3 conduit à une conclusion fausse. Pour le temps de demi-réaction, on ne prend pas la moitié de la durée de l'expérience : la courbe n'est pas une droite, il faut passer par la moitié de l'avancement final. Enfin, la saponification est totale, alors que l'hydrolyse d'un ester en milieu neutre est limitée : ne pas confondre les deux réactions.