Partie d'un sujet zéro - Le 2,5-diméthylfurane : un carburant d’avenir - 2020

Enseignement de spécialité physique-chimie

Classe de première de la voie générale

Partie d’un sujet zéro :
Le 2,5-diméthylfurane : un carburant d’avenir ?

Problématique
À eux seuls les transports représentent un quart de la consommation d’énergie et un quart des émissions de gaz à effet de serre en France. De nombreuses recherches sont conduites pour produire des carburants de substitution aux carburants conventionnels issus du pétrole, afin de limiter les émissions de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone. Ainsi des « agrocarburants » sont produits à partir de matière organique d’origine végétale, c’est le cas du « bioéthanol » qui est de l’éthanol obtenu par transformation de glucides issus de la betterave, du blé ou du maïs. Les glucides sont élaborés par les plantes lors de la photosynthèse à partir du dioxyde de carbone et de l’eau, en utilisant l’énergie des rayonnements solaires.
Par exemple, l’équation de la réaction de photosynthèse du fructose et du glucose, tous deux de formule brute $\text{C}$ s’écrit :
$6\text{CO}$ 2 +6\text{H}2\text{O}\to \text{C}6\text{H}{12}\text{O}6 + 6\text{O}_2 $6 CO_{2} + 6 H_{2} O \to C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2}$

Cet exercice s’intéresse à une espèce chimique prometteuse synthétisée à partir du fructose : le 2,5-diméthylfurane, noté DMF. Afin d’étudier l’intérêt potentiel du DMF comme agrocarburant on se propose :

d’analyser une partie de la synthèse du DMF à partir du fructose ;
de déterminer le pouvoir calorifique du DMF.

Données

Numéros atomiques et masses molaires atomiques :

Élément chimique	$\text{H}$	$\text{He}$	$\text{C}$	$\text{N}$	$\text{O}$	$\text{Ne}$
Numéro atomique $Z$	$1$	$2$	$6$	$7$	$8$	$10$
Masse molaire $M (\text{g}\cdot\text{mol}^{-1})$	$1,0$	$4,0$	$12,0$	$14,0$	$16,0$	$20,2$

Masses molaires moléculaires :
fructose : $180,2\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$ ;
DMF : $96,1\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$ .
Données de spectroscopie infrarouge (IR) :

Liaison	Nombre d’onde $(\text{cm}^{-1})$	Intensité
$\text{O}-\text{H}$ libre	$3500-3700$	Forte, fine
$\text{O}-\text{H}$ liée	$3200-3400$	Forte, large
$\text{O}-\text{H}$ acide carboxylique	$2500-3200$	Forte à moyenne, large
$\text{C}-\text{H}$	$2800-3000$	Forte
$\text{C}=\text{O}$ aldéhyde et cétone	$1650-1730$	Forte
$\text{C}=\text{O}$ acide carboxylique	$1680-1710$	Forte
$\text{C}=\text{C}$	$1640-1680$	Moyenne

Spectres infrarouges du fructose et du HMF, intermédiaire dans la synthèse du DMF à partir du fructose :
Source : Spectral database for organic compounds, https://sdbs.db.aist.go.jp.

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Synthèse du 2,5-diméthylfurane

La synthèse chimique du 2,5-diméthylfurane (noté DMF) à partir du fructose est représentée ci-dessous ; elle comporte deux transformations successives, la première conduisant à la synthèse d’un produit intermédiaire, le 5-hydroxyméthylfurfural noté HMF. L’étude qui suit porte sur cette première transformation ; l’extrait d’un cahier de laboratoire est fourni ci-après.

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Équation de la réaction de synthèse du produit intermédiaire, HMF, à partir du fructose :

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Extrait d’un cahier de laboratoire :

Synthèse du produit intermédiaire HMF réalisée à partir du fructose

Étape (1)
On a introduit dans un ballon monocol rodé de $50\ \text{mL}$ : $1,040\ \text{g}$ de fructose, $600\ \mu\text{L}$ d’eau (solvant) ainsi que les catalyseurs : $150\ \text{mg}$ de résine Amberlyst 15^TM et $3\ \text{g}$ de TEAB. Les catalyseurs sont ajoutés pour rendre plus rapide la transformation du fructose en HMF. Réalisation d’un montage à reflux puis chauffage au bain-marie à l’ébullition.
Étape (2)
Une fois la transformation terminée, l’eau a été vaporisée (à l’aide d’un appareil spécifique appelé évaporateur rotatif).
Étape (3)
On ajoute au milieu réactionnel de l’éthanol et de l’éthanoate d’éthyle dans lesquels le HMF est soluble alors que la résine Amberlyst et le TEAB ne sont pas solubles. Une filtration a permis de retirer la résine Amberlyst et le TEAB du milieu réactionnel. On récupère le filtrat, contenant de l’éthanol et de l’éthanoate d’éthyle (solvants organiques) dans lequel est dissous le HMF. Les solvants du filtrat sont éliminés par vaporisation (à l’aide de l’évaporateur rotatif). On a obtenu un solide.
Étape (4)
On a mesuré la masse du solide obtenu : $m = 672\ \text{mg}$ .
Étape (5)
On a réalisé les spectres infrarouges du fructose et du solide obtenu.

Choisir, parmi les dix éléments de verrerie proposés ci-dessous, la verrerie utile pour réaliser le montage de l’étape (1) de la synthèse du HMF. Reporter sur votre copie le numéro de chaque élément de verrerie choisi et préciser son nom.

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Donner la nature de chacune des cinq étapes du protocole de synthèse du HMF à l’aide de l’un des éléments de la liste suivante : transformation du ou des réactifs, isolement du produit synthétisé, purification du produit synthétisé, analyse du produit synthétisé.

Repérer dans le protocole expérimental, les transformations physiques pour lesquelles un apport d’énergie est nécessaire.

Justifier que la réalisation du spectre infrarouge du solide obtenu permet de vérifier la présence de HMF. Indiquer si la réalisation de ce spectre peut permettre de vérifier aussi l’absence de fructose.

Déterminer la valeur de la masse molaire moléculaire du HMF.

En supposant que le solide obtenu est du HMF pur, déterminer le rendement de la synthèse du HMF à partir du fructose.

Pouvoir calorifique du DMF

Pour étudier l’intérêt potentiel d’un carburant, il est nécessaire de disposer de ses caractéristiques énergétiques. Par exemple pour l’éthanol, l’énergie molaire de sa combustion en phase gazeuse a pour valeur $1,39\times 10^3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ . Son pouvoir calorifique massique est $P_\text{C}(\text{\'ethanol}) = 30,2\times 10^3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ ; il s’agit de l’énergie que peut libérer un kilogramme d’éthanol lors de sa combustion complète.

Écrire l’équation de la réaction de combustion complète de l’éthanol, de formule brute $\text{C}$ . La réaction de combustion complète du DMF a pour équation : $\text{C}$

Établir le schéma de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone $(\text{CO}$ et de la molécule d’eau $(\text{H}$ 2\text{O}) $(H_{2} O)$ .

On cherche à déterminer l’énergie molaire de combustion $E_{\text{comb}}$ du DMF en phase gazeuse. Pour cela on modélise le passage des réactifs aux produits par un état dans lesquels les molécules ont été entièrement dissociées en atomes, les énergies des liaisons étant alors mises en jeu. Le schéma ci-dessous est une représentation du modèle utilisé.

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Déterminer l’énergie $E_4$ produite lors de la formation de $4$ moles d’eau à partir des atomes constitutifs de ces molécules, sachant que l’énergie molaire de la liaison $\text{O}-\text{H}$ est égale à $463\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ .

En déduire l’énergie molaire de combustion du DMF.

Montrer que le pouvoir calorifique massique du DMF a pour valeur $P_\text{C}(\text{DMF}) = 27,2\times10^3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ .

Conclusion à propos de la problématique

À l’aide des informations fournies, des études effectuées dans cette partie à propos de l’éthanol et du DMF ainsi que de vos connaissances, discuter en une dizaine de lignes des principaux avantages et inconvénients des agrocarburants.