Épreuve académique de travaux pratiques
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38ème ÉDITION DES OLYMPIADES DE LA CHIMIE
Année 2021 / 2022
Thème : « Chimie et cosmétiques »
ACADÉMIE D’AIX-MARSEILLE
Épreuve académique de travaux pratiques
Durée de l’épreuve : 3 h 00
Le document comporte 10 pages.
Notes importantes
➢ Les deux parties du sujet sont indépendantes.
➢ Les candidats sont totalement responsables de la gestion du temps, de l’organisation de
leur travail et de l’utilisation des données fournies.
➢ Un « cahier de laboratoire » est fourni. Il sera rempli au fur et à mesure de l’avancée du
travail et comportera les observations relatives à la partie expérimentale, les réponses aux
questions, les calculs éventuels. Il sert de support à la communication orale lors des appels
à l’examinateur.
➢ L’évaluation portera sur la qualité des gestes expérimentaux, la précision du travail, la
compréhension des principes et phénomènes, et sur les résultats obtenus.
TOUT MANQUEMENT AUX RÈGLES DE SÉCURITÉ SERA SÉVÈREMENT SANCTIONNÉ.
Partie A : Les cosmétiques pour la protection solaire
DOCUMENT 1 : La protection de la peau contre certains rayonnements.
La chimie et ses technologies étaient déjà utilisées pour préparer les fards de l’Égypte ancienne :
40 jours étaient parfois nécessaires pour fabriquer certains composés chimiques indispensables à leur
préparation.
Une crème solaire est une crème ou une lotion dont la fonction est de protéger la peau de certains
effets nuisibles dûs aux rayonnements ultraviolets du Soleil. Ce produit s’utilise quand le rayonnement
solaire est fort, notamment sur les plages en été et sur les pistes de ski en hiver. Son efficacité repose
sur des filtres ultraviolets qui peuvent contenir, soit des composés organiques (mais l’impact négatif sur
l’environnement a été démontré par plusieurs études), soit des composés minéraux (sans impact
signalé sur l’environnement).
La photoprotection désigne tous les moyens, naturels ou artificiels, visant à protéger la peau contre les
effets néfastes du rayonnement solaire.
Si le Soleil a certains effets bénéfiques pour l’homme (antirachitiques et antidépressifs notamment), il a
également des effets redoutables (photo-dermatoses et photo-cancérogenèse notamment) provoqués
par les ultraviolets UVA et UVB sur notre peau.
D’après le site médiachimie : article La crème solaire.
Page |1 : 10DOCUMENT 2 : Un exemple de composé qui peut entrer dans la formulation d’un écran solaire.
La dibenzylidèneacétone (DBA) est un composé chimique utilisé dans la composition de crème
solaire. Son rôle est d’absorber certains rayonnements UV susceptibles de traverser l’épiderme.
Elle peut être préparée en laboratoire par une transformation chimique entre la propanone et le
benzaldéhyde.
D’après le manuel scolaire Nathan physique chimie spécialité.
DOCUMENT 3 : Equation de réaction modélisant la transformation étudiée.
La principale, mais non unique, transformation chimique de synthèse du DBA s’écrit :
BENZALDEHYDE PROPANONE
2 +
+ 2 H2O
DBA : Dibenzylidéneacétone
DOCUMENT 4 : Conditions expérimentales de la réalisation de la synthèse de la DBA.
- La transformation chimique de synthèse comporte moins d’étapes lorsqu’elle est réalisée en milieu
basique.
- Un test en mélangeant le benzaldéhyde, la propanone et une solution aqueuse de soude montre la
présence d’un précipité blanc d’hydroxyde de sodium qui impose le choix d’un solvant organique
miscible à l’eau.
- La solution basique doit être ajoutée lentement (goutte à goutte) au mélange préalable des deux
réactifs.
- L’expérience montre que le chauffage du mélange réactionnel conduit à des produits de
dégradation de la DBA.
- Le mélange réactionnel doit être agité pendant 10 min à partir de la fin de l’ajout progressif des
réactifs à la solution basique.
- Un précipité jaune apparait, le produit d’intérêt qu’il faut séparer de la solution.
D’après l’article : la synthèse de la dibenzalacétone, un exemple de TP d’investigation de chimie
organique-Laurent Heinrich. L’actualité chimique n° 367-368
Page |2 : 10DOCUMENT 5 : Purification du produit d’intérêt.
Il est probable que le solide isolé à l’issue de la synthèse ne soit pas de la DBA pure. Puisqu’elle est
destinée à être utilisée dans un produit cosmétique, il est indispensable de purifier le solide obtenu,
puis de s’assurer de sa pureté grâce à une analyse.
Le produit à purifier est dissout dans un minimum de solvant.
Solubilités de la DBA dans l’éthanoate d’éthyle
DBA Impuretés
A température ambiante Très faible Elevées
A la température d’ébullition de l’éthanoate
Elevée Très élevée
d’éthyle
D’après le manuel scolaire Nathan physique chimie spécialité.
DOCUMENT 6 : Propriétés des corps purs et solutions utilisés.
Substances Données physico
Pictogrammes danger et prudence
chimiques chimiques
M = 58,1 g.moℓ-1
propanone
Téb = 56 °C
(Acétone)
Liquide très inflammable
Très soluble dans l'eau
H225, H319, H336
et dans l’éthanol.
P305, P351, P338
M = 106,1 g.moℓ-1
Benzaldéhyde
Tfus= -26 °C
Téb=179°C
d = 1,0415
Peu soluble dans l’eau
H227, H302, H315, H319, H335
Soluble dans l’éthanol
P270
M = 46,1 g.moℓ-1
Ethanol
Téb=78,4°C
d= 0,789
H225, H319 Soluble dans l’eau
P305, P351,P338 Liquide inflammable
Solution de soude M = 40,0 g. moℓ-1
Hydroxyde de sodium
H290, H314
P303, P361,P353
P305, P351,P338
M = 88,1 g.moℓ-1
Ethanoate d’éthyle
Téb=77,1°C
d = 0,902
Peu soluble dans l’eau
H225, H319, H336
Liquide et vapeurs très
P305, P338, P351
inflammables
Page |3 : 10Substances Données physico
Pictogrammes danger et prudence
chimiques chimiques
Dibenzylidèneacétone M = 234 g.moℓ-1
- Tfus = 113°C
DBA
Peu soluble dans l’eau
H317 Relativement soluble
P280, P302, P352 dans l’éthanol
M = 100 g.moℓ-1
Carbonate de calcium
d = 2,71
- Solide blanc
Couple acidobasique :
HCO− 2−
3(aq) / CO3(aq)
M = 18,0 g.moℓ-1
Eau
-
ρ = 1,000 g . mL-1
Document 7 : Solutions et corps purs à disposition.
Solution aqueuse de soude (Na+ −
(aq) + HO(aq) ) à 2,0 moℓ.L ;
-1
Solution aqueuse de carbonate de calcium (Ca2+ 2−
(aq) + CO3(aq) ) à 0,50 moℓ.L ;
-1
Ethanoate d’éthyle ;
Benzaldéhyde ;
Ethanol à 95 %.
Propanone (acétone) ;
Document 8 : Dispositifs disponibles pour la séparation du produit d’intérêt du mélange
réactionnel.
Ampoule à décanter Filtration simple à la Filtration sous pression
pression atmosphérique réduite (Buchner)
Page |4 : 10Document 9 : Dispositif disponible pour vérifier la pureté du produit d’intérêt brut après la
purification.
Vérification du point de fusion
banc de Kofler
Répondre aux questions sur le cahier de laboratoire.
Q. 1. Quels inconvénients présentent les filtres solaires à composés organiques par rapport
aux filtres minéraux.
Q. 2. Nommer le groupe fonctionnel présent sur la molécule de DBA.
Q. 3. Définir un catalyseur.
Etape 1 : Masse volumique de la propanone (acétone)
Q. 4. Etablir le protocole permettant de déterminer la masse volumique de la propanone.
Préciser la liste du matériel et les étapes à suivre.
Appel 1 : présenter le protocole à l’examinateur pour validation.
Après accord, mettre en œuvre le protocole distribué.
Q. 5. Calculer, en détaillant, la valeur de la masse volumique.
Q. 6. Pour la synthèse, on souhaite utiliser une quantité de matière, nprop, de propanone égale
à 14,7 mmoℓ. Calculer le volume de propanone à prélever.
Appel 2 : Faire vérifier la valeur calculée.
Etape 2 : Synthèse du produit d’intérêt, la DBA.
Afin d’établir les grandes lignes du protocole de synthèse de la DBA (les volumes ne sont pas exigés)
répondre aux questions suivantes :
Q. 7. Choix des réactifs et de la solution basique.
Q. 8. Règles de sécurité à respecter.
Q. 9. Condition de température du mélange réactionnel.
Q. 10. Choix de la verrerie et du matériel pour le montage expérimental (cocher dans la
liste de la fiche réponse 1 suivante)
Page |5 : 10Fiche réponse 1 - Etape 2 : protocole de la synthèse.
Liste du matériel
Bécher Ballon Ballon Bicol Erlenmeyer
ampoule réfrigérant réfrigérant colonne vigreux
de coulée à boule droit
(permet de verser un
réactif petit à petit)
Chauffe ballon Agitateur Elévateur Thermo
magnétique -mètre
Page |6 : 10Appel 3 : présenter les grandes lignes du protocole et le choix du matériel.
Après validation, mettre en œuvre le protocole distribué.
Q. 11. Calculer la quantité utilisée de benzaldéhyde, nbenz, au cours du protocole de
synthèse.
Q. 12. En déduire la masse maximale, mmax DBA, de DBA qui pourrait être obtenue.
Etape 3 : Séparation du produit d’intérêt.
Q. 13. Choisir une méthode de séparation et de récupération du produit d’intérêt parmi
celles proposées. Noter ce choix sur le cahier de laboratoire.
Appel 4 : Faire valider le choix du dispositif.
Après validation, mettre en œuvre le protocole distribué à l’issue de l’appel.
Etape 4 : Purification du produit d’intérêt brut.
Q. 14. Nommer la technique de purification utilisée.
Q. 15. Identifier les conditions expérimentales du protocole de purification.
Q. 16. Nommer le montage à utiliser.
Q. 17. Etablir les étapes du protocole (les volumes et masses ne sont pas exigés).
Q. 18. Cocher dans la liste de la fiche réponse 2 suivante le matériel à utiliser.
Appel 5 : faire valider le choix du matériel
Après validation, mettre en œuvre le protocole distribué à l’issue de l’appel.
Etape 5 : Vérification de la pureté du produit d’intérêt brut et purifié.
Q. 19. A partir du matériel disponible, appliquer la méthode de vérification de la pureté
du produit brut après sa purification.
Appel 6 : faire valider le choix de la technique
Après validation, mettre en œuvre le protocole avec l’aide de l’évaluateur.
Q. 20. Noter la température de fusion du produit recristallisé
Q. 21. Conclure sur le degré de pureté.
Masses obtenues et calcul du rendement :
Retirer la boite de pétri de l’étuve.
Mesurer la masse m1 du solide sec. Noter sa valeur.
Q. 22. En déduire la masse expérimentale obtenue, mexp DBA, de DBA.
Q. 23. Définir puis calculer le rendement de la synthèse.
Q. 24. Emettre des hypothèses sur les raisons qui expliquent que le rendement n’est pas
égal à 100 %
Page |7 : 10Fiche réponse 2 - Etape 4 : purification du produit brut.
Liste du matériel
Bécher Ballon Ballon Bicol cristallisoir
ampoule réfrigérant Réfrigérant colonne vigreux
de coulée à boule droit
(permet de verser un
réactif petit à petit)
Chauffe ballon Brûleur Elévateur Thermo
électrique -mètre
Page |8 : 10Partie B : Les tensioactifs dans les cosmétiques
Document 10 : Les tensioactifs en solution
Les tensioactifs sont des molécules constituées de deux parties, l’une lipophile (ou hydrophobe) et
l’autre hydrophile.
La partie lipophile n’a pas de charge électrique (électrostatique), alors que la partie hydrophile a une
certaine charge électrique.
Placés en milieu aqueux, soit ils se placent à la surface de l’eau, soit, pour ceux qui sont en solution,
ils se rassemblent en amas (micelles) comme illustré sur la figure ci-contre.
D’après https://www.mediachimie.org/ ressource/la-chimie-et-les-produitsd’hygiène-et-de-soins-corporels
Document 11 : Le dodécylsulfate de sodium (SDS) et concentration micellaire critique
Le SDS est un tensioactif ionique fort, couramment
utilisé en biochimie et biologie moléculaire.
Il est utilisé dans les produits tels que les dentifrices,
shampooings, mousses à raser ou encore bains
moussants pour ses effets épaississants et sa capacité Formule topologique du SDS
à créer une mousse.
Au-delà d’une certaine concentration de SDS en solution, dite concentration micellaire critique (CMC),
les chaînes SDS se regroupent en micelles.
À ce niveau de concentration le pouvoir moussant est maximal, il se forme alors facilement de la
mousse.
D’après https://fr.wikipedia.org/wiki/Laurylsulfate_de_sodium
Document 12 : Un peu d’histoire
Friedrich Kohlrausch, (1840-1910), est l’un des premiers à avoir étudié la
conduction du courant dans les électrolytiques liquides.
Un électrolyte est une substance qui, lorsqu’elle est dissoute, donne une
solution qui conduit l’électricité. La plupart des électrolytes sont des
substances ioniques telles que le chlorure de sodium (NaCℓ), le chlorure de
potassium (KCℓ), ou le sulfate de sodium (Na2SO4)
On lui doit la loi de Kohlrausch qui relie la conductivité molaire ionique d’un
électrolyte à sa concentration.
La conductivité d’une solution est donnée par la loi de Kohlrausch :
σ = λ1 . [X1] + λ2. [X2] + ….
Dans laquelle λi sont les conductivités molaires ioniques de chaque ion dissous
et [Xi] les concentrations des ions dissous exprimées en mol . m-3.
Page |9 : 10Document 13 : Détermination de la concentration micellaire critique du SDS
La concentration micellaire critique peut-être déterminée par mesure de la conductivité de l’eau en y
ajoutant progressivement une solution de SDS. En effet, la conductivité, σ, d’une solution est due à la
présence en solution d’espèces ioniques mobiles.
La mobilité diminue fortement avec la taille de l’espèce ionique.
On observe une évolution de la conductivité d’une solution en tensioactifs en fonction de sa
concentration.
D’après https://www.mediachimie
DOCUMENT 14 : Propriétés des corps purs et solutions utilisés.
Substances Données physico
Pictogrammes danger et prudence
chimiques chimiques
M = 288,4 g.moℓ-1
dodécylsulfate de
sodium
Solide blanc
(SDS)
Soluble dans l'eau.
H228, H302+H332, H315, H318, H335, CMC(SDS)théorique = 2,0 g/L
P210, P261, P280
P302+P352, P305+P351+P338, P312
Document 15 : Solutions et corps purs disponibles.
Flacon de dodécylsulfate de sodium solide.
Solution aqueuse de dodécylsulfate de sodium (Na+ −
(aq) + C12 H25 SO4(aq) ) à 4,0 x 10 moℓ . L ;
-2 -1
Q. 25. Définir le terme amphiphile, en le justifiant pour un tensioactif.
Q. 26. Justifier la répartition des tensioactifs en surface puis celle dans les micelles.
Q. 27. Indiquer, en justifiant, si le SDS est un tensioactif anionique ou cationique.
Détermination de la concentration micellaire critique du SDS
Q. 28. Calculer la masse de SDS à prélever pour préparer 100,0 mL de solution aqueuse,
S1, à C(SDS) = 4,0 x 10-2 moℓ . L-1
Q. 29. Faire la liste du matériel nécessaire à la préparation de la solution S1.
Q. 30. Indiquer les étapes de la préparation.
Q. 31. Effectuer le schéma légendé du montage expérimental qui permet la détermination
de la concentration micellaire critique du SDS eu utilisant S1.
Appel 7 : faire valider le protocole et demander une feuille de papier millimétré.
Après validation, mettre en œuvre les protocoles distribués.
Q. 32. Expliquer le changement de pente observé sur le graphique σ = f(VSDS) en décrivant
l’état du système dans les deux situations.
Q. 33. Calculer, en justifiant, la valeur de la concentration micellaire critique du SDS.
Q. 34. Comparer la valeur de la CMC obtenue avec la valeur massique théorique.
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