Annales gratuites Bac S : Solubilité du Phénol

Pour une température de 25°C et sous une pression de 1 bar, le phénol est un solide faiblement soluble dans l'eau. Il est irritant pour la peau. Sa formule est C₆H₅OH. Sa masse molaire moléculaire est : M = 94g mol^-1.
En solution aqueuse, le phénol est un monoacide faible dont la base conjuguée est l'ion phénolate de formule C₆H₅O.
On se propose de déterminer expérimentalement, à 25°C, la solubilité du phénol dans l'eau c'est-à-dire la masse maximale de phénol dissoute dans un litre de solution aqueuse.

Dans tout l'exercice les solutions étudiées sont à 25°C.

1. Dans un erlenmeyer, on introduit 10g de phénol solide et environ 100mL d'eau distillée. Le mélange est longuement agité. On constate alors qu'il reste un dépôt solide au fond de l'erlenmeyer. On filtre et on obtient une solution aqueuse (S) de phénol de concentration molaire volumique inconnue c.

1.1. Comment peut-on expliquer la présence du dépôt solide malgré la longue agitation ?

1.2. Indiquer, parmi la verrerie proposée ci-dessous, celle qui convient le mieux pour le prélèvement d'environ 100mL d'eau distillée.
Verrerie : ballon de 250 mL ; becher de 100mL ; pipette jaugée de 50mL ; burette graduée de 50 mL ; fiole jaugée de 100 mL ; éprouvette graduée de 100 mL.

2. Pour déterminer la concentration molaire volumique c de la solution aqueuse (S) de phénol, on réalise le dosage d'un volume V_a = 10,0mL de la solution aqueuse (S) par une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (ou soude) de concentration molaire volumique
c_b = 1,00 mol.L^-1. Le dosage est suivi par pH-métrie : on en déduit les courbes pH = f(V) et = g(V) donnés sur la feuille annexe. V représentant le volume de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium ajouté.

2.1. Le dosage est réalisé avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium de concentration molaire volumique c_b = 1,00 mol.L^-1.
Quelles précautions doit-on prendre lors de la préparation de la solution (S) et lors de son dosage par la solution d'hydroxyde de sodium indiquée ci-dessus ?

2.2. Réaction du dosage.

2.2.a. Ecrire l'équation-bilan de la réaction chimique entre la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium et le phénol.
2.2.b. Exprimer puis calculer la constante K_r de cette réaction.
On donne les pK_a à 25 °C :
                   couple C₆H₅OH / C₆H₅O : pK_a1 = 9,9 ;
                   couple H₃O⁺ / H₂O : pK_a2 = 0 : couple H₂O / HO^- : pK_a3 = 14.
2.2.c. Pourquoi cette réaction peut-elle servir de support à un dosage ?
2.2.d. Définir en une phrase l'équivalence acido-basique.

2.3. Exploitation du dosage.
2.3.a. A partir de l'une des courbes données sur la feuille annexe, déterminer le volume V_E de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium ajouté à l'équivalence.
2.3.b. En déduire la concentration molaire volumique c de la solution aqueuse (S) de phénol.
2.3.c. Déterminer la solubilité du phénol dans l'eau (à 25°C).

3. Le dosage précédent a été réalisé par pH-métrie. Or on sait qu'il est possible de réaliser un dosage acido-basique uniquement en présence d'un indicateur coloré judicieusement choisi. On dispose du jaune d'alizarine dont les caractéristiques sont :

Justifier que l'emploi du jaune d'alizarine ne permet pas de repérer avec précision l'équivalence lors du dosage de la solution aqueuse (S).

4. La manipulation de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium de concentration molaire volumique c_b = 1,00 mol.L^-1 nécessite des précautions (voir 2.1). On va étudier la possibilité de réaliser le dosage avec des solutions plus diluées. Pour chaque cas envisagé, un logiciel de simulation permet d'obtenir la courbe pH = f(V).

Solution aqueuse de phénol			Solution aqueuse d'hydroxyde de sodium	courbe
Solution	Concentration molaire volumique	Volume de la prise d'essai	Concentration molaire volumique	numéro
(S1)	c / 10	10,0 mL	cb / 10	(1)
(S2)	c / 100	10,0 mL	cb / 100	(2)

4.1. Montrer que, pour chaque cas, le volume de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium correspondant à l'équivalence est le même que celui trouvé expérimentalement au 2.3.a.

4.2. Les courbes (1) et (2) obtenues par simulation, sont reproduites ci-dessous.

Expliquer pourquoi il n'était pas judicieux d'utiliser des solutions diluées pour réaliser le dosage.

Annexe relative à l'exercice IV.

Dosage de la solution de phénol (S) par une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium :

c_b = 1,00 mol.L^-1

I. 1. La masse de phénol introduite est supérieure à la solubilité du phénol dans l'eau.

I. 2. L'éprouvette graduée convient le mieux car le volume n'est pas à mesurer avec précision.

II. 1. Pour la préparation de S, il faut porter des gants (car le phénol est irritant pour la peau) et pour le dosage, blouse et lunettes (la solution de soude étant concentrée : c_b = 1,00 mol.L^-1).

II. 2. a.

C₆H₅OH + HO^- ⇄ C₆H₅O^- + H₂O
On écrit ⇄ (réaction limitée) tant que K_r n'a pas été évalué.

II. 2. b.
Par définition, K_r =
Multiplions par [H₃O⁺], le numérateur et le dénominateur :
K_r =
K_r =
K_r =
K_r =
K_r = 10^+4,1 = 1,26 .10 ⁴

II. 2. c.

K_r >> 1, la réaction est donc quasi totale et elle peut donc servir de support à un dosage; l'équation peut s'écrire :
C₆H₅OH + HO^- → C₆H₅O^- + H₂O

II. 2. D

A l'équivalence acido-basique, les réactifs sont introduits dans les proportions stœchiométriques.

II. 3. a.

On peut déterminer V_E, soit par la méthode des tangentes, sur la courbe pH = f(V), soit en prenant l'abscisse du maximum de la courbe = g(V).
Dans les deux cas, V_E = 8,5 mL.

II. 3. b.

A l'équivalence acido-basique,
n(C₆H₅O)_dosé = n(HO^-)_versé


=
c = 8,5 .10^-1mol.L^-1

II. 3. c.

D'après la définition de la concentration molaire, c = et n = d'où :
c = à m = c x M x V
m = M x V
m = x 94 x 1
m = 80g.
La masse de phénol dissoute dans 1L est la solubilité.

III.

pH_E = 11,5 par lecture graphique, donc le pH_E est bien compris dans la zone de virage de cet indicateur coloré. Cependant, le saut de pH n'étant pas vertical, cela entraîne une imprécision sur la détermination de V_E.

IV. 1.

D'après le 2.3.b., V_E = or V_a est le même,

Et pour S₁ : V_E1 =

= = V_E
de même, = V_E
Donc le volume de la solution aqueuse d'hydroxyde de sodium correspondant à l'équivalence est le même dans les trois cas.

IV. 2. Le saut de pH est très peu marqué sur la courbe 1 (méthode des tangentes difficile à utiliser) et sur la courbe 2, il n'y a pas de saut de pH !
Donc il n'était pas judicieux d'utiliser des solutions diluées pour réaliser le dosage.

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