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Annales gratuites Bac Général S spé Phys-Ch : Synthèse d'un conservateur

Le sujet  2007 - Bac Général S spé Phys-Ch - Chimie - Exercice Imprimer le sujet
Avis du professeur :

De la chimie en Spécialité : cela n'était pas "tombé" depuis 2004. Comme pour les non-spécialistes, on étudie la synthèse d'une espèce chimique sous forme d'un QCM : protocole, rendement et analyse par chromatographie.
L'originalité du sujet tient à sa forme de QCM : du jamais vu en spécialité.
Attention : réponses à justifier.

LE SUJET


SYNTHESE D'UN CONSERVATEUR (4 points)

L'acide benzoïque est un conservateur présent dans de nombreuses boissons sans alcool. Son code européen est E 210. Il peut être préparé par synthèse en laboratoire.
Principe de cette synthèse : l'oxydation en milieu basique et à chaud de l'alcool benzylique C6H5CH2OH par les ions permanganate  en excès, conduit à la formation d'ions benzoate  et de dioxyde de manganèse MnO2 (solide brun). Cette transformation est totale.
Apres réduction, par l'éthanol, des ions permanganate  excédentaires et élimination du dioxyde de manganèse MnO2, on obtient une solution incolore contenant les ions benzoate.
L'addition d'acide chlorhydrique à cette solution permet la cristallisation de l'acide benzoïque C6H5CO2H (solide blanc), que l'on recueille après filtration, lavage et séchage.

Certaines aides au calcul comportent des résultats ne correspondant pas au calcul à effectuer.

1. Questions relatives au protocole expérimental

1.1. Donner, sans justifier, le nom des parties manquantes (verrerie, nom de montage...), notées de Œ à Ž dans le texte de l'encadré ci-dessous décrivant le protocole expérimental.

1. Formation de l'acide benzoïque :

Après avoir versé dans un ballon bicol posé sur un valet et sous la hotte un volume V1 = 2,0 mL d'alcool benzylique puis bouché l'ensemble, on ajoute environ 20 mL de soude de concentration 2 mol.L—1 à l'aide d'Œ. On introduit ensuite quelques grains de pierre ponce dans le ballon pour réguler l'ébullition lors du chauffage.

 

On réalise alors , permettant de chauffer le mélange sans perte de matière ni surpression.

Après avoir versé lentement une solution aqueuse de permanganate de potassium dans le ballon, on porte le mélange à ébullition douce pendant 10 minutes environ. On ajoute quelques millilitres d'éthanol afin d'éliminer le réactif en excès, puis on refroidit le ballon et son mélange.

2. Cristallisation de l'acide benzoïque :

On filtre le mélange obtenu, rapidement, en utilisant Ž et on recueille un filtrat limpide et incolore. Le filtrat est ensuite versé dans un becher et refroidi dans la glace.

 

On ajoute prudemment 8,0 mL d'acide chlorhydrique concentré goutte à goutte et on observe la formation du précipité blanc d'acide benzoïque. On filtre et on rince avec un peu d'eau bien froide.

On récupère les cristaux d'acide benzoïque sur une coupelle préalablement pesée dont la masse est m = 140,4 g
On les sèche dans une étuve, puis on pèse l'ensemble et on trouve une masse m' = 141,8 g.

 

1.2. Nommer sur la copie les éléments du montage de la figure 3 ci-dessus repérés par les lettres A, B et C.

1.3. Afin de caractériser le produit formé, on réalise une chromatographie sur couche mince.
Dans trois tubes à essais, on verse 1 mL d'éluant E ; dans le tube 1 on ajoute une goutte d'alcool benzylique, dans le tube 2 une pointe de spatule du solide obtenu et dans le tube 3 une pointe de spatule d'acide benzoïque pur.
On réalise une chromatographie sur couche mince à partir des trois tubes et l'éluant E puis on relève le chromatogramme sous rayonnement UV.


                           


Interpréter le chromatogramme réalisé lors de la synthèse et conclure quant à la nature du solide obtenu.

2. Rendement de la synthèse
Répondre, dans cette seconde partie, en choisissant la bonne réponse. Justifier clairement ce choix (définition, expression littérale et application numérique, tableau d'avancement...).
Une réponse non justifiée ne sera pas prise en compte.

Données :

Nom

Alcool benzylique

Permanganate de potassium

Acide benzoïque

Formule

C6H5CH2OH

KMnO4

C6H5CO2H

Masse molaire en g.mol—1

M1 = 108

M2 = 158

M3 = 122

Masse volumique en g.mL—1

r1 = 1,0

 

r3 = 1,3

 

2.1. L'oxydation se fait en milieu basique. L'équation chimique de la réaction d'oxydoréduction qui se produit entre l'alcool benzylique et les ions permanganate s'écrit :

Les couples oxydant/réducteur mis en jeu lors de la synthèse de l'acide benzoïque sont les suivants :

Choisir les deux demi-équations électroniques associées à la transformation décrite ci-dessus.

a)

b)

c)

d)

e)

2.2. La quantité n1 d'alcool benzylique contenue dans la prise d'essai de 2,0 mL vaut :
a) n1 = 1,9 × 10—2 mol ;
b) n1 = 5,4 × 10—2 mol ;
c) n1 = 1,9 × 10—5 mol.

Aide au calcul

 

 

 

 

Pour toute la suite, on précise que la quantité d'ions permanganate apportée vaut n2 = 3,0 × 10—2 mol

2.3. Lors de l'oxydation de l'alcool benzylique, les ions permanganate doivent être introduits en excès. Choisir la bonne proposition (on pourra s'aider d'un tableau d'évolution du système).
a) Les ions permanganate ont été introduits en excès.
b) Les ions permanganate n'ont pas été introduits en excès.

Aide au calcul

 

1,9 × 3 =5,7

 

2.4. Lors de la cristallisation, le passage des ions benzoate à l'acide benzoïque se fait selon l'équation chimique :

La masse théorique maximale mmax d'acide benzoïque qu'il aurait été possible d'obtenir vaut :
a) mmax = 1,6 × 10—2 g ;
b) mmax = 6,6 g ;
c) mmax = 2,3 g.

Aide au calcul

 

5,4 × 122 = 6,6 × 102

1,9 × 122 = 2,3 × 102

 

2.5. Le rendement r de la synthèse effectuée vaut :
a) r = 21 % ;
b) r = 61 % ;
c) r = 88 %.

Aide au calcul

 

 

 



LE CORRIGÉ


I - LES RESULTATS

1.

1.1.
1. éprouvette graduée ;
2. le chauffage à reflux ;
3. une filtration sous vide (Büchner).

1.2.
A : réfrigérant ou condenseur ;
B : ballon (bicol) ;
C : chauffe-ballon.

1.3.
Le solide obtenu est bien de l'acide benzoïque pur.

2.

2.1. a) et d).
2.2. a) n1 = 1,9.10-2 mol.
2.3. a) Les ions permanganate ont été introduits en excès.
2.4. c) mmax = 2,3 g.
2.5. b) r = 61 %.

II - LES RESULTATS COMMENTES ET DETAILLES

1. Questions relatives au protocole expérimental.

1.1.
1. Éprouvette graduée ;
     à "environ" (20mL) est souligné dans le texte, le (1) désigne donc l'instrument de mesure.
2. le chauffage à reflux ;
3. une filtration sous vide (Büchner).

1.2.
A : réfrigérant (à boules) ou condenseur ;
B : ballon bicol ;
C : chauffe-ballon.

1.3.
On observe sur le chromatogramme, au-dessus de chaque dépôt, une seule tache : les espèces chimiques sont donc pures et les taches des dépôts 2 et 3 sont à la même hauteur donc c'est la même espèce chimique : le solide obtenu est bien de l'acide benzoïque pur.
     à Les tâches au même niveau suffisent comme justification.

2. Rendement de la synthèse :

2.1.
a) C6H5CO2-(aq)  + 4e- + 4H2O(l) = C6H5CH2OH(l) + 5 HO-(aq)
     à On choisit l'équation a) car l'oxydation se fait en milieu basique (HO- et non H+ dans l'équation).
d) MnO4-(aq) + 3e- + 2 H2O(l) = MnO2(s) + 4HO-(aq)
     à On choisit l'équation d) car la réaction a lieu en milieu basique (pas d'H+ dans l'équation).
     
à Vous retrouvez facilement l'équation donnée en faisant la somme des demi équations (la 1ère est à multiplier par (-3) ; la 2ème par 4).

2.2.  D'après la relation qui lie n, m et M :
     ;     

n1 = 1,9.10-2 mol

2.3. Tableau d'avancement


Si la transformation est totale, soit n1 - 3xmax = 0, soit n2 - 4xmax = 0

xmax ≈ 0,63.10-2 mol     ou     xmax = 0,75.10-2 mol.

On prend la valeur de xmax la plus faible : xmax = n1 ≈ 0,63.10-2 mol. C'est donc l'alcool benzylique, le réactif en défaut.
     à La réponse a) est la bonne : "les ions permanganate ont été introduits en excès".

2.4. D'après l'équation donnée au 2.4. les coefficients valent 1 donc tous les ions benzoate obtenus lors de la synthèse (2.1. et 2.3.) sont transformés en acide benzoïque (transformation totale : xmax).
Or d'après la question précédente,

Par conséquent,

   (réponse c).

2.5.  Par définition du rendement,

     soit 61 % (réponse b).

III - LES OUTILS : SAVOIRS ET SAVOIR-FAIRE

● Exploiter un chromatogramme.
● Commenter un montage expérimental.
● Choisir la verrerie appropriée pour réaliser une manipulation en disposant du protocole expérimental et d'une liste de matériel et de produits disponibles.
● Calculer un rendement.
● Tableau descriptif de l'évolution d'un système chimique.
Réactions acido-basiques.
Réactions d'oxydoréduction.

IV - LES DELIMITATIONS DE L'EXERCICE

Voilà un exercice de spécialité comme vous n'en avez jamais eu ! Après une première question classique sur le matériel et exploitation d'un chromatogramme, un QCM dont les réponses étaient à justifier.
Estimez-vous heureux : les aides aux calculs étaient directement utilisables pour vos applications numériques contrairement au tronc commun.

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