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

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.

1.2. 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 :

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.

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.

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

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

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) m_max = 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) = MnO_2(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 - 3x_max = 0, soit n₂ - 4x_max = 0

x_max ≈ 0,63.10^-2 mol     ou     x_max = 0,75.10^-2 mol.

On prend la valeur de x_max la plus faible : x_max = 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 : x_max).
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.