TP Chimie 12 Synthèse de l’acide benzoïque 1
èreS
Objectifs : -- -
Réaliser au laboratoire la synthèse d’un additif alimentaire, l’acide benzoïque Mettre en œuvre les techniques de chauffage à reflux, filtration sous vide Calculer un rendement d’une synthèse
Principe de la synthèse
L'acide benzoïque est un conservateur et figure dans de nombreuses boissons sans alcool (il détruit les champignons, les parasites). Son code européen est le E210. La synthèse de l’acide benzoïque se fait par oxydation de l’alcool benzylique en présence d’un oxydant puissant : l’ion permanganate MnO4−.
L'oxydation de l'alcool benzylique C6H5CH2OH est lente, un chauffage est nécessaire (chauffage à reflux). On effectue la synthèse en milieu basique, l'acide benzoïque est alors obtenu sous sa forme basique, à savoir l'ion benzoate de formule C6H5COO−. Les ions permanganate en milieu basique sont réduits en dioxyde de manganèse, solide marron de formule MnO2.
On utilise le fait que la forme acide (l’acide benzoïque) est peu soluble dans l’eau alors que la forme basique (l’ion benzoate) l’est (puisqu’elle est ionique). Ainsi, après avoir séparé des produits la phase solide (dioxyde de manganèse) de la phase liquide (contenant notamment les ions benzoate), on procède à la cristallisation de l’acide benzoïque C6H5COOH en acidifiant la solution. Enfin, on purifie, on filtre puis on sèche le produit obtenu.
Propriétés de l’acide benzoïque :
• solide blanc d’aspect soyeux
• température de fusion θf = 122 °C
• solubilité dans l’eau : 1,7 g.L-1 à 0°C ; 2,1 g.L-1 à 10°C ; 3,4 g.L-1 à 35 °C et 68 g.L-1à 95°C
• sa base conjuguée, l’ion benzoate, est très soluble dans l’eau : 400 g.L-1 à 20 °C
Manipulation
La synthèse nécessite le port de gants et lunettes notamment pour les préparations des réactifs surlignés en gras.
a. Synthèse des ions benzoate
• Sur l’installation montée, introduire, dans le ballon bicol, après avoir enlevé l’ampoule de coulée, 2,0 mL d’alcool benzilique, 20,0 mL de soude à 2,0 mol.L-1 et quelques grains de pierre ponce.
• Replacer l’ampoule de coulée, y verser 100 mL de solution de permanganate de potassium à 0,30 mol.L-1.
• Mettre en route le dispositif de refroidissement à eau.
• Porter le mélange à ébullition douce (thermostat 4), puis introduire, goutte à goutte (régler l’ampoule de coulée de façon adéquate), la solution de permanganate de potassium. Le précipité de dioxyde de manganèse apparaît.
• Une fois l’addition terminée, laisser poursuivre l’ébullition pendant 10 minutes environ. Cesser alors le chauffage tout en maintenant la circulation d’eau dans le réfrigérant. Attendre 5 minutes et remplacer le chauffe-ballon par le support en liège adéquat pour laisser refroidir. (si la phase liquide surnageante a une couleur violacée due aux ions permanganate en excès, ajouter par l’ampoule de coulée quelques gouttes d’éthanol jusqu’à disparition de ces ions dans cette phase).
• Pour récupérer la phase liquide, démonter le réfrigérant et l’ampoule de coulée et, en tenant le ballon avec un chiffon pour ne pas se brûler, verser le contenu de la synthèse sur un dispositif entonnoir + papier filtre, dans un grand bêcher. Le filtrat contient les ions benzoate.
b. Cristallisation de l’acide benzoïque
• Sans attendre la fin de la filtration, placer le grand bêcher contenant le filtrat dans un bain-marie d’eau glacée. Attendre un peu que le filtrat soit bien froid. Faire un test de pH.
• Sous la hotte, verser très lentement de l’acide chlorhydrique à 2 mol.L-1 dans le filtrat. Lorsque le pH est de l’ordre de 1 (il faut verser pratiquement autant d’acide qu’il y a de filtrat), un précipité blanc d’acide benzoïque se forme.
• Attendre quelques minutes la fin de la cristallisation et filtrer le mélange sous vide (dispositif Büchner). Le solide blanc obtenu est de l’acide benzoïque.
c. Caractérisation de l’acide benzoïque et rendement de la synthèse
• Placer le précipité dans un verre de montre, préalablement pesé vide.
• Porter le tout dans l’étuve (à 70 °C) .
• Mesurer la masse mexp du produit sec obtenu.
• Déterminer son point de fusion sur banc Köfler (si l’acide benzoïque est sec et pur on doit retrouver la valeur théorique)
Questions
• Compléter le schéma du montage, appelé montage à reflux et légender.
• Quel est le rôle de la pierre ponce ?
• Pourquoi ne faut-il pas arrêter le réfrigérant tout de suite après la fin du chauffage ?
• Ecrire les 2 demi-équations redox des couples MnO4− /MnO2 et C6H5COO−/ C6H5CH2OH en milieu acide puis en milieu basique.
• Montrer alors que l’on obtient l’équation bilan de la synthèse en milieu basique : 3 C6H5CH2OH + 4 MnO4− 3 C6H5COO− + 4 H2O + 4 MnO2 + OH−
• Quel composé permet d’obtenir un milieu réactionnel basique ?
• Calculer la quantité de matière d’alcool benzylique introduite. Faire de même pour les ions permanganate et en déduire le réactif limitant de la réaction.
Données :
Masses molaires : M(KMnO4) = 158 g.mol-1 ; M(C6H5CH2OH) = 108 g.mol-1 ; M(C6H5COOH ) = 122 g.mol-1 Masse volumique de l’alcool benzylique : µ = 1,04 g.mL-1
• Quel solide est éliminé lors de la première filtration ?
• Justifier la précipitation de l’acide benzoïque à partir de la réaction acido- basique observée.
• Légender le schéma du dispositif de filtration sous vide.
• Quelle masse mth d’acide benzoïque peut-on espérer obtenir en supposant la réaction totale ?
• Comparer avec la masse mexp obtenue. Quel est alors le rendement de votre synthèse ? Commenter la réponse en cherchant les raisons expliquant l’écart observé.
• Indiquer la température de fusion du produit sec obtenu. Comparer avec la valeur théorique.
