Documents de Physique-Chimie – M. M

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(version professeur) Etude de document

Mettre en œuvre un protocole de synthèse pour étudier l’influence de la modification des conditions expérimentales sur le rendement ou la vitesse. Le montage expérimental.

Mettre en œuvre un protocole de synthèse conduisant à la modification d’un groupe caractéristique ou d’une chaîne carbonée. Source : http://www.lyc-vinci-st-witz.ac-versailles.fr/IMG/pdf/ch6_synthese_de_l_acide_benzoique_en_.pdf La manipulation n’est réalisée, mais uniquement analysée.

A partir des données fournies dans le protocole expérimental de la synthèse de l’acide benzoïque, répondez aux questions suivantes :

1. Sécurité

1.1. Donner la signification de chaque pictogramme présent sur les fiches de sécurité.

1.2. Surligner sur les fiches de sécurité, les risques encourus avec les différentes espèces chimiques utilisées dans ce protocole.

Permanganate de potassium

Carbonate de calcium

Alcool benzylique

Acide chlorhydrique (4 mol.L^-1)

1.3. Indiquer le matériel de sécurité que vous devriez utiliser lors de cette expérience.

On utilisera selon les produits, une blouse en coton fermée, des gants, des lunettes de protection et une hotte aspirante.

Corrosif

Très toxique pour les organismes aquatiques. Polluant.

Comburant.

Nocif, irritant, allergisant…

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2.1. Ecrire dans un premier temps en milieu acide, la demi-équation du couple MnO4- / MnO2

MnO4-

(aq) + 4 H⁺(aq) + 3 e^- ⇌ MnO2 (s) + 2 H2O(l)

2.2. Ajouter autant d’ions HO^- de part et d’autres de la demi-équation, qu’il y a d’ion H3O⁺. Rappel : HO^-(aq) + H⁺(aq) ⟶ H2O(l)

MnO4-

(aq) + 4 H2O(l) + 3 e^- ⇌ MnO2 (s) + 2 H2O(l) +4 HO^-(aq)

2.3. Simplifier la demi-équation.

MnO4-

(aq) + 2 H2O(l) + 3 e^- ⇌ MnO2 (s) + 4 HO^-(aq)

2.4. Ecrire dans un premier temps en milieu acide, la demi-équation du couple C6H5CO2H / C6H5CH2OH C6H5CH2OH(l) +H2O(l) ⇌ C6H5CO2H(aq) + 4 H⁺(aq) + 4 e^-

2.5. Ajouter autant d’ions HO^- de part et d’autres de la demi-équation, qu’il y a d’ion H⁺ et simplifier la demi-équation.

C6H5CH2OH(l) +H2O(l) + 4 HO^-(aq) ⇌ C6H5CO2H(aq) + 4 H2O(l) + 4 e^- C6H5CH2OH(l) + 4 HO^-(aq) ⇌ C6H5CO2H(aq) + 3 H2O(l) + 4 e^-

2.6. Comme nous sommes en milieu acide, on transforme l’acide benzoïque C6H5CO2H en ion benzoate C6H5CO2-, pour cela ajouter un ion HO^- de part et d’autre de la demi-équation.

On utilisera la réaction : C6H5CO2H(aq) + OH^-(aq) ⟶ C6H5CO2-

(aq) + H2O(l)

C6H5CH2OH(l) + 5 HO^-(aq) ⇌ C6H5CO2-

(aq) + 4 H2O(l) + 4 e^-

2.7. Après équilibrage du nombre d’électrons échangés, vérifier que l’équation-bilan de la réaction est bien celle indiquée dans le protocole.

MnO4-

(aq) + 2 H2O(l) + 3 e^- ⇌ MnO2 (s) + 4 HO^-(aq) × 4 C6H5CH2OH(l) + 5 HO^-(aq) ⇌ C6H5CO2-

(aq) + 4 H2O(l) + 4 e^- × 3

___________________________________________________________________

3 C6H5-CH2-OH(aq) + 4 MnO4-

(aq) → 3 C6 H5-CO2-

(aq) + 4 MnO2(s) + 4 H2O(ℓ) + HO^-(aq)

3. Les quantités de réactifs mis en jeu et calcul du rendement de la réaction.

3.1. Calculer les quantités (mol) d’alcool benzylique et de permanganate de potassium présents dans le mélange réactionnel.

𝑛𝑎𝑙𝑐𝑜𝑜𝑙 𝑏𝑒𝑛𝑧𝑦𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒=^𝜌∙𝑉

𝑀 𝑛𝑃𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑎𝑠𝑠𝑖𝑢𝑚=^𝑚

𝑀 𝑛𝑎𝑙𝑐𝑜𝑜𝑙 𝑏𝑒𝑛𝑧𝑦𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒=^{1,04 ×2,5}

108 𝑛𝑃𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑎𝑠𝑠𝑖𝑢𝑚= ^4,5

158

𝑛𝑎𝑙𝑐𝑜𝑜𝑙 𝑏𝑒𝑛𝑧𝑦𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒= 0,024 mol 𝑛𝑃𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑎𝑠𝑠𝑖𝑢𝑚= 0,028 mol

3.2. En utilisant un tableau d’avancement ou une autre méthode, déterminer quel est le réactif limitant.

𝑛𝑎𝑙𝑐𝑜𝑜𝑙 𝑏𝑒𝑛𝑧𝑦𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒− 3𝑥𝑚𝑎𝑥 = 0 𝑛𝑃𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑎𝑠𝑠𝑖𝑢𝑚− 4𝑥𝑚𝑎𝑥= 0 𝑥_𝑚𝑎𝑥=^0,024

3 𝑥_𝑚𝑎𝑥=^0,028

4 𝑥𝑚𝑎𝑥= 0,0080 mol 𝑥𝑚𝑎𝑥= 0,0070 mol

On prendra la plus petite valeur de 𝑥_𝑚𝑎𝑥 soit 𝑥_𝑚𝑎𝑥= 0,0070 mol Le réactif limitant (en défaut) est donc le permanganate de potassium Tableau d’avancement à compléter :

3 C6H5-CH2-OH(aq 4 MnO4-

(aq ⇄ 3 C6 H5-CO2-

(aq) 4 MnO2(s 4 H2O(ℓ) HO^-(aq

Etat initial (mol) 0,024 0,0070 0 0 Excès 0

En cours de

réaction (mol) 0,024 – 3x 0,0070 – 4x 3x 4x Excès x

Etat final (mol) 0,003 0 0,021 0,028 Excès 0,007

3.3. En déduire la masse théoriquement attendue d’acide benzoïque.

Dans l’état final, on a 𝑛𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒 𝑏𝑒𝑛𝑧𝑜ï𝑞𝑢𝑒= 3𝑥𝑚𝑎𝑥 = 3 × 0,0070 = 0,021 mol.

Soit une masse théoriquement attendue 𝑚 = 𝑛 ∙ 𝑀 = 0,021 × 122 = 2,56 g (2,6 g avec les C.S.)

3.4. A partir de la donnée sur la masse réellement obtenue d’acide benzoïque en fin protocole, en déduire la valeur du rendement de la réaction (%).

Rendement = ^2,3

2,56× 100 = 90 %

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4.1. Après filtration, on ajoute de l’acide chlorhydrique concentré. A pH = 1, l’ion benzoate se transforme en acide benzoïque selon la réaction acido-basique suivante : C6H5CO2-

(aq) + H⁺(aq ⟶ C6H5CO2H(aq)

Quelle est de ces deux formes, la plus soluble dans l’eau ?

Dans les données, on peut lire que la solubilité de l’acide benzoïque dans l’eau est seulement égale à s = 2,4 g.L^-1 à 20°C tandis que celle du benzoate de sodium est égale à s = 400 g.L^-1 à 20°C.

Le benzoate de sodium est donc beaucoup plus soluble que l’acide benzoïque dans l’eau.

4.2. En utilisant, les données sur la solubilité, déterminer quelle est la masse maximale d’acide benzoïque qui sera dissoute dans les 100 mL du mélange réactionnel. En déduire la masse théoriquement attendue d’acide benzoïque solide, en tenant compte de sa solubilité.

Comme s = 2,4 g.L^-1 à 20°C, alors seulement 0,24 g d’acide benzoïque formé se dissoudra dans l’eau à 20°C.

On obtiendra donc une masse m = 2,6 - 0,24 = 2,36 g

4.3. Légendé le montage de la filtration sur Büchner fourni dans le protocole.

5. Le montage expérimental.

5.1. Quels sont les deux avantages du montage à reflux ?

Le montage à reflux permet d’accélérer la réaction sans perte de matières.

5.2. Quel est le rôle de la pierre ponce ?

La pierre ponce permet de réguler l’ébullition.

Robinet Trompe à eau

Potence Büchner Fiole à vide