EXERCICE 112

EXERCICE 112
Spécialité bac S 2007.

Synthèse d'un conservateur:
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 MnO₄^– en excès, conduit à la formation d'ions benzoate C₆H₅CO₂^-et de dioxyde de manganèse MnO₂ (solide brun). Cette transformation est totale.
Après réduction, par l'éthanol, des ions permanganate MnO₄^– 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.

1) Questions relatives au protocole expérimental

1-1) Donner, sans justifier, le nom des parties manquantes (verrerie, nom de montage…), notées de 1 à 3 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’ 1. On introduit ensuite quelques grains de pierre ponce dans le ballon pour réguler l’ébullition lors du chauffage.

On réalise alors 2, 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 3 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 du contenu des trois tubes et l’éluant E puis on révèle 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	Formule	Masse molaire en g.mol^{– 1}	Masse volumique en g.mL^{– 1}
Alcool benzylique	C₆H₅CH₂OH	M₁ = 108	r₁= 1,0
Permanganate de potassium	KMnO₄	M₂ = 158
Acide benzoïque	C₆H₅CO₂H	M₃ = 122	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 :
3 C₆H₅CH₂OH (l) + 4 MnO₄^–(aq) = 3 C₆H₅CO₂^- (aq) + 4 H₂O (l) + 4 MnO₂ (s) + HO^–(aq)
Les couples oxydant / réducteur mis en jeu lors de la synthèse de l’acide benzoïque sont les suivants :
C₆H₅CO₂^- (aq) / C₆H₅CH₂OH (l) et MnO₄^–(aq) / MnO₂(s).
Choisir les deux demi-équations électroniques associées à la transformation décrite ci-dessus.

a) C₆H₅CO₂^- (aq) + 4 e^– + 4 H₂O (l) = C₆H₅CH₂OH (l)+ 5 HO^–(aq)

b) C₆H₅CO₂^- (aq)+ 4 e^–+ 5 H⁺ (aq) = C₆H₅CH₂OH (l) + H₂O (l)

c) MnO₄^–(aq) + 8 H⁺(aq) + 5 e^– = Mn²⁺(aq) + 4 H₂O (l)

d) MnO₄^–(aq) + 3 e^– + 2 H₂O (l) = MnO₂ (s) + 4 HO^–(aq)

e) MnO₄^–(aq) + 3 e^– + 4 H⁺ (aq) = MnO₂ (s) + 2 H₂O (l)

2.2. La quantité n₁ d’alcool benzylique contenue dans la prise d’essai de 2,0 mL vaut :
a) n₁ = 1,9 x 10 ^{– 2} mol ;
b) n₁= 5,4 x 10 ^{– 2} mol ;
c) n₁= 1,9 x 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 :
C₆H₅CO₂^- (aq)+ H₃O⁺ = C₆H₅CO₂H(s) + H₂O (l)
La masse théorique maximale m_max d’acide benzoïque qu’il aurait été possible d’obtenir vaut :
a) m_max = 1,6x10 ^{– 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 %.