fabrication et titrage de l'aspirine, correction, Pondichery 2004

Pondichéry 2004

Chimie.

Correction

Énoncé

Exercice II.

FABRICATION PUIS TITRAGE DE L'ASPIRINE (6 points)

1 - Étude d'une estérification.

2 - Synthèse de l'aspirine.

3 - Titrage de l'aspirine.

1 - Étude d'une estérification

On considère une réaction d'estérification entre un acide carboxylique de formule R―COOH et un alcool R'―CH₂OH

A l'instant t = 0, on mélange 0,20 mol d'acide et 0,20 mol d'alcool.

On effectue la réaction d'estérification en présence d'acide sulfurique à l'aide d'un chauffage à reflux .

1.1. Écrire l'équation chimique correspondant à l'estérification.

Équation chimique :

R―COOH + R’―CH₂OH = R―COO―CH₂―R’ + H₂O

1.2. On définit l'avancement x de la réaction par la quantité de matière d'ester formé au cours du temps.

Remplir la ligne concernant l'état intermédiaire dans le tableau d'avancement représenté en annexe 3.

Équation		R―COOH	+ R―CH₂OH	=	Ester	+ H₂O
État	Avancement	n (acide)	n (alcool)		n (ester)	H₂O
État initial (mol)	x = 0	0,20	0,20		0	0
État Intermédiaire (mol)	x	0,20 – x	0,20 – x		x	x
État d’équilibre (mol)	x = x_eq	0,20 – x_eq	0,20 – x_eq		x_eq	x_eq

1.3. Quel serait l'avancement x_max en fin de réaction si celle-ci était totale ?

Avancement maximal si la réaction était totale :

- x_max = 0,20 mol

Équation		R―COOH	+ R―CH₂OH	=	Ester	+ H₂O
État	Avancement	n (acide)	n (alcool)		n (ester)	H₂O
État initial (mol)	x = 0	0,20	0,20		0	0
État Intermédiaire (mol)	x	0,20 – x	0,20 – x		x	x
État si réaction totale (mol)	x = x_max	0,20 – x_max	0,20 – x_max		x_max	x_max
État si réaction totale (mol)	0,20	0	0		0,20	0,20

1.4. L'expérience donne un avancement x_eq = 0,13 mol d'ester à l'équilibre.

Compléter le tableau. Calculer le rendement η de cette réaction.

Rendre avec la copie la feuille comportant le tableau (Annexe 3).

Équation
R―COOH
+ R―CH₂OH

=

Ester

+ H₂O

État

Avancement

n (acide)

n (alcool)

n (ester)

H₂O

État initial

(mol)

x = 0

0,20

0,20

0

0

État

Intermédiaire

(mol)

x

0,20 – x

0,20 – x

x

x

État

si réaction totale

(mol)

x = x_eq

0,20 – x_eq
0,20 – x_eq

x_eq

x_eq

0,13 0,07 0,07 0,13 0,13

Rendement η de cette réaction :

η =

x_f

0,13

——

=>

η ≈

——

=>

η ≈

65 %

x_max

0,20

2 - Synthèse de l'aspirine

On prépare l'aspirine à partir de l'acide salicylique qui porte un groupement – OH (fixé sur le cycle benzénique)

et peut, comme un alcool, subir une estérification.

Pour avoir un meilleur rendement, au lieu d'un acide carboxylique, on utilise un anhydride d'acide.

Dans un erlenmeyer, on introduit 5,00 g d'acide salicylique. 7,0 mL d'anhydride et 5 gouttes d'acide sulfurique.

Ce mélange est chauffé à reflux à 60 ° C pendant 20 minutes avec agitation.

On retire l'erlenmeyer du bain-marie et, avec précaution, on ajoute environ 50 mL d'eau distillée froide par le haut du réfrigérant ;

On place l'erlenmeyer dans de l'eau glacée.

L'aspirine formée précipite : elle est ensuite filtrée sur büchner.

Pour purifier cette aspirine, on effectue une recristallisation dans un mélange eau-alcool.

Pour cela, on dissout les cristaux dans 10 mL d'éthanol à 95 ° en chauffant au bain-marie.

Après dissolution complète, on ajoute 30 mL d'eau chaude.

On laisse ensuite refroidir à température ambiante puis dans la glace : l'aspirine précipite.

On filtre et on sèche à l'étuve les cristaux obtenus.

Le produit sec est pesé : sa masse est de 4,20 g.

L'anhydride d'acide utilisé est noté A.

L'équation de la réaction de synthèse de l'aspirine est de la forme

synthèse de l'aspirine

+ = + CH₃COOH

2.1. Préciser la formule semi-développée de l'anhydride A utilisé dans l'équation ci-dessus et donner son nom.

Formule semi-développée de l’anhydride A : c’est l’anhydride éthanoïque

anhydride éthanoïque

- L'acide salicylique : acide 2-hydroxybenzoïque

acide salicylique : acide 2-hydroxybenzoïque ou

- L'aspirine : acide 2-acétoxybenzoïque

aspirine : acide 2-acétoxybenzoïque ou

2.2. Dessiner et légender le montage de chauffage à reflux .

Montage : le chauffage à reflux :

chauffage à reflux

1. Arrivée de l’eau
2. Sortie de l’eau
3. réfrigérant à eau
4. erlenmeyer
(contenant le mélange réactionnel)
5. Bain-Marie
6. agitateur magnétique chauffant
7. Vallet (Support)

2.3. Déterminer le réactif limitant (consulter les données).

Réactif limitant :

Quantité de matière d’acide salicylique :

Quantité de matière d’anhydride éthanoïque :

Équation

+

=

+ CH₃COOH

État

Avanc.

(mol)

n_sal

n_A

n_a_sp

n_etha

État

initial

x = 0

n_sal ≈ 3,6 × 10^–2

n_A ≈ 7,4 × 10^–2

0

0

État

inter.

x

0,0362 – x

0,074 – x

x

x

Si

réaction

totale

x_max

0,0362 – x_max ≥ 0

0,074 – x_max ≥ 0

x_max = 0, 0362

x_max = 0,0362

En conséquence, x_max = 0,0362 mol et l’acide salicylique est en défaut

et l’anhydride éthanoïque A est en excès.

2.4. Calculer la masse d'aspirine obtenue si le rendement était de 100 %.

Calculer le rendement effectif de cette réaction.

Masse d’aspirine obtenue si le rendement était de 100 % :

- m_asp = n_asp . M(asp)

- m_asp = x_max . M(asp)

- m_asp ≈ 0,0362 × 180

- m_asp ≈ 6,52 g

Rendement effectif de la réaction :

η =

m _exp

4,20

——

^⇒

η ≈

——

^⇒

η ≈

64,4 %

m _théo

6,52

Données

Masses molaires

g / mol

Acide salicylique

138

l'anhydride A

102

l'aspirine

180

Densité de l'anhydride A : 1,08

3 - Titrage de l'aspirine

On prélève 1,00 g de l'aspirine fabriqué précédemment et on en effectue un titrage indirect :

On réalise l'hydrolyse de l'ester par un excès de soude puis les ions HO^– restants sont titrés à l'aide d'une solution d'acide chlorhydrique.

Dans un erlenmeyer, on place 1,00 g d'aspirine, on ajoute un volume

V₀ = 20,0 mL d'une solution d'hydroxyde de sodium de concentration C₀ = 1,00 mol / L et environ 20 mL d'eau.

L'ensemble est chauffé sous reflux pendant 10 minutes.

La solution obtenue est appelée S₁.

L'équation de la réaction correspondante est :

Après refroidissement, le contenu de l'erlenmeyer est versé dans une fiole jaugée de 250 mL.

De l'eau distillée est versée jusqu'au trait de jauge : soit S₂ la solution obtenue.

A l'aide d'une pipette jaugée, on prélève 10,0 mL de solution S₂ que l'on verse dans un bécher.

On ajoute quelques gouttes de phénolphtaléïne .

On effectue le titrage des ions HO^– en excès de S₂ par une solution d'acide chlorhydrique de concentration C₁ = 5,00 × 10^{– 2}mol / L .

Le volume versé à l'équivalence est V₁ = 7,4 mL.

3.1. Calculer la quantité de matière n₀ d'ions HO^– ajoutés à l'aspirine pour fabriquer S₁.

Quantité de matière n₀ d'ions HO^– ajoutés à l'aspirine

n₀ = C₀. V₀ ≈ 1,00 × 20,0 × 10^{– 3}

n₀ ≈ 2,00 × 10^{– 2} mol

3.2. Écrire l'équation de la réaction de titrage.

Équation de la réaction de titrage :

H₃O⁺_(aq)   +    HO ^-_(aq)   ®   2 H₂O ₍_ℓ₎

3.3. Calculer la quantité de matière n₂ d'ions HO^– titrés par l'acide chlorhydrique.

En déduire la quantité de matière n₁ d'ions HO^– en excès dans la solution S₁.

Quantité de matière n₂ d'ions HO^– titrés par l'acide chlorhydrique de S₂ .

À L’équivalence, la quantité de matière d’ions oxonium ajoutée est égale

à la quantité de matière d’ions hydroxyde restante :

- n (H₃O⁺) = n₂

- n₂ =C₁. V₁

- n₂ ≈ 5,00 × 10^–2× 7,4 × 10^{– 3}

- n₂ ≈ 3,7 × 10^{– 4} mol

Quantité de matière n₂ d'ions HO^– en excès dans la solution S₁ :

On a dosé 10 mL de S₂

Quantité de matière d’ions HO^– en excès dans 250 mL de solution S₂:

- n₁= 25 n₂

- n₁ ≈ 25 × 3,7 × 10^{– 4} mol

- n₁ ≈ 9,25 × 10^{– 3} mol

3.4. Calculer la quantité de matière n_asp puis la masse d'aspirine initialement présentes dans la solution S₁.

Quantité de matière d’ions hydroxyde ayant réagi avec l’aspirine :

- n_r = n₀ − n₁

- n_r ≈ 2,00 × 10^{– 2} − 9,25 × 10^{– 3} mol

- n _r ≈ 1,08 × 10^{– 2} mol

Quantité de matière d’aspirine initialement présente dans la solution S₁ :

D’après le bilan de quantité de matière de l’équation de la réaction :

3.5. Comparer 1a valeur trouvée à la valeur attendue. Justifier l'écart observé.

Masse d’aspirine initialement présente :

m_asp = n_asp.M (asp)

m_asp ≈ 5,4 × 10^{– 3} × 180

m_asp ≈ 0,97 g

Alors que la masse d’aspirine prélevée est de 1 g.

Écart :

Des erreurs sont commises lors de la prise des 10 mL avec la pipette jaugée,

lors de la lecture du volume versé à la burette de Mohr, lors de la pesée de l’aspirine prélevée.

On ne peut attendre plus de précision d’un dosage colorimétrique.

Équation			+	=		+ CH₃COOH
État	Avanc. (mol)	n_sal	n_A		n_a_sp	n_etha
État initial	x = 0	n_sal ≈ 3,6 × 10^–2	n_A ≈ 7,4 × 10^–2		0	0
État inter.	x	0,0362 – x	0,074 – x		x	x
Si réaction totale	x_max	0,0362 – x_max ≥ 0	0,074 – x_max ≥ 0		x_max = 0, 0362	x_max = 0,0362