I- Synthèse d’un acide carboxylique : L’acide benzoïque. (Séance de travaux pratiques)

1)- L’acide benzoïque :

- L’acide benzoïque C₆H₅–COOH est utilisé comme conservateur (E 210) dans l’industrie agroalimentaire.

- Au laboratoire, on peut préparer l’acide benzoïque à partir de l’alcool benzylique C₆H₅ –CH₂OH.

2)- Principe de la synthèse.

- On oxyde l’alcool benzylique, alcool primaire par l’ion permanganate MnO₄^– (aq) en milieu basique.

- On utilise le chauffage à reflux pour accélérer la réaction.

- L’acide benzoïque est obtenu sous forme d’ions benzoate C₆H₅ – COO^– (aq) en solution aqueuse.

- Après séparation de la phase liquide, on ajoute de l’acide chlorhydrique. L’acide benzoïque précipite et on le récupère par filtration.

3)- Données :

 

4)- Manipulation :

a)-  Montage et protocole.

- Chauffage à reflux. Réaliser le montage suivant et faire le schéma.

 

 Pour synthétiser l’acide benzoïque, on suit le protocole expérimental suivant :

 Dans le ballon bicol, on introduit un volume V = 2,0 mL de d’alcool benzylique (densité d = 1,042),

 puis 20 mL d’une solution de soude (Na⁺ (aq) + HO^– (aq)) et on ajoute quelques grains de pierre ponce pour réguler l’ébullition.

  Dans l’ampoule de coulée, on introduit 120 mL d’une solution aqueuse à 0,25 mol / L de permanganate de potassium (K⁺ (aq) + MnO₄^– (aq)).

  On porte le mélange à l’ébullition douce.

  On introduit goutte à goutte la solution oxydante tout en maintenant l’ébullition.

  Lorsque l’addition de la solution oxydante est terminée, on prolonge l’ébullition douce pendant une dizaine de minutes.

  Puis on arrête le chauffage, tout en maintenant la circulation d’eau et on laisse refroidir.

  On réduit l’ion permanganate en excès par l’ajout de quelques millilitres d’éthanol par l’ampoule de coulée jusqu’à disparition de la teinte violette.

  On refroidit le ballon dans un bain d’eau froide.

  On filtre sur Büchner le mélange obtenu.

  On verse le filtrat dans un erlenmeyer placé dans un cristallisoir qui contient de la glace pilée.

  On ajoute délicatement une solution aqueuse d’acide chlorhydrique de concentration C = 2,0 mol /L.

  Il se forme un précipité blanc d’acide benzoïque.

  Une fois le mélange bien refroidit, on sur Büchner.

  On sèche bien le solide obtenu que l’on place dans un verre de montre.

  On pèse le solide une fois sec :

  Donner la masse m_exp d’acide benzoïque récupéré : m_exp = 1,9 g

 

II- Exploitation.

 

1)- Le chauffage à reflux : Quelles sont les caractéristiques du chauffage à reflux ?

-  Ce montage permet de maintenir le milieu réactionnel à une température constante, en l'occurrence pratiquement la température d'ébullition du solvant.

-  Les vapeurs sont condensées dans le réfrigérant et retournent à l'état liquide dans le ballon.

-  Les réactifs et les produits restent dans le milieu réactionnel.

-  Il permet d’accélérer la réaction sans perte de matière.

 

2)- Écrire les demi-équations électroniques et l’équation de la réaction :

 

 

3)- Écrire l’équation de la réaction entre l’ion benzoate et l’ion hydrogène :

►  Équation de la réaction entre l’ion benzoate et l’ion hydrogène :

 

4)- Donner le tableau d’avancement de la réaction :

-  Calculer les quantités de matière initiales de chaque réactif.

-  En déduire le réactif limitant et l’avancement maximal x_max .

-  Calculer la quantité de matière d’ions benzoate obtenue : c’est la quantité maximale d’ions benzoate attendue.

-  En déduire la quantité de matière d’acide benzoïque obtenue : c’est la quantité maximale d’acide benzoïque attendue..

-  En déduire la valeur du rendement ρ de la réaction.

-  Tableau d’avancement, réactif limitant et avancement maximal.

   Quantités de matière initiales :

-  Quantité de matière initiale d’alcool benzylique :

-   

-  n₀ (Alcool) ≈ 19  mmol

-  Quantité de matière initiale d’ions permanganate :

-  n₀ (MnO₄^–) = C · V

-  n₀ (MnO₄^–) ≈ 120,0 × 10^{– 3} × 0,25

-  n₀ (MnO₄^–) ≈ 30 mmol

-  Tableau d’avancement :

 

  Réactif limitant et avancement maximal :

-  Hypothèse 1 : l’alcool est le réactif limitant

-  Alors : n₀ (Alcool) – 3 x_max1 = 0

-  x_max1 = n₀ (Alcool) / 3

-  x_max1 ≈ 6,3 mmol

-  Hypothèse 2 : le réactif limitant est l’ion permanganate :

-  n₀ (MnO₄^–) – 4 x_max2 = 0

-  x_max2 = n₀ (MnO₄^–) / 4

-  x_max2 ≈ 7,5 mmol

-  Valeur de l’avancement maximal x_max :

-  Il est égal à la plus petite des deux valeurs :

-  x_max = x_max1 ≈ 6,3 mmol < x_max2 ≈ 7,5 mmol

-  Le réactif limitant est l’alcool.

-  Maintenant, on peut compléter le tableau d’avancement.

 

  Quantité de matière d’ions benzoate obtenue : c’est la quantité maximale d’ions benzoate attendue.

-  n_max (Benzaoate) ≈ 19 mmol

  Quantité de matière d’acide benzoïque obtenue : c’est la quantité maximale d’acide benzoïque attendue.

-  Lors de la réaction :

-  Les ions hydrogène H⁺ (aq) sont introduits en excès :

-  En conséquence : n_max (Benzaoate) = n_max (Acide benzoïque) ≈ 19 mmol

-  Masse d’acide benzoïque attendue :

-  m_max (Acide benzoïque) = n_max (Acide benzoïque) . M (Acide benzoïque)

-  m_max (Acide benzoïque) ≈ 19 × 10 ^{– 3} × 122

-  m_max (Acide benzoïque) ≈ 2,3 g

  Rendement de la réaction :

-  On a obtenu une masse m_exp = 1,9 g.

- 

-  Le rendement obtenu est de 83%. Il est inférieur à 100%.

-  Plusieurs causes peuvent expliquer ce résultat :

-  L'avancement maximal n'était peut-être pas atteint.

-  De l'acide benzoïque reste dissout dans l'eau et ne cristallise pas.

-  Le rinçage du précipité à l'eau distillée peut dissoudre une petite quantité d'acide benzoïque cristallisé.

-  Pour purifier l’acide benzoïque obtenu, on peut utiliser une méthode assez simple : la  recristallisation.

5)-  Comment peut-on caractériser le produit synthétisé ?

-  On peut faire C.C.M.

-  On peut déterminer la valeur de la température de fusion au banc Kofler.