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 :

Pictogrammes

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 :

II- Exploitation.

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

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 :

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 de 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 η de la réaction.

  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 : x_max ≈ 6,3 mmol

  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 réaliser une C.C.M.

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