Enoncé TP N°5 - CPGE Brizeux

PCSIBrizeux
TPN°5
Altmayer-Henzien2016-2017
TPN°5:PURIFICATIOND'UNMÉLANGELIQUIDEPARDISTILLATIONFRACTIONNÉE
Objectif : Le but de ce TP est de mettre en œuvre une technique de séparation de constituants à l'issue
d'unesynthèse,unetechniquedepurificationd'unmélangeliquideetd'analysed'unliquide.
I. Principeetdonnéesdesécurité
On s'intéresse à un milieu réactionnel à l'issue d'une réaction d’estérification. Ont été porté à reflux
pendant1heure,25mLd’acideacétiqueCH3COOH(aussiappeléacideéthanoïque),25mLdebutan-1-ol
CH3CH2CH2CH2OHet0,5mLd’acidesulfurique(catalyseur).
Pendantlechauffage,ils’estproduitlaréactionsuivanted’estérification:
OH
H2SO4
catalyseur
+
O
OH
+ H2O
O
O
acideéthanoïque
butan-1-oléthanoatedebutyle
Cetteréactionestéquilibrée,cequisignifiequ’ellen’estpastotaleetquelorsqu’iln’yaplusd’évolutionde
lacomposition,ilrestedanslemilieudel’acideacétiqueetdubutan-1-ol.D’autrepart,c’estuneréaction
lente;lelongchauffageàrefluxpermetd’accélérerl’obtentiondel’étatd’équilibre.
Le but de la manipulation est de séparer l’ester du milieu réactionnel, puis de le purifier par distillation
fractionnée.Ilseraensuiteanalysépourvérifiersonidentitéetsapureté.
Document1:Donnéesphysiquesetsécurité
Composés
Sécurité
Quantitéutilisée
Butan-1-ol
Acideéthanoïque
Ethanoatedebutyle
25mL
𝑛mmol
25mL
433mmol
?
Acidesulfuriqueconcentré
0,5mL
Constantesphysiques
Teb=117°C
d=0,81
solubilitédansl'eau:79g·L−1
Teb=117°C
d=1,04
solubledansl'eau
Teb=127°C
d=0,88
!"
𝑛! = 1,3940
d=1,81
II. Travailpréparatoire
Sécurité
Q1.D’aprèslespictogrammesdesécurité,quellessontlesprécautionsopératoiresàprendre?Etquand?
Rendement
Q2.Calculerlaquantitédematière𝑛debutan-1-olintroduiteàpartirdesdonnéesdudocument1.
Q3.Déterminerlaquantitédematièremaximaled’esterquel’onpourraitobtenir.Calculerlamassed’ester
correspondante,mth.
Q4.Donnerlarelationpermettantdecalculerlerendement.
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TPN°5
Altmayer-Henzien2016-2017
Séparationdel’ester
!! Q5. L’ion carbonate intervient dans le couple acido-basiqueHCO!
! / CO! et indirectement dans le couple
H2O,CO2/HCO!
! .Avecquelle(s)espèce(s)dumilieuréactionnelinitialréagitl’ioncarbonatelorsdulavage?
Q6.Ecrirelaoulesréactions.Endéduirel’utilitédecetteétapesachantquel’objectiffinalestd’obtenir
l’esterpur?
Q7.Pourquoiest-ilpréférablederéaliserlelavagefinalavecunesolutionsaturéedeNaClplutôtqu’avecde
l’eau?
Q8.Quellesimpuretésleproduitbrutest-ilsusceptibledecontenir(avantdistillation)?
III. Manipulation
Consignes:
» L’organisationlorsd’unTPestprimordiale.Avantdecommencerlamanipulation,ilestobligatoirede
lire intégralement l’énoncé. Les temps d’attente devront être exploités au mieux (anticipation des
prochaines étapes du protocole, rédaction du compte-rendu, préparation des calculs pour le
rendement…).
» Il vous est demandé d’être particulièrement vigilants en ce qui concerne la sécurité. Les produits
doiventêtremanipulésaveclematériel de protectionadapté.Vousveillerezàcequevotrepaillasse
soitenpermanencepropreetbienrangée.
1. Séparationdel'esterdumilieuréactionnel
»
»
»
»
»
Prélever50mLdemélangeréactionneletlesverserdansl'ampouleàdécanter.Prélever50mLenviron
d’eaudistilléepuislarajouterdansl’ampoule.Bienagiter;attendrelaséparationdesphases.Eliminer
ensuitelaphaseaqueuse.Verserlaphaseorganiquedansunbécherde150mL.
Laver la phase organique avec une solution saturée de carbonate de sodium2Na+,CO!!
! : pour cela,
introduire10mLdecettesolutiondanslebécheraveclaphaseorganique.Agitergrâceàl’agitateuren
verre. Verser l’ensemble à nouveau dans l’ampoule à décanter, retourner l’ampoule puis dégazer
immédiatementendirigeantl’ampouleverslesmurs!Agiter,dégazerànouveau;recommencerainsi
jusqu’àcessationdudégagementgazeux.
Séparerensuitelesphases.Recommencerlelavagedelaphaseorganiqueavecunenouvelleportionde
10mLdesolutiondecarbonatedesodium.
Terminerenlavantlaphaseorganiqueavec10mLd’unesolutionsaturéedechloruredesodium.Cette
dernièreétapes’apparenteàunrelargage.
Recueillirensuitelaphaseorganiquedansunpetiterlenmeyer,puisajouterdusulfatedemagnésium
anhydreMgSO4,pourréaliserleséchagedelaphaseorganique.(cffichetechnique)
Filtrerlaphaseorganiquesèchedansunpetitballonrôdéde100mL.
»
Principedurelargage:
Unrelargageutiliselefaitquelasolubilitédescomposésorganiquesdéjàfaibledansl’eauestencoreplus
faible dans l’eau salée. Pour être sûr «d’expulser» des composés organiques d’une phase aqueuse, on
ajouteduseldanslaphaseaqueuse.
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2. Purificationduproduitpardistillationfractionnée
»
»
Peser2erlenmeyersquivontserviràrecueillirles2fractionsdedistillat.
Préparerlemontagededistillationfractionnée(cffichetechnique):
• pensezàsuréleverlesupportélévateursouslechauffe-ballonpourpouvoirdescendrelechauffeballontrèsrapidementencasd’emballement
• penser à mettre des joints en Téflon sur les rodages; rajouter un support élévateur sous
l’erlenmeyerquivarecueillirledistillat
• vérifierquelebulbeduthermomètreestbiendansletrajetdelavapeur
• penseràlacirculationd’eaufroidedansleréfrigérant
Stabilitédumontage:elleestassuréeparunepince classique sur l’encolure du ballon,un clip à chaque
extrémitéduréfrigérantetunepince«troisdoigts»surleréfrigérant.Ilnefautpasplacerunepincesurla
colonneVigreux(carilnefautpasdepointfroidsurlacolonneetparcequ’elleestfragile).
» Porterlecontenuduballonàébullitionmodérée,etobservercequ'ilsepassedanslacolonneVigreux.
Observer l’évolution de la température en tête de colonne. Recueillir une première fraction
correspondant à des températures inférieures à 120 °C. Placer ensuite le 2ème erlenmeyer récepteur
(préalablement pesé) et recueillir une deuxième fraction correspondant à des températures
supérieures à 120 °C. Noter la température quand elle se stabilise, elle correspond à la température
d’ébullitiondel’esterpur.
» Arrêterladistillationquandilrestequelquesgouttesdeliquidedansleballon.Ilestimportantdene
jamaischaufferàsec.
» Déterminerlamassemexpd’esterpurifié.
Principesimplifiédeladistillationfractionnée:
Considérons un mélange de deux liquides A et B, A étant plus volatil que B (c’est-à-dire ayant une
températured’ébullitionplusbasse).
Sionporteàébullitionceliquide,lavapeurémiseseraplusricheenconstituantleplusvolatil(iciA).
Sil’ébullitionestréaliséedansunballonsurmontéd’unecolonneVigreux(cylindredeverregarnidepointes
à l’intérieur), la vapeur pénètre dans la colonne, où la température est plus basse: elle se condense
partiellement(cephénomèneétantfavoriséparlespointesdeverre).Lavapeurenéquilibreestencoreplus
richeenA,etpoursuitsonascensiondanslacolonne.Lephénomèneprécédentseproduittoutlelongdela
colonneetsicelle-ciestsuffisammenthaute,onrécupèreenhautunevapeurconstituéedeAquasi-pur.La
vapeurestensuitecondenséedansleréfrigérantetleliquideAestrecueilli.
QuandtoutAaétéséparé,c’estautourdeBdedistiller.
3. Analysedel'esterpurifié(liquide):Mesuredesonindicederéfraction(cffichetechnique)
Principe:
La lumière se propage dans un milieu matériel autre que le vide à une célérité, notée v plus faible que
c=3,00·108m·s−1,lacéléritédanslevide.L’indicederéfractionnd’unmilieumatérieldéfiniparn=c/vest
caractéristiquedumilieu.Ilpeutdoncpermettred’identifierunmilieuinconnu.
Par exemple,l’indice de réfraction de l’eau liquide vaut 1,3330 à la température de 20 °C et pour une
longueurd’ondede589nm(raieDdusodium).
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L’indicederéfractiond’unliquideestmesurégrâceàunappareilappeléréfractomètred’Abbe.Leprincipe
estdeformerunfilmdeliquideentredeuxprismes,unsystèmeoptique(basésurlamesuredel’anglelimite
deréfraction)permettantdelirel’indicederéfractiondeceliquide.
» QuandvousavezletempsaucoursduTP,pourvousentraîneràl’utilisationduréfractomètreidentifier
undes3liquidesinconnusA,BetC(auchoix)sachantqu’ilyaparmieuxdel’heptane(nD=1,3851),de
l’acétated’éthyle(nD=1,3698)etdutoluènenD=1,4941).
» Déterminerlavaleurdel’indicederéfractiondel’esterpurifiéàl’aidedesindicationsduréfractomètre.
IV. Questionssupplémentairespourlecompte-rendu
Q9.Refairerapidementleschémadumontageàdistillationetlégender-le.
Q10.Préciserlerôledechacundesélémentsimportantsdumontagededistillation.
Q11.Déterminerlerendementdelaréactionaprèspurification(sitempssuffisant).
Q12.Donnerlavaleurdelatempératured’ébullitiondel’ester.
Q13.Donnerlavaleurdel’indicederéfractiondel’esterpurifié.
Q14.Conclurequantàlapuretédel’esterpurifié.
Conclusion : Résumer les étapes de la synthèse du TP N°5 en recopiant et complétant l'organigramme
suivant:
Contenudumilieuendébut desynthèse
Réaction
Contenudumilieuenfindesynthèse
Traitement
Nomdestechniquesutilisées
Espèces
éliminées
Produitbrut
Purification
Nomdestechniquesutilisées
Produitpurifié
Caractérisationetévaluation delapureté
Nomdestechniquesutilisées
Calculdurendement
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V. Evaluation
Compétences
Evaluation
S’approprier
• Lire et comprendre l’énoncé, se
mobiliser en cohérence avec les
consignes.
• Exploiter un indice de réfraction et un
palier de distillation pour identifier un
produit.
• Respecterlesconsignesdesécurité.
• Proposer ou justifier les étapes de
traitementd'unesynthèseorganique.
Analyser
• Organisersonpostedetravail.
Réaliser
• Mettre en œuvre une extraction
liquide-liquideetunlavage.
• Mettre en œuvre le séchage d'une
phaseorganique.
• Mettreenœuvreunedistillation.
• Mesurerunindicederéfraction
Valider
Communiquer
• Evaluer la pureté d’un produit de
synthèse.
• Utiliserunvocabulaireprécis.
• Déterminer
synthèse.
le
rendement
d’une
• Présenter, formuler une proposition,
une argumentation ou une conclusion
de manière cohérente, complète et
compréhensible.
• Rédiger un compte-rendu soigné et
organisé.
• Travaillerseul,prendredesinitiatives.
Etreautonome,faire
preuved’initiatives
• Analyser ses difficultés et demander
uneaidepertinente.
• Travaillerrapidement.