Terminale S Spécialité

Terminale S Spécialité TP de chimie
Objectifs
 Réaliser au laboratoire la synthèse d’un additif alimentaire, l’acide benzoïque, E 210.
 Mettre en œuvre les techniques de chauffage au reflux, filtration sous vide, séchage d’un solide et cristallisation.
 Calculer un rendement.
 Identifier le produit de synthèse par CCM et par la détermination de son point de fusion.
Présentation de la démarche
Un conservateur est un additif alimentaire destiné à contrôler ou à empêcher le développement de certains micro-organismes.
L'acide benzoïque est classé dans cette catégorie pour ces propriétés de fongicide et d'antibactérien et figure dans de nombreuses
boissons sans alcool ainsi que dans des boisons "light" ou les semi-conserves de crevettes ou d'œufs de poissons. Son code
européen est E 210.
Les formules développées de l'acide benzoïque et de son précurseur l'alcool benzylique sont représentées ci-dessous :
CH2OH
Alcool benzylique
CO2H
Acide benzoïque
L'oxydation de l'alcool benzylique est lente, un chauffage est nécessaire (chauffage à reflux). On effectue l'oxydation par le
permanganate de potassium et on se place en milieu basique. On obtient donc la base conjuguée de l'acide benzoïque, à savoir l'ion
benzoate ; les ions permanganate en milieu basique sont réduits en dioxyde de manganèse, solide marron de formule MnO2.
On se place en milieu basique car en milieu acide on obtiendrait directement de l'acide benzoïque qui, peu soluble dans l'eau, serait
donc sous forme solide et donc difficile à séparer du dioxyde de manganèse solide formé.
On procède ensuite à la cristallisation (précipitation) de l’acide benzoïque en milieu acide.
L’acide benzoïque est alors cristallisé, filtré et séché.
L’identification est faite par CCM.
Protocole
Matériel et produits
Hotte aspirante Chauffe ballon Ballon bicol rodé de 250 mL Réfrigérant droit rodé
Ampoule de coulée de 150 mL Pipette jaugée de 2,00 mL Éprouvettes de 20 mL, de 50 mL et 100 mL
Bechers de 100 mL, de 250 mL Grand cristallisoir Entonnoir Support élévateur
Pierre ponce Büchner, filtre, fiole à vide Glace Balance au décigramme
Étuve (préréglée à 80°C) Baguette de verre Spatule métallique 3 tubes à essai
Solution de permanganate de potassium de concentration molaire 3,0.10-1 mol.L-1
Solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire 2,0 mol.L-1
Alcool benzylique Acide benzoïque Éthanol à 95° Acide chlorhydrique concentré
Matériel pour CCM
Éluant : mélange de cyclohexane/d’acétone (60/40 en volumes)
Solution de référence : 0,6 d’acide benzoïque commercial dans 10 mL d’eau distillée (solution à 6%)
Révélation : Lampe UV et/ou solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire 1,0.10-1 mol.L-1 et solution concentrée de
bleu de bromothymol
3. Synthèse d’un conservateur
alimentaire :
l’acide benzoïque

Données physico-chimiques
Densité de l'alcool benzylique : 1,04 ;
Solubilité du benzoate de sodium dans l'eau : 650 g.L-1 à 25°C.
Solubilité de l'acide benzoïque dans l'eau : 1,7 g.L-1 à 0°C ; 2,1 g.L-1 à 10°C ; 3,4 g.L-1 à 25°C et 68 g.L-1 à 95 °C.
Sous une pression de 1,013 bar : - Température d’ébullition de l'alcool benzylique : 205 °C.
- Température de fusion de l'acide benzoïque : 122 °C.
Mode opératoire
I. Synthèse de l’acide benzoïque
1) Oxydation de l'alcool benzylique
- Dans un ballon bicol de 250 mL rodé, introduire à la pipette 2,00 mL d'alcool benzylique, quelques grains de pierre ponce et à
l’éprouvette 20 mL de la solution d’hydroxyde de sodium, fixer le ballon.
- Équiper le ballon avec un réfrigérant, qui est fixé, et une ampoule de coulée contenant 100 mL de la solution de permanganate
de potassium.
- Chauffer à ébullition douce à l’aide d’un chauffe-ballon placé sur un support élévateur puis introduire lentement (15 minutes
environ) la totalité de la solution oxydante. Un précipité marron de dioxyde de manganèse (IV)de formule MnO2 apparaît.
- Observer.
- Laisser chauffer encore 10 minutes après la fin de l'addition de permanganate de potassium puis retirer le chauffe-ballon.
- Laisser refroidir un peu le milieu réactionnel en maintenant le réfrigérant en service.
- Par le haut du réfrigérant ajouter quelques gouttes d’éthanol à 95° jusqu’à disparition de la teinte violacée.
- Après refroidissement du contenu du ballon à température ambiante, filtrer sur Büchner.
2) Cristallisation de l'acide benzoïque.
- Verser le filtrat dans un becher de 250 mL refroidi dans la glace pilé.
- Porter des lunettes et, sous la hotte, avec précaution, ajouter lentement à l’éprouvette, 10 mL d'acide chlorhydrique concentré
(le pH doit être voisin de 1). L'acide benzoïque précipite « en partie » sous forme d'un solide blanc. Bien refroidir le mélange
réactionnel pour « achever » la précipitation
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de l’acide benzoïque.
- Filtrer l'ensemble sur un filtre Büchner
- Arrêter l'aspiration pour rincer le becher puis laver les cristaux avec le minimum d'eau glacée.
- Bien essorer les cristaux entre deux feuilles de papier filtre.
- Placer l'acide benzoïque isolé dans un verre de montre de masse connue et le sécher à l'étuve à 80°C. Peser l'acide benzoïque
sec.
II. Identification par CCM de l’acide benzoïque synthétisé
- Préparation de l'éluant et de la cuve à élution, environ une demi-heure avant utilisation.
- Préparation de la plaque de chromatographie : dépôts des solutions
 Verser 1 mL d'éluant dans 3 tubes à essai. Ajouter dans le premier une petite goutte d'alcool benzylique, dans le
deuxième une petite pointe de spatule d'acide benzoïque commercial et dans le troisième une petite pointe de spatule du
solide obtenu
 A l’aide de capillaires faire un dépôt de ces solution sur la plaque de silice.
- Élution
- Révélation de la plaque
Exposer la plaque aux radiations UV pour observer les taches obtenues.
Plonger brièvement la plaque dans une solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire 10-1 mol.L-1. La sécher
sommairement (selon les plaques utilisées, les taches peuvent déjà apparaître) et plonger rapidement la plaque tenue avec une pince
dans une solution concentrée de bleu de bromothymol. Les positions des taches d'acide benzoïque se révéleront par une coloration
jaune due au virage de l'indicateur coloré mais pas celle de l’alcool benzylique.
- Résultats
Représenter la plaque de chromatographie après révélation. Comparer la position des taches et conclure.
III. Identification par détermination du point de fusion.
À l'aide du bloc Maquenne, déterminer le point de fusion du composé synthétisé afin de vérifier que c'est bien de l'acide benzoïque.
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La solubilité de l’acide benzoïque dépend de la température, donc la cristallisation n’est jamais achevée, cependant il est possible
de fixer une valeur minimale de la température du milieu réactionnel à atteindre.

Questions
Relatives à l’oxydation de l’alcool benzylique.
1. Écrire l'équation, en milieu basique, de la réaction associée à la transformation envisagée. Spécifier les couples oxydant-
réducteur mis en jeu.
2. Faire le schéma du montage.
3. Pourquoi utilise-t-on un montage à reflux ?
4. Pourquoi utilise-t-on de la pierre ponce ?
5. À quoi est du la teinte violacée du mélange réactionnel ?
6. Quel est le rôle de l’ajout d‘éthanol à 95° ?
7. Connaissant les couples oxydant-réducteur mis en jeu : CH3CO2H(aq)/CH3CH2OH(aq) et MnO4- (aq)/ MnO2 (s), écrire
l’équation de la réaction interprétant la disparition de la teinte violacée à l’ajout d’éthanol à 95°.
8. Calculer les quantités de matière apportées des réactifs ; quel est le réactif en excès ?
Relatives à la précipitation de l’acide benzoïque
9. A l’aide des données physico-chimiques, dites pourquoi l'acide benzoïque précipite « en partie » sous forme d'un solide
blanc. Écrire l'équation de la réaction de précipitation de l’acide benzoïque.
10. A l’aide des données physico-chimiques, dites pourquoi il faut refroidir lors de la cristallisation de l'acide benzoïque.
11. Définir le rendement (voir livre p 144) et déterminer le rendement de la synthèse.