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On se propose de réaliser la synthèse de l’acide benzoïque.
L’acide benzoïque
et les ions benzoate
conservateurs.
Leur code européen est :
- E210 pour l’acide benzoïque - E211 pour le benzoate de sodium...
ont des propriétés fongicides, ce sont des
L’acide benzoïque est un solide blanc qui fond à 122°C.
C’est un composé moléculaire assez soluble dans des solvants organiques comme l’éther éthylique, le dichlorométhane,
mais il est peu soluble dans l’eau : 2,4 g.L-1 à 20 °C et 68 g.L-1 à 95 °C.
En revanche le benzoate de sodium est très soluble dans l’eau : 400 g.L-1 à 20 °C.
I- Principe
L’acide benzoïque possède une fonction acide carboxylique R−COOH, il peut être obtenu par oxydation d’un aldéhyde
R−CHO ou d’un alcool R−CH2OH.
Dans ce TP, la synthèse de l’acide benzoïque sera réalisée par oxydation de l’alcool benzylique C6H5CH2OH.
L’oxydation par les ions MnO4- se déroulant en milieu basique, l’équation s’écrit :
4 MnO4- (aq) + 3 C6H5CH2OH (l) = 4 MnO2 (s) + 3 C6H5COO− (aq) + OH− (aq) + 4 H2O (l)
Ensuite, il suffit d’acidifier le mélange pour transformer les ions benzoate en acide benzoïque.
Question :
Demi-équations d’oxydoréduction des couples MnO4−/MnO2 et C6H5COOH/C6H5CH2OH.
−
Couple MnO4 /MnO2 :
MnO4−(aq) + 4 H+(aq) + 3 e− = MnO2(s) + 2 H2O(l)
Couple C6H5COOH/C6H5CH2OH :
C6H5CH2OH(l) + H2O(l) = C6H5COOH (aq) + 4 H+ + 4 e−
Remarque : La réaction se déroule en milieu basique donc ce n’est pas l’acide benzoïque C6H5COOH qui est formé mais
sa base conjuguée C6H5COO−.
II- Oxydation de l’alcool benzylique en milieu basique
On chauffe à reflux un mélange de 2,1 g (soit 2,0 mL) d’alcool benzylique,
120 mL de permanganate de potassium à 0,25 mol.L−1, 20 mL de soude à 2,0
mol.L−1 et des grains de pierre ponce.
Observations : Le mélange devient marron avec une teinte légèrement
violette.
Remarque : La coloration marron est due au MnO2, solide, qui se forme. Les
ions MnO4− sont en excès donc on observe une teinte violette.
Questions :
1. Légende du schéma : voir ci-contre.
2. On réalise un chauffage à reflux. D’une part le chauffage augmente la vitesse de la réaction chimique. D’autre part le
dispositif à reflux permet de limiter les pertes de substances chimiques. En effet les vapeurs produites lors du chauffage
se condensent dans le réfrigérant à boules et ces substances retombent dans le ballon.
3. Vérifions que les ions permanganate ont été introduits en excès.
ni (MnO4−) = [MnO4−].V
ni (MnO4−) = 0,25x0,12 = 30.10 − 3 mol
et ni (C6H5CH2OH) = m/M
ni (C6H5CH2OH) = 2,1/108 = 19.10 − 3 mol
Equation de la réaction
4 MnO4− (aq) + 3 C6H5CH2OH (l) = 4 MnO2 (s) + 3 C6H5COO− (aq) + ...
État initial
30 mmol
19 mmol
0
0
En cours d'évolution
30 − 4x
19 − 3x
4x
3x
État final
4,1
0
26 mmol
19 mmol
La réaction s’arrête lorsque xmax = ni (C6H5CH2OH)/3 = 6,5 mmol.
Les ions MnO4− sont en excès. A la fin de la réaction il en reste ni (MnO4−) = 4,1 mmol
III- Précipitation de l’acide benzoïque
On verse le contenu du ballon dans un grand bécher, on ajoute environ 20 mL d’une solution concentrée d’acide
chlorhydrique (H3O+ + Cl−) puis 50 mL d’une solution de sulfite de sodium (2 Na+ + SO 32 − ) à 1,5 mol.L−1. Le bécher est
placé dans de la glace.
Observations : Le solide marron disparaît, la solution devient transparente et on voit apparaître petit à petit des cristaux
d’acide benzoïque.
Questions :
1. En milieu acide, les ions sulfite se transforment en H2SO3 (SO2 ,H2O). Ils sont introduits pour éliminer le dioxyde de
manganèse MnO2 formé.
- Equation de cette réaction : Couple MnO2/Mn2+ :
MnO2 (s) + 4 H+(aq) + 2 e− = Mn2+(aq) + 2 H2O(l)
Couple SO42−/H2SO3 :
H2SO3(aq) + H2O(l) = SO42− (aq) + 4 H+ + 2 e−
MnO2 (s) + H2SO3(aq) = Mn2+(aq) + SO42− (aq) + H2O(l)
2. L’acidification par l’acide chlorhydrique provoque la transformation des ions benzoate C6H5COO−(aq) en acide
benzoïque C6H5COOH (aq) .
- Equation de cette réaction acide-base :
C6H5COO−(aq) + H3O+ = C6H5COOH (aq) + H2O(l)
3. La solubilité de l’acide benzoïque diminue lorsque la température baisse. Selon l’énoncé, dans l’eau elle est de 2,4 g.L-1
à 20 °C et 68 g.L-1 à 95 °C. Lorsque le bécher est placé dans la glace, l’acide benzoïque précipite.
IV- Récupération et identification de l’acide benzoïque
On filtre le mélange sur Büchner, on essore les cristaux entre deux feuilles de papier filtre puis on les pèse.
On supposera que la masse m d’acide benzoïque recueilli vaut, m = 1,8 g.
Questions :
1. rendement =
n produit obtenu
n produit formé pour une réaction totale
Selon le tableau d’avancement établi dans la question II-3. nf (C6H5COO−) = 19 mmol
donc n acide benzoïque formé pour une réaction totale = 19 mmol
Or n acide benzoïque obtenu = m/M = 1,8/122 = 15.10 − 3 mol
Rendement = 15/19 = 0,76 soit 76%
2. On peut vérifier la pureté du produit obtenu en mesurant sa température de fusion. Avec un banc Kofler on voit à quelle
température les cristaux fondent. Dans le cas de l’acide benzoïque les cristaux doivent fondre à 122°C.