CHIMIE DE LABORATOIRE ET DES PROCEDES INDUSTRIELS

CONCOURS GENERAL DES LYCEES
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SESSION DE 2002
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CHIMIE DE LABORATOIRE ET DES PROCEDES INDUSTRIELS
(Classes de Terminales CLPI)
DEUXIEME PARTIE
Durée : 6 heures
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AUTOUR DE L'EAU DE JAVEL
Claude Louis Berthollet (1748-1822), découvre en 1785 les propriétés de blanchiment des solutions
aqueuses d’hypochlorite de sodium et de chlorure de sodium. C’est dans une usine d’un petit village
d’Ile de France, Javel, que Berthollet met au point la fabrication industrielle de cette solution qui
devient alors célèbre sous le nom d’eau de Javel. De nos jours, elle est obtenue industriellement
essentiellement par réaction directe du dichlore sur de la soude, eux même produits par électrolyse
du chlorure de sodium. La production mondiale est estimée à plus de 600 000 t / an exprimés en
dichlore contenu (quantité de dichlore que pourrait dégager l'eau de javel par action d'acide
chlorhydrique). La production française est de l’ordre de 40 000 t / an de dichlore contenu, ce qui
correspond, à l’utilisation d’environ 1 million de berlingots d’eau de Javel concentrée par jour
ouvré. L'eau de javel est utilisée principalement pour son action désinfectante et son pouvoir
blanchissant.
PARTIE A : CHIMIE INORGANIQUE
Dosage d’une eau de javel
PARTIE B : CHIMIE ORGANIQUE
Synthèse d'un conservateur, l'acide benzoïque,
par oxydation de l'acétophénone avec de l'eau de javel
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PARTIE A
CHIMIE INORGANIQUE
Dosage d'une eau de Javel
GENERALITES
L’eau de Javel est une solution d’ hypochlorite (Na+, ClO-) de sodium et de chlorure de
sodium. Elle est obtenue par dissolution de dichlore dans une solution d’hydroxyde de
sodium. (Le dichlore se dismute en milieu basique)
Le degré chlorométrique français ( °Ch ) est égal au volume (exprimé en litres) de dichlore,
Cl2, que peut dégager, dans les conditions normales de température et de pression, 1 litre de
solution d'eau de Javel, traité par de l'acide chlorhydrique en excès.
Question 1 : Ecrire l’équation de la réaction mise en jeu entre les ions Cl- et ClO- en milieu
acide.
Question 2 : Calculer la concentration molaire volumique en ions hypochlorite, ClOcorrespondant à une solution d’eau de Javel à 12°Ch.
TRAVAIL A EFFECTUER
1. Etalonnage d’une solution de dichromate de potassium par Spectroscopie d’Absorption
Moléculaire (méthode des ajouts dosés).
2. Etalonnage d’une solution de thiosulfate de sodium par la solution de dichromate précédente
(potentiométrie).
3. Dosage de l’eau de Javel par la méthode de Bunsen.
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MANIPULATIONS
1. Etalonnage de la solution de dichromate de potassium (S.A.M.)
On note CX la concentration molaire volumique de la solution de dichromate de potassium à doser
On dispose d’une solution étalon de dichromate de potassium de concentration molaire volumique
connue CE = 1,50 × 10-2 mol.L-1
La méthode utilisée est celle des ajouts dosés : dans cette méthode chaque fiole contient la même
quantité de solution inconnue, et des quantités variables de solution étalon.
1.1. Mode opératoire
Dans une série de cinq fioles jaugées de 100 mL, introduire respectivement :
FIOLE Fi
Volume de solution
étalon (mL)
Volume de solution à
doser (mL)
Eau permutée
F1
0
F2
2,0
F3
5,0
F4
7,0
F5
10,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
Quantité suffisante pour 100,0 mL
Mesurer les absorbances Ai des solutions pour la longueur d’onde de 440 nm, on réglera le zéro à
l’aide d’eau distillée. Compléter la feuille de résultats.
1.2. Questions
1.2.1. Calculer pour chaque fiole Fi, la concentration molaire volumique CEi en ions
dichromate provenant de la solution étalon et compléter la feuille de résultats.
1.2.2. Tracer le graphe Ai = f(CEi) représentant l'évolution de l'absorbance Ai en fonction
de la concentration CEi de la solution de dichromate de potassium étalon dans chaque
fiole.
1.2.3. Donner la relation de Beer Lambert en précisant les noms et unités des divers termes.
Quelles conditions opératoires doivent être respectées pour être dans le domaine de
validité de cette relation?
1.2.4. Exprimer l’absorbance Ai des solutions contenues dans les fioles Fi en fonction de
CEi et CXf (concentration molaire volumique dans les fioles en ions dichromate
provenant de la solution inconnue). En déduire que le graphe précédent est une droite.
1.2.5. Montrer que CXf est égal au rapport de l'ordonnée à l’origine (b) sur le coefficient
b
directeur (a) : CXf =
a
1.2.6. En déduire la valeur CX : concentration molaire volumique en dichromate de
potassium de la solution inconnue.
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2. Etalonnage d’une solution de thiosulfate de sodium : potentiométrie
2.1. Mode opératoire
Dans un bécher, introduire:
♦ E1= 10,0 mL de solution de dichromate de potassium précédemment étalonnée
♦ 10 mL de solution d'iodure de potassium à 10 % en masse
♦ 5 mL de solution d'acide sulfurique diluée au 1/l0éme
Laisser reposer à l'obscurité pendant 10 minutes.
♦ Ajouter environ 50 mL d'eau permutée
♦ Plonger les électrodes convenables.
Verser la solution de thiosulfate de sodium à la burette. Tracer le graphe correspondant.
Soit V1 (mL) le volume obtenu à l'équivalence.
2.2. Questions
2.2.1. Écrire les diverses équations des réactions mises en jeu
a) pendant le temps de repos
b) pendant le dosage
2.2.2. Donner la relation liant le volume de la prise d'essai E1, le volume V1 de solution de
thiosulfate de sodium versé à l'équivalence , la concentration molaire volumique C1 en
thiosulfate de sodium et la concentration molaire volumique CX en dichromate de
potassium.
2.2.3. En déduire la valeur de la concentration molaire volumique C1 de la solution de
thiosulfate de sodium.
3. Dosage de l’eau de Javel : méthode de Bunsen
3.1. Principe
En milieu faiblement acide, l'acide hypochloreux, HClO, est réduit en ions chlorure, Cl-, par
les ions iodure, I-, en excès. Le diiode formé est dosé par la solution de thiosulfate de sodium.
Le dosage est réalisé en présence d’empois d’amidon ou de thiodène comme indicateur coloré
de fin de réaction.
3.2. Mode opératoire
Diluer 10 fois l’eau de Javel proposée.
Introduire dans l’ordre dans une fiole erlenmeyer :
♦ E2 = 10,0 mL de la solution d’eau de Javel diluée.
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♦ 10 mL de KI à 10 % et ajouter environ 100 mL d’eau permutée
♦ Ajouter 10 mL d’une solution d’acide acétique diluée au 1/10ème .
Laisser reposer 30 minutes à l’abri de la lumière.
Doser par la solution de thiosulfate de sodium. Soit V2 (mL) le volume équivalent. Faire deux
essais concordants à 1% près. Compléter la feuille de résultats.
3.3. Questions
3.3.1. Ecrire les réactions ayant lieu :
a) pendant le temps de repos
b) pendant le dosage
3.3.2. Exprimer la concentration molaire volumique C2 en ion hypochlorite en fonction de
E2, V2 et C1 ( concentration molaire volumique de la solution de thiosulfate de
sodium). En déduire le degré chlorométrique de la solution de départ et compléter la
feuille de résultats.
3.3.3. A quel moment du dosage faut-il introduire l’indicateur ? Proposer une justification.
3.3.4. Pourquoi ne peut-on pas faire la réaction en milieu basique ?
DONNEES
pKA à 25°C
HClO/ ClO-
pKA = 7,5
Potentiels standard à 25°C
E° = 1,63 V
HClO/Cl2(aq)
ClO/Cl
E° = 1,50V
Cl2(aq) / ClE° = 1,39V
23+
Cr2O7 / Cr
E° = 1,36 V
E° = 0,62 V
I2(aq) / I22E° = 0,08 V
S4O6 / S2O3
Volume molaire dans les conditions normales de température et de pression
Vm = 22,4 L.mol-1
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PARTIE B
CHIMIE ORGANIQUE
Synthèse d'un conservateur, l'acide benzoïque
Oxydation de l'acétophénone par de l'eau de javel
PRINCIPE
On utilise un produit ménager l'eau de javel (à 12 % d'hypochlorite) pour convertir l'acétophénone
en acide benzoïque. L'acide benzoïque est employé comme conservateur dans les denrées
alimentaires.
La réaction mise en jeu est la suivante :
O
O
1°) ClO
-
OH
+
2°) H
PROTOCOLE OPERATOIRE
1. Synthèse
Étape 1 : Dans un réacteur de 500 mL muni d'un thermomètre, d'un réfrigérant et d'un système
d'agitation mécanique, introduire 250 mL d'eau de javel à 12 ° chlorométrique. Ajouter 5,06 g
d'acétophénone. Agiter pendant 1 heure en maintenant la température à 30 °C maximum.
Étape 2 : Ajouter 1 g de sulfite de sodium sous agitation mécanique afin de détruire l'oxydant
excédentaire. Transférer le mélange dans l'ampoule à décanter. Extraire cette solution aqueuse
avec 3 fois 20 mL d'éther. L'éther éthylique sert à éliminer l'acétophénone en excès et à
éliminer le chloroforme produit lors de la réaction.
Étape 3 : Récupérer la phase aqueuse contenant l'acide benzoïque sous sa forme basique
conjuguée dans un erlenmeyer de 400 mL. Acidifier cette solution aqueuse avec de l'acide
sulfurique concentré. Il faut que la solution ait un pH de 1 (en pratique 10 mL d'acide
suffisent). On vérifiera le pH en prélevant une goutte de la phase aqueuse avec une tige de verre
que l'on dépose sur un morceau de papier pH.
Étape 4 : Placer cet erlenmeyer dans un récipient contenant de la glace pendant 20 minutes pour
favoriser la précipitation de l'acide benzoïque. Filtrer le précipité sur büchner. Laver le
précipité avec un peu d'eau glacée. Récupérer le solide dans une boîte de pétri tarée.
2. Purification
Peser le produit brut humide (m0). Séparer le produit en deux parts égales :
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- m1 sera mise à sécher à l'étuve à 40 °C pendant 10 minutes. Peser m'1 la masse de produit
brut sec
- m2 sera recristallisée dans un mélange (60/40 ) d'eau et d'éthanol. Peser le produit
recristallisé (m'2) après séchage à 40°C pendant 10 minutes.
3. Analyse du solide obtenu
L'acide benzoïque pur est analysé par les moyens suivants :
- mesure du point de fusion.
-chromatographie sur couche mince : l'éluant est du dichlorométhane, la révélation se fait à
l'aide d'une lumière ultraviolette(UV).
La chromatographie se fera en réalisant 4 dépôts :
1) acide benzoïque brut en solution dans le dichlorométhane( 1 pointe de spatule dans 1 mL de
solvant)
2) acide benzoïque pur en solution dans le dichlorométhane ( 1 pointe de spatule dans 1 mL de
solvant)
3) 1er témoin (acétophénone à 1% dans le dichlorométhane )
4) 2ème témoin (acide benzoïque commercial à 1% dans le dichlorométhane).
Mesurer les différents rapports frontaux : Rf
DONNEES
Sécurité
Phényléthanone ( acétophénone ) : liquide irritant.corrosif.
Ethanol : très inflammable.
Ether diéthylique : très inflammable
Dichlorométhane : toxique
Acide sulfurique : très corrosif ; provoque de graves brûlures, réaction très exothermique avec l'eau.
Eau de Javel à 12°chlorométrique : très corrosif ; provoque de graves brûlures, en présence d’acide
Dégagement de gaz toxique.
Constantes physiques
acétophénone
éthanol
éther diéthylique
acide benzoïque
M (g.mol-1 ) teb
(°C)
tfus
(°C)
d420
nD20
120,14
46,07
19,65
-112,5
1,0281
0,7893
0,713
1,5363
1,3611
122,13
202,2
78,5
34,6
249
122,4
126,04
ps : peu soluble ; s : soluble ; i : insoluble ; ts : très soluble
sulfite de sodium
Potentiels standard à 25°C
= 1,72 V
E° ClO - / Cl 22E° SO4 / SO3 = 0,92V
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solubilité
eau
éthanol
i
s
s à chaud
ps à froid
ts à froid
ts à chaud
QUESTIONS
1. Équilibrer les deux demi équations rédox ci-dessous puis écrire l'équation-bilan de la réaction
mise en jeu dans l'étape 1 de la synthèse, c'est à dire l'action de l'eau de javel sur l'acétophénone:
φCOCH3
+
Cl -
Cl O –
φCOO- + CH Cl3
Cl -
2. Écrire l'équation de la réaction de l'étape 2 correspondant à la destruction de l'oxydant (ClO-) en
excès par les ions sulfites (SO32- )
3. A la fin de l'étape 2, quelle est la composition de la phase organique ?
4. Donner un test rapide permettant de distinguer la phase organique de la phase aqueuse.
5. Écrire l'équation de la réaction ayant lieu à l'étape 3 correspondant à l'acidification de la phase
aqueuse. Donner le nom d'un autre acide pouvant convenir pour réaliser cette réaction.
6. Quelle est la composition de la phase aqueuse avant et après acidification ?
7. Pourquoi doit-on refroidir la phase aqueuse après son acidification ?
8. Lors de l'étape 1 , quel est le réactif limitant ?
9. Sachant qu'à l'étape 3 l'acide sulfurique est en excès, calculer la masse théorique d'acide
benzoïque attendu.
10. Calculer les rendements R1, R2 et R3 après en avoir donné leurs expressions littérales :
R1 : rendement en produit brut, R2 : rendement de la purification, R3 : rendement de la synthèse
11. Dans quel but doit-on faire une recristallisation ?
12. Justifier le choix du solvant de recristallisation utilisé. Pourrait-on utiliser :
a) l'eau seule ?
b) l'éthanol seul ?
13. Interpréter les résultats de l'analyse chromatographique.
14. Citer au moins un test chimique permettant d'identifier l'acétophénone.
15. Analyse des spectres IR A et B
Quel est le spectre de l'acide benzoïque ? Quel est le spectre de l'acétophénone ? Justifier votre
choix.
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NOM :
N° de poste :
PARTIE A : CHIMIE INORGANIQUE
Dosage d’une eau de javel
1. Etalonnage de la solution de dichromate de potassium (S.A.M.)
FIOLE
Concentration CEi en
dichromate provenant de la
solution étalon (mol.L-1)
F1
F2
F3
F4
F5
Absorbance Ai
Ordonnée à l’origine : b = ____________
Coefficient directeur : a =_____________
Concentration molaire en dichromate CX = ____________ ± ______________ mol.L-1
(Précision 2%)
2. Etalonnage de la solution de thiosulfate de sodium
V1 = __________mL
Concentration molaire de la solution C1= _____________ ± ________________mol.L-1
(précision 1%)
3. Dosage de l’eau de Javel : méthode de Bunsen
V2 = _________ mL
V3 = _________ mL
Concentration molaire de la solution diluée : _____________ ± ________________ mol.L-1
(précision 0,5%)
Degré chlorométrique de l’eau de Javel de départ: ________________
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NOM :
N° de poste :
PARTIE B : CHIMIE ORGANIQUE
Synthèse d'un conservateur, l'acide benzoïque
Oxydation de l'acétophénone par de l'eau de javel
Masse d'acide benzoïque brut humide : m0 =
Masse d'acide benzoïque brut humide mis à sécher : m1 =
Masse d'acide benzoïque brut sec : m'1 =
Masse d'acide benzoïque brut humide soumis à recristalliser : m2 =
Masse d'acide benzoïque pur sec : m'2 =
Point de fusion de l'acide benzoïque recristallisé :Tf =
Aspect :
Rendement en produit brut : R1 % =
Rendement de la recristallisation : R2 % =
Rendement de la synthèse : R3 % =
CCM : coller la plaque et indiquer les différents Rf
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