Synth�se
d'un ester � odeur florale, bac Polyn�sie 2022.
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Exercice 1 ( 10
points).
Partie 1. Synth�se du benzoate de m�thyle.
Le benzoate de m�thyle est obtenu par r�action d'est�rification entre l'acide benzo�que de formule C6H5COOH et le m�thanol de formule CH3OH en pr�sence d'acide sulfurique.
C6H5COOH + CH3OH = C6H5COOCH3 + D.
1.1 Nommer le groupe caract�ristique de la mol�cule d'acide benzo�que.
Groupe carboxyle ( fonction acide carboxylique ).
1.2. V�rifier que la mol�cule D correspond � la mol�cule d'eau.
Bilan sur le carbone : � gauche, 7 carbone ; � droite, 7 atomes de carbone.
Bilan sur l'�l�ment hydrog�ne : � gauche, 10 �l�ment hydrog�ne et seulement 8 � droite ( donc D compte 2 H).
Bilan sur l'�l�ment oxyg�ne : � gauche, 3 �l�ment oxyg�ne et seulement 2 � droite ( donc D compte 1 O).
2. Etude du mode op�ratoire.
Etape 1
: dans
un ballon on introduit 12,2 g d'acide benzo�que, 4,0 mL de m�thanol, 3
gouttes d'acide sulfurique concentr� et quelques grains de pierre
ponce. On
r�alise un montage � reflux sous la hotte et on chauffe doucement
pendant 1 heure.
Etape 2 : apr�s
refroidissement on verse le contenu du ballon dans une ampoule �
d�canter contenant 50 mL d'eau distill�e froide satur�e de chlorure de
sodium. Agiter en d�gazant r�guli�rement et s�parer la phase organique
de la phase aqueuse.
Etape 3
: ajouter 50 mL d'une solution aqueuse d'hydrog�nate de sodium �
la phase organique, d�gaser puis s�parer les deux phases apr�s
d�cantation.
Etape 4 : s�cher la phase organique avec du chlorure de magn�sium anhydre puis filtrer.
2.1 Quel est le r�le de l'acide sulfurique.
L'acide sulfurique joue le r�le de catalyseur.
Un catalyseur augmente la vitesse de la r�action. La composition du
m�lange � l'�quilibre n'est pas modifi�e.
Le catalyseur intervient lors d'une �tape de la r�action et se trouve
r�g�n�r� lors de la derni�re �tape.
2.2 Identifier le montage correspondant � l'�tape 1.
A : montage de distillation ; B : ballon et chauffe ballon ( les vapeurs des r�actifs et produits sont perdues).
C convient. Montage de chauffage � reflux.
D : Chauffage � reflux, mais les branchements de l'eau sont invers�s.
2.3. Donner un des int�r�ts du chauffage � reflux.
Le chauffage � reflux permet d'augmenter la vitesse de la r�action en travaillant � temp�rature mod�r�e.
On �vite les pertes de mati�re : les vapeurs se condensent dans le r�frig�rant vertical et retombent dans le milieu r�actionnel.
2.4. Justifier les pr�cautions op�ratoires et citer les pr�cautions d'usage.
Le m�thanol est toxique, inflammable et class� CMR ; l'acide benzo�que est corrosif et class� CMR.
Port de blouse, lunettes et gants ; travail sous hotte aspirante.
2.5. Expliquer le choix d'ajout d'eau sal�e dans l'�tape 2.
L'ester est insoluble dans l'eau sal�e.
2.6. Identifier les esp�ces chimiques contenues dans chacune des 2 phases ( �tape 2).
Phase aqueuse : eau sal�e, acide benzo�que, acide sulfurique et m�thanol.
Phase organique : benzoate de m�thyle.
2.7.
Montrer par l'�criture d'une r�action que l'ajout d'hydrog�nate de
sodium permet de transformer l'acide benzo�que en ion benzoate.
C6H5COOH / C6H5COO- : pKa = 4,2.
Acide carbonique CO2, H2O aq / hydrog�nocarbonate HCO3- aq pKa = 6,4.
R�action acide base entre l'acide le plus fort et la base la plus forte :
C6H5COOH aq +HCO3- aq --> C6H5COO- aq + CO2, H2O aq.
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...
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3. Identification de la mol�cule obtenue
3.1 Montrer que le spectre IR suivant peut correspondre � la fomrule chimique du benzoate de m�thyle.
4. Rendement de la synth�se.
4.1 et 2 D�terminer les quantit�s de mati�re des r�actifs.
Acide benzo�que : nacide = m / M(C6H5COOH) = 12,2 / 122 = 0,10 mol.
M�thanol : masse = volume x masse volumique = 4,0 x 0,79 =3,16 g.
nm�thanol = 3,16 / M(m�thanol)= 3,16 / 32 =0,09875 ~0,10 mol.
Les r�actifs sont introduits en proportions stoechiom�triques.
La masse exp�rimentale d'ester est mexp = 9,11 g.
4.3 Compl�ter le tableau d'avancement suivant.
Etat
|
Avancement (mol)
|
C6H5COOH
|
+CH3OH
|
= C6H5COOCH3
|
+H2O
|
initial
|
0
|
nacide
|
nm�thanol
|
0
|
0
|
interm�diaire
|
x
|
nacide-x |
nm�thanol-x
|
x
|
x
|
final
|
xf
|
nacide-xf |
nm�thanol-xf |
xf
|
xf
|
|
|
4.4 D�terminer les valeurs des quantit�s de mati�re de l'ensemble des esp�ces pr�senntes � l'�tat final.
Dans l'hypoth�se d'une r�action �quilibr�e : nacide �q = nm�thanol �q = 0,10 x(1-0,67) =3,3 10-2 mol ; nester �q = neau �q = 0,10 x0,67 6,7 10-2= mol.
4.5 Montrer que le rendement de la synth�se est proche de 67 %.
Mester = 136 g / mol ; nester exp = 9,11 / 136 ~0,067 mol.
Rendement = nexp / n�q = 0,067 / 0,10 = 0,67 ( 67 %).
4.6 Proposer une m�thode permettant d'am�liorer le rendement.
Utiliser l'alcool en exc�s.
Eliminer l'eau au fur et � mesure de sa formation.
5. V�rification de la quantit� de mati�re en ion benzoate restante � l'aide d'un dosage spectrophotom�trique.
Volume de la phase aqueuse V = 100 mL.
5.1. A quelle longueur d'onde faut-il se placer ?
A la longueur d'onde de 270 nm pour laquelle l'ion benzoate pr�sente un maximum d'absorption.
5.2 Identifier le domaine spectral dans lequel l'absorbance est maximale.
Ultra violet U V.
On dilue 100 fois la solution aqueuse obtenue apr�s la synth�se. La solution fille est not�e S.
On r�alise � partir d'une solution m�re de benzoate de sodium S0 de concentration c0 = 1,0 10-2 mol / L, une gamme �talon.
Solution Si
|
S0
|
S1
|
S2
|
S3
|
S4
|
Concentration ci(mol / L)
|
1,0 10-2
|
7,5 10-3
|
5,0 10-3
|
2,5 10-3
|
1,0 10-3
|
Absorbance A
|
0,880
|
0,661
|
0,441
|
0,221
|
0,087
|
5.3 Indiquer la verrerie permettant de r�aliser 100,0 mL de la solution S3 � partir de la solution m�re.
Fiole jaug�e de 100,0 mL.
Facteur de dilution : F = 1,0 10-2 /(2,5 10-3) =4.
Volume de la pipette jaug�e : 100 /4 = 25,0 mL.
On mesure l'absorbance de la solution S : A = 0,29.
5.4. Montrer que la quantit� de mati�re en ion benzoate n(A-) restante dans la phase aqueuse issue de la r�action est �gale � 3,3 10-2 mol / L correspondant �galement � la quantit� de mati�re d'acide benzo�que restante.
n(A-) =A / 88,1 = 0,29 / 88,1 =3,3 10-3 mol / L.
Tenir compte de la dilution au centi�me : 100 x 3,3 10-3 = 0,33 mol / L.
Soit 3,3 10-2 mol d'acide benzo�que restant dans 100 mL.
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