A propos de conservateurs ( bac S Polynésie 2009)

L'acide benzoïque ( E 210), les benzoates de sodium ( E211) et de potassium ( E212) et de calcium (E213) sont des conservateurs alimentaires utilisés pour leurs propriétés fongicides. On donne : pKa ( C6H5 COOH aq /C6H5 COO- aq )= 4,2 à 25°C. alcool benzylique permanganate de potassium benzoate de sodium acide benzoïque cyclohexane Formule C6H5 CH2OH KMnO4 C6H5 COONa C6H5 COOH état physique à 20 °C liquide solide solide solide liquide masse molaire ( g/mol) 108 158 144 122 masse volumique r ( g cm-3) 1,05 0,78 solubilité dans l'eau faible grande grande 1,5 g/L à 10°C 2,4 g/L à 25°C 68 g/L à 95°C insoluble solubilité dans le cyclohexane grande insoluble insoluble très faible Donner la définition d'un acide selon Bronsted. Espèce, ion ou molécule susceptible de céder un proton H+. Ecrire l'équation de la réaction entre l'acide benzoïque et l'eau. C6H5 COOH aq + H2O(l) = C6H5 COO- aq + H3O+aq. Déterminer le domaine de prédominance de chaque espèce du couple. Oxydation de l'alcool benzylique par le permanganate de potassium en milieu basique. Mettre dans le ballon : 100 mL de solution aqueuse de soude à 0,40 mol/L ; 2,5 mL d'alcool benzylique ; 4,5 g de permanganate de potassium ; quelques grains de pierre ponce. Réaliser un chauffage à reflux et chauffer à ébullition douce pendant 30 min. Il apparaît un précipité marron de dioxyde de manganèse MnO2. L'équation de la réaction notée (1) s'écrit : 3 C6H5CH2OH aq + 4 MnO4- aq = 3 C6H5CO2- aq + 4 MnO2 (s)+ HO- aq + 4 H2O(l). Après refroidissement, filtrer le mélange à l'aide d'un filtre büchner : le filtrat obtenu est incolore. Verser le filtrat dans une ampoule à décanter, y ajouter environ 40 mL de cyclohexane, agiter et dégazer plusieurs fois, laisser reposer : on recueille la phase contenant le benzoate de sodium en solution. Annoter le schéma du montage à reflux. Quel est l'intérêt d'un chauffage à reflux ? En travaillant à température modérée on accélère la réaction tout en évitant les pertes de matière : les vapeurs se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le ballon. Quel composé recueille t-on dans le filtre du büchner ? Justifier. D'après (1) une seule espèce est solide MnO2. De plus l'ion benzoate est très soluble dans l'eau. Sur le filtre on recueille donc le dioxyde de manganèse.   Web www.chimix.com Déterminer la quantité de matière initiale des deux réactifs, l'alcool benzylique et le permanganate de potassium. n(alcool) = masse (g) / masse molaire (g/mol) avec masse(g) = volume (mL) * masse volumique ( g/mL) = 2,5 *1,05 =2,625 g n(alcool) = 2,625 / 108 = 2,43 10-2 ~ 2,4 10-2 mol. n( KMnO4) = m/M = 4,5 / 158 =2,848 10-2 ~ 2,8 10-2 mol. Compléter numériquement le tableau d'avancement et montrer que le réactif en excès est l'alcool. avancement (mol) 3 C6H5CH2OH aq + 4 MnO4- aq = 3 C6H5CO2- aq + 4 MnO2 (s) + HO- aq + 4 H2O(l). initial 0 2,4 10-2 2,8 10-2 0 0 excès solvant état intermédiaire x 2,4 10-2 -3x 2,8 10-2 - 4x 3x 4x excès solvant état final si réaction totale xmax 2,4 10-2 -3xmax 2,8 10-2 - 4xmax 3xmax 4xmax excès solvant Si l'alcool est en défaut : 2,4 10-2 -3xmax = 0 ; xmax = 2,4 10-2 /3 = 8,1 10-3. Si l'ion permanganate est en défaut : 2,8 10-2 -4xmax = 0 ; xmax = 2,8 10-2 /4 = 7,1 10-3. On retient la plus petite valeur : 7,1 10-3 ; l'alcool est en excès. Donner le nom des phases 1 et 2 en justifiant et leur composition. La phase la plus dense ( l'eau d = 1) occupe la partie inférieure ; la phase la moins dense ( le cyclohexane d = 0,78) occupe la partie supérieure. L'alcool benzylique en excès est très soluble dans le cyclohexane. L'ion benzoate, l'ion hydroxyde, l'ion potassium, l'ion sodium sont très solubles dans l'eau. On récupère la phase contenant le benzoate de sodium dans un erlenmeyer que l'on dépose dans la glace pilée. On verse alors prudemment de l'acide chlorhydrique concentré ( H3O+aq + Cl-aq) jusqu'à cristallisation totale de l'acide benzoïque selon la réaction d'équation :. C6H5CO2- aq + H3O+aq = C6H5CO2H (s) + H2O(l). (2) Pourquoi laisser l'erlenmeyer dans la glace ? La solubilité de l'acide benzoïque est très faible à 0°C ; la solubilité augmente avec la température. [1,5 g/L à 10°C ; 2,4 g/L à 25°C] Déterminer la quantité de matière maximale d'acide benzoïque que l'on peut obtenir. 3xmax = 3 *7,1 10-3 = 2,14 10-2 ~ 2,1 10-2 mol. On filtre et on rince à l'eau froide les cristaux obtenus. Après séchage, la masse pesée est m = 1,2 g. Citer une méthode permettant d'identifier et de vérifier la pureté de l'acide formé. Chromatographie sur couche mince ; mesure du point de fusion. Le solide obtenu étant pur, déterminer le rendement h de la synthèse. h = mréelle/ masse théorique. Masse théorique = n M = 2,14 10-2 *122 = 2,6 g. h = 1,2/2,6 = 0,46 ( 46 %).

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