Quelques millilitres de phénylacétal (\ce{C8H8O}) sont versés dans un bécher et laissés en contact avec l'air. Après quelques heures, des cristaux d'acide phénylacétique (\ce{C8H8O2}) se forment.
Quel test prouverait que ces cristaux blancs appartiennent à la famille des acides carboxyliques ?
Lorsqu'ils sont en milieux aqueux, les acides carboxyliques réagissent en partie avec l'eau pour former des ions oxonium \ce{H3O^{+}} et des ions carboxylate \ce{RCOO^{-}} (avec R un groupe alkyle) selon la réaction suivante :
\ce{RCOOH_{(aq)}}+ \ce{H2O_{(l)}}\ce{<=>} \ce{RCOO^{-}_{(aq)}} + \ce{H3O^{+}_{(aq)}}
Un pH acide (inférieur à 7) permet de mettre en évidence la présence d'un acide carboxylique, puisque ce sont les ions oxonium qui sont responsables de la diminution du pH.
On se sert donc d'un bout de papier pH pour observer la teinte qu'il prend au contact des cristaux blancs : s'il prend une couleur rouge, orangée ou jaune, on est en présence d'un acide.
Qu'est-ce qui justifie que le phénylacétal et cet acide carboxylique forment, a priori, un couple rédox ?
- Lorsqu'on oxyde un alcool primaire, celui-ci donne un aldéhyde si l'oxydation est ménagée et si l'oxydant n'est pas en excès.
- Si l'oxydant est fort (ou en excès), la réaction d'oxydation ne s'arrête pas au stade de l'aldéhyde et l'on obtient un acide carboxylique.
Si l'on examine les formules brutes du phénylacétal (\ce{C8H8O}) et de l'acide phénylacétique (\ce{C8H8O2}), on constate que la seule différence est la présence d'un atome d'oxygène supplémentaire. L'acide phénylacétique semble donc bien être associé au phénylacétal dans un couple rédox puisque la similitude de leurs noms laisse à penser qu'il n'y a eu qu'un changement de fonction et pas du reste de la chaîne entre les deux.
Quelle est alors la demi-équation associée au couple (on considère que tout l'acide est sous forme aqueuse pour simplifier) ? Laquelle de ces substances est la forme oxydée ?
Comme c'est l'aldéhyde que l'on oxyde en acide carboxylique, c'est donc cette seconde substance qui est la forme oxydée. Or, à tout couple oxydant/réducteur, on associe la demi-équation électronique d'oxydoréduction suivante :
Ox+n e^{-} = Red
On fait intervenir les espèces présentes dans la solution (les ions \ce{H^{+}} et l'eau elle-même) pour équilibrer correctement les charges et les atomes de la demi-équation.
On place de part et d'autre du signe = l'oxydant et le réducteur. On obtient :
\ce{C8H8O2_{(aq)}} = \ce{C8H8O_{(aq)}}
On équilibre ensuite les oxygènes par ajout de molécules d'eau :
\ce{C8H8O2_{(aq)}} = \ce{C8H8O_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}
On équilibre les H par ajout d'ions \ce{H^{+}_{(aq)}} :
\ce{C8H8O2_{(aq)}} + 2\ce{H^{+}_{(aq)}}= \ce{C8H8O_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}
Enfin, on équilibre les charges par ajout du nombre d'électrons nécessaires.
La demi-équation associée au couple est donc :
\ce{C8H8O2_{(aq)}} + 2\ce{H^{+}_{(aq)}} + 2e^{-}= \ce{C8H8O_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}
La forme oxydée est de l'acide phénylacétique.