Soit un protocole simplifié d'élaboration de l'acide benzoïque (\ce{C7H6O2}) :
- Placer dans un ballon de 250 mL : quelques grains de pierre ponce, 2 g de carbonate de sodium ; 4,5 g de permanganate de potassium ; 100 mL d'eau distillée ; 2,5 mL d'alcool benzylique (\ce{C7H8O}). Bien agiter.
- Adapter et mettre en route le réfrigérant à eau.
- Chauffer doucement pendant environ 30 min. Constater la formation du solide marron de dioxyde de manganèse.
- Lorsque la réaction est terminée, laisser refroidir. Pour cela baisser le support et retirer le chauffe-ballon, puis après quelques minutes passer le ballon sous un filet d'eau froide.
- Filtrer sur Büchner le mélange obtenu.
- On récupère le filtrat, quasiment incolore car le permanganate introduit en défaut a totalement réagi. Pour éviter tout retour d'eau, démonter le tuyau avant d'arrêter la pompe.
- Verser le filtrat dans un grand bécher (250 mL)
- Sous la hotte, acidifier le mélange en ajoutant progressivement, par petites quantités et en agitant, 20 mL d'acide chlorhydrique concentré. L'addition d'acide provoque un dégagement gazeux (ajouter plus d'acide si la précipitation n'est pas terminée).
- Placer le précipité dans un verre de montre, préalablement pesé vide.
- Porter le tout dans l'étuve ( à 70°C).
- Mesurer la masse du produit sec obtenu.
- Déterminer son point de fusion sur banc Köfler (si l'acide benzoïque est sec et pur on doit retrouver la valeur théorique).
En quoi consistent les étapes de transformation, de traitement et d'identification dans ce protocole ?
Une synthèse chimique se fait en 3 étapes :
- La transformation : pour élaborer l'espèce à synthétiser, on suit un mode opératoire. Il s'agit ici de la mise en contact de l'alcool benzylique avec du permanganate de potassium puis de leur réaction au moyen d'un chauffage à reflux.
- Le traitement : lorsque la synthèse est terminée, on sépare et purifie le produit. L'acide benzoïque obtenu est traité par refroidissement du mélange, ce qui a pour effet de le précipiter. On l'isole alors des autres espèces (encore en phase liquide) par filtration sur Büchner.
- L'identification : après l'extraction du produit, on le caractérise grâce à ses propriétés physiques. L'identification de l'acide benzoïque est réalisée par banc de Köfler en déterminant sa température de fusion.
Quelle est l'équation bilan de la réaction de synthèse ?
Afin d'établir l'équation bilan, on identifie les réactifs et les produits :
Les réactifs sont le permanganate de potassium et de l'alcool benzylique. Les produits sont l'ion manganèse II (non précisé dans le protocole) et l'acide benzoïque (qui est une forme oxydée de l'alcool benzylique).
Il s'agit d'une équation d'oxydoréduction donc il faut tout d'abord établir les demi-équations des couples impliqués.
Demi-équation associée au couple \ce{MnO4^{-}_{(aq)}}/ \ce{Mn^{2+}_{(aq)}}
À tout couple oxydant / réducteur, on associe la demi-équation électronique d'oxydoréduction suivante :
Ox+n e^{-} = Red
Ici, on fait intervenir les espèces présentes dans l'eau (les ions \ce{H^{+}} et l'eau elle-même) pour équilibrer correctement les charges et les atomes de la demi-équation.
On place d'abord de part et d'autre du signe = l'oxydant et le réducteur.
\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} = \ce{Mn^{2+}_{(aq)}}
On équilibre ensuite les oxygènes par ajout de molécules d'eau.
\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} = \ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 4\ce{H2O_{(l)}}
On équilibre les \ce{H} par ajout d'ions \ce{H^{+}_{(aq)}}.
\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 8\ce{H^{+}_{(aq)}} = \ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 4\ce{H2O_{(l)}}
Enfin, on équilibre les charges par ajout du nombre d'électrons nécessaires.
\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 8\ce{H^{+}_{(aq)}} +5e^{-}= \ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 4\ce{H2O_{(l)}}
Demi-équation associée au couple \ce{C7H6O2_{(aq)}} / \ce{C7H8O_{(aq)}}
Par la même démarche que précédemment, on place d'abord de part et d'autre du signe = l'oxydant et le réducteur. Ici, le réducteur est placé à gauche car c'est lui qui réagira dans l'équation de réaction.
\ce{C7H8O_{(aq)}} = \ce{C7H6O2_{(aq)}}
On équilibre ensuite les oxygènes par ajout de molécules d'eau.
\ce{C7H8O_{(aq)} + H2O_{(aq)} = C7H6O2_{(aq)}}
On équilibre les \ce{H} par ajout d'ions \ce{H^{+}_{(aq)}}.
\ce{C7H8O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C7H6O2_{(aq)}} + 4\ce{H^{+}_{(aq)}}
Enfin, on équilibre les charges par ajout du nombre d'électrons nécessaires.
\ce{C7H8O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C7H6O2_{(aq)}} + 4\ce{H^{+}_{(aq)}} + 4e^{-}
Équation de la réaction de synthèse
Les demi-équations de réactions sont :
- \ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 8\ce{H^{+}_{(aq)}} +5e^{-}= \ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 4\ce{H2O_{(l)}}
- \ce{C7H8O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C7H6O2_{(aq)}} + 4\ce{H^{+}_{(aq)}} + 4e^{-}
Comme le nombre d'électrons échangés n'est pas le même pour les deux demi-équations, il n'est pas possible de les combiner directement. On multiplie la première par 4 et la deuxième par 5 afin d'avoir le même nombre d'électrons (c'est-à-dire 20) de part et d'autre. Les demi-équations deviennent :
- 4\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 32\ce{H^{+}_{(aq)}} +20e^{-}= 4\ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 16\ce{H2O_{(l)}}
- 5\ce{C7H8O_{(aq)}} +5\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= 5\ce{C7H6O2_{(aq)}} + 20\ce{H^{+}_{(aq)}} + 20e^{-}
On obtient donc :
4\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 32\ce{H^{+}_{(aq)}} + 5\ce{C7H8O_{(aq)}} +5\ce {H2O_{\left(aq\right)}} \ce{->} 4\ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 16\ce{H2O_{(l)}} + 5\ce{C7H6O2_{(aq)}} + 20\ce{H^{+}_{(aq)}}
Après simplifications, cela donne :
4\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 12\ce{H^{+}_{(aq)}} + 5\ce{C7H8O_{(aq)}} \ce{->} 4\ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 11\ce{H2O_{(l)}} + 5\ce{C7H6O2_{(aq)}}
Sachant que la quantité de matière initiale d'alcool benzylique utilisée est de 4{,}0\times 10^{-2} mol, quelle est la quantité de matière obtenue théorique d'acide benzoïque ?
D'après l'équation de réaction, l'alcool benzylique possède, comme l'acide benzoïque, un coefficient stœchiométrique de 5, donc on peut théoriquement produire autant d'acide benzoïque qu'on avait d'alcool benzylique.
La quantité de matière théorique d'acide benzoïque obtenue est de 4{,}0\times 10^{-2} mol.
On obtient une quantité de matière de 3{,}6 \times 10^{-2} mol.
Quel est alors le rendement de cette synthèse ?
Le rendement de la synthèse se détermine à l'aide de la relation :
\eta = \dfrac{n_{obtenue}}{n_{théorique}}
Avec :
- \eta, le rendement, sans unité (compris entre 0 et 1)
- n_{obtenue}, la quantité de matière réellement obtenue (en mol)
- n_{obtenue}, la quantité de matière que l'on peut théoriquement obtenir (en mol)
En faisant l'application numérique, on obtient :
\eta = \dfrac{3{,}6\times 10^{-2}}{4{,}0\times 10^{-2}}
\eta = 0{,}90
Le rendement de cette synthèse est de 90%.