L'acide butyrique, \ce{C4H8O2}, est synthétisé en faisant réagir 8,0 mL d'une solution aqueuse d'alcool butyrique \ce{C4H10O} à 20 g/L avec une solution acidifiée de permanganate de potassium (en excès).
Le produit synthétisé est extrait. On effectue ensuite une chromatographie sur couche mince en déposant une goutte de produit synthétisé (dépôt 1), une goutte d'alcool butyrique commercial (dépôt 2) et une goutte d'acide butyrique commercial (dépôt 3).
Le résultat de la CCM est :
Pourquoi l'alcool butyrique et l'acide butyrique peuvent-ils former un couple rédox et quelle est la forme oxydée et la forme réduite du couple ?
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. On a alors perte de deux atomes d'hydrogène selon l'équation :
Mais, si l'oxydant est fort (ou en excès), la réaction d'oxydation ne s'arrête pas au stade de l'aldéhyde (de formule brute \ce{C4H8O} ) et l'on obtient l'acide carboxylique correspondant : \ce{C4H8O2}. Il y a eu cette fois ajout d'un atome d'oxygène selon :
L'acide butyrique, de formule brute \ce{C4H8O2}, semble donc bien être associé à l'alcool butyrique de formule brute \ce{C4H10O} puisque la ressemblance de leurs noms laisse à penser qu'il n'y a bien eu qu'un changement de fonction et pas du reste de la chaîne entre les deux.
L'acide est donc l'oxydant et l'alcool le réducteur.
Quelle est l'équation de la réaction de synthèse de l'acide butyrique à partir de l'alcool butyrique ?
L'équation de la réaction de synthèse de l'acide butyrique à partir de l'alcool butyrique est en fait une réaction d'oxydorécution entre deux couples oxydants / réducteurs. En effet, l'alcool est oxydé par les ions permanganates qui sont un oxydant puissant.
Afin d'établir l'équation de synthèse, il faut donc déjà définir les demi-équations des couples mis en jeu :
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{C4H8O2_{(aq)}} / \ce{C4H10O_{(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{C4H10O_{(aq)}} = \ce{C4H8O2_{(aq)}}
On équilibre ensuite les oxygènes par ajout de molécules d'eau.
\ce{C4H10O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C4H8O2_{(aq)}}
On équilibre les \ce{H} par ajout d'ions \ce{H^{+}_{(aq)}} .
\ce{C4H10O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C4H8O2_{(aq)}} + 4\ce{H^{+}_{(aq)}}
Enfin, on équilibre les charges par ajout du nombre d'électrons nécessaires.
\ce{C4H10O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C4H8O2_{(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{C4H10O_{(aq)}} +\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= \ce{C4H8O2_{(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{C4H10O_{(aq)}} +5\ce {H2O_{\left(aq\right)}}= 5\ce{C4H8O2_{(aq)}} + 20\ce{H^{+}_{(aq)}} + 20e^{-}
On obtient donc :
4\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 32\ce{H^{+}_{(aq)}} + 5\ce{C4H10O_{(aq)}} +5\ce {H2O_{\left(aq\right)}} \ce{->} 4\ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 16\ce{H2O_{(l)}} + 5\ce{C4H8O2_{(aq)}} + 20\ce{H^{+}_{(aq)}}
Après simplifications, cela donne :
4\ce{MnO4^{-}_{(aq)}} + 12\ce{H^{+}_{(aq)}} + 5\ce{C4H10O_{(aq)}} \ce{->} 4\ce{Mn^{2+}_{(aq)}} + 11\ce{H2O_{(l)}} + 5\ce{C4H8O2_{(aq)}}
Le produit de synthèse est-il pur ?
Pour déterminer si le produit obtenu suite à la synthèse est pur, on se sert du résultat de la chromatographie.
- Si le produit est pur, il n'y a qu'une seule tache à la verticale du dépôt effectué.
- Si le produit n'est pas pur, il apparaît plusieurs taches distinctes.
Ici, il y a deux taches à la verticale du dépôt du produit de synthèse.
Le produit n'est pas pur.
Quel sous-produit pourrait être identifié dans la tache la plus haute ?
- Le dépôt 1 correspond au produit synthétisé et donne deux taches.
- Le dépôt 2 correspond à l'alcool butyrique commercial et donne une tache.
- Le dépôt 3 correspond à l'acide butyrique commercial et donne une tache.
La tache la plus basse du dépôt 1 étant à la même hauteur que celle du dépôt 3 qui correspond à l'acide butyrique pur, on en déduit qu'il s'agit de l'acide butyrique synthétisé (même rapport frontal R_f ).
La tache la plus haute du dépôt 1 ne correspond pas à celle du dépôt 2 donc à l'alcool butyrique. Comme l'oxydation de l'alcool passe par le stade aldéhyde avant de donner l'acide carboxylique (cf question 1), on peut supposer qu'il s'agit de l'aldéhyde butyrique qui serait de formule brute \ce{C4H8O}.