OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGIONALES - ACADEMIE DE VERSAILLES

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1 OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGIONALES - ACADEMIE DE VERSAILLES 25 Janvier 2012 EPREUVE EXPERIMENTALE Durée : 2h30 L'épreuve comporte une manipulation et la rédaction d'un compte-rendu. Il est conseillé de répondre aux questions au fur et à mesure de la manipulation, ainsi que cela est proposé, car les questions posées peuvent aider à la compréhension des manipulations. Le compte-rendu sera rédigé directement sur les feuilles distribuées. Ne pas oublier de remplir la feuille de résultats. PRINCIPE Etude d une eau de Javel : propriétés et analyse L acide benzoïque est une espèce chimique communément utilisée comme conservateur et présente dans quelques plantes à l état naturel (comme dans la gomme de benjoin par exemple). L acide benzoïque est donc très employé dans l agroalimentaire et est référencé (selon la législation européenne) sous le code E210. Une des multiples voie de synthèse de l acide benzoïque consiste à oxyder une cétone, l acétophénone, grâce aux ions hypochlorite contenus dans l eau de Javel. Dans ce sujet, on se propose donc de synthétiser l acide benzoïque grâce aux propriétés oxydantes d une eau de Javel que l on dosera afin d en déterminer précisément le pourcentage de chlore actif. Page 1 sur 8

2 DONNEES : (Toutes les températures de changement d état sont données sous une pression de 1,013 bar) Solution d eau de Javel à 3,6% de chlore actif Acétophénone (1-phényléthanone) Voir définition du pourcentage de chlore actif ci-dessous d = 1,050 M = 120,14 g.mol -1 d = 1,028 ; Insoluble dans l eau Hydroxyde de sodium M = 40,00 g.mol -1 Hydrogénosulfite de sodium à 10 % Acide chlorhydrique À 6 mol.l -1 Trichlorométhane Acide benzoïque T E = 61 C d = 1,492 Insoluble dans l eau M = 122,12 g.mol -1 t fus = 122 C Insoluble dans l eau Dichlorométhane Cyclohexane Acétate de butyle Pourcentage de chlore actif correspond à la masse (en gramme) de dichlore gazeux dégagé par 100 g d eau de Javel (de densité d = 1,050) ou de solution d hypochlorite de sodium, selon l équation : Cl + ClO + H 2 O = Cl 2 (g)+ 2 HO Masses atomiques molaires : M C = 12,0 g.mol -1 ; M O = 16,0 g.mol -1 ; M H = 1,0 g.mol -1 ; M Cl = 35,5 g.mol -1 Première partie : synthèse de l acide benzoïque O O CH ClO - O - + CHCl HO - Page 2 sur 8

3 Dans un erlenmeyer de 250 ml, introduire 140 g d une solution d eau de Javel notée (S) à 3,6% de chlore actif (fournie). Ajouter dans cet erlenmeyer, 1,20 g de soude en pastilles et et agiter jusqu à dissolution. Ajouter goutte à goutte (à l aide d une pipette Pasteur) 2,5 g d acétophénone. Le mélange s échauffe légèrement. Laisser sous agitation pendant 30 minutes. En fin de réaction, transvaser dans une ampoule à décanter, laisser décanter et éliminer la phase inférieure, si elle existe. Récupérer la phase aqueuse dans un bécher et ajouter 20 ml d une solution d hydrogénosulfite de sodium à 10 %. Ajouter ensuite une solution d acide chlorhydrique à 6 mol.l -1 jusqu à ph voisin de 1. Refroidir le mélange réactionnel dans un bain de glace. Filtrer sur Büchner le précipité obtenu et le laver à l eau distillée. Placer le solide dans une boîte de Pétri (préalablement tarée) et sécher à l étuve 30 min. Peser ; soit m 0 la masse de produit obtenu. Remettre à l étuve. Réaliser une CCM : Préparer une solution à environ 1% massique de l acide benzoïque synthétisé en dissolvant une pointe de spatule de votre produit dans environ 2mL de dichlorométhane (dans un tube à hémolyse). Déposer sur la plaque, les solutions à environ 1 % massique dans le dichlorométhane des composés suivants: - acétophénone commerciale (fourni) ; - acide benzoïque commercial (fourni) ; - acide benzoïque synthétisé. L éluant est un mélange cyclohexane / acétate de butyle (60/40), la révélation est faite sous UV à 254 nm. Répondre aux questions 1 à 6 et compléter la feuille de résultats. a) Dilution de l eau de Javel : Deuxième partie : Analyse de l eau de Javel La solution d eau de Javel (S) utilisée dans la partie précédente doit être diluée 10 fois avant d être dosée. La solution d eau de Javel ainsi obtenue sera notée (S ). Choisir le matériel nécessaire à la préparation de 100 ml de solution (S ). Appeler l examinateur pour vérification. Réaliser la dilution. b) Dosage de l eau de Javel : Prélever 10 ml de la solution (S ) et les introduire dans un erlenmeyer. Ajouter 25 ml prélevés à l éprouvette graduée de solution d iodure de potassium à 0,1 mol.l -1. Ajouter environ 5 gouttes d acide chlorhydrique à 6 mol.l -1, et vérifier que le ph est acide (avec du papier ph) Ajouter une pointe de spatule de thiodène, l indicateur coloré. Doser par une solution de thiosulfate de sodium à 0,1 mol.l -1. On note V 1, le volume de thiosulfate versé à l équivalence. Réaliser un deuxième essai. Répondre aux questions 7 à 14 et remplir la feuille de résultats. Page 3 sur 8

4 EPREUVE EXPERIMENTALE : COMPTE-RENDU Nom : Prénom : Points de manipulation : Points de résultats : /25 /25 Sexe : F M Lycée d'origine : Centre de préparation : Points de compte-rendu : Total obtenu : TOTAL SUR 40 : /30 /80 Questions Première partie : synthèse de l acide benzoïque Note obtenue Barème 1- A l aide de la définition du pourcentage de chlore actif, montrer que la quantité de matière d ions hypochlorite ClO - introduite est d environ 0,071 mol. 2- Calculer la quantité de matière d acétophénone introduite. 3- Déterminer la masse théorique m th d acide benzoïque attendue. Donner l expression du rendement de la synthèse en fonction de m 0 et m th. Le calculer et remplir la feuille de résultats. Page 4 sur 8

5 4- Préciser ce que contient la phase organique éventuellement récupérée après décantation. 5- Qu observe-t-on lors de l addition de HCl? Ecrire l équation de la réaction correspondante. 6- Commenter la plaque CCM. Deuxième partie : Dosage de l eau de Javel 7- Citer deux espèces chimiques qui, comme l ion hypochlorite, ont des propriétés désinfectantes. 8- Les trois couples mis en jeu aux cours des différents dosages sont les suivants : ClO - /Cl - ; I 2 /I - et S 4 O 6 2- /S 2 O Ecrire les demi-équations électroniques correspondantes : ClO - /Cl - : I 2 /I - : S 4 O 6 2- /S 2 O 3 2- : Page 5 sur 8

6 9- Quelle espèce chimique est mise en évidence par le thiodène (ou l empois d amidon)? 10- Ecrire l équation de la réaction entre l ion iodure (I - ) et l ion hypochlorite (ClO - ) : Ecrire l équation de la réaction de dosage : 11- Calculer la quantité de matière de KI n(i - ) ajoutée : Quelle est la condition que doit remplir la quantité de matière n(i - ) par rapport à la quantité de matière n(clo - ) pour que le dosage soit réalisable? Expliquer. 12- En utilisant les deux équations de la question 10, Donner la relation entre la quantité de matière d ion hypochlorite n(clo - ) et d ion thiosulfate n(s 2 O 3 2- ) à l équivalence. Page 6 sur 8

7 13- En déduire l expression de la concentration en ion hypochlorite C(S ) dans la solution (S ) en mol.l -1. Quelle est alors l expression de la concentration en ion hypochlorite C(S) dans la solution (S) en mol.l -1? Remplir la feuille de résultats. Donner un nombre de chiffres cohérent pour la valeur de C(S), sachant que la précision du dosage peut être estimée à 1 %. 14- Grâce à la définition du pourcentage en chlore actif, vérifier que la solution (S) contient bien environ 3,6% de chlore actif. Page 7 sur 8

8 Nom : FEUILLE DE RESULTATS Première partie : synthèse de l acide benzoïque Masse d acide benzoïque récupéré : m 0 = Rendement en acide benzoïque : R = Aspect du produit Joindre la plaque CCM Deuxième partie : Analyse de l eau de Javel Essai 1 V 1 /ml C(S )/mol.l -1 Essai 2 Conclusion : C(S ) = C(S) = ΔC(S) = Page 8 sur 8