TS1 Devoir surveillé n 3

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1 NOM : Prénom : 4 janvier 207 TS Devoir surveillé n 3 Exercice : Le benzaldéhyde ( points) Le benzaldéhyde est un liquide incolore, couramment utilisé comme additif alimentaire pour son odeur d amande amère, notamment dans la frangipane. Il s avère également être d une grande utilité en chimie organique de synthèse. Cependant le benzaldéhyde est susceptible de s oxyder en acide benzoïque lorsque le flacon est entamé, il convient de vérifier sa pureté avant de l utiliser comme réactif. Données : Benzaldéhyde : o Masse molaire moléculaire : M(C 7 H 6 O) = (06,00 ± 0,0) g.mol - o Masse volumique : ρ(c 7 H 6 O) = (,020 ± 0,005) g.ml - Couples acide-base : o L acide benzoïque est un acide faible. Il appartient au couple : (C 7 H 6 O 2 / C 7 H 5 O 2 ) Pureté d un réactif : quantité réelle présente dans l'échantillon p quantité théorique présente dans l'échantillon pur Zone de virage de quelques indicateurs colorés : Nom Zone de virage Couleur de la forme acide Couleur de la forme basique Hélianthine 3, 4,4 Rouge Jaune Bleu de bromothymol 6,0 7,6 Jaune Bleu Phénolphtaléine 8,0 9,9 incolore Rouge Déplacement chimique des protons en RMN Proton Ar-H Ar-CO-H Ar-OH δ (ppm) 7,0-9,0 9,9 4,2-7, «Ar-» désigne un composé avec un cycle aromatique comme le benzène (C 6 H 6 ) et ses dérivées. Incertitudes des mesures Quand une grandeur u est obtenue en faisant intervenir plusieurs grandeurs incertaines x, y et z, on peut déterminer l incertitude Δu avec la relation Δu Δx 2 Δy 2 Δz 2 = ( ) +( ) +( ) u x y z Les parties et 2 sont indépendantes.. Analyse des molécules.. Écrire les formules semi-développées des molécules de benzaldéhyde et d acide benzoïque, entourer les groupes caractéristiques et nommer les fonctions correspondantes. Page /5

2 DS n 3_TS.2. En expliquant la démarche suivie, associer à chaque molécule (benzaldéhyde et acide benzoïque) un des spectres RMN (avec les courbes d intégration) présents ci-dessous. Spectre a :,5,5 singulet doublet 2 triplets Spectre b : triplet doublet singulet triplet Spectre c : singulet doublet triplet triplet Page 2/5

3 DS n 3_TS 2. Détermination de la pureté du benzaldéhyde Un laborantin cherche à déterminer quantitativement la pureté du benzaldéhyde dans le flacon entamé. Pour cela, il réalise le titrage de (0,00 ± 0,02) ml de solution prélevée dans le flacon de benzaldéhyde (contenant probablement de l acide benzoïque) par une solution aqueuse d hydroxyde de sodium, (Na + (aq) + HO (aq)), de concentration molaire (,00 ± 0,0) mol.l Donner la définition d un acide selon Brönsted et d une réaction acido-basique Écrire l équation de la réaction support de titrage Expliquer quel indicateur coloré choisir si l on souhaitait effectuer le titrage à l aide d un suivi colorimétrique. Indiquer le changement de couleur qui permettrait alors de repérer l équivalence. 0,75 0,25 Le titrage étant suivi par phmétrie, il a tracé la courbe ph = f(v) et la courbe «dérivée de ph» (notée dph ) en fonction de V. dv ph dérivée de ph dérivée de ph ph = f(v) 2.4. Déterminer la quantité de matière d acide benzoïque présente dans le volume de solution prélevée en explicitant la méthode utilisée à l aide des graphiques. Le résultat sera présenté sous la forme n(c 7 H 6 O 2 ) ± Δn(C 7 H 6 O 2 ) Déterminer la quantité de matière de benzaldéhyde théorique présente dans 0,00 ml de benzaldéhyde pur. Le résultat sera présenté sous la forme n(c 7 H 6 O) ± Δn(C 7 H 6 O) Déterminer la quantité de matière de benzaldéhyde réelle présente dans 0,00 ml de benzaldéhyde pur En déduire la valeur de la pureté de la solution du flacon entamé de benzaldéhyde., Page 3/5

4 DS n 3_TS Exercice 2 : Dosage de l acide benzoïque (9 points) L'acide benzoïque est un conservateur utilisé dans de nombreux cosmétiques et produits pharmaceutiques. Il est naturellement présent dans le propolis (sous-produit du miel) et dans les canneberges (arbustes à baies rouges comestibles). Il est aussi souvent utilisé comme conservateur (E 20) dans certains aliments tels que les jus de fruits. L'acide benzoïque, de formule C 7 H 6 O 2, étant difficilement soluble dans l'eau, la concentration molaire apportée c 0 d une solution S 0 n'est pas connue de façon sure à partir de sa préparation. Il est donc nécessaire de doser cette solution. Donnée : Masse molaire moléculaire de l acide benzoïque : M(C 7 H 6 O 2 ) = 22 g.mol - L acide benzoïque appartient au couple (C 7 H 6 O 2 / C 7 H 5 O 2 ). Son pka vaut 4,20. Conductivité molaire ionique à 25 C : (Na + ) = 5, m 2.S.mol - ; (H 3 O + ) = 34,9.0-3 m 2.S.mol - (HO - ) = 9,9.0-3 m 2.S.mol - ; (C 7 H 5 O 2 ) = 3, m 2.S.mol - Les parties et 2 sont indépendantes.. Détermination de la concentration molaire de l'acide benzoïque par titrage Mode opératoire Dans un bécher de 250 ml, on introduit un volume V = 00,0 ml de la solution aqueuse S 0 d acide benzoïque. On ajoute de l eau distillée pour atteindre un volume total proche de 200 ml. On plonge la cellule de conductimétrie dans cette solution. On verse à l aide d une burette graduée une solution aqueuse d hydroxyde de sodium ou soude (Na + (aq) + HO (aq)) de concentration molaire apportée c b =,00.0 mol.l -, en notant à chaque ajout la conductivité de la solution. La figure ci-dessous, représente les valeurs de la conductivité pour les différents volumes V b de soude versés. (en ms.cm - ) V b (en ml) Page 4/5

5 DS n 3_TS.. Écrire l équation de la réaction support de ce titrage. Donner les conditions nécessaires pour qu'une transformation chimique puisse être utilisée lors d'un titrage.2. Justifier la nécessité de l ajout d une quantité d eau distillée dans le bécher..3. En utilisant les conductivités ioniques molaires des ions, justifier l allure de la figure..4. Donner la définition de l équivalence. En utilisant les résultats expérimentaux, déterminer la concentration molaire c 0 de la solution S 0 en acide benzoïque apporté. 2. Détermination de la concentration molaire de l'acide benzoïque par mesure de ph Mode opératoire On dilue 0 fois la solution S 0 pour obtenir 25,0 ml de solution S ; Avec un ph-mètre préalablement étalonné, on mesure le ph de la solution S qui vaut 3, Donner le protocole permettant de préparer la solution S en précisant la verrerie utilisée Écrire l équation de la réaction entre l acide benzoïque et l eau Donner l expression de la constante d acidité Ka de l acide benzoïque Tracer le diagramme de prédominance du couple acide benzoïque/ion benzoate et indiquer l espèce prédominante Déterminer la concentration effective en ions oxonium En déduire la valeur de l avancement final (ou avancement à l équilibre) Donner l expression de la concentration effective en acide benzoïque en fonction de l avancement final et de la concentration molaire c de la solution S en acide benzoïque apporté Sachant que la concentration effective en acide benzoïque vaut 7, mol.l -, déterminer la concentration molaire c de la solution S en acide benzoïque apporté En déduire la concentration molaire c 0 de la solution S 0 en acide benzoïque apporté. 0,25 0, Page 5/5

6 Corrigé _DS n 3_TS Corrigé DS n 3 TS Exercice : ( points). Analyse des molécules.. Le benzaldéhyde possède une fonction aldéhyde (groupe carbonyle) alors que l acide benzoïque possède une fonction acide carboxylique (groupe carboxyle)..2. Le benzaldéhyde, comme l acide benzoïque, possède 4 groupes de protons équivalents. Or, tous les spectres possèdent 4 signaux. D après les données, le proton de la fonction aldéhyde (Ar-CO-H) possède un déplacement chimique de 9,9. Le spectre c correspond donc au benzaldéhyde. Pour l acide benzoïque, le proton de la fonction acide carboxylique formera un singulet. La courbe d intégration doit correspondre à un seul proton. Le spectre b correspond donc à l acide benzoïque. 2. Détermination de la pureté du benzaldéhyde 2.. Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton. Une réaction acido-basique est une réaction chimique où il y a un échange de protons entre un acide d un couple et une base d un autre couple L acide benzoïque est un acide faible donc la réaction de titrage est : C 7 H 6 O 2 + HO - C 7 H 5 O H 2 O 2.3. A l équivalence, il y aura uniquement de l eau et l ion benzoate (une base). Le ph à l équivalence sera donc basique. On choisira donc la phénolphtaléine car sa zone de virage est comprise entre 8,0 et 9,9. La solution passera de l incolore au rouge La courbe dérivée de ph en fonction du volume de réactif titrant présente un pic. L abscisse de ce pic correspond au volume à l équivalence. Par lecture graphique (faire apparaitre le tracé!), V E = 2,5 ml A l équivalence, on n(c 7 H 6 O 2 )/ = n E (HO - )/ Donc n(c 7 H 6 O 2 ) = c b * V E =,00*2,5.0-3 = 2,5.0-3 mol n(c 7 H 6 O 2 ) = n(c 7 H 6 O 2 ) ( cb cb ) 2 + ( VE VE ) 2 On considère que l erreur de lecture sur VE vaut 0, ml (soit V E = 2,5 ± 0, ml) n(c 7 H 6 O 2 ) = 2,5.0 3 ( 0,0 ) 2 + ( 0, 2,5 ) 2 =,6.0 4 mol 0,2.0 3 mol On en déduit que la quantité d acide benzoïque vaut n(c 7 H 6 O 2 ) =(2,5± 0,2).0-3 mol 2.5. n(c 7 H 6 O) = m(c 7 H 6 O 2 ) / M(C 7 H 6 O 2 ) = (C 7 H 6 O 2 ) * V(C 7 H 6 O 2 ) / M(C 7 H 6 O 2 ) =,020*0,00/06,00 = 9, mol n(c 7 H 6 O) = n(c 7 H 6 O) ( ρ 2 ρ ) + ( V 2 V ) + ( M 2 M ) = 9, ( 0,005 2,020 ) + ( 0,02 2 0,00 ) + ( 0,0 2 06,00 ) = 5,.0 4 mol On en déduit que la quantité théorique de benzaldéhyde vaut n(c 7 H 6 O) =(9,623± 0,05).0-2 mol 2.6. p = n réelle(c 7 H 6 O) n théorique (C 7 H 6 O) = n théorique(c 7 H 6 O) n(c 7 H 6 O 2 ) n théorique (C 7 H 6 O) La pureté du benzaldéhyde est de 87%. = 9, , , = 0,87 = 87% Page /2

7 Corrigé _DS n 3_TS Exercice 2 : (9 points). Détermination de la concentration molaire de l'acide benzoïque par titrage.. L acide benzoïque est un acide faible (pka = 4,20) donc la réaction de titrage est : C 7 H 6 O 2 + HO - C 7 H 5 O H 2 O Une transformation chimique peut être utilisée lors d un titrage si elle est totale, rapide et unique..2. On ajoute une grande quantité d eau pour négliger l effet de la dilution lors de l ajout du réactif titrant..3. On néglige la concentration des ions oxonium. σ = i c i i Avant l équivalence, il y a uniquement les ions sodium (ajout du réactif titrant) et les ions benzoate (transformation de l acide benzoïque) dont les concentrations augmentent. La conductivité augmente. Après l équivalence, la concentration des ions benzoate reste constante (l acide benzoïque a totalement réagi). On continue à ajouter le réactif titrant, la concentration des ions sodium et hydroxyde augmentent. Or (HO - )> (C 7 H 5 O 2 - ).La conductivité augmente plus fortement..4. Sur la graphique, on trace les 2 droites. L abscisse de l intersection des 2 droites correspond au volume équivalent. Par lecture graphique, on trouve V E = 0,0 ml. A l équivalence, les réactifs sont introduits dans les conditions stœchiométriques. A l équivalence, on a n(c 7 H 6 O 2 )/ = n E (HO - )/ soit c 0 *V A = c b *V E c 0 = c b *V E /V A = *0,0/00 = mol/l 2. Détermination de la concentration molaire de l'acide benzoïque par mesure de ph 2.. La solution S a été préparée en diluant 0 fois la solution S 0, donc F = 0. V mère =V fille /F = 25/0 = 2,5 ml Protocole de dilution Verser environ 5 ml de solution S 0 dans un bécher A l aide d une pipette graduée de 5 ml et d une propipette, prélever 2,5 ml de solution S 0 Verser les 2,5 ml de solution S 0 dans une fiole jaugée de 25,0 ml Compléter jusqu au col avec de l eau distillée et agiter Ajuster jusqu au trait de jauge avec de l eau distillée et agiter 2.2. Réaction avec l eau : C 7 H 6 O 2 + H 2 O C 7 H 5 O H 3 O Expression du Ka : Ka = [C 7H 5 O 2 ] eq [H 3 O + ] eq [C 7 H 6 O 2 ] eq 2.4. Diagramme de prédominance du couple acide benzoïque/ion benzoate : Le ph de la solution S vaut 3,65, l acide benzoïque prédomine [H 3 O + ] f =0 -ph =0-3,65 =2, mol/l 2.6. D après l équation, x f = n f (H 3 O + ) = [H 3 O + ] f *V = 2, * = 5, mol 2.7. Expression de la concentration effective en acide benzoïque [C 7 H 6 O 2 ] : [C 7 H 6 O 2 ] f = n f (C 7 H 6 O 2 ) / V = (n (C 7 H 6 O 2 )-x f )/V = n (C 7 H 6 O 2 )/V-x f /V = c - x f /V 2.8. Calcul de la concentration molaire en acide benzoïque apporté c c = [C 7 H 6 O 2 ] f + x f /V = 7, , / = mol/l 2.9. La solution S a été préparée en diluant 0 fois la solution S 0, donc : c 0 = 0 c = 0* = mol/l Page 2/2