Autour du styrène : un exercice de chimie très complet

Noté sur 9 points et prévu pour environ 1 h 30, ce deuxième exercice est le plus lourd de l'épreuve du bac S 2016 Antilles-Guyane. Il part de la synthèse industrielle du styrène, passe par sa purification au laboratoire et se termine par un dosage par étalonnage. Il mobilise la chimie organique, les couples acide-base, l'extraction liquide-liquide et la loi de Beer-Lambert : un bon test pour réviser une grande partie du programme de chimie.

Partie 1 : la synthèse du styrène

La déshydrogénation de l'éthylbenzène est une modification de chaîne : aucun groupe caractéristique n'apparaît, mais la liaison simple C-C de la chaîne latérale devient une double liaison. Un réactif donnant deux produits, avec départ de deux atomes d'hydrogène et formation d'une liaison double, signe une élimination. La définition du catalyseur doit contenir deux idées : il accélère la transformation et il n'est pas consommé. Enfin, l'éthylbenzène surchauffé est gazeux tandis que l'oxyde de zinc ne fond qu'à 1975 °C : réactif et catalyseur ne sont pas dans la même phase, la catalyse est hétérogène.

Partie 2 : débarrasser le styrène de son inhibiteur

Les premières questions portent sur la sécurité : les pictogrammes et la volatilité du styrène justifient le travail sous hotte, auquel on ajoute blouse, lunettes, gants et l'absence de toute flamme. On identifie ensuite deux groupes hydroxyle sur le 4-tert-butylpyrocatéchol. Comme l'oxygène est plus électronégatif que l'hydrogène, chaque liaison O-H est polarisée et chaque groupe peut céder un ion H+ : la molécule est un diacide, d'où deux pK_A (9 et 13). Le diagramme de prédominance place H₂A sous pH 9, HA^- entre 9 et 13, et A^2- au-delà de 13.

La solution d'hydroxyde de sodium à 1,0 mol/L a un pH voisin de 14 : le piège est d'écrire pH = -log c, relation réservée à un acide fort. Avec des ions hydroxyde en large excès, l'espèce finale est A^2-, d'où l'équation H₂A + 2 HO^- → A^2- + 2 H₂O. Devenu ionique, l'inhibiteur passe dans la phase aqueuse. Sur le schéma de l'ampoule à décanter, la phase organique contenant le styrène surnage, car sa masse volumique (0,906 g/cm³) est inférieure à celle de la phase aqueuse : cette comparaison doit figurer sur la copie. Les lavages à l'eau jusqu'à un pH proche de 7 éliminent les ions restants, et le chlorure de calcium anhydre sèche la phase organique.

Partie 3 : le styrène s'est-il bien conservé ?

Le spectre impose de mesurer l'absorbance vers 245 nm, dans l'ultraviolet. Le graphe du fabricant est une droite passant par l'origine : A = k × C, c'est la loi de Beer-Lambert. Le protocole attendu utilise de la verrerie jaugée, une gamme de solutions étalons préparées dans le solvant (et non dans l'eau, où le styrène est presque insoluble) et un blanc réalisé avec ce même solvant. Pour conclure, on calcule k = 1,8 L/g, puis C = 0,083 g/L, une masse de styrène de 4,2 mg et un pourcentage massique de 42 %, conforme à l'étiquette : le styrène s'est bien conservé. Le piège est de comparer directement la masse de produit commercial, dont le styrène ne représente qu'une partie.

Conseils

Dans un exercice aussi long, avancez question par question et appuyez chaque réponse sur une donnée du sujet : température, masse volumique, pK_A ou pictogramme. Le corrigé détaillé rédige chaque réponse comme sur une copie, avec les schémas attendus et les erreurs fréquentes.