Extraire et doser le conservateur d'un soda

L'exercice de spécialité du bac S 2011 au Liban vaut 4 points, soit environ 52 minutes. Il s'intéresse à l'acide benzoïque, conservateur antibactérien et antifongique présent dans de nombreuses boissons sans alcool. Ses trois parties sont indépendantes : extraction de l'acide, préparation d'une solution, puis titrage colorimétrique pour déterminer la pureté des cristaux obtenus.

L'extraction liquide-liquide

Le toluène et l'eau ne sont pas miscibles et le toluène est moins dense que l'eau (0,867 contre 1,000 g/cm3) : la phase organique surnage. L'acide benzoïque, environ trente fois plus soluble dans le toluène que dans l'eau, passe dans la phase organique, tandis que l'acide phosphorique et l'acide citrique, insolubles dans le toluène, restent dans la phase aqueuse. Le piège est d'affirmer la position des phases sans la justifier par les densités.

Du benzoate aux cristaux

L'excès de soude transforme l'acide benzoïque en ion benzoate, insoluble dans le toluène et très soluble dans l'eau, ce qui le fait passer en phase aqueuse. Le diagramme de prédominance place la frontière à pH = pKA = 4,2. En abaissant le pH vers 3, on se place dans le domaine de l'acide : les ions benzoate redonnent de l'acide benzoïque, peu soluble dans l'eau (3,4 g/L), qui précipite sous forme de cristaux blancs. Pour les récupérer, on utilise une filtration sous pression réduite sur Büchner, plus rapide et plus efficace qu'une filtration simple.

Une constante d'acidité

L'acide benzoïque réagit partiellement avec l'eau : l'équation s'écrit avec une double flèche. La constante d'équilibre associée est la constante d'acidité du couple, K = 10^-4,2, soit environ 6,3 × 10^-5. Une valeur très inférieure à 1 confirme que l'acide est faible.

Le titrage et la pureté

À l'équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques, ici une mole pour une mole : C0 V1 = CB VE, d'où C0 = 8,6 × 10^-3 mol/L. Tous les cristaux étant dissous dans 250,0 mL, la masse d'acide pur vaut m0 = C0 V0 M ≈ 0,26 g ; le piège serait d'utiliser le volume de la prise d'essai. Rapportée aux 0,38 g de cristaux pesés, cette masse donne un pourcentage d'environ 69 % : les cristaux contiennent d'autres espèces ou sont encore humides.

Une démarche en trois temps

L'intérêt de l'exercice tient à l'enchaînement des étapes : séparer l'acide des autres espèces grâce au solvant, le faire passer en phase aqueuse sous forme de base conjuguée, puis le régénérer en jouant sur le pH. Chaque étape repose sur le diagramme de prédominance et sur le tableau de solubilités fourni : il faut savoir lire ces données pour expliquer, et non seulement décrire, ce qui se passe dans l'ampoule.

Conseils

Justifiez chaque étape d'une extraction par les données de solubilité et de densité, gardez la valeur non arrondie de m0 pour le calcul final, et distinguez bien volume prélevé et volume de la solution. Un exercice complet de chimie expérimentale, très représentatif de l'enseignement de spécialité.