Fabriquer un conservateur au laboratoire

L'exercice de spécialité du bac S Métropole 2007, noté sur 4 points (environ 52 minutes conseillées), décrit la synthèse de l'acide benzoïque, conservateur codé E 210. L'alcool benzylique est oxydé à chaud, en milieu basique, par les ions permanganate en excès, ce qui donne des ions benzoate ; l'ajout d'acide chlorhydrique fait ensuite cristalliser l'acide benzoïque. L'exercice se partage entre questions de protocole et un QCM sur le rendement, où chaque choix doit être justifié.

Partie 1 : le protocole expérimental

Les mots du texte guident les réponses : un volume d'« environ » 20 mL se mesure à l'éprouvette graduée ; chauffer « sans perte de matière » impose un montage de chauffage à reflux ; filtrer « rapidement » demande une filtration sous vide sur Büchner. Sur la figure, il faut reconnaître le réfrigérant à boules, le ballon bicol et le chauffe-ballon. Attention à ne pas confondre avec une distillation : ici le réfrigérant est vertical et rien n'est recueilli. La chromatographie compare l'alcool benzylique, le solide obtenu et de l'acide benzoïque pur. Le dépôt du solide ne donne qu'une tache, à la même hauteur que celle de l'acide benzoïque pur, et aucune à la hauteur de l'alcool : le solide est bien de l'acide benzoïque, et il est pur.

Partie 2 : demi-équations et quantités de matière

Le milieu étant basique, les demi-équations s'écrivent avec des ions hydroxyde et sans ions H⁺, ce qui écarte plusieurs propositions ; celle qui fait intervenir Mn²⁺ ne correspond pas au couple étudié. Les bonnes réponses sont a) et d). On le vérifie en les combinant : trois fois la première, écrite dans le sens de l'oxydation, plus quatre fois la seconde, avec douze électrons échangés, redonnent l'équation du sujet. La quantité d'alcool dans 2,0 mL s'obtient avec la masse volumique : n₁ = 1,0 × 2,0 / 108 = 1,9 × 10⁻² mol.

Réactif limitant, masse maximale et rendement

Le tableau d'avancement montre que l'alcool impose x_max = n₁ / 3 = 6,3 × 10⁻³ mol, contre 7,5 × 10⁻³ mol pour les ions permanganate : ceux-ci ont bien été introduits en excès. Chaque ion benzoate donnant une molécule d'acide, la masse maximale vaut 1,9 × 10⁻² × 122 = 2,3 g. La masse réellement obtenue, 141,8 − 140,4 = 1,4 g, conduit à un rendement de 61 %.

Pièges et conseils

Pour trouver le réactif limitant, on ne compare pas directement n₁ et n₂ : on les divise d'abord par leurs nombres stœchiométriques, 3 et 4. La masse obtenue est une différence de pesées : il faut retrancher la masse de la coupelle, sinon le rendement dépasse 100 %. Enfin, dans un QCM avec aides au calcul, établissez toujours l'expression littérale avant de choisir la valeur : les propositions fausses correspondent souvent à une erreur d'unité ou à un quotient inversé.