Acide benzoïque et benzoate de sodium : acide faible et synthèse organique

L'exercice 2 du sujet Nouvelle-Calédonie 2022 (jour 1) est l'un des trois exercices de 5 points au choix, prévu pour environ 53 minutes. Il porte sur l'acide benzoïque, un conservateur alimentaire. La partie A étudie une solution aqueuse de cet acide pour montrer qu'il s'agit d'un acide faible. La partie B décrit sa synthèse par oxydation de l'alcool benzylique et se termine par un calcul de rendement. C'est un exercice de chimie classique, qui récompense la rigueur sur les unités et les arrondis.

Les passages clés, question par question

A.1 : préparer la solution S₀

La masse à peser s'obtient par m₀ = C₀ V₀ M, soit 0,12 g. Pour savoir si la solution est saturée, on calcule sa concentration en masse, 1,2 g·L^-1, et on la compare à la solubilité, 2,4 g·L^-1 : la solution n'est pas saturée.

A.2 et A.3 : l'acide dans l'eau

L'acide benzoïque cède un ion H⁺ à l'eau ; l'équation s'écrit avec une double flèche, car la transformation est limitée. Le diagramme de prédominance place le pK_A à 4,2 : comme le pH de S₀ vaut 3,1, la forme acide C₆H₅COOH prédomine.

A.4 à A.6 : tableau d'avancement et taux d'avancement

Le tableau s'écrit en quantités de matière : C₀V₀ d'acide au départ, x_éq d'ions benzoate et d'ions oxonium à l'équilibre. L'avancement maximal vaut 1,0 × 10^-3 mol. On montre ensuite que τ = [H₃O⁺]_éq/C₀, puis on calcule τ = 0,079 à partir du pH. Moins de 8 % de l'acide a réagi, ce qui confirme la prédominance de la forme acide trouvée en A.3. Il faut écrire explicitement ce lien pour répondre à toute la question.

B.1 : facteurs cinétiques et chauffage à reflux

Le mode opératoire s'appuie sur deux facteurs cinétiques : la température, puisque le mélange est porté à ébullition, et la concentration des réactifs, avec le permanganate en excès. Le chauffage à reflux accélère la transformation sans perte de matière, les vapeurs se condensant dans le réfrigérant.

B.2 : quantité théorique et rendement

L'alcool benzylique est un liquide pur : n₁ = ρ₁V₁/M₁ = 1,9 × 10^-2 mol. En suivant les nombres stœchiométriques de l'oxydation puis de la cristallisation, la quantité théorique d'acide benzoïque est égale à n₁. La masse obtenue, 1,4 g, se lit par différence des pesées ; rapportée à la masse théorique d'environ 2,3 g, elle donne un rendement de 62 %.

Les pièges à éviter

Comparer une masse en grammes à une solubilité en g·L^-1. Écrire C₀ au lieu de C₀V₀ dans le tableau d'avancement. Citer la pierre ponce comme facteur cinétique, alors qu'elle sert seulement à réguler l'ébullition. Utiliser n = CV pour un liquide pur. Prendre la masse de la coupelle pleine comme masse de produit, ou arrondir trop tôt la masse théorique, ce qui donne 61 % au lieu de 62 %.

Conseils pour réussir cet exercice

Gardez en mémoire les valeurs non arrondies et n'arrondissez qu'au résultat final, avec le bon nombre de chiffres significatifs. Pour une synthèse en plusieurs étapes, suivez la matière d'une équation à l'autre à partir du réactif limitant. Terminez chaque question par une phrase de conclusion qui répond exactement à ce qui est demandé. Le corrigé détaillé reprend chaque étape avec les calculs et les justifications attendues.