Synthèse d'un conservateur : un protocole de chimie organique à décrypter

Le deuxième exercice du bac 2022 Métropole de septembre (jour 2), noté sur 5 points, porte sur la synthèse de l'acide benzoïque, conservateur alimentaire. Il se traite en 53 minutes environ. Le benzaldéhyde, en milieu très basique, donne de l'ion benzoate et de l'alcool benzylique ; l'ion benzoate est ensuite transformé en acide benzoïque par l'acide chlorhydrique. L'exercice mobilise l'acide-base, l'oxydoréduction et toutes les étapes d'un protocole : transformation, séparation, purification, analyse.

Questions 1 à 3 : structure et couples

La question 1 demande une formule semi-développée : il faut écrire les atomes C et H du cycle, et non recopier la formule topologique. Le groupe carboxyle classe la molécule dans la famille des acides carboxyliques. À la question 2, le diagramme de prédominance (pK_A = 4,2) montre qu'en milieu très basique la forme basique, l'ion benzoate, prédomine. Attention à ne pas inverser les domaines : l'acide est toujours du côté des pH faibles. La question 3 fait écrire la demi-équation électronique du couple benzaldéhyde / alcool benzylique, équilibrée avec des ions H⁺ et deux électrons : le benzaldéhyde est l'oxydant.

Questions 4 et 5 : lire le protocole et l'accélérer

Il faut classer chaque étape : deux transformations chimiques, deux séparations, une purification (la recristallisation) et une analyse. L'étape d'ajout d'acide chlorhydrique est bien une transformation, puisqu'elle apporte les ions H⁺ de la deuxième réaction. Pour accélérer la formation du produit, la réponse attendue n'est pas seulement « chauffer » : il faut nommer le chauffage à reflux et expliquer le rôle du réfrigérant, qui condense les vapeurs et évite les pertes de matière.

Questions 6 à 8 : séparer, précipiter, contrôler

Dans l'ampoule à décanter, la phase organique (éther diéthylique, densité 0,71) est au-dessus de la phase aqueuse. L'ion benzoate, très soluble dans l'eau, reste dans la phase aqueuse ; l'alcool benzylique passe dans la phase organique. La position des phases se justifie toujours par les densités, jamais par habitude. À la question 7, l'acidification à pH = 2, inférieur au pK_A, fait prédominer l'acide benzoïque, très peu soluble dans l'eau froide : il précipite. La CCM de la question 8 montre une seule tache, à la hauteur de celle de l'acide benzoïque de référence et sans tache de benzaldéhyde : le produit est pur d'après cette analyse.

Question 9 : le rendement

C'est le calcul le plus exigeant. On détermine les quantités initiales d'ions hydroxyde (0,18 mol) et de benzaldéhyde (5,0 × 10⁻² mol, à partir du volume et de la densité), puis le réactif limitant en divisant par les coefficients stœchiométriques : c'est le benzaldéhyde. Deux moles de benzaldéhyde donnent une mole d'acide benzoïque, d'où une masse maximale de 3,0 g et un rendement d'environ 36 %. Oublier le coefficient 2 conduirait à une masse maximale de 6,0 g et à un rendement deux fois trop petit. Le commentaire attendu évoque une transformation incomplète et les pertes aux filtrations, à la recristallisation et aux transvasements.

Conseils

Entraînez-vous à relier chaque étape d'un protocole à son rôle, et retenez la méthode du rendement en quatre temps : quantités initiales, réactif limitant, masse maximale, rapport. Conservez les valeurs non arrondies dans la calculatrice pour éviter de dériver vers 37 %.