25 janv. 2012 ... Le compte-rendu sera rédigé directement sur les feuilles distribuées. Ne pas
oublier de remplir la feuille de résultats. Etude d'une eau de Javel ...
OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGIONALES - ACADEMIE DE VERSAILLES 25 Janvier 2012
EPREUVE EXPERIMENTALE
Durée : 2h30
L'épreuve comporte une manipulation et la rédaction d'un compte-rendu. Il est conseillé de répondre aux questions au fur et à mesure de la manipulation, ainsi que cela est proposé, car les questions posées peuvent aider à la compréhension des manipulations. Le compte-rendu sera rédigé directement sur les feuilles distribuées. Ne pas oublier de remplir la feuille de résultats. Etude d’une eau de Javel : propriétés et analyse PRINCIPE L’acide benzoïque est une espèce chimique communément utilisée comme conservateur et présente dans quelques plantes à l’état naturel (comme dans la gomme de benjoin par exemple). L’acide benzoïque est donc très employé dans l’agroalimentaire et est référencé (selon la législation européenne) sous le code E210. Une des multiples voie de synthèse de l’acide benzoïque consiste à oxyder une cétone, l’acétophénone, grâce aux ions hypochlorite contenus dans l’eau de Javel. Dans ce sujet, on se propose donc de synthétiser l’acide benzoïque grâce aux propriétés oxydantes d’une eau de Javel que l’on dosera afin d’en déterminer précisément le pourcentage de chlore actif.
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DONNEES : (Toutes les températures de changement d’état sont données sous une pression de 1,013 bar)
(1-phényléthanone)
Voir définition du pourcentage de chlore actif ci-dessous d = 1,050 M = 120,14 g.mol-1 d = 1,028 ; Insoluble dans l’eau
Hydroxyde de sodium
M = 40,00 g.mol-1
Solution d’eau de Javel à 3,6% de chlore actif Acétophénone
Hydrogénosulfite de sodium à 10 % Acide chlorhydrique À 6 mol.L-1 Trichlorométhane
TE = 61 °C d = 1,492 Insoluble dans l’eau
Acide benzoïque
M = 122,12 g.mol-1 tfus = 122°C Insoluble dans l’eau
Dichlorométhane Cyclohexane
Acétate de butyle
Pourcentage de chlore actif correspond à la masse (en gramme) de dichlore gazeux dégagé par 100 g d’eau de Javel (de densité d = 1,050) ou de solution d’hypochlorite de sodium, selon l’équation : Cl + ClO + H2O = Cl2(g)+ 2 HO Masses atomiques molaires : MC = 12,0 g.mol-1 ; MO = 16,0 g.mol-1 ; MH = 1,0 g.mol-1 ; MCl = 35,5 g.mol-1 Première partie : synthèse de l’acide benzoïque O
O CH3
+ 3 ClO-
-
O
-
+ CHCl3 + 2 HO
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• Dans un erlenmeyer de 250 mL, introduire 140 g d’une solution d’eau de Javel notée (S) à 3,6% de chlore actif (fournie). Ajouter dans cet erlenmeyer, 1,20 g de soude en pastilles et et agiter jusqu’à dissolution. • Ajouter goutte à goutte (à l’aide d’une pipette Pasteur) 2,5 g d’acétophénone. Le mélange s’échauffe légèrement. • Laisser sous agitation pendant 30 minutes. • En fin de réaction, transvaser dans une ampoule à décanter, laisser décanter et éliminer la phase inférieure, si elle existe. • Récupérer la phase aqueuse dans un bécher et ajouter 20 mL d’une solution d’hydrogénosulfite de sodium à 10 %. • Ajouter ensuite une solution d’acide chlorhydrique à 6 mol.L-1 jusqu’à pH voisin de 1. • Refroidir le mélange réactionnel dans un bain de glace. Filtrer sur Büchner le précipité obtenu et le laver à l’eau distillée. Placer le solide dans une boîte de Pétri (préalablement tarée) et sécher à l’étuve 30 min. Peser ; soit m0 la masse de produit obtenu. Remettre à l’étuve. Réaliser une CCM : Préparer une solution à environ 1% massique de l’acide benzoïque synthétisé en dissolvant une pointe de spatule de votre produit dans environ 2mL de dichlorométhane (dans un tube à hémolyse). Déposer sur la plaque, les solutions à environ 1 % massique dans le dichlorométhane des composés suivants: - acétophénone commerciale (fourni) ; - acide benzoïque commercial (fourni) ; - acide benzoïque synthétisé. L’éluant est un mélange cyclohexane / acétate de butyle (60/40), la révélation est faite sous UV à 254 nm. Répondre aux questions 1 à 6 et compléter la feuille de résultats. Deuxième partie : Analyse de l’eau de Javel a) Dilution de l’eau de Javel : La solution d’eau de Javel (S) utilisée dans la partie précédente doit être diluée 10 fois avant d’être dosée. La solution d’eau de Javel ainsi obtenue sera notée (S’). Choisir le matériel nécessaire à la préparation de 100 mL de solution (S’). Appeler l’examinateur pour vérification. Réaliser la dilution. b) Dosage de l’eau de Javel : Prélever 10 mL de la solution (S’) et les introduire dans un erlenmeyer. Ajouter 25 mL prélevés à l’éprouvette graduée de solution d’iodure de potassium à 0,1 mol.L-1. Ajouter environ 5 gouttes d’acide chlorhydrique à 6 mol.L-1, et vérifier que le pH est acide (avec du papier pH) Ajouter une pointe de spatule de thiodène, l’indicateur coloré. Doser par une solution de thiosulfate de sodium à 0,1 mol.L-1. On note V1, le volume de thiosulfate versé à l’équivalence. Réaliser un deuxième essai. Répondre aux questions 7 à 14 et remplir la feuille de résultats.
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EPREUVE EXPERIMENTALE : COMPTE-RENDU
Nom :
Points de manipulation :
/25
Prénom :
Points de résultats :
/25
Points de compte-rendu :
/30
Lycée d'origine :
Total obtenu :
/80
Centre de préparation :
TOTAL SUR 40 :
Sexe :
F□
M□
Questions
Note obtenue
Barème
Première partie : synthèse de l’acide benzoïque 1- A l’aide de la définition du pourcentage de chlore actif, montrer que la quantité de matière d’ions hypochlorite ClO- introduite est d’environ 0,071 mol.
2- Calculer la quantité de matière d’acétophénone introduite.
3- Déterminer la masse théorique mth d’acide benzoïque attendue.
Donner l’expression du rendement de la synthèse en fonction de m0 et mth. Le calculer et remplir la feuille de résultats.
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4- Préciser ce que contient la phase organique éventuellement récupérée après décantation.
5- Qu’observe-t-on lors de l’addition de HCl ? Ecrire l’équation de la réaction correspondante.
6- Commenter la plaque CCM.
Deuxième partie : Dosage de l’eau de Javel 7- Citer deux espèces chimiques qui, comme l’ion hypochlorite, ont des propriétés désinfectantes.
8- Les trois couples mis en jeu aux cours des différents dosages sont les suivants : ClO-/Cl- ; I2/I- et S4O62-/S2O32-. Ecrire les demi-équations électroniques correspondantes : ClO-/Cl- :
I2/I- :
S4O62-/S2O32- :
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9- Quelle espèce chimique est mise en évidence par le thiodène (ou l’empois d’amidon) ?
10- Ecrire l’équation de la réaction entre l’ion iodure (I-) et l’ion hypochlorite (ClO-) :
Ecrire l’équation de la réaction de dosage :
11- Calculer la quantité de matière de KI n(I-) ajoutée :
Quelle est la condition que doit remplir la quantité de matière n(I-) par rapport à la quantité de matière n(ClO-) pour que le dosage soit réalisable ? Expliquer.
12- En utilisant les deux équations de la question 10, Donner la relation entre la quantité de matière d’ion hypochlorite n(ClO-) et d’ion thiosulfate n(S2O32-) à l’équivalence.
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13- En déduire l’expression de la concentration en ion hypochlorite C(S’) dans la solution (S’) en mol.L-1.
Quelle est alors l’expression de la concentration en ion hypochlorite C(S) dans la solution (S) en mol.L-1 ?
Remplir la feuille de résultats. Donner un nombre de chiffres cohérent pour la valeur de C(S), sachant que la précision du dosage peut être estimée à 1 %.
14- Grâce à la définition du pourcentage en chlore actif, vérifier que la solution (S) contient bien environ 3,6% de chlore actif.
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Nom :
FEUILLE DE RESULTATS Première partie : synthèse de l’acide benzoïque
Masse d’acide benzoïque récupéré :
m0 =
Rendement en acide benzoïque :
R=
Aspect du produit
Joindre la plaque CCM
Deuxième partie : Analyse de l’eau de Javel
V1/mL
C(S’)/mol.L-1
Essai 1
Essai 2
Conclusion :
C(S’) =
C(S) =
ΔC(S) =
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