Autour du styrène

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Sujet complet | Année : 2016 | Académie : Antilles, Guyane

Antilles, Guyane • Juin 2016

Exercice 2 • 9 points • 1 h 30

Autour du styrène

Les thèmes clés

Transformation en chimie organique : aspect macroscopique

Stratégie de synthèse

Contrôle de qualité par dosage par étalonnage (spectrophotométrie)

 

Le polystyrène et le polystyrène expansé sont des matériaux fréquemment utilisés dans le domaine de l’isolation et de l’emballage. Ces polymères sont synthétisés à partir d’une même molécule, le styrène. Le styrène est disponible auprès des fournisseurs spécialisés sous la forme d’un liquide commercialisé pur ou dilué dans un solvant spécifique.

Données

Produit commercial étudié et extrait de l’étiquette figurant sur la bouteille :

pchT_1606_04_01C_01

Électronégativités (de Pauling) pour les atomes d’oxygène : 3,5 et d’hydrogène : 2,1

Température de fusion de l’éthylbenzène : – 95 °C ; température d’ébullition de l’éthylbenzène : 136 °C ; température de fusion des oxydes de zinc : 1 975 °C

Produit ionique de l’eau à 25 °C : Ke = 1,0 × 10–14

1. obtention industrielle du styrène  15 min

Le styrène fut célébré par Raymond Queneau dans un poème en alexandrins intitulé Le Chant du styrène, dont un extrait est reproduit ci-après :

Le styrène est produit en grande quantité

À partir de l’éthylbenzène surchauffé.

Faut un catalyseur comme cela se nomme

Oxyde ou bien de zinc ou bien de magnésium.

La voie de synthèse du styrène, évoquée dans le poème, est la déshydrogénation de l’éthylbenzène, produit issu de la pétrochimie. Cette transformation peut être modélisée par la réaction d’équation suivante :

pchT_1606_04_01C_02

1 Cette réaction correspond-elle à une modification de chaîne ou à une modification de groupe caractéristique ? (0,25 point)

2 Parmi les trois grandes catégories de réactions en chimie organique, déterminer à quelle catégorie appartient cette réaction. (0,25 point)

3 Le poème indique que cette transformation chimique nécessite l’emploi de catalyseurs. Définir un catalyseur. (0,5 point)

4 Dans le cas de la synthèse du styrène, déterminer si la catalyse est homogène, hétérogène ou enzymatique. (0,5 point)

2. préparation du styrène 
avant utilisation au laboratoire  45 min

pchT_1606_04_01C_03

Le styrène, sensible à la lumière et aux températures élevées, peut se polymériser dans la bouteille en l’absence de précaution. Pour éviter cela, la solution de styrène est « stabilisée » par ajout d’un inhibiteur de polymérisation : le 4-tert-butylpyrocatéchol dont la formule topologique est représentée ci-contre.

Avant utilisation, il est donc nécessaire d’éliminer l’inhibiteur de polymérisation. Pour cela, le protocole suivant est mis en œuvre.

Sous une hotte ventilée, dans une ampoule à décanter, verser 10 mL du produit commercial à purifier contenant le styrène et le 4-tert-butylpyrocatéchol.

Ajouter 10 mL de solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) de concentration molaire 1,0 mol · L–1.

Boucher, agiter l’ampoule, dégazer puis laisser décanter.

Observer les changements de couleur des deux phases. Éliminer la phase aqueuse.

Laver la phase organique recueillie avec 20 mL d’eau.

Récupérer la phase aqueuse dans un bécher et mesurer son pH. Recommencer le lavage à l’eau jusqu’à obtention d’un pH proche de la neutralité.

Placer le styrène extrait dans un erlenmeyer et ajouter une spatule de chlorure de calcium anhydre.

Filtrer le mélange et récupérer le styrène purifié.

1 Réalisation du protocole

1. Les consignes de sécurité indiquées pour mettre en œuvre ce protocole vous paraissent-elles justifiées ? (0,25 point)

2. Proposer d’autres précautions à prendre afin de manipuler en toute sécurité. (0,25 point)

2 Identifier les groupes caractéristiques présents dans la molécule de 4-tert-butylpyrocatéchol. (0,25 point)

3 Déterminer la polarisation de la liaison O–H. Justifier que l’on trouve dans les tables de données deux pKA, respectivement 9 et 13, pour le 4-tert-butylpyrocatéchol. (0,5 point)

4 Écrire les deux couples acide-base issus du diacide en notant H2A le 4-tertbutylpyrocatéchol. Établir un diagramme de prédominance faisant intervenir les deux couples. (0,75 point)

5 Estimer la valeur du pH de la solution d’hydroxyde de sodium utilisée pour le lavage. (0,25 point)

6 Écrire l’équation de réaction mise en jeu entre le 4-tert-butylpyrocatéchol noté H2A et les ions hydroxyde HO, si les ions hydroxyde sont en large excès. (0,5 point)

7 Expliquer pourquoi le lavage par la solution d’hydroxyde de sodium du produit commercial contenant le styrène permet d’éliminer le 4-tert-butylpyrocatéchol. (0,25 point)

8 En schématisant l’ampoule à décanter, indiquer dans quelle phase se trouve le styrène et dans quelle phase se situe le 4-tert-butylpyrocatéchol. (0,75 point)

9 Expliquer le rôle des lavages supplémentaires à l’eau et du contrôle du pH. (0,5 point)

p Expliciter le rôle du chlorure de calcium anhydre. (0,25 point)

3. contrôle de la teneur en styrène 
dans le flacon commercial  30 min

Le produit commercial utilisé indique que le pourcentage massique de styrène est de 42 %. Toutefois, compte tenu des difficultés qui peuvent être rencontrées lors de la conservation du styrène, il est recommandé de déterminer sa concentration avant de l’utiliser. On réalise pour cela une mesure d’absorbance du styrène à l’aide d’un spectrophotomètre UV-visible et on exploite cette mesure à l’aide d’un graphe fourni par le fabricant.

pchT_1606_04_01C_04

Spectre d’absorption du styrène

1 À quelle longueur d’onde la mesure d’absorbance devra-t-elle être réalisée ? À quel domaine les ondes correspondantes appartiennent-elles ? (0,5 point)

2 D’après le graphe ci-après, fourni par le fabricant, quelle relation peut-on écrire entre l’absorbance A de la solution et sa concentration C en styrène ? À quelle loi empirique cette relation fait-elle référence ? (0,5 point)

pchT_1606_04_01C_05

Graphe fourni par le fabricant du produit étudié

3 Proposer un protocole détaillé permettant d’obtenir précisément le graphe = f(C) fourni par le fabricant du produit. (0,5 point)

4 On prélève alors une masse = 10 mg de résine dans le flacon du produit commercial étudié. Puis, dans le même solvant que celui utilisé pour obtenir le graphe, on dissout ce prélèvement pour former une solution de volume 50,0 mL. La mesure de l’absorbance de l’échantillon obtenu conduit à une valeur de 0,15.

Déterminer si le styrène s’est bien conservé. (1,5 point)

Les clés du sujet

Partie 1

4 Pour déterminer le type de catalyse, déterminez l’état physique dans lequel se trouvent respectivement le réactif et le catalyseur.

Partie 2

1 2. N’oubliez pas que le protocole mentionne l’utilisation d’une solution de base forte concentrée.

3 Pour établir la polarisation d’une liaison, tenez compte de l’électro­négativité des atomes mis en jeu. Pour justifier l’existence de deux valeurs de pKA, rappelez-vous qu’un couple acide-base est caractérisé par une valeur de pKA. Il y a donc deux couples acide-base possibles.

5 La solution d’hydroxyde de sodium est une solution de base forte. Retrouvez la formule donnant le pH d’une solution de base forte.

6 Si les ions HO sont en large excès, ils vont réagir avec les ions HA (produits par la réaction entre H2A et HO). Écrire l’équation bilan globale.

7 Pensez à exploiter l’équation de la réaction précédente.

8 Pour préciser dans quelle phase (organique ou aqueuse) se trouvent le styrène et le 4-tert-butylpyrocatéchol, pensez à exploiter la solubilité du styrène dans l’eau et n’oubliez pas que le 4-tert-butylpyrocatéchol se trouve sous la forme d’ions A2–. Pour déterminer la position relative des deux phases, pensez aux densités du styrène et de l’eau.

´ø Le caractère anhydre du chlorure de calcium implique qu’il peut s’hydrater en présence d’eau.

Partie 3

1 Pensez à régler le spectrophotomètre à la longueur d’onde pour laquelle l’absorbance du styrène est maximale.

3 Pour construire la courbe d’étalonnage, il est nécessaire de préparer une gamme de solutions étalons.

4 Ici, le problème à résoudre est de déterminer la masse de styrène présent dans les 10 mg de résine. Suivez les étapes suivantes.

Déterminez la concentration massique en styrène de la solution à partir de la courbe d’étalonnage donnée.

Déduisez-en la masse de styrène présent dans les 50,0 mL de cette solution préparée en dissolvant 10 mg de résine.

Calculez le pourcentage massique de styrène présent dans les 10 mg de résine puis concluez.