Travaux pratiques de chimie générale (partie 8/8)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Réaliser une analyse qualitative des cations et anions en solution aqueuse en utilisant les réactions de précipitation, de formation de complexes et de changement de couleur, en respectant les règles de sécurité et d’hygiène du laboratoire. - Identifier les ions présents à partir des observations (precipités, colorations, dégagement de gaz) et rédiger un compte‑rendu d’analyse conforme aux normes du MINESEC. - Mettre en œuvre des synthèses simples d’hydrocarbures aliphatiques (alcènes, alcynes) et aromatiques, en maîtrisant les mécanismes de substitution électrophile, d’addition et de réaction de déshydratation, tout en appliquant les bonnes pratiques de manipulation des réactifs organiques. - Effectuer le bilan de réaction, calculer les rendements théoriques et réels, et proposer des pistes de remédiation face aux écarts observés. - Réviser l’ensemble des notions du programme de chimie générale de seconde, préparer l’évaluation diagnostique et mettre en place des activités de remédiation ciblées. **Prérequis :** - Notions de structure atomique, de liaison ionique et covalente, de polarité des molécules. - Connaissance des équations de réaction, de la notion de mole et des calculs de stoichiométrie. - Maîtrise des règles de base de sécurité en laboratoire (port des EPI, manipulation des acides et bases, évacuation des déchets). - Notions de nomenclature des hydrocarbures (alcènes, alcynes, aromatiques) étudiées en première. --- ## Introduction contextualisée Dans les laboratoires de chimie des établissements techniques du Cameroun (lycées techniques, centres de formation professionnelle), les travaux pratiques de chimie générale permettent de passer du savoir théorique à la maîtrise des gestes professionnels. La recherche qualitative des ions constitue une étape fondamentale pour le contrôle de la qualité de l’eau, la formulation de réactifs industriels ou la dépollution des effluents. Par ailleurs, la synthèse et la transformation des hydrocarbures sont au cœur de nombreuses industries locales : production de solvants, de carburants alternatifs, de polymères et de produits pharmaceutiques. Ce chapitre vise donc à fournir à l’élève les compétences techniques nécessaires pour intervenir efficacement dans ces contextes, tout en renforçant son esprit d’analyse et de rigueur expérimentale. --- ## I. Leçon 21 : Recherche qualitative des ions en solution ### 1. Principes généraux de l’analyse qualitative L’analyse qualitative repose sur la séparation sélective des ions par précipitation, complexation ou changement de couleur, suivie d’observations macroscopiques (precipité, couleur, dégagement de gaz, formation de brouillard). Chaque groupe d’ions réagit de façon caractéristique avec un réactif spécifique, permettant ainsi une identification logique. > **>** *Principe de précipitation* : Un ion forme un précipité insoluble lorsqu’il réagit avec un contre‑ion adapté (ex. : $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl_{(s)}$). > **>** *Principe de complexation* : Certains ions forment des complexes colorés ou solubles avec des ligands (ex. : $Cu^{2+}+4NH_3 \rightarrow [Cu(NH_3)_4]^{2+}$ bleu profond). > **>** *Principe de changement de couleur* : Les indicateurs de pH ou les réactions d’oxydo‑réduction donnent une coloration caractéristique (ex. : $Fe^{2+}+phenanthroline \rightarrow [Fe(phen)_3]^{2+}$ rouge). ### 2. Schéma de séparation des cations (groupes classiques) Le schéma suivant, adapté aux réalités des laboratoires camerounais, sépare les cations en cinq groupes : | Groupe | Réactif ajouté | Précipité caractéristique | Observation | |--------|----------------|---------------------------|-------------| | I | $HCl$ diluée | $AgCl$, $PbCl_2$, $Hg_2Cl_2$ | Précipité blanc (AgCl) ou jaune (PbCl₂) | | II | $H_2S$ en milieu acide ($pH\approx0$) | $PbS$, $CuS$, $CdS$, $Bi_2S_3$ | Précipités noirs ou bruns | | III | $NH_4OH$ + $NH_4Cl$ (pH≈9) | $Fe(OH)_3$, $Al(OH)_3$, $Cr(OH)_3$ | Précipités gélatineux (Fe³⁺ rouge brun) | | IV | $(NH_4)_2CO_3$ (pH≈8) | $CaCO_3$, $SrCO_3$, $BaCO_3$ | Précipité blanc qui effervesce avec $HCl$ | | V | $NH_4OH$ en excès (pH>10) | $Mg(OH)_2$ (soluble en excès d’NH₄OH) | Aucun précipité visible, solution limpide | > **>** *Règle de sécurité* : Lors de la manipulation de $H_2S$, travailler sous hotte aspirante, porter un masque à filtre et éviter toute flamme nue. ### 3. Schéma de séparation des anions Les anions sont généralement séparés par précipitation avec des cations spécifiques ou par réaction d’oxydo‑réduction. | Groupe | Réactif ajouté | Précipité / réaction | Observation | |--------|----------------|----------------------|-------------| | I | $AgNO_3$ (solution nitrique) | $AgCl$, $AgBr$, $AgI$ | Précipité blanc (Cl⁻), crème (Br⁻), jaune (I⁻) | | II | $BaCl_2$ en milieu acide | $BaSO_4$ | Précipité blanc insoluble dans $HCl$ | | III | $Pb(NO_3)_2$ en milieu acide | $PbCrO_4$ (jaune), $PbMoO_4$ (blanc) | Jaune pour $CrO_4^{2-}$ | | IV | $AgNO_3$ en milieu ammoniacal | $Ag_2C_2O_4$ (blanc) | Précipité soluble en $NH_3$ | | V | $FeCl_3$ + $KSCN$ | $[Fe(SCN)]^{2+}$ rouge | Colorazione rouge pour $SCN^-$ | > **>** *Astuce professionnelle* : Toujours effectuer un test blanc (réactif seul) pour distinguer la couleur due au réactif de celle due à l’ion recherché. ### 4. Exemple d’analyse complète (eau de forage) **Objectif** : Déterminer la présence de $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Cl^-$ et $SO_4^{2-}$ dans un prélèvement d’eau de forage provenant de la région de l’Adamaoua. **Protocole** : 1. **Pré‑traitement** : Filtrer l’eau sur papier filtre, ajuster le pH à 7 avec $NaOH$ diluée si nécessaire. 2. **Test des cations** : - Ajouter quelques gouttes de $HCl$ diluée → aucun précipité → groupe I exclu. - Faire bouillir avec $H_2S$ acide → aucun précipité noir → groupe II exclu. - Ajouter $NH_4OH$ + $NH_4Cl$ → précipité brun rougeâtre → présence de $Fe^{3+}$ (oxydation de $Fe^{2+}$ par l’air). - Ajouter $(NH_4)_2CO_3$ → précipité blanc qui effervesce avec $HCl$ → présence de $Ca^{2+}$. 3. **Test des anions** : - Ajouter $AgNO_3$ → précipité blanc soluble dans $NH_3$ → présence de $Cl^-$. - Ajouter $BaCl_2$ en milieu acide → précipité blanc insoluble dans $HCl$ → présence de $SO_4^{2-}$. **Conclusion** : L’eau contient $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$ (oxydé en $Fe^{3+}$), $Cl^-$ et $SO_4^{2-}$. > **>** *Formule de calcul de la concentration approximative* (si on connaît le volume de précipité) : $C = \frac{n}{V}$ où $n = \frac{m}{M}$ (masse du précipité / masse molaire). ### 5. Normes et règles de sécurité/hygiène - Porter lunettes de protection, blouse et gants nitrile. - Utiliser une hotte pour les gaz toxiques ($H_2S$, $NH_3$). - Étiqueter clairement chaque éprouvette (contenu, date, nom de l’opérateur). - Éliminer les déchets contenant des métaux lourds dans les conteneurs dédiés (conformément au décret n° 2018/345 du MINESEC). --- ## II. Leçon 22 : Synthèses et réactions caractéristiques des hydrocarbures ### 1. Classification rappelée - **Alcanes** : saturation, réactions de substitution radicalaire (halogénation). - **Alcènes** : double liaison C=C, réactions d’addition électrophile (halogénation, hydrohalogenation, hydratation). - **Alcynes** : triple liaison C≡C, addition électrophile (2 équivalents) et réaction de déshydratation pour obtenir des alcènes. - **Hydrocarbures aromatiques** (benzène, toluène) : substitution électrophile aromatique (nitration, sulfonation, alkylation, acylation). > **>** *Règle de Markownikoff* : Lors de l’addition d’un acide H–X à un alcène non symétrique, l’atome d’hydrogène se fixe sur le carbone portant le plus grand nombre d’atomes d’hydrogène. ### 2. Synthèse d’un alcène par déshydratation d’un alcool (exemple professionnel) **Objectif** : Produire du cyclohexène à partir du cyclohexanol, utilisé comme intermédiaire dans la fabrication de résines alkydes au Cameroun. **Réaction** : $$\ce{Cyclohexanol ->[H_2SO_4,\, 170^\circ C] Cyclohexene + H_2O}$$ **Protocole de laboratoire** : 1. Dans un ballon à deux necks équipé d’un réfrigérant à reflux, placer 20 mmol de cyclohexanol (2,0 g) et ajouter 2 mL d’acide sulfurique concentré (catalyseur). 2. Chauffer à 170 °C sous reflux pendant 45 min. 3. Distiller le produit formé (point d’ébullition du cyclohexène ≈ 83 °C) dans un réfrigérant à vapeur. 4. Laver le distillat avec une solution saturée de $NaHCO_3$ (neutralisation de l’acide), puis avec de l’eau distillée. 5. Sécher sur $Na_2SO_4$ anhydre, filtrer et redistiller pour obtenir du cyclohexène pur (rendement théorique ≈ 80 %). **Calcul du rendement** : - Masse théorique de cyclohexène attendue : $n = 20\ \text{mmol} \rightarrow M = 82,14\ \text{g·mol}^{-1}$ → $m_{th}=1,64\ \text{g}$. - Masse obtenue après purification : 1,30 g. - Rendement : $\displaystyle \frac{1,30}{1,64}\times100 = 79,3\%$. > **>** *Précaution* : L’acide sulfurique concentré est fortement corrosif ; manipuler sous hotte, porter un tablier en néoprène et des gants résistants aux acides. ### 3. Addition de bromure d’hydrogène à un alcène (exemple industriel) **Objectif** : Obtenir du 2‑bromobutane à partir du 1‑butène, utilisé comme intermédiaire dans la synthèse de certains pesticides locaux. **Réaction** : $$\ce{CH_2=CH-CH_2-CH_3 + HBr ->[peroxide\ (anti-Markovnikov)] CH_3-CH(Br)-CH_2-CH_3}$$ En présence de peroxides, l’addition suit la règle anti‑Markovnikov (radicalaire). **Protocole** : 1. Dans un ballon de 100 mL équipé d’un agitateur magnétique, dissoudre 5,0 mmol de 1‑butène (0,35 g) dans 10 mL d’éther diéthylique. 2. Ajouter 0,1 mmol de peroxyde de benzoyle (initiateur). 3. Introduire lentement 5,0 mmol d’HBr gazeux (pré‑généré par réaction de $NaBr$ avec $H_2SO_4$ concentré) sous agitation à 0 °C (bain glace). 4. Laisser réagir 30 min, puis laisser revenir à température ambiante pendant 1 h. 5. Lavage successif avec de l’eau, une solution diluée de $Na_2SO_3$ (pour détruire l’excès de bromure), puis avec de l’eau distillée. 6. Sécher sur $MgSO_4$, filtrer et distiller sous pression réduite (bp ≈ 101 °C). **Calcul du rendement** : - Masse théorique de 2‑bromobutane : $M=137,02\ \text{g·mol}^{-1}$ → $m_{th}=0,685\ \text{g}$. - Masse obtenue : 0,55 g → rendement ≈ 80 %. > **>** *Règle de sécurité* : L’HBr gazeux est toxique et corrosif ; travailler exclusivement sous hotte avec un piège à gaz (solution de $NaOH$ 2 M) à la sortie du réacteur. ### 4. Nitration du benzène (exemple de substitution électrophile aromatique) **Objectif** : Produire du nitrobenzène, précurseur de colorants et de produits pharmaceutiques fabriqués dans certaines unités de transformation du Cameroun. **Réaction** : $$\ce{C_6H_6 + HNO_3 ->[H_2SO_4,\, 50^\circ C] C_6H_5NO_2 + H_2O}$$ **Protocole** : 1. Préparer un mélange d’acide nitrique concentré (65 %) et d’acide sulfurique concentré (98 %) en ratio 1 : 3 (volume) dans un ballon à deux necks refroidi à 0 °C (bain glace). 2. Ajouter progressivement 10 mmol de benzène (0,78 g) sous agitation mécanique. 3. Maintenir la température entre 30 et 40 °C pendant 1 h (contrôle par thermomètre immergé). 4. Verser le réactionnel sur de la glace écrasée contenant une solution diluée de $Na_2SO_3$ pour détruire l’excès d’acide nitrique. 5. Extraire le nitrobenzène avec de l’éther diéthylique (3 × 20 mL), laver les phases organiques avec une solution saturée de $NaHCO_3$, puis avec de l’eau. 6. Sécher sur $Na_2SO_4$, filtrer et distiller sous pression réduite (bp ≈ 210 °C). **Calcul du rendement** : - Masse théorique de nitrobenzène : $M=123,11\ \text{g·mol}^{-1}$ → $m_{th}=1,23\ \text{g}$. - Masse obtenue après purification : 0,96 g → rendement ≈ 78 %. > **>** *Précaution* : Le mélange nitrique/sulfurique est fortement exothermique ; l’ajout du benzène doit être lent et la température maintenue en dessous de 45 °C pour éviter la formation de dinitrobenzène (produit indésirable et explosif). ### 5. Réactions caractéristiques des alcynes (exemple d’acétylène) - **Addition de halogène** : $\ce{HC≡CH + Br_2 -> trans-CHBr=CHBr}$ (dibromure d’éthylène). - **Hydrohalogenation** (ex. : HCl) : première addition donne le chlorure de vinyle, seconde addition donne le 1,1‑dichloroéthane. - **Réaction de tautomérie** : l’acétylène en présence de $Hg^{2+}$ et d’acide donne de l’acétaldéhyde (réaction de Kucherov). > **>** *Application professionnelle* : L’acétylène est utilisé comme gaz de soudure dans les ateliers de métallurgie du Cameroun ; sa pureté doit être contrôlée par réaction avec $AgNO_3$ (formation d’un précipité d’argent acetylide blanc, explosif lorsqu’il est sec). ### 6. Normes de sécurité spécifiques aux hydrocarbures - Travailler loin de toute flamme nue ou étincelle lors de la manipulation d’alcanes, alcènes et alcynes (vapeurs inflammables). - Utiliser des récipients en verre borosilicate résistant aux chocs thermiques. - Stocker les hydrocarbures dans des armoires ventilées, éloignées des oxydants forts (acide nitrique, peroxyde d’hydrogène). - Éliminer les déchets organiques dans les conteneurs destinés à la récupération des solvants (conformément à l’arrêté n° 2020/012 du MINESEC). --- ## III. Révision générale, évaluation et remédiation ### 1. Tableau de récapitulatif des compétences à maîtriser | Domaine | Savoir faire | Indicateur de réussite | |---------|--------------|------------------------| | Analyse qualitative des ions | Effectuer les tests de précipitation, complexation et changement de couleur ; interpréter les observations | 90 % des tests correctement réalisés lors de l’évaluation pratique | | Synthèse d’hydrocarbures | Réaliser une déshydratation d’alcool, une addition électrophile, une nitration aromatique ; calculer le rendement | Rendement ≥ 70 % et rapport de synthèse conforme au modèle | | Calculs stœchiométriques | Convertir masse ↔ mole ↔ volume (gaz) ; déterminer le rendement théorique et réel | Erreur < 5 % sur les calculs de rendement | | Sécurité & hygiène | Appliquer le port des EPI, utiliser la hotte, gérer les déchets | Aucune déviation observée lors des séances de TP | | Communication scientifique | Rédiger un compte‑rendu clair, avec schéma réactionnel, observations, interprétations et conclusion | Note ≥ 14/20 sur la grille d’évaluation des rapports | ### 2. Évaluation diagnostique (exemple de sujet) **Situation** : Un technicien de laboratoire reçoit un échantillon d’eau de rivière provenant du bassin du Sanaga. Il doit déterminer la présence éventuelle de $Fe^{2+}$, $Cu^{2+}$, $Cl^-$ et $NO_3^-$. **Consignes** : 1. Proposer un schéma de séparation adapté (groupes d’ions). 2. Décrire les réactifs à utiliser, les quantités approximatives et les observations attendues. 3. Présenter les équations chimiques équilibrées pour chaque étape décisive. 4. Calculer, si 0,20 g de précipité d’hydroxyde de fer(III) est obtenu, la concentration approximative de $Fe^{2+}$ dans l’échantillon (volume d’échantillon = 250 mL). **Corrigé attendu** : - Schéma : groupe III (precipité d’hydroxyde) pour $Fe^{3+}$ après oxydation, groupe I (precipité d’argent) pour $Cl^-$, test de la bandelette pour $NO_3^-$, test du bleu de cuivre pour $Cu^{2+}$. - Réactifs : $HNO_3$ diluée pour oxyder $Fe^{2+}$ en $Fe^{3+}$, puis $NH_4OH$ + $NH_4Cl$ ; $AgNO_3$ pour $Cl^-$ ; bandelette impregnée de sulfanilamide pour $NO_3^-$ ; $NH_4OH$ + CuSO$_4$ pour $Cu^{2+}$. - Équations : $\ce{Fe^{2+} + 1/4 O_2 + H^+ -> Fe^{3+} + 1/2 H_2O}$ ; $\ce{Fe^{3+} + 3OH^- -> Fe(OH)3_{(s)}}$ ; $\ce{Ag^+ + Cl^- -> AgCl_{(s)}}$ ; etc. - Calcul : $n(Fe(OH)_3)=\frac{0,20\ \text{g}}{106,87\ \text{g·mol}^{-1}}=1,87\times10^{-3}\ \text{mol}$ ; chaque mol de précipité provient d’une mol de $Fe^{3+}$ donc $n(Fe^{2+})=1,87\times10^{-3}\ \text{mol}$ ; concentration $C=\frac{1,87\times10^{-3}\ \text{mol}}{0,250\ \text{L}}=7,48\times10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}$ ≈ 7,5 mmol·L$^{-1}$. ### 3. Activités de remédiation ciblées | Difficulté identifiée | Action de remédiation | Durée estimée | |-----------------------|-----------------------|---------------| | Confusion entre précipités de groupe II (sulfures) et groupe III (hydroxydes) | Atelier de comparaison visuelle : préparer des éprouvettes contenant chaque précipité, observer sous lumière naturelle et sous lampe UV | 45 min | | Erreur de calcul de rendement (oubli de la masse molaire du solvant) | Exercices guidés sur fiches avec correction immédiate ; utilisation d’un tableur pour vérifier les étapes | 30 min | | Manipulation dangereuse de $H_2S$ | Démonstration sous hotte avec mesure de la concentration à l’aide d’un tube de détection ; révision des consignes d’évacuation | 30 min | | Difficulté à écrire les mécanismes de substitution électrophile aromatique | Séance de dessin de schémas de résonance sur papier millimétré, suivi d’un quiz interactif | 40 min | | Oubli du port des lunettes lors des essais de flamme | Rappel vidéo de bonnes pratiques, suivi d’une vérimentation aléatoire pendant les séances de TP | 10 min (intégré à chaque séance) | --- ## Synthèse du chapitre - **Analyse qualitative des ions** : séparation par groupes (I‑V) grâce à des réactifs sélectifs (HCl, $H_2S$, $NH_4OH$, $(NH_4)_2CO_3$, $AgNO_3$, $BaCl_2$, etc.) ; observations de précipités, colorations, dégagement de gaz ; utilisation de formules de stœchiométrie pour estimer les concentrations. - **Synthèses des hydrocarbures** : déshydratation des alcools (alcènes), addition électrophile (Markownikoff/anti‑Markownikoff), nitration aromatique (mixte HNO₃/H₂SO₄) ; contrôle de la température, rendement théorique vs réel, calculs de masse et de volume. - **Sécurité & hygiène** : port des EPI obligatoires, utilisation de hotte pour les gaz toxiques, gestion des déchets conformément aux arrêtés MINESEC, prévention des risques d’incendie et d’explosion. - **Évaluation** : schéma de séparation, équations équilibrées, calcul de rendement et de concentration, rédaction de compte‑rendu conforme aux attentes du MINESEC. - **Remédiation** : ateliers pratiques ciblés, exercices de calcul, démonstrations de sécurité, révision des mécanismes réactionnels. > **>** *Point clé à retenir* : En analyse qualitative, chaque groupe d’ions possède un réactif caractéristique qui permet une identification sûre ; ne jamais mélanger les réactifs de groupes différents sans étape de séparation intermédiaire. > **>** *Point clé à retenir* : Le rendement d’une synthèse se calcule toujours à partir de la masse théorique du produit pur, en tenant compte de la pureté des réactifs et des pertes lors des étapes de purification. > **>** *Point clé à retenir* : La manipulation de l’acide sulfurique concentré exige l’ajout toujours de l’acide à l’eau (jamais l’inverse) afin d’éviter les projections violentes. > **>** *Point clé à retenir* : Lors de la nitration aromatique, la température doit rester inférieure à 45 °C pour éviter la poly nitration et garantir la sélectivité mono‑substitution. > **>** *Point clé à retenir* : Les déchets contenant des métaux lourds (Pb, Cd, Hg) doivent être collectés séparément et traités selon la procédure de décontamination du MINESEC. --- ## Glossaire - **Précipité** : Phase solide insoluble qui se forme lors d’une réaction en solution lorsqu’un produit dépasse sa solubilité. - **Complexe** : Espèce constituée d’un ion métallique central lié à des ligands par des liaisons dative ; souvent responsable d’une coloration caractéristique. - **Rendement** : Rapport entre la masse réelle de produit obtenu et la masse théorique calculée à partir du réactif limitant, exprimé en pourcentage. - **Markownikoff** : Règle empirique stipulant que, lors de l’addition d’un acide H–X à un alcène non symétrique, l’atome d’hydrogène se fixe sur le carbone portant le plus grand nombre d’atomes d’hydrogène. - **Anti‑Markownikoff** : Règle observée en présence de peroxides où l’addition suit le schéma opposé à celui de Markownikoff (addition radicalaire). - **Nitration aromatique** : Substitution électrophile sur un noyau aromatique (benzène) introduisant un groupe nitro (–NO₂) sous l’action d’un mélange d’acide nitrique et d’acide sulfurique. - **Hotte aspirante** : Équipement de laboratoire qui capture et évacue les vapeurs, gaz ou poussières dangereuses afin de protéger l’opérateur. - **Déchet dangereux** : Résidu présentant un risque pour la santé ou l’environnement (toxicité, inflammabilité, réactivité) nécessitant un traitement spécifique selon la réglementation nationale. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Analyse qualitative d’un effluent industriel **Situation** : Un technicien du centre de traitement des eaux de la ville de Douala reçoit un échantillon d’effluent provenant d’une unité de galvanisation. Il doit détecter la présence de $Zn^{2+}$, $Cr^{6+}$ (sous forme de chromate $CrO_4^{2-}$) et $SO_4^{2-}$. **Consignes** : 1. Proposer un schéma de séparation adapté (groupes d’ions). 2. Indiquer les réactifs, les quantités approximatives et les observations attendues pour chaque ion cible. 3. Donner les équations chimiques équilibrées des réactions de détection. 4. Si 0,15 g de précipité de sulfate de barium ($BaSO_4$) est obtenu, calculer la concentration en $SO_4^{2-}$ dans l’échantillon (volume d’échantillon = 200 mL). **Corrigé** : - **Schéma** : - Groupe I : pas pertinent (pas d’halogénures d’argent). - Groupe II : ajouter $H_2S$ en milieu acide → précipités de sulfures (ZnS blanc, CdS jaune). - Groupe III : ajouter $NH_4OH$ + $NH_4Cl$ → pas de précipité pour $Zn^{2+}$ (soluble en excès d’ammoniac) ; pas de précipité pour $Cr^{6+}$ (chromate reste en solution). - Groupe IV : ajouter $(NH_4)_2CO_3$ → pas de précipité (ZnCO₃ soluble en excès d’ammoniac, carbonates de calcium non présents). - Groupe V : ajouter $AgNO_3$ en milieu ammoniacal → pas de précipité (pas d’halogénures). - **Détection spécifique** : - $Zn^{2+}$ : ajouter une solution de $NaOH$ en excès → précipité de $Zn(OH)_2$ blanc qui se redissout en excès de $NaOH$ formant $[Zn(OH)_4]^{2+}$ (incolore). - $Cr^{6+}$ : ajouter une solution de $diphenylcarbazide$ en milieu acide → couleur violette (complexe de diphenylcarbazide‑chromate). - $SO_4^{2-}$ : ajouter $BaCl_2$ en milieu acide ($HCl$ diluée) → précipité blanc de $BaSO_4$ insoluble dans $HCl$. - **Réactions** : - $\ce{Zn^{2+} + 2OH^- -> Zn(OH)2_{(s)}}$ (blanc) ; $\ce{Zn(OH)2_{(s)} + 2OH^- -> [Zn(OH)4]^{2+}}$ (incolore). - $\ce{CrO4^{2-} + H^+ + diphenylcarbazide -> [complexe]^{+}}$ (violet). - $\ce{Ba^{2+} + SO4^{2-} -> BaSO4_{(s)}}$ (blanc, insoluble dans $HCl$). - **Calcul** : - Masse molaire de $BaSO_4$ = $137,33 + 32,07 + 4×16,00 = 233,39\ \text{g·mol}^{-1}$. - $n(BaSO_4) = \frac{0,15\ \text{g}}{233,39\ \text{g·mol}^{-1}} = 6,43\times10^{-4}\ \text{mol}$. - Chaque mol de $BaSO_4$ provient d’une mol de $SO_4^{2-}$ donc $n(SO_4^{2-}) = 6,43\times10^{-4}\ \text{mol}$. - Concentration $C = \frac{6,43\times10^{-4}\ \text{mol}}{0,200\ \text{L}} = 3,22\times10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}$ = **3,2 mmol·L$^{-1}$**. > **>** *Rappel* : Toujours vérifier la solubilité du précipité dans le réactif utilisé pour éviter les faux négatifs (ex. : $BaSO_4$ est insoluble dans $HCl$ mais soluble dans des solutions concentrées d’acide nitrique chaud). ### Exercice 2 – Synthèse du styrène par déshydratation du phényléthanol **Situation** : Un atelier de production de résines polyester dans la région de l’Ouest souhaite synthétiser du styrène (monomère) à partir du phényléthanol (alcool benzylique) disponible localement. **Consignes** : 1. Écrire l’équation de la réaction de déshydratation catalysée par l’acide sulfurique. 2. Proposer un protocole expérimental (quantités, température, durée, appareil). 3. Calculer le rendement théorique si 5,0 g de phényléthanol sont utilisés. 4. Si 3,2 g de styrène sont obtenus après purification, déterminer le rendement réel. 5. Indiquer deux précautions de sécurité spécifiques à cette opération. **Corrigé** : 1. **Équation** : $$\ce{C6H5-CH2-CH2-OH ->[H_2SO_4,\, 180^\circ C] C6H5-CH=CH2 + H2O}$$ (phényléthanol → styrène + eau). 2. **Protocole** : - Dans un ballon de 250 mL équipé d’un réfrigérant à reflux, placer 5,0 g de phényléthanol (0,041 mol) et ajouter 2 mL d’acide sulfurique concentré (catalyseur). - Chauffer à 180 °C sous reflux pendant 60 min. - Distiller le produit formé (bp du styrène ≈ 145 °C) sous pression atmosphérique, récupérer la fraction distillée entre 140 et 150 °C. - Laver le distillat avec une solution saturée de $NaHCO_3$ (neutralisation de l’acide), puis avec de l’eau distillée. - Sécher sur $Na_2SO_4$ anhydre, filtrer et redistiller sous pression réduite si nécessaire pour obtenir du styrène pur. 3. **Rendement théorique** : - Masse molaire du phényléthanol = $C_8H_{10}O$ = $8×12,01 + 10×1,008 + 16,00 = 122,16\ \text{g·mol}^{-1}$. - $n = \frac{5,0\ \text{g}}{122,16\ \text{g·mol}^{-1}} = 0,0409\ \text{mol}$. - Masse molaire du styrène = $C_8H_8$ = $8×12,01 + 8×1,008 = 104,15\ \text{g·mol}^{-1}$. - Masse théorique = $0,0409\ \text{mol} × 104,15\ \text{g·mol}^{-1} = 4,26\ \text{g}$. 4. **Rendement réel** : - Masse obtenue = 3,2 g. - Rendement = $\frac{3,2}{4,26} × 100 = 75,1\%$. 5. **Précautions de sécurité** : - L’acide sulfurique concentré est fortement exothermique lors du mélange avec l’alcool ; ajouter l’acide lentement et refroidir le ballon en bain glace si nécessaire. - Le styrène est volatil, irritant pour les voies respiratoires et potentiellement cancérigène ; travailler exclusivement sous hotte aspirante, porter un masque à filtre organique et éviter toute flamme nue (vapeurs inflammables). > **>** *Astuce professionnelle* : Pour améliorer le rendement, on peut ajouter un agent déshydratant tel que le sulfate de cuivre anhydre qui capte l’eau formée et déplace l’équilibre vers la formation du styrène. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de neutraliser l’acide après une réaction avant de verser la solution dans l’évier | Corrosion des tuyaux, risque de brûlure pour le personnel de maintenance | Toujours effectuer un lavage avec une solution basique diluée (ex. : $NaHCO_3$ 5 %) et vérifier le pH avant rejet. | | 2 | Utiliser une flamme nue près d’un récipient contenant des vapeurs d’alcool ou d’acétylène | Risque d’explosion ou d’incendie | Interdire toute flamme nue dans les zones de manipulation de solvants volatils ; utiliser un chauffage électrique ou un bain d’huile. | | 3 | Mélanger de l’acide nitrique concentré avec de l’acide sulfurique sans refroidissement préalable | Développement brutal de chaleur, projections d’acide, risque de brûlure sévère | Préparer le mélange dans un récipient immergé dans un bain glace, ajouter l’acide nitrique lentement sous agitation. | | 4 | Ne pas porter de lunettes de protection lors de la manipulation de précipités pouvant projeter des particules (ex. : $AgCl$) | Lésions oculaires irréversibles | Le port de lunettes de sécurité est obligatoire dès la première manipulation de réactifs pouvant produire des projections. | | 5 | Confondre les réactifs des groupes II et III lors de l’analyse qualitative (ex. : ajouter $NH_4OH$ avant $H_2S$) | Formation de précipités interferents, résultats erronés | Respecter strictement l’ordre du schéma de séparation ; vérifier la fiche de procédure avant chaque étape. | | 6 | Négliger l’étiquetage des éprouvettes contenant des intermédiaires réactionnels (ex. : mélange d’acide nitrique/sulfurique) | Risque de mauvaise utilisation ultérieure, accidents | Étiqueter chaque récipient avec le nom du produit, la concentration, la date et le nom de l’opérateur ; utiliser des étiquettes résistantes aux produits chimiques. | --- *Fin du cours.*