Nitration du Benzène : Synthèse du Nitrobenzène
Contexte : Synthèse organique au laboratoire et rendement.
La nitration du benzène est une réaction classique de Substitution Électrophile AromatiqueRéaction où un atome d'hydrogène du cycle aromatique est remplacé par un électrophile.. Elle permet d'introduire un groupement nitro (\(\text{-NO}_2\)) sur le cycle benzénique pour former du NitrobenzèneLiquide jaune pâle à odeur d'amande amère, précurseur de l'aniline.. Cette synthèse nécessite l'utilisation d'un mélange d'acides concentrés.
Remarque Pédagogique : Cet exercice permet de travailler la stœchiométrie, le calcul de rendement et la compréhension du rôle des réactifs limitants en chimie organique.
Objectifs Pédagogiques
- Déterminer les quantités de matière initiales.
- Identifier le réactif limitant.
- Calculer la masse théorique attendue.
- Calculer le rendement de la synthèse.
Données de l'expérience
On réalise la nitration de \(10,0 \text{ mL}\) de benzène par un excès d'acide nitrique concentré, en présence d'acide sulfurique concentré (catalyseur).
Données physico-chimiques
| Composé | Formule | Masse Molaire (g/mol) | Densité (g/mL) |
|---|---|---|---|
| Benzène (Réactif) | \(\text{C}_6\text{H}_6\) | 78,11 | 0,88 |
| Acide Nitrique | \(\text{HNO}_3\) | 63,01 | 1,51 |
| Nitrobenzène (Produit) | \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\) | 123,11 | 1,20 |
Schéma du montage à reflux
Questions à traiter
- Calculer la quantité de matière initiale de benzène introduite.
- Déterminer la masse théorique maximale de nitrobenzène attendue.
- Après purification, on isole \(m_{\text{exp}} = 11,2 \text{ g}\) de produit. Calculer le rendement.
- Identifier le nucléophile et l'électrophile de la réaction, et dessiner la structure de Lewis de l'électrophile actif.
- Pourquoi est-il impératif de maintenir la température du milieu réactionnel en dessous de 60°C ?
Rappels Théoriques
La réaction de nitration est une substitution d'un hydrogène du cycle par un groupe nitro. Elle nécessite la formation in-situ de l'ion nitronium \(\text{NO}_2^+\) (l'électrophile).
Équation Bilan
La réaction globale s'écrit :
Réaction de nitration
Le catalyseur \(\text{H}_2\text{SO}_4\) n'apparaît pas dans le bilan mais est essentiel pour la cinétique.
Calcul de quantité de matière (liquide)
Pour un liquide pur dont on connait le volume et la densité.
Formule
Où :
- \(\rho\) est la densité (ou masse volumique en \(\text{g/mL}\)).
- \(V\) est le volume en \(\text{mL}\).
Rendement de synthèse
Indicateur de l'efficacité de la synthèse.
Formule du rendement
Correction : Nitration du Benzène : Synthèse du Nitrobenzène
Question 1 : Quantité de matière initiale de benzène
Principe
Le benzène est introduit sous forme liquide volumétrique. Nous devons d'abord déterminer sa masse à l'aide de sa densité, puis convertir cette masse en quantité de matière (moles) en utilisant sa masse molaire.
Mini-Cours
Rappel Fondamental : La quantité de matière \(n\) représente le "nombre de paquets" de molécules. Pour un liquide pur, on utilise toujours la chaîne de conversion suivante : Volume \(\to\) Masse \(\to\) Moles.
Remarque Pédagogique
En chimie organique pratique, on préfère mesurer un volume à la pipette ou à l'éprouvette car c'est plus rapide et plus sûr que de peser un liquide volatil et toxique comme le benzène sur une balance.
Normes
Les unités utilisées ici (\(\text{g}\), \(\text{mL}\), \(\text{mol}\)) sont courantes au laboratoire. Les chiffres significatifs doivent être respectés : 10,0 mL implique 3 chiffres significatifs.
Formule(s)
Relation Masse-Volume
Relation Masse-Moles
Hypothèses
Nous supposons que :
- Le benzène est pur (pas d'impuretés significatives modifiant la densité).
- La température du laboratoire est proche de 20°C (la densité variant légèrement avec T).
- Le volume prélevé est exactement de 10,0 mL.
Données
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Volume Benzène | \(V_{\text{benz}}\) | 10,0 | \(\text{mL}\) |
| Densité Benzène | \(\rho_{\text{benz}}\) | 0,88 | \(\text{g/mL}\) |
| Masse Molaire | \(M_{\text{benz}}\) | 78,11 | \(\text{g/mol}\) |
Astuces
Vérification Mentale : La densité est inférieure à 1 (0.88). Cela signifie que 1 mL pèse moins de 1 g. Donc pour 10 mL, on s'attend à trouver une masse inférieure à 10 g (environ 8-9 g). Si vous trouvez plus de 10 g, vous avez fait une erreur (division au lieu de multiplication) !
État Initial : Prélèvement
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de la masse
Tout d'abord, nous devons connaître la masse de benzène réellement introduite dans le ballon. Comme la densité \(\rho\) est le rapport de la masse sur le volume, on multiplie le volume par la densité :
Nous obtenons ainsi 8,80 g de benzène. Notez que cette valeur est numériquement inférieure au volume (10,0) car la densité du benzène (0,88) est plus faible que celle de l'eau.
Étape 2 : Calcul des moles
Ensuite, pour raisonner en chimie, il faut convertir cette masse en quantité de matière (nombre de moles). On utilise la masse molaire \(M\) du benzène qui représente la masse d'une seule mole :
Le résultat obtenu, environ 0,113 mol, correspond à la quantité de matière initiale \(n_0\) de réactif limitant disponible pour la réaction.
Résultat Calculé
Réflexions
Une quantité de 0,113 mol est typique pour une synthèse de laboratoire "semi-micro". Cela représente suffisamment de matière pour être manipulée aisément, mais pas trop pour limiter les risques et les déchets.
Points de vigilance
Attention aux unités ! La densité est souvent donnée sans unité (densité relative par rapport à l'eau) ou en \(\text{g/cm}^3\) ou \(\text{kg/L}\). Ici, \(0.88\) équivaut à \(0.88 \text{ g/mL}\). Si la masse volumique était en \(\text{kg/m}^3\) (ex: 880), le calcul serait différent.
Points à Retenir
Ne jamais diviser le volume par la masse molaire directement ! La relation \(n = V/M\) n'existe pas. Il faut toujours passer par la masse : \(V \xrightarrow{\times \rho} m \xrightarrow{/ M} n\).
Le saviez-vous ?
Le benzène est un composé cancérigène avéré. Il doit être manipulé sous hotte aspirante exclusivement.
FAQ
Puis-je utiliser n = V / Vmolaire ?
NON ! Le volume molaire (\(22,4 \text{ L/mol}\) ou \(24 \text{ L/mol}\)) ne s'applique qu'aux gaz parfaits. Le benzène est un liquide ici, cette formule donnerait un résultat totalement faux.
A vous de jouer
Si on avait utilisé 20 mL de benzène (double du volume), quelle serait la quantité de matière ?
📝 Mémo
Volume \(\to\) Masse \(\to\) Moles.
Question 2 : Masse théorique de nitrobenzène
Principe
On cherche la masse maximale de produit qu'on pourrait obtenir si la réaction était parfaite (rendement 100%). Cela dépend de la stœchiométrie de la réaction et du réactif limitant identifié.
Mini-Cours
Réactif Limitant : Dans une réaction \(A + B \to C\), si on met moins de A que de B (en moles corrigées par les coefficients), A est limitant. La quantité de C formée dépendra uniquement de A initial.
Remarque Pédagogique
L'énoncé précise que l'acide nitrique est "en excès" dans l'énoncé. C'est une information cruciale qui simplifie le problème : le réactif limitant est obligatoirement le benzène. Nous n'avons donc pas besoin de calculer les moles d'acide nitrique.
Normes
Il est important d'utiliser la masse molaire précise du produit. Pour le nitrobenzène (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\)), \(M = (6\times12.01) + (5\times1.008) + 14.007 + (2\times15.999) \approx 123.11 \text{ g/mol}\).
Formule(s)
Conversion Moles-Masse
Hypothèses
Pour ce calcul théorique, nous posons les hypothèses idéales suivantes :
- La réaction est totale (taux d'avancement = 100%).
- La sélectivité est de 100% (pas de dinitration).
- Il n'y a aucune perte physique lors de l'extraction et du lavage.
Données
| Composé | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Nitrobenzène (Produit) | \(M_{\text{nitro}}\) | 123,11 | \(\text{g/mol}\) |
| Quantité matière Benzène | \(n_{\text{benz}}\) | 0,11266 | \(\text{mol}\) |
Astuces
Contrôle de cohérence : Le nitrobenzène est plus lourd que le benzène (on remplace un H léger par un groupe NO2 lourd). Comme on conserve le même nombre de moles (1 pour 1), la masse théorique doit être significativement supérieure à la masse de départ (8.8 g).
Schéma (Avant Calcul)
Relation stœchiométrique 1 pour 1 : conservation de la quantité de matière.
Calculs
1. D'après l'équation bilan
L'équation de réaction montre que les coefficients stœchiométriques du benzène et du nitrobenzène sont tous les deux égaux à 1. Cela signifie qu'une molécule de benzène produit exactement une molécule de nitrobenzène. La conservation de la matière nous permet d'écrire :
Nous espérons donc former, au maximum, 0,11266 moles de produit.
2. Calcul de la masse
Pour obtenir la masse correspondante, on multiplie cette quantité de matière par la masse molaire du produit final (le nitrobenzène, et non le benzène !) :
Cette masse de 13,911 g représente le "plafond" théorique indépassable si la réaction était parfaite.
Schéma (Bilan Masse)
Réflexions
On observe un gain de masse théorique d'environ 5 g. Cela correspond à la différence de masse molaire (123 - 78 = 45 g/mol) multipliée par le nombre de moles (0.113). \(45 \times 0.113 \approx 5.1 \text{ g}\). Le calcul est cohérent.
Points de vigilance
L'erreur la plus fréquente est de réutiliser la masse molaire du benzène (78 g/mol) pour calculer la masse finale. Assurez-vous de bien utiliser la masse molaire du PRODUIT formé (123 g/mol) !
Points à Retenir
La masse théorique est toujours calculée en supposant que le réactif limitant est transformé à 100% en produit désiré, sans aucune perte.
Le saviez-vous ?
Le nitrobenzène a une densité de 1.20, il est donc plus lourd que l'eau et formera la phase inférieure lors des lavages dans l'ampoule à décanter (contrairement au benzène qui flotte). C'est un piège classique lors de la séparation !
FAQ
Pourquoi la masse augmente-t-elle alors qu'on perd un hydrogène ?
On perd effectivement un atome d'hydrogène (H, 1 g/mol) mais on gagne un groupe Nitro (\(\text{NO}_2\), 46 g/mol). Le bilan net est un gain de masse de 45 g/mol par molécule transformée.
A vous de jouer
Si on avait utilisé 0.2 mol de benzène, quelle serait la masse théorique ? (Indice : c'est proportionnel).
📝 Mémo
Masse Théorique = Objectif Idéal.
Question 3 : Calcul du rendement
Principe
Le rendement est l'indicateur clé de la réussite d'une synthèse. Il compare la réalité (masse pesée sur la balance) à la théorie (masse calculée précédemment). C'est un pourcentage qui quantifie les pertes.
Mini-Cours
Définition : Le rendement \(\eta\) (eta) est le rapport sans unité (souvent exprimé en %) : \(\eta = \frac{\text{Quantité obtenue}}{\text{Quantité attendue}}\). On peut le calculer avec les masses ou les moles, le résultat est identique.
Remarque Pédagogique
Obtenir 100% est suspect (produit humide ou impureté). Obtenir un rendement faible peut être dû à des équilibres, des réactions secondaires, ou des pertes mécaniques (produit resté sur les parois).
Normes
Le rendement est généralement arrondi à une décimale (ex: 80,5 %) ou à l'entier le plus proche selon la précision des pesées.
Formule(s)
Hypothèses
Pour que le calcul du rendement soit valide, on doit supposer que la masse expérimentale \(m_{\text{exp}}\) correspond à du nitrobenzène pur et sec. Si le produit contient encore du solvant ou de l'eau, le rendement calculé sera artificiellement gonflé (et faux).
Données
| Grandeur | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse Expérimentale (obtenue) | \(m_{\text{exp}}\) | 11,2 | \(\text{g}\) |
| Masse Théorique (calculée Q2) | \(m_{\text{theo}}\) | 13,91 | \(\text{g}\) |
Astuces
Vérification : Le numérateur (expérimental) doit toujours être inférieur au dénominateur (théorique). Si vous trouvez un rendement > 100%, vous avez soit inversé les chiffres, soit fait une erreur de calcul !
Schéma (Avant Calcul)
Calculs
Rapport des masses
Nous comparons maintenant la masse réellement pesée à la fin de la manipulation (11,2 g) avec cette masse théorique idéale (13,91 g). On effectue le rapport :
Ce ratio de 0,8051 signifie que nous avons récupéré environ 80% de la matière espérée.
Conversion en pourcentage
Pour exprimer ce résultat de manière standard, on le convertit en pourcentage en multipliant par 100 :
Le rendement final est donc de 80,5 %. Les 19,5 % manquants correspondent aux pertes lors de la synthèse et de la purification.
Schéma (Jauge de rendement)
Réflexions
Un rendement de 80,5% est considéré comme très satisfaisant pour une synthèse organique étudiante, surtout qu'elle implique des étapes de séparation liquide-liquide où des pertes sont inévitables.
Points de vigilance
Si \(m_{\text{exp}} > m_{\text{theo}}\), ne concluez pas "j'ai très bien travaillé". Concluez "mon produit n'est pas pur".
Points à Retenir
Le rendement valide votre technique expérimentale. Il est toujours \(\le 100\%\).
Le saviez-vous ?
Dans l'industrie chimique, un rendement de 80% peut être insuffisant si les matières premières sont coûteuses ou polluantes. On recycle alors les réactifs non consommés pour augmenter le rendement global du procédé.
FAQ
Où sont passés les 19,5% manquants ?
Plusieurs causes possibles : réactions parasites (dinitration), solubilité partielle du nitrobenzène dans l'eau de lavage, pertes lors du transvasement, évaporation du benzène avant réaction.
A vous de jouer
Si on avait obtenu seulement 7.0 g, quel serait le rendement ? (Calcul : 7.0 / 13.91 * 100)
📝 Mémo
Expérimental / Théorique = Efficacité.
Question 4 : Mécanisme et Rôle des espèces
Principe
La nitration est une Substitution Électrophile Aromatique (SEAr). Il faut identifier quelle espèce "attaque" (riche en électrons) et quelle espèce "subit" (pauvre en électrons). C'est le cœur du mécanisme réactionnel.
Mini-Cours
SEAr : Le cycle benzénique est riche en électrons \(\pi\). Il agit comme un nucléophile. Il a besoin d'un partenaire très pauvre en électrons, un super-électrophile, pour réagir. L'acide nitrique seul n'est pas assez puissant, il faut le transformer en ion nitronium \(\text{NO}_2^+\) grâce à l'acide sulfurique.
Remarque Pédagogique
Le terme "substitution" signifie qu'on remplace un H par un NO2. Contrairement aux alcènes qui font des "additions" (perte de la double liaison), le benzène conserve son aromaticité (ses 3 doubles liaisons) à la fin de la réaction.
Normes
Dans les mécanismes réactionnels, les flèches courbes partent toujours du doublet d'électrons (nucléophile) vers le site pauvre en électrons (électrophile).
Identification
| Rôle | Espèce Chimique | Justification |
|---|---|---|
| Nucléophile (Donneur) | Benzène (\(\text{C}_6\text{H}_6\)) | Possède un nuage d'électrons \(\pi\) délocalisés stable mais capable d'attaquer un électrophile fort. |
| Électrophile (Accepteur) | Ion Nitronium (\(\text{NO}_2^+\)) | Espèce chargée positivement, générée in-situ par réaction entre \(\text{H}_2\text{SO}_4\) et \(\text{HNO}_3\). |
Schéma (Formation de l'électrophile)
Étape préalable
Dessin : Structure de Lewis de \(\text{NO}_2^+\)
Structure linéaire O=N⁺=O avec 2 doubles liaisons.
Réflexions
C'est parce que l'azote est chargé positivement qu'il est si avide d'électrons et peut briser temporairement l'aromaticité du benzène.
Points de vigilance
Ne confondez pas l'ion nitronium (\(\text{NO}_2^+\)) avec le dioxyde d'azote (\(\text{NO}_2\), gaz roux radicalaire) ou l'ion nitrite (\(\text{NO}_2^-\)). C'est bien la charge positive qui est la clé ici.
Le saviez-vous ?
Cette réaction est la première étape de la synthèse de nombreux médicaments (comme le paracétamol, via l'aniline) et d'explosifs (TNT = Trinitrotoluène).
FAQ
Pourquoi met-on de l'acide sulfurique ?
L'acide sulfurique est plus fort que l'acide nitrique. Il protone \(\text{HNO}_3\) pour lui faire perdre une molécule d'eau et former \(\text{NO}_2^+\). Sans lui, la réaction serait infiniment lente.
📝 Mémo
Le benzène donne des électrons, le Nitronium les prend.
Question 5 : Contrôle de la température
Principe
Le contrôle de la température en chimie est double : sécurité (éviter l'emballement) et sélectivité (favoriser le produit voulu). La nitration est un cas d'école pour ces deux aspects.
Mini-Cours
Cinétique vs Thermodynamique : Chauffer accélère la réaction (loi d'Arrhenius). Cependant, chauffer trop peut permettre de franchir des barrières d'énergie plus hautes, menant à des produits différents (polysubstitution).
Analyse des Risques
La réaction de nitration est fortement exothermique (dégage de la chaleur). Si on ne refroidit pas ou si on ajoute les acides trop vite, la température grimpe brutalement.
- Problème Chimique (Sélectivité) : À haute température (> 60°C), le nitrobenzène formé (bien que désactivant) possède encore assez de densité électronique pour réagir une seconde fois avec l'acide nitrique en excès. On forme alors du m-dinitrobenzène, un solide jaune indésirable.
- Problème de Sécurité : Le benzène bout à 80°C. Si le milieu s'emballe, le benzène se vaporise brutalement, créant une surpression dans le montage et un risque d'explosion ou de projection de mélange acide bouillant.
Schéma Réactionnel Parasite
Schéma (Thermomètre)
Seuil Critique
Réflexions
Le contrôle thermique est l'exemple parfait du compromis en chimie. On veut chauffer pour que la réaction soit rapide (aspect cinétique), mais pas trop pour éviter les réactions secondaires (aspect thermodynamique/sélectivité) et l'emballement (aspect sécurité). C'est ce pilotage fin qui fait la qualité du chimiste.
Points de vigilance
Le groupe Nitro (\(\text{-NO}_2\)) est méta-orienteur et désactivant. La deuxième nitration est plus lente que la première (l'anneau est appauvri), mais elle devient possible si on apporte l'énergie thermique nécessaire.
Astuces
En pratique, on ajoute le mélange d'acides goutte à goutte sur le benzène en gardant le ballon dans un bain de glace, et on surveille le thermomètre comme le lait sur le feu !
FAQ
Que faire si la température monte trop vite ?
Arrêter immédiatement l'ajout des acides et immerger davantage le ballon dans le bain de glace. Agiter vigoureusement pour dissiper la chaleur.
📝 Mémo
Trop chaud = Boum + Impuretés.
Bilan de la Synthèse
Résumé des flux de matière lors de la nitration.
📝 Grand Mémo : Synthèse Organique
Pour réussir vos calculs de rendement en chimie orga :
-
🔑
1. Identifier le Limitant :
Toujours calculer les moles (n) de tous les réactifs. Celui avec le plus petit \(n/coeff\) dicte la suite. -
📐
2. Densité vs Masse :
Pour les liquides : \(m = \rho \times V\). Ne jamais utiliser le volume directement dans les rapports stœchiométriques. -
⚠️
3. Unités :
Toujours vérifier la cohérence (mL avec g/mL, ou L avec kg/L).
🎛️ Simulateur de Rendement
Faites varier le volume de benzène initial et le rendement obtenu pour voir la masse de produit finale.
Paramètres Expérimentaux
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Quel est le rôle de l'acide sulfurique (H2SO4) dans cette réaction ?
2. La nitration est une réaction de type :
📚 Glossaire
- Catalyseur
- Substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée par celle-ci.
- Électrophile
- Espèce chimique pauvre en électrons (souvent chargée positivement) qui cherche à former une liaison avec un site riche en électrons.
- Exothermique
- Réaction qui dégage de la chaleur (attention aux projections lors de la nitration !).
- Reflux
- Technique permettant de chauffer un mélange réactionnel à ébullition sans perte de matière grâce à un condenseur.
Le Saviez-vous ?
Chargement...
D’autres exercices de chimie organique:
Laisser un commentaire