EXERCICE III - AUTOUR DU STYRÈNE (9 points)

Bac S 2016 Antilles-Guyane
http://labolycee.org
EXERCICE II - AUTOUR DU STYRÈNE (9 points) 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 : . 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 : 1975 °C ;
. Produit ionique de l'eau à 25°C : Ke = 1,0x10 -14. 1. Obtention industrielle du styrène Le styrène fut célébré par Raymond QUENEAU dans un poème en alexandrins
intitulé « le chant du styrène » dont un extrait est reproduit ci-dessous :
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 :
[pic]
1.1. Cette réaction correspond-elle à une modification de chaîne ou à une
modification de groupe caractéristique ?
1.2. Parmi les trois grandes catégories de réactions en chimie organique,
déterminer à quelle catégorie appartient cette réaction.
1.3. Le poème indique que cette transformation chimique nécessite l'emploi
de catalyseurs. Définir un catalyseur.
1.4. Dans le cas de la synthèse du styrène, déterminer si la catalyse est
homogène, hétérogène ou enzymatique.
2. Préparation du styrène avant utilisation au laboratoire 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 de formule topologique
suivante : Avant utilisation, il est donc nécessaire d'éliminer l'inhibiteur de
polymérisation. Pour cela, le protocole suivant est mis en ?uvre : . 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 s1,0 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
2.1.1. Les consignes de sécurité indiquées pour mettre en ?uvre ce
protocole vous paraissent-elles justifiées ?
2.1.2. Proposer d'autres précautions à prendre afin de manipuler en toute
sécurité. 2.2. Identifier les groupes caractéristiques présents dans la molécule de 4-
tert-butylpyrocatéchol. 2.3. 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. 2.4. Écrire les deux couples acide-base issus du diacide en notant H2A le 4-
tert-butylpyrocatéchol. Établir un diagramme de prédominance faisant
intervenir les deux couples. 2.5. Estimer la valeur du pH de la solution d'hydroxyde de sodium utilisée
pour le lavage. 2.6. 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. 2.7. Expliquer pourquoi le lavage par la solution d'hydroxyde de sodium du
produit commercial contenant le styrène permet d'éliminer le 4-tert-
butylpyrocatéchol. 2.8. En schématisant l'ampoule à décanter, indiquer dans quelle phase se
trouve le styrène et dans quelle phase se situe le 4-tert-
butylpyrocatéchol.
2.9. Expliquer le rôle des lavages supplémentaires à l'eau et du contrôle
du pH. 2.10. Expliciter le rôle du chlorure de calcium anhydre. 3. Contrôle de la teneur en styrène dans le flacon commercial 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 spectrophotométre UV-visible
et on exploite cette mesure à l'aide d'un graphe fourni par le fabricant.
Spectre d'absorption du styrène :
[pic] 3.1. À quelle longueur d'onde la mesure d'absorbance devra-t-elle être
réalisée ? À quel domaine les ondes correspondantes appartiennent-elles ? 3.2. D'après le graphe suivant 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 ? Graphe fourni par le fabricant du produit étudié :
3.3. Proposer un protocole détaillé permettant d'obtenir précisément le
graphe A = f(C) fourni par le fabricant du produit. 3.4. On prélève alors une masse m = 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.