Un vernis à ongles au cœur d'un exercice de chimie de 9 points

Le premier exercice du bac 2025 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 1) compte pour 9 points sur 20, soit environ 1 h 35 de travail. Il suit le parcours d'un vernis à ongles en deux temps : la synthèse de son solvant, l'éthanoate d'éthyle, puis le dosage par étalonnage du pigment qui lui donne sa couleur, l'oxyde de fer (III). Les treize questions balaient une grande partie du programme de chimie de terminale : groupes caractéristiques, mécanisme réactionnel, catalyse, protocole de synthèse, rendement, équilibre chimique et loi de Beer-Lambert.

Ester, flèche courbe et catalyseur (Q1 à Q3)

En Q1, on entoure l'enchaînement -C(=O)-O- de l'éthanoate d'éthyle, qui appartient à la famille des esters. Entourer seulement C=O revient à désigner le groupe carbonyle. En Q2, la flèche courbe part d'un doublet non liant de l'oxygène, site donneur, et arrive sur l'ion H⁺, site accepteur : elle suit toujours les électrons, jamais la charge positive. En Q3, l'acide sulfurique apporte des ions H⁺ consommés dans la première étape du mécanisme puis régénérés, puisqu'ils n'apparaissent pas dans l'équation de la réaction : c'est la définition d'un catalyseur.

Le protocole : extraction, phases et lavage (Q4 à Q6)

L'extraction correspond à l'étape 2, l'ajout d'eau salée dans l'ampoule à décanter. Pour le schéma de Q5, on justifie la position des phases par les masses volumiques : l'ester (0,902 g/mL) surnage au-dessus de l'eau salée (1,15 g/mL), qui retient l'éthanol, l'acide éthanoïque et l'acide sulfurique, très solubles. Placer la phase organique en bas par habitude coûte des points. En Q6, l'acide éthanoïque réagit avec les ions hydrogénocarbonate : le gaz formé est le dioxyde de carbone, d'où le dégazage prévu par le protocole.

Rendement et déplacement d'équilibre (Q7 et Q8)

Le calcul du rendement repose sur la relation n = ρV/M pour un liquide pur. L'éthanol est le réactif limitant : n_max = 0,200 mol, alors que l'on obtient 0,123 mol d'ester, d'où un rendement de 61,4 %. Le piège consiste à calculer n_max avec l'acide éthanoïque, ou à comparer des volumes. En Q8, les propositions A (un réactif en excès) et C (éliminer l'eau formée) augmentent le rendement ; doubler la quantité de catalyseur accélère la transformation sans modifier l'état final.

Dosage par étalonnage du pigment (Q9 à Q13)

La solution étalon S₅ se prépare avec une pipette jaugée de 10,0 mL et une fiole jaugée de 50,0 mL : C₅ = 7,16 × 10^-5 mol/L. Le spectrophotomètre se règle au maximum d'absorption, vers 510 nm. Pour valider la loi de Beer-Lambert, il faut une droite passant par l'origine, et pas seulement une droite. Avec A_S = 0,360, on obtient C_S = 31,9 µmol/L, puis n(Fe₂O₃) = 0,80 × 10^-6 mol en n'oubliant pas le facteur 2 entre Fe₂O₃ et les ions fer. Le pourcentage massique de pigment vaut environ 1,2 %, bien en dessous des 5 % optimaux : le vernis n'a pas un pouvoir couvrant optimal.

Conseils pour réussir cet exercice

Gardez les valeurs non arrondies dans la calculatrice pour le rendement, convertissez les µmol/L et les mL avant de multiplier, et justifiez chaque choix expérimental par une donnée de l'énoncé : masse volumique, solubilité ou précision de la verrerie. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec les pièges et les méthodes à retenir.