Hydrolyse acide, hydrolyse basique et savon : un exercice complet de chimie organique

Ce premier exercice du Bac S Amérique du Nord 2011, noté sur 6,5 points, suit un même ester, l'éthanoate de benzyle, à travers trois transformations indépendantes. La première partie étudie son hydrolyse par l'eau, catalysée par l'acide sulfurique et conduite à reflux. La deuxième compare avec une hydrolyse basique, suivie dans le temps. La troisième élargit à la fabrication d'un savon. C'est un excellent entraînement pour distinguer une réaction limitée d'une réaction totale, l'un des fils rouges de l'ancien programme de chimie de terminale.

Partie 1 : une hydrolyse lente et limitée

La question 1.1.1 demande l'équation avec les formules semi-développées : l'ester se coupe en acide éthanoïque et en alcool benzylique. Le nom de l'ester guide l'écriture : « éthanoate » désigne la partie acide, « de benzyle » la partie alcool. La question suivante attend les deux caractéristiques classiques : la réaction est lente et limitée, car l'estérification inverse redonne de l'ester et de l'eau.

Le montage de chauffage à reflux est à schématiser en 1.2.1. Le corrigé fournit un schéma légendé et rappelle que l'eau entre par le bas du réfrigérant, dont le sommet reste ouvert. L'acide sulfurique joue le rôle de catalyseur : il accélère la réaction sans modifier l'état final.

Le cœur de la partie est la question 1.3. Après le tableau d'avancement littéral, il faut établir K = τ²/(1 − τ)². Le piège signalé dans le corrigé est de taille : ici l'eau est un réactif introduit en quantité n0, et non le solvant, donc sa concentration figure dans K. Avec K = 0,25, la racine carrée donne τ = 0,50/1,50 = 0,33, soit le rendement de 33 % annoncé. La question 1.4 se traite avec le quotient de réaction : extraire l'alcool rend Qr inférieur à K, le système évolue dans le sens direct et le rendement augmente.

Partie 2 : l'hydrolyse basique, suivie au cours du temps

En milieu basique, l'ion carboxylate ne réagit pas avec l'alcool : la réaction devient totale. La relation n(HO⁻)restant = 10 × 10⁻³ − x permet de compléter le tableau de l'annexe : x vaut 2,7 mmol à 4 min et 4,2 mmol à 6 min. Pour l'avancement final, il faut penser que chaque prélèvement de 20,0 mL ne représente que le dixième du mélange : 1,00 g d'ester, soit xf = 6,67 mmol. Calculer avec les 10,0 g complets donnerait 66,7 mmol, une valeur incompatible avec le tableau.

Le temps de demi-réaction se lit sur la courbe complétée, à l'ordonnée xf/2 = 3,33 mmol : on trouve environ 4,8 min. Le piège est de prendre la moitié de la dernière valeur mesurée, alors que la réaction n'est pas terminée à 16 min. La vitesse diminue au cours du temps, comme le montrent les tangentes de moins en moins inclinées. En chauffant, la courbe monte plus vite mais tend vers la même limite.

Partie 3 : obtention d'un savon

Il faut écrire le glycérol et le tributyrate de glycéryle, triester du glycérol et de l'acide butyrique. Le relargage, ajout d'eau salée, fait précipiter le savon, moins soluble dans l'eau salée, que l'on récupère par filtration.

Conseils pour réussir

Soignez les formules semi-développées, justifiez chaque étape de la démonstration de K et vérifiez la cohérence de vos résultats avec les données du tableau. Une valeur dix fois trop grande doit toujours vous alerter.