L'acide salicylique, une molécule aux deux visages

Le troisième exercice du bac S 2012 des centres étrangers vaut 4 points. Il porte sur l'acide salicylique, noté A, qui possède deux groupes caractéristiques capables de réagir selon la nature du réactif. Avec le méthanol, il donne le salicylate de méthyle F ; avec l'acide éthanoïque, il donne l'aspirine G. L'exercice mêle chimie organique, techniques de laboratoire et étude d'un équilibre chimique, trois thèmes centraux de l'ancien programme de terminale S.

Partie 1 : identifier les groupes caractéristiques

Le groupe entouré dans F et G est un groupe ester, ce que confirme le texte en parlant d'estérification. Il ne faut pas le confondre avec le groupe carboxyle : ici, l'oxygène simple liaison ne porte pas d'hydrogène. Le raisonnement sur A est le cœur de cette partie. Face au méthanol, qui est un alcool, A joue le rôle de l'acide : il possède un groupe carboxyle. Face à l'acide éthanoïque, A joue le rôle de l'alcool : il possède un groupe hydroxyle fixé sur le cycle. On en déduit la formule de A, un cycle benzénique portant –COOH et –OH sur deux carbones voisins, de formule brute C₇H₆O₃, cohérente avec M(A) = 138 g/mol.

Partie 2 : la synthèse du salicylate de méthyle

Le montage est un chauffage à reflux. On attend ses deux intérêts : la température accélère la réaction, et le réfrigérant condense les vapeurs, ce qui évite toute perte de matière. Le reflux n'améliore pas le rendement final. Le calcul des quantités initiales montre que le méthanol est environ 32 fois plus abondant que l'acide salicylique : il est en large excès, et A est limitant. Cet excès déplace l'équilibre d'estérification dans le sens direct et augmente donc le rendement. L'acide sulfurique, lui, est un catalyseur : il accélère la réaction sans modifier l'état d'équilibre. La masse maximale de F vaut 1,65 g, et le rendement expérimental, avec 1,27 g obtenus, est d'environ 77 %.

Partie 3 : l'équilibre de synthèse de l'aspirine

Le mélange est homogène et l'eau n'y est pas le solvant : elle figure dans le quotient de réaction. Dans l'état initial, il n'y a ni aspirine ni eau, donc Q_r,i = 0. Comme Q_r,i est inférieur à K = 7,7 × 10⁻³, le système évolue spontanément dans le sens direct. Le tableau d'avancement se complète avec des coefficients tous égaux à 1, sans oublier les deux zéros de l'état initial. La relation fournie donne x_f = 8,1 × 10⁻³ mol ; le mélange étant stœchiométrique, x_max = 0,10 mol et τ ≈ 8 %. Utiliser K au lieu de √K donnerait une valeur dix fois trop faible. Pour améliorer le rendement, on remplace l'acide éthanoïque par l'anhydride éthanoïque : la réaction ne produit plus d'eau et devient totale.

Pièges et conseils

Distinguez bien ce qui modifie la vitesse (température, catalyseur) de ce qui modifie le rendement (excès d'un réactif, élimination d'un produit, changement de réactif). Comparez toujours des quantités de matière, jamais des masses ou des volumes. Gardez en mémoire les valeurs non arrondies d'une question à l'autre pour éviter d'accumuler les erreurs. Enfin, justifiez chaque groupe caractéristique par un argument tiré des équations de réaction.