Étude d'une estérification : un exercice de chimie très complet

Cet exercice de 6 points du Bac S 2003 Inde (Pondichéry) suit la formation d'un ester à partir de 0,500 mol d'acide éthanoïque et de 0,500 mol de propan-1-ol. Sept erlenmeyers identiques sont préparés, puis dosés d'heure en heure par une solution d'hydroxyde de sodium. L'exercice mobilise trois grands chapitres : la synthèse organique, les titrages acido-basiques et l'évolution d'un système vers l'équilibre, avec une partie de cinétique.

Partie 1 : la réaction d'estérification

Question 1.a : équation et nom de l'ester

L'acide éthanoïque et le propan-1-ol donnent l'éthanoate de propyle et de l'eau. La transformation étant limitée, on écrit une double flèche. Le nom de l'ester se construit avec la terminaison « -oate » pour la partie issue de l'acide, suivie du groupe alkyle apporté par l'alcool.

Questions 1.b et 1.c : quantités de matière

La masse molaire du propan-1-ol vaut 60 g/mol ; avec une masse volumique de 0,80 g/cm³, il faut prélever 37,5 mL, soit environ 38 mL. L'équation montre ensuite qu'une mole d'ester formé consomme une mole d'acide : la quantité d'ester est égale à 0,500 mol moins la quantité d'acide restant.

Partie 2 : le titrage de l'acide restant

Questions 2.a et 2.b : réaction de titrage et constante K

L'acide éthanoïque réagit avec les ions hydroxyde ; l'ion sodium est spectateur. En multipliant numérateur et dénominateur par la concentration en ions oxonium, on montre que K = K_A / K_e = 10^9,2, soit 1,6 × 10⁹. Cette valeur très grande justifie que la réaction de titrage soit considérée comme totale. Inverser le rapport conduit à une valeur absurde.

Question 2.c : exploiter l'équivalence

Pour l'erlenmeyer n°1, le volume équivalent de 14,2 mL donne 1,42 × 10^-2 mol d'acide dans le bécher. La prise d'essai ne représente qu'un vingtième de la solution : il reste donc 0,284 mol d'acide dans l'erlenmeyer, et il s'est formé 0,216 mol d'ester. Oublier ce facteur 20 est l'erreur la plus fréquente.

Partie 3 : cinétique et équilibre

Question 3.a : avancement et rendement

Le tableau d'avancement donne x_max = 0,500 mol, les réactifs étant en proportions stœchiométriques. Le palier de la courbe de l'annexe indique x_éq = 0,335 mol. La transformation est limitée et le rendement vaut 67 %, valeur classique pour un mélange équimolaire d'acide carboxylique et d'alcool primaire.

Question 3.b : vitesse volumique

La vitesse volumique s'écrit v = (1/V) dx/dt ; elle est proportionnelle au coefficient directeur de la tangente à la courbe. Les tangentes sont de moins en moins inclinées : la vitesse diminue, car la concentration des réactifs baisse, puis s'annule à l'équilibre. Attention à ne pas confondre la diminution de la vitesse et celle de l'avancement, qui augmente jusqu'au palier.

Questions 3.c et 3.d : constante d'équilibre et déplacement

Ici l'eau n'est pas le solvant : elle figure dans l'expression de K', qui vaut 4,12. Après l'ajout d'une mole d'acide, le quotient de réaction tombe à 0,58, inférieur à K' : le système évolue dans le sens direct. La résolution d'une équation du second degré donne un nouvel avancement à l'équilibre de 0,45 mol, et le rendement passe à 90 %. Une des deux racines est à rejeter, car elle dépasse l'avancement maximal fixé par l'alcool.

Conseils pour réussir

Cet exercice récompense la rigueur : un tableau d'avancement propre, des unités suivies et un critère d'évolution bien appliqué. Entraîne-toi à comparer systématiquement Q_r et K, et à vérifier chaque racine d'une équation par rapport à l'avancement maximal. Le corrigé détaillé reprend chaque question comme sur une copie, avec les pièges et les méthodes à retenir.