Un arôme de poire fabriqué au laboratoire

Ce premier exercice du bac S 2012 au Liban, noté sur 7 points, est le plus lourd du sujet. Il étudie la synthèse du butanoate d'isoamyle, ester à l'odeur fruitée, à partir de l'acide butyrique et de l'alcool isoamylique. On y retrouve tout le parcours classique de l'estérification : nomenclature, montage, équilibre chimique, suivi cinétique et moyens d'améliorer le rendement.

Partie 1 : nommer et écrire la réaction

La chaîne carbonée la plus longue de l'acide compte quatre atomes de carbone, celui du groupe carboxyle compris : c'est l'acide butanoïque. Le produit, avec son nom en « -oate de … yle », est un ester. L'équation s'écrit acide carboxylique + alcool = ester + eau ; l'oubli de l'eau est l'erreur la plus fréquente. On retient enfin les deux caractéristiques de l'estérification : elle est lente et limitée, car l'hydrolyse de l'ester se produit en même temps.

Partie 2 : le chauffage à reflux

Le montage est un chauffage à reflux, avec un réfrigérant à boules et un chauffe-ballon. Ses deux intérêts doivent être cités ensemble : le chauffage accélère la réaction et le réfrigérant condense les vapeurs, ce qui évite toute perte de matière. L'acide sulfurique joue le rôle de catalyseur : il accélère la transformation sans modifier l'état d'équilibre final.

Partie 3 : équilibre et rendement

Dans l'état initial, il n'y a ni ester ni eau, donc le quotient de réaction est nul, inférieur à K = 4,0 : le système évolue dans le sens direct. Le calcul des quantités de matière passe par n = ρV/M ; le piège consiste à convertir le volume alors que la masse volumique est donnée en g par mL. On obtient 0,12 mol pour l'acide comme pour l'alcool : le mélange est équimolaire. Pour montrer que l'avancement à l'équilibre vaut 0,080 mol, le volume se simplifie et la racine carrée de K évite de résoudre une équation du second degré. Le taux d'avancement final vaut 0,67, et la masse d'ester attendue est d'environ 13 g.

Partie 4 : suivi cinétique

La vitesse volumique se définit comme la dérivée de l'avancement par rapport au temps, divisée par le volume du mélange. Les tangentes à la courbe sont de moins en moins inclinées : la vitesse diminue, car les concentrations des réactifs diminuent. Au bout d'une heure, l'avancement lu reste inférieur à 0,080 mol et la courbe monte encore : la réaction n'est pas terminée. Le temps de demi-réaction se lit à l'ordonnée 0,040 mol, soit environ 21 min. Attention au piège : il faut prendre la moitié de l'avancement final, pas la moitié de la dernière valeur du graphique.

Partie 5 : améliorer la synthèse

Chauffer davantage ne change pas le rendement, puisque la température agit sur la vitesse et non sur l'avancement final. En revanche, éliminer l'eau par distillation fractionnée, espèce de plus basse température d'ébullition, empêche l'hydrolyse et déplace l'équilibre vers l'ester. Remplacer l'acide par l'anhydride butanoïque donne une réaction totale et plus rapide, qui forme de l'acide butanoïque au lieu de l'eau.

Conseils pour réussir

Rédigez chaque justification avec le critère d'évolution, gardez deux chiffres significatifs et tracez proprement les tangentes et les lectures graphiques sur l'annexe : une grande partie des points tient à ces détails de méthode.