De l'estérification historique à la chimie verte

L'exercice 1 du bac S Polynésie rattrapage 2008, noté sur 4 points (environ 52 minutes), est un exercice de chimie organique construit autour de deux prix et de deux époques. En 1862, Marcellin Berthelot décrit les « trois phénomènes essentiels » de la réaction entre un acide et un alcool ; en 2005, Yves Chauvin reçoit le prix Nobel pour la réaction de métathèse. L'exercice mobilise l'estérification, la constante d'équilibre, le tableau d'avancement, le rendement et la catalyse.

Partie 1 : les activités du chimiste

Les trois phénomènes de Berthelot

L'estérification est lente, limitée et athermique. Une seule de ces caractéristiques suffit pour répondre, mais le tableau de la partie 2 illustre bien les deux premières : il faut 368 jours pour atteindre 55 %, et le pourcentage n'approche jamais 100 %.

Hydrolyse et catalyseur

La réaction d'un ester avec l'eau est une hydrolyse, réaction inverse de l'estérification. Le piège classique consiste à répondre « saponification » : celle-ci met en jeu l'ion hydroxyde et elle est totale. Un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction sans figurer dans son équation et permet d'atteindre plus vite l'état final, sans le modifier. Écrire qu'il augmente la quantité de produit est faux.

Partie 2 : l'estérification historique

Le produit et son groupe caractéristique

Le groupe à entourer comprend l'atome de carbone, l'oxygène doublement lié et l'oxygène lié par une liaison simple : c'est le groupe ester. La partie issue de l'acide éthanoïque donne « éthanoate », la chaîne issue de l'éthanol donne « éthyle » : le produit est l'éthanoate d'éthyle.

Équation et constante d'équilibre

L'acide éthanoïque réagit avec l'éthanol pour former l'ester et de l'eau. Ici l'eau n'est pas le solvant : elle figure dans l'expression de K comme les autres espèces, et le volume se simplifie. Retirer l'eau de l'expression de K, par habitude des solutions aqueuses, est une erreur fréquente.

Tableau d'avancement et rendement

Le mélange est équimolaire, avec 1,00 mol d'acide et 1,00 mol d'alcool. À chaque instant, les quantités d'acide et d'alcool valent 1,00 − x, celles d'ester et d'eau valent x. En assimilant l'état final à la dernière mesure de Berthelot (55,0 % à 368 jours), on obtient x_f = 0,550 mol. Avec x_max = 1,00 mol, le rendement vaut 55,0 %. Les chiffres significatifs comptent : on écrit 0,550 mol et non 0,55 mol.

Comparer avec la valeur actuelle de 0,67 mol

Dans le tableau, le pourcentage augmente encore entre 277 et 368 jours : à 20 °C et sans catalyseur, l'équilibre n'était pas atteint. La valeur 0,67 mol correspond à K = 4 (x = 2/3). Ne pas invoquer le chauffage ou le catalyseur comme moyen d'augmenter le rendement : la réaction étant athermique, l'état d'équilibre reste le même ; seule la durée pour l'atteindre change.

Partie 3 : la métathèse de Chauvin

Les hydrocarbures possédant une double liaison C=C forment la famille des alcènes. Une catalyse est homogène quand catalyseur et réactifs sont dans la même phase, hétérogène dans le cas contraire. Éliminer l'eau au fur et à mesure maintient le quotient de réaction Q_r inférieur à K : le système évolue sans cesse dans le sens direct et la transformation peut devenir totale. Enfin, la température, ou la concentration des réactifs, est un facteur cinétique ; le catalyseur étant déjà cité dans le texte, mieux vaut proposer un autre facteur.

Conseils pour réussir

Distinguez toujours ce qui modifie la vitesse (température, catalyseur, concentrations) de ce qui modifie l'état final (excès d'un réactif, élimination d'un produit). Soignez le tableau d'avancement et gardez trois chiffres significatifs, comme dans les données.