Une synthèse non totale : l'estérification

L'exercice 3 du bac 2026 de physique-chimie en Centres étrangers 1 (jour 2) compte 4 points. Il porte sur la synthèse de l'éthanoate d'éthyle, CH₃COOC₂H₅, à partir d'un acide et d'un alcool introduits en même quantité. L'exercice mêle chimie expérimentale, avec le choix du montage, et raisonnement sur l'équilibre chimique, avec le taux d'avancement final et la constante d'équilibre. C'est un exercice court, où chaque réponse doit être justifiée en une ou deux phrases précises.

Questions 1 et 2 : le montage et le catalyseur

Le protocole impose un chauffage à reflux : le réfrigérant doit être vertical, au-dessus du ballon, ce qui désigne le montage 2. Le montage 1 est une distillation et le montage 3 recueille une partie du liquide condensé. La question porte sur l'intérêt des éléments, et pas seulement sur leur nom : le chauffe-ballon élève la température, facteur cinétique, pour accélérer la transformation ; le réfrigérant condense les vapeurs, qui retombent dans le ballon, pour éviter les pertes de matière. L'acide sulfurique, absent de l'équation, est un catalyseur : il réduit la durée de la synthèse mais ne change pas l'état final.

Question 3 : la masse maximale d'ester

Le mélange est stœchiométrique, avec 0,150 mol de chaque réactif : si la réaction était totale, l'avancement maximal vaudrait 0,150 mol. La masse molaire de l'ester, de formule brute C₄H₈O₂, vaut 88,0 g/mol, d'où une masse maximale de 13,2 g. L'erreur la plus fréquente est un mauvais décompte des atomes de l'ester.

Questions 4 et 5 : taux d'avancement et constante d'équilibre

Le taux d'avancement final est le quotient de l'avancement final par l'avancement maximal. On exprime les quantités finales à l'aide d'un tableau d'avancement, on écrit que le quotient de réaction est égal à K à l'équilibre, puis on remplace l'avancement final par τ fois n₀ : la quantité initiale se simplifie et l'on obtient K = τ² / (1 - τ)². Il faut dire explicitement que l'égalité entre quotient de réaction et constante d'équilibre n'est valable qu'à l'équilibre. Avec K = 4,0, l'équation a deux solutions, 0,67 et 2,0 ; seule la première a un sens chimique, car un taux d'avancement ne peut pas dépasser 1. La transformation n'est donc pas totale.

Questions 6 et 7 : la masse obtenue et le rendement

La masse d'ester réellement produite vaut τ × n₀ × M, soit 8,8 g, avec deux chiffres significatifs seulement puisque τ n'en a que deux. Répondre 13,2 g revient à oublier que la réaction s'arrête à l'équilibre. Pour augmenter le rendement, deux leviers sont attendus : introduire l'un des réactifs en excès, ou éliminer un produit au fur et à mesure de sa formation, par exemple l'eau. Dans les deux cas, le quotient de réaction reste inférieur à K et le système évolue dans le sens direct. Ajouter du catalyseur ou chauffer plus longtemps ne joue que sur la durée, pas sur le rendement.

Conseils pour cet exercice

Distinguez soigneusement ce qui agit sur la vitesse de la transformation (température, catalyseur) et ce qui agit sur l'état final (quantités introduites, élimination d'un produit). Cette distinction structure les questions 2 et 7. Pour les démonstrations littérales, écrivez chaque étape : définition, tableau d'avancement, condition d'équilibre, simplification.