Autour de l'odeur de rhum : une synthèse de documents du Bac S 2014

L'exercice 3 du Bac S Métropole rattrapage 2014, sur 5 points pour environ 50 minutes, ne comporte qu'une seule question : rédiger un paragraphe argumenté d'une vingtaine de lignes pour désigner le protocole le plus judicieux de synthèse du méthanoate d'éthyle, l'ester qui contribue à l'odeur du rhum. Ce format de résolution de problème déstabilise souvent : il n'y a pas de questions intermédiaires pour guider le raisonnement, et les calculs doivent être détaillés.

Poser la réaction et le critère de comparaison

Les quatre protocoles mettent en œuvre la même estérification entre l'acide méthanoïque et l'éthanol, qui donne l'ester et de l'eau. Une mole d'acide et une mole d'alcool donnent une mole d'ester. L'éthanol, introduit à 0,30 mol, n'est jamais en excès : la quantité maximale d'ester vaut donc 0,30 mol dans tous les cas. Le critère naturel est le rendement, rapport de la quantité d'ester obtenue à cette quantité maximale.

Protocoles 1 et 2 : vitesse et équilibre

Le protocole 1 chauffe à reflux sans catalyseur : la réaction est si lente qu'après plusieurs heures le système n'a pas évolué, le rendement est nul. Le protocole 2 ajoute de l'acide sulfurique, catalyseur qui accélère la réaction : l'état final est atteint, mais la réaction est limitée et le rendement plafonne à 67 %. C'est le piège principal de l'exercice : le catalyseur n'augmente pas le rendement, il permet seulement d'atteindre l'état d'équilibre en un temps raisonnable. Pour faire mieux, il faut déplacer l'équilibre.

Protocoles 3 et 4 : deux façons de déplacer l'équilibre

Le protocole 3 utilise un large excès d'acide, 2,02 mol, dont il reste 1,73 mol : la quantité d'ester formée vaut 2,02 − 1,73 = 0,29 mol, d'où un rendement de 0,29/0,30, soit 97 %. Le rendement se rapporte bien à l'éthanol, réactif limitant ; rapporté à l'acide introduit, il ne vaudrait que 14 %.

Le protocole 4 élimine un produit au fur et à mesure : l'ester, espèce la plus volatile avec une température d'ébullition de 55 °C, distille seul tant que la tête de colonne reste à cette température. Retiré du ballon, il ne peut plus réagir avec l'eau. À partir du volume de distillat, 23,4 mL, de la masse volumique 0,918 g/mL et de la masse molaire 74 g/mol, on trouve 0,29 mol d'ester, soit encore un rendement de 97 %.

Trancher entre deux rendements égaux

Les protocoles 3 et 4 donnent le même rendement : c'est là que l'argumentation fait la différence. Le protocole 3 consomme près de sept fois plus d'acide, dont la majeure partie n'est pas transformée, et l'ester reste mélangé à l'acide, à l'eau et au catalyseur, ce qui impose une extraction. Dans le protocole 4, les réactifs sont en proportions stœchiométriques et l'ester est recueilli déjà séparé. Le protocole 4 est donc le plus judicieux.

Conseils pour ce type de sujet

Annonce la réaction et le critère, traite chaque protocole en disant ce qu'il change par rapport au précédent, effectue les calculs manquants, puis conclus avec des arguments tirés des documents. Garde deux chiffres significatifs, comme les données. Le corrigé détaillé propose une rédaction complète à prendre pour modèle.