L'acide formique : un exercice de chimie complet sur 10 points

L'exercice 1 du jour 2 du bac 2022 de physique-chimie Centres étrangers 1 est l'exercice commun, noté sur 10 points, pour lequel il faut prévoir environ 1 h 45. Il suit l'acide formique, ou acide méthanoïque, à travers trois situations : un remède contre les piqûres à base de carbonate de sodium, le contrôle de la teneur d'une solution commerciale par titrage, puis la synthèse d'un ester, le formiate d'éthyle. Il couvre ainsi une large part du programme de chimie de terminale.

Structure et réactions acide-base

Les premières questions sont rapides mais exigent de la précision. Le groupe à entourer est le groupe carboxyle COOH en entier, et non le seul groupe OH, qui caractériserait un alcool. Le nom acide méthanoïque se justifie par un seul atome de carbone et la présence du groupe carboxyle. L'équation de dissolution du carbonate de sodium doit comporter le coefficient 2 devant l'ion sodium pour conserver la charge. Enfin, l'ion carbonate joue le rôle de base : il capte l'ion hydrogène cédé par l'acide formique, qui est ainsi consommé.

Vérifier l'étiquette « 65 % »

La question 5 demande de retrouver une concentration de 16,3 mol par litre à partir de la densité 1,15, du pourcentage massique et de la masse molaire 46,0 g par mole. La méthode la plus sûre consiste à raisonner sur un litre de solution : masse de solution, puis masse d'acide, puis quantité de matière. Le piège classique est de garder la masse volumique en grammes par millilitre avec un volume exprimé en litres.

Viennent ensuite la réaction support du titrage par la soude, sans l'ion sodium spectateur, et la définition de l'équivalence. Le calcul montre qu'il faudrait 1,6 L de soude pour titrer directement 10 mL de solution commerciale, ce qui est impossible avec une burette de 25 mL. Une dilution au centième ramène le volume équivalent attendu à 16,3 mL, entre 15 et 20 mL. Le schéma du montage doit être légendé avec le nom de la verrerie et son contenu.

Exploiter la courbe de titrage

Par la méthode des tangentes parallèles, on lit un volume équivalent de 16,0 mL. On en déduit la concentration de la solution diluée, 0,160 mol par litre, sans oublier de multiplier par 100 pour revenir à la solution commerciale. Le pourcentage massique mesuré vaut 64 %, soit un écart relatif d'environ 1,5 % avec l'étiquette, explicable par les incertitudes de lecture, de dilution et de prélèvement.

Synthèse du formiate d'éthyle

Le catalyseur accélère la réaction sans modifier l'état final, et le chauffage agit comme facteur cinétique. Les quantités initiales, 0,53 mol d'acide et 0,35 mol d'éthanol, désignent l'éthanol comme réactif limitant : la quantité maximale d'ester est donc 0,35 mol. Les 22,5 g recueillis correspondent à 0,30 mol, d'où un rendement de 86 %. Diviser par la quantité du réactif en excès est l'erreur à éviter. L'excès d'un réactif et la distillation, qui retire l'ester le plus volatil au fur et à mesure, déplacent l'équilibre dans le sens direct.

Pureté du distillat et spectre infrarouge

La masse volumique du distillat, 0,896 g par mL, est inférieure à celle de l'ester pur : on suppose la présence d'éthanol. Le spectre IR le confirme par une bande forte et large entre 3200 et 3700 cm⁻¹, signature de la liaison OH d'un alcool, absente de l'ester. Le rendement de 86 % est donc surestimé.

Conseils

Cet exercice récompense la régularité : chaque partie réutilise un résultat précédent, souvent donné dans l'énoncé. Si un calcul bloque, il faut repartir de la valeur fournie pour ne pas perdre la suite. Soignez les unités, les chiffres significatifs et la justification de chaque conclusion expérimentale.