L'acétanilide : synthèse, équilibre et optimisation du rendement

L'exercice 3 du bac 2023 de physique-chimie en Centres étrangers 1 (jour 2) vaut 4,5 points, soit environ 48 minutes. Il porte sur l'acétanilide, molécule autrefois utilisée comme antipyrétique, obtenue par réaction entre l'anhydride éthanoïque et l'aniline. Les 12 questions vont de l'identification de la molécule à la comparaison de trois protocoles de synthèse, en passant par le quotient de réaction et le rendement.

Formule topologique et spectre infrarouge (Q1 et Q2)

Dans la formule topologique, les atomes de carbone et les hydrogènes qu'ils portent ne s'écrivent pas, mais l'oxygène et le groupe NH restent visibles. Le carbone du groupe carbonyle est lié à un atome d'azote : l'acétanilide est un amide. Répondre « cétone » parce qu'on voit C=O est l'erreur la plus fréquente. Le spectre infrarouge confirme cette famille : une bande forte vers 3300 cm⁻¹ pour la liaison N–H et une bande intense vers 1660 cm⁻¹ pour la liaison C=O d'un amide. Chaque bande se justifie par sa position, l'intervalle du tableau et la liaison associée, en n'oubliant pas que l'axe des nombres d'onde est gradué de droite à gauche.

Proportions stœchiométriques et sens d'évolution (Q3 à Q6)

Les réactifs sont des liquides purs : leur quantité de matière se calcule par n = ρV/M. On obtient 0,159 mol pour chacun, ce qui établit les proportions stœchiométriques. Comparer les volumes ou les masses ne prouve rien. À l'état initial, aucun produit n'est formé : le quotient de réaction vaut 0, inférieur à K = 1,0, donc le système évolue dans le sens direct. Le tableau d'avancement se complète avec x_f et non x_max à l'état final, puisque la transformation est limitée.

Rendement et état d'équilibre (Q7 à Q10)

Si la réaction était totale, la masse maximale d'acétanilide vaudrait 21,4 g. Il faut garder la valeur complète de la quantité de matière dans la calculatrice : avec 0,159 mol arrondi, on trouverait 21,5 g. Avec 10,7 g obtenus, le rendement du protocole 1 vaut 0,500, soit 50 %. L'avancement final se déduit de la masse pesée, x_f = 7,92 × 10⁻² mol, et le quotient de réaction final, exprimé comme le carré de x_f/(n_i − x_f), vaut environ 0,99. Il est égal à K à la précision des données : l'équilibre est atteint. Le dénominateur, différence de deux valeurs proches, rend ce calcul sensible aux arrondis.

Optimiser le rendement (Q11 et Q12)

Le protocole 2 utilise un montage Dean-Stark qui élimine un produit au fur et à mesure : le quotient de réaction reste inférieur à K et la réaction se poursuit jusqu'à un rendement de 1,0. Le protocole 3 double le volume d'anhydride éthanoïque : ce réactif en excès permet d'atteindre l'équilibre pour un avancement plus élevé, et le rendement passe à 0,67. Dans les deux cas, K ne change pas ; seule la composition du système est modifiée. Le protocole 2 est le plus intéressant : meilleur rendement et deux fois moins d'anhydride que le protocole 3.

Conseils pour réussir

Écrivez toujours la comparaison entre Q_r et K avec leurs deux valeurs, raisonnez sur les quantités de matière et justifiez chaque choix de protocole par le quotient de réaction. Le corrigé détaillé détaille chaque calcul et chaque justification attendue.