Exercices : Contrôle de l’évolution de systèmes chimiques par changement de réactif ou par catalyse
Contrôle de l’évolution de systèmes chimiques par changement de réactif ou par catalyse
Chimie
Safi
Pour comparer la réaction de l’acide butanoïque et la réaction de son anhydride sur l’éthanol, on réalise séparément deux expériences à la même température.
– La première expérience : On introduit dans un ballon la quantité $n_0 = 0{,}3\ \mathrm{mol}$ d’éthanol, la même quantité $n_0$ d’acide butanoïque et quelques gouttes d’acide sulfurique concentré ; puis on chauffe à reflux le mélange. Une réaction d’estérification se produit.
– La deuxième expérience : On introduit dans un autre ballon la quantité $n_0 = 0{,}3\ \mathrm{mol}$ d’anhydride butanoïque et la même quantité $n_0$ d’éthanol, puis on chauffe à reflux le mélange. Une réaction chimique se produit.
Les courbes (1) et (2) de la figure ci-contre représentent respectivement, l’évolution temporelle de l’avancement de la réaction lors de la première et de la deuxième expérience.
❶ Quel est l’intérêt d’un chauffage à reflux ?
❷ Déterminer pour chaque expérience, la valeur du temps de demi-réaction $t_{1/2}$. En déduire la réaction la plus rapide.
❸ Déterminer pour chaque expérience, le taux d’avancement final de la réaction. En déduire laquelle des deux réactions chimiques est totale.
❹ En utilisant les formules semi-développées, écrire l’équation de la réaction chimique qui se produit lors de la deuxième expérience.
L’aspirine ou acide acétylsalicylique, est parmi les médicaments les plus utilisés au monde, c’est un anti-inflammatoire qui soulage la douleur et la fièvre…
On propose dans cet exercice une méthode de synthèse de l’aspirine.
- Toutes les mesures ont été effectuées à $25\,°\mathrm{C}$ ;
- Le tableau suivant donne les noms des réactifs et des produits et quelques valeurs qui les caractérisent.
| Nom | Acide salicylique | Acide acétylsalicylique | Acide éthanoïque | Anhydride d’éthanoïque |
|---|---|---|---|---|
| Formule brute | $\ce{C7H6O3}$ | $\ce{C9H8O4}$ | $\ce{C2H4O2}$ | $\ce{C4H6O3}$ |
| Formule semi-développée | $\ce{CH3-COOH}$ | |||
| Masse molaire ($\mathrm{g.mol^{-1}}$) | 138 | 180 | 138 | 102 |
| Masse volumique ($\mathrm{g.mL^{-1}}$) | – | – | – | 1,08 |
- On désignera l’acide acétylsalicylique par $\mathrm{AH}$ et sa base conjuguée par $\mathrm{A^-}$ ;
- La constante d’équilibre de la réaction de l’acide éthanoïque avec l’acide salicylique est : $K = 7{,}0.10^{-3}$.
Pour préparer l’aspirine (Acide acétylsalicylique $\mathrm{AH}$), deux groupes d’élèves ont réalisé deux expériences différentes.
❶ Première expérience : La synthèse de l’aspirine $\mathrm{AH}$ a été réalisée par réaction de l’acide éthanoïque avec le groupe hydroxyle de l’acide salicylique qu’on désignera par : $\mathrm{ROH}$.
Le premier groupe a réalisé un chauffage à reflux d’un mélange de volume constant $V$, constitué des quantités de matières $n_1 = 0{,}2\ \mathrm{mol}$ d’acide éthanoïque et $n_2 = 0{,}2\ \mathrm{mol}$ d’acide salicylique et de quelques gouttes d’acide sulfurique concentré.
❶❶ Ecrire, en utilisant les formules semi-développées, l’équation modélisant cette réaction chimique, et donner son nom.
❶❷ Montrer, en utilisant le tableau descriptif, que : $K = \dfrac{x_{eq}^2}{(0{,}2 – x_{eq})^2}$. Tel que $x_{eq}$ désigne l’avancement de la réaction à l’équilibre.
❶❸ Calculer le rendement $r_1$ de cette réaction.
❷ Deuxième expérience :
Pour préparer une masse $m(\mathrm{AH}) = 15{,}3\ \mathrm{g}$ d’aspirine, le deuxième groupe a préparé un mélange constitué de la masse $m_1 = 13{,}8\ \mathrm{g}$ d’acide salicylique et $v = 19{,}0\ \mathrm{mL}$ d’anhydride éthanoïque et quelques gouttes d’acide sulfurique concentré. On modélise la réaction ayant lieu par l’équation suivante :
Calculer, en utilisant le tableau descriptif, le rendement $r_2$ de cette réaction.
❸ Quelle est l’expérience la plus convenable à la synthèse commerciale de l’aspirine ? Justifier.
Les produits et les caractéristiques de la réaction d’hydrolyse d’un ester varient selon la nature du milieu réactionnel.
Cette partie de l’exercice a pour but d’étudier l’hydrolyse d’un ester en milieu acidulé et l’hydrolyse basique de cet ester.
On mélange dans un erlenmeyer $0{,}6\ \mathrm{mol}$ d’éthanoate de méthyle pur $\ce{CH3-CO2-CH3}$ avec $0{,}6\ \mathrm{mol}$ d’eau distillée. On ajoute quelques gouttes d’acide sulfurique concentré et on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant un certain temps. Une réaction chimique se produit. A l’équilibre, il reste $0{,}4\ \mathrm{mol}$ d’éthanoate de méthyle.
❶❶ Quel est le rôle de l’acide sulfurique ajouté ?
❶❷ Citer deux caractéristiques de cette réaction.
❶❸ Choisir parmi les montages expérimentaux (a), (b) ou (c), le montage utilisé pour le chauffage à reflux.
❶❹ Ecrire l’équation de la réaction chimique étudiée en utilisant les formules semi-développées.
❶❺ Calculer la constante d’équilibre $K$ associée à l’équation de cette réaction chimique.
On introduit, à la date $t = 0$, la quantité de matière $n_0$ de l’éthanoate de méthyle dans un bécher contenant la même quantité de matière $n_0$ d’hydroxyde de sodium ($\ce{Na^{+}_{(aq)} + HO^{-}_{(aq)}}$) de concentration $C_0 = 10^{-2}\ \mathrm{mol.L^{-1}}$ et de volume $V_0$.
On obtient un mélange réactionnel équimolaire de volume $V \approx V_0 = 10^{-1}\ \mathrm{L}$.
L’équation de la réaction chimique produite s’écrit :
$\ce{CH3-CO2-CH3_{(l)} + HO^{-}_{(aq)} -> Al_{(l)} + B^{-}_{(aq)}}$
❷❶ Ecrire les formules semi-développées des espèces chimiques $\mathrm{Al}$ et $\mathrm{B^-_{(aq)}}$.
❷❷ On suit l’évolution temporelle de cette transformation en mesurant la conductance $G$ du mélange réactionnel à des instants différents.
Le graphe ci-dessous représente la courbe $G(t)$.
A chaque instant $t$, l’avancement $x(t)$ peut être calculé par l’expression :
$x(t) = -6{,}3.10^{-2}\,G(t) + 1{,}57.10^{-3}$
Avec $G(t)$ la conductance du mélange réactionnel exprimée en siemens ($\mathrm{S}$) et $x(t)$ en $\mathrm{mol}$.
❷❷❶ Déterminer $G_{1/2}$, la conductance du mélange réactionnel quand $x = \dfrac{x_{max}}{2}$, $x_{max}$ étant l’avancement maximal de réaction.
❷❷❷ Trouver, en minutes, la valeur du temps de demi-réaction $t_{1/2}$.
On mélange dans un ballon $1\ \mathrm{mol}$ d’éthanoate d’éthyle pur avec $1\ \mathrm{mol}$ d’eau distillée, on ajoute quelques gouttes d’acide sulfurique concentré et on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant un certain temps. Une réaction chimique se produit. A l’équilibre, il reste $0{,}67\ \mathrm{mol}$ d’éthanoate d’éthyle.
❶❶ Quel est le rôle de l’acide sulfurique ajouté ?
❶❷ Citer deux caractéristiques de cette réaction.
❶❸ Ecrire l’équation de la réaction chimique étudiée en utilisant les formules semi-développées.
❶❹ Calculer la constante d’équilibre $K$ associée à l’équation de cette réaction chimique.
On introduit, à la date $t = 0$, la quantité de matière $n_0$ de l’éthanoate d’éthyle dans un bécher contenant la même quantité de matière $n_0$ d’hydroxyde de sodium ($\ce{Na^{+}_{(aq)} + HO^{-}_{(aq)}}$) de concentration $C_0 = 10\ \mathrm{mol.m^{-3}}$ et de volume $V_0$.
On considère que le mélange réactionnel obtenu a un volume $V \approx V_0 = 10^{-4}\ \mathrm{m^3}$.
L’équation associée à la réaction chimique s’écrit :
$\ce{C4H8O2_{(l)} + HO^{-}_{(aq)} -> A^{-}_{(aq)} + B_{(aq)}}$
❷❶ Ecrire la formule semi-développée de l’espèce chimique $\mathrm{A^-}$ et donner son nom.
❷❷ Dresser le tableau d’avancement de la réaction.
❷❸ On suit l’évolution de la réaction en mesurant la conductivité $\sigma$ du mélange réactionnel à des instants différents.
Le graphe ci-dessous représente $\sigma(t)$ ainsi que la tangente (T) à l’origine.
A chaque instant $t$, l’avancement $x(t)$ peut être calculé par l’expression :
$x(t) = -6{,}3.10^{-3}\,\sigma(t) + 1{,}57.10^{-3}$
Avec $\sigma(t)$ la conductivité du mélange réactionnel exprimée en $\mathrm{S.m^{-1}}$ et $x(t)$ en $\mathrm{mol}$.
En exploitant la courbe expérimentale :
❷❸❶ Calculer $\sigma_{1/2}$, la conductivité du mélange réactionnel quand $x = \dfrac{x_{max}}{2}$, $x_{max}$ étant l’avancement maximal de réaction.
❷❸❷ Trouver, en minutes, le temps de demi-réaction $t_{1/2}$.
❷❸❸ Déterminer, en $\mathrm{mol.m^{-3}.min^{-1}}$, la vitesse volumique $v$ de la réaction à la date $t = 0$.
