On mélange dans un ballon, la quantité $n_0 = 10^{-3}\ \mathrm{mol}$ d’acide lactique $\ce{CH3-CHOH-COOH}$ avec la même quantité $n_0 = 10^{-3}\ \mathrm{mol}$ de méthanol pur $\ce{CH3-OH}$, puis on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant une certaine durée.

On obtient à la fin de la réaction la quantité $n_E = 6.10^{-4}\ \mathrm{mol}$ d’un ester E.

❶ Citer deux caractéristiques de cette réaction.

❷ Proposer deux facteurs cinétiques pour accélérer la réaction d’estérification.

❸ Ecrire, en utilisant les formules semi développées, l’équation de la réaction ayant lieu entre l’acide lactique et le méthanol.

❹ Calculer le rendement $r$ à la fin de la réaction.

On mélange dans un ballon, la quantité $n_0 = 0{,}5\ \mathrm{mol}$ de l’acide propanoïque avec la même quantité $n_0 = 0{,}5\ \mathrm{mol}$ d’éthanol pur, puis on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant une certaine durée.

On obtient à la fin de la réaction la quantité $n_E = 0{,}33\ \mathrm{mol}$ d’un composé organique E.

❶ Citer deux caractéristiques de cette réaction.

❷ Ecrire la formule semi développée du composé E et donner son nom.

❸ Dresser le tableau d’avancement de la réaction.

❹ Calculer le rendement $r$ de cette réaction.

La synthèse de la phéromone au laboratoire, peut être réalisée par la réaction entre l’acide éthanoïque (A) et un alcool (B) de formule $\ce{C5H11-OH}$.

• La masse molaire de l’acide éthanoïque est : $M(\mathrm{CH_3COOH}) = 60\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;
• La masse volumique de l’acide éthanoïque pur est : $\rho = 1{,}05\ \mathrm{g.mL^{-1}}$ ;
• La masse molaire de la phéromone est : $M(\mathrm{P}) = 130\ \mathrm{g.mol^{-1}}$.

❶ Ecrire l’équation modélisant la réaction entre (A) et (B).

❷ Citer deux caractéristiques de cette réaction.

❸ On mélange le volume $V_A = 28{,}6\ \mathrm{mL}$ d’acide (A) pur, avec la quantité de matière $n_B = 0{,}50\ \mathrm{mol}$ de l’alcool (B). On ajoute quelques gouttes d’acide sulfurique. On chauffe à reflux, le mélange réactionnel pendant presque quatre heures. A l’équilibre, et après traitement nécessaire, on obtient une quantité de la phéromone (P), de masse $m_P = 43{,}40\ \mathrm{g}$.

❸❶ Quel est l’intérêt du chauffage à reflux, et de l’addition d’acide sulfurique ?

❸❷ Déterminer, à l’aide du tableau descriptif, la composition molaire du mélange réactionnel à l’équilibre.

❸❸ Calculer le rendement $r$ de la synthèse de la phéromone (P).

Pour réaliser la réaction d’estérification entre l’acide éthanoïque $\ce{CH3COOH}$ et l’acide salicylique jouant le rôle de l’alcool dans cette réaction, on chauffe à reflux un mélange de volume $V$ constant constitué, des quantités de matière : $n_1 = 0{,}5\ \mathrm{mol}$ d’acide éthanoïque et $n_2 = 0{,}5\ \mathrm{mol}$ d’acide salicylique, et quelques gouttes d’acide sulfurique concentré comme catalyseur.

Donnée : La formule de l’acide salicylique :

❶ Ecrire, en utilisant les formules chimiques, l’équation chimique modélisant cette réaction.

❷ On obtient à l’équilibre la quantité de matière $n_{éq}(\mathrm{ester}) = 3{,}85.10^{-2}\ \mathrm{mol}$ d’ester formé, calculer le rendement $r$ de la réaction d’estérification.

❸ Citer deux méthodes d’amélioration de ce rendement tout en gardant les mêmes réactifs.

On pose un ballon, contenant une quantité de matière $n_0 = 100\ \mathrm{mmol}$ d’acide méthanoïque, dans un bain marie de température constante, puis on lui ajoute une quantité de matière $n = n_0 = 100\ \mathrm{mmol}$ d’éthanol et quelques gouttes d’acide sulfurique concentré, on obtient ainsi un mélange de volume constant $V = 25\ \mathrm{mL}$.

Le suivi de l’évolution au cours du temps de l’avancement $x$ de la réaction permet de tracer la courbe ci-contre.

❶ Ecrire, en utilisant les formules semi-développées, l’équation modélisant la transformation.

❷ Quel est le rôle de l’acide sulfurique concentré ajouté ?

❸ Déterminer la valeur de l’avancement final $x_{éq}$ et le temps de demi-réaction $t_{1/2}$.

❹ La droite (T) représente la tangente à la courbe au point d’abscisse $t = 20\ \mathrm{min}$, Calculer, en $\mathrm{mol.L^{-1}.min^{-1}}$, la valeur de cette vitesse à cet instant.

❺ Déterminer la constante d’équilibre $K$ associée à cette réaction.

❻ On mélange dans les mêmes conditions expérimentales précédentes, la quantité de matière $n_1 = 150\ \mathrm{mmol}$ d’acide méthanoïque avec la quantité de matière $n_2 = 100\ \mathrm{mmol}$ d’éthanol.

S’assurer que la nouvelle valeur de l’avancement de la réaction à l’équilibre est $x’_{éq} = 78{,}5\ \mathrm{mmol}$.

Pour synthétiser l’ester E (Acétate de linalyle), on chauffe à reflux un mélange équimolaire constitué d’acide éthanoïque et l’alcool $\ce{ROH}$, en présence d’un catalyseur convenable.

• Masse molaire de l’alcool $\ce{ROH}$ : $M(\mathrm{ROH}) = 154\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;
• Masse molaire de l’ester E : $M(\mathrm{E}) = 196\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;

❶ Quel est l’intérêt du chauffage à reflux ?

❷ Ecrire l’équation modélisant la réaction entre l’acide éthanoïque et l’alcool $\ce{ROH}$.

❸ Partant d’une masse $m_A = 38{,}5\ \mathrm{g}$ d’alcool $\ce{ROH}$, on obtient à la fin de la réaction une masse $m_E = 2\ \mathrm{g}$ d’ester E.

❸❶ Calculer le rendement $r$ de cette réaction.

❸❷ Proposer deux méthodes différentes permettant l’augmentation du rendement de cette réaction.

Pour synthétiser l’éthanoate d’éthyle, un technicien de laboratoire a préparé une série de tubes à essai contenant chacun un volume $V = 34{,}5\ \mathrm{mL}$ d’éthanol pur et $0{,}6\ \mathrm{mol}$ de l’acide éthanoïque.

Après avoir scellé ces tubes, il les a placés simultanément dans un bain-marie régulé à $100\ °\mathrm{C}$.

Pour suivre l’évolution du système chimique aux divers instants $t$, le technicien sort un tube du bain-marie et le place dans de l’eau glacée, puis il dose la quantité d’acide restante dans ce tube par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration connue.

La courbe de la figure 1 représente l’évolution de la quantité de matière $n$ de l’acide éthanoïque restante dans le tube en fonction du temps.

Données :

• La masse molaire de l’éthanol : $M(\mathrm{C_2H_5OH}) = 46\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;
• La masse volumique de l’éthanol : $\rho = 0{,}8\ \mathrm{g.cm^{-3}}$.

❶ Quel est l’objectif de l’utilisation de l’eau glacée avant la réalisation du dosage ?

❷ La figure 2 représente le montage expérimental utilisé pour effectuer un dosage acide-base. Nommer les éléments numérotés sur cette figure.

❸ Montrer que le mélange réactionnel dans chaque tube est équimolaire à l’état initial.

❹ Ecrire, en utilisant les formules semi développées, l’équation de la réaction produite dans chaque tube.

❺ Déterminer, à l’équilibre, la composition du mélange réactionnel dans chaque tube.

❻ Montrer que la valeur de la constante d’équilibre est $K = 4$.

❼ Le technicien a réalisé de nouveau la même expérience à la même température, en mélangeant cette fois dans chaque tube $0{,}4\ \mathrm{mol}$ d’éthanol et $0{,}1\ \mathrm{mol}$ d’acide éthanoïque. Trouver, dans ce cas, le rendement $r$ de la réaction.

De la réaction de l’acide butanoïque avec le méthanol résulte un composé organique E et de l’eau. Cette réaction est modélisée par l’équation suivante :

$\ce{CH3-CH2-CH2-COOH + CH3OH <=> CH3-CH2-CH2-COO-CH3 + H2O}$

❶ Ecrire le nom de la famille à laquelle appartient le composé E, et donner son nom.

❷ On verse dans un ballon se trouvant dans un bain d’eau glacée :

• $n_1 = 0{,}1\ \mathrm{mol}$ d’acide butanoïque ;
• $n_2 = 0{,}1\ \mathrm{mol}$ de méthanol ;
• Quelques gouttes d’acide sulfurique concentré ;
• Quelques gouttes de phénolphtaléine.

On obtient ainsi un mélange de volume $V = 400\ \mathrm{mL}$.

Quel est l’intérêt de l’utilisation de l’eau glacée et le rôle de l’acide sulfurique dans cette réaction ?

❸ Pour suivre l’évolution de cette réaction, on répartit le mélange sur 10 tubes à essai, qu’on ferme et on place dans un bain marie de température maintenue constante ($100\ °\mathrm{C}$), et on déclenche un chronomètre au même instant choisi comme origine des dates $t = 0$.

Pour déterminer l’avancement de la réaction, on sort du bain marie, les tubes à essai l’un après l’autre, on verse le contenu dans un bécher contenant de l’eau glacée, et on neutralise l’acide restant dans chaque tube à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire $C = 1\ \mathrm{mol.L^{-1}}$. La réaction modélisant ce dosage s’écrit comme suit :

$\ce{AH_{(aq)} + HO^{-}_{(aq)} <=> A^{-}_{(aq)} + H2O_{(l)}}$

Montrer que l’expression de l’avancement $x$ de la réaction d’estérification à un instant $t$ s’écrit :

$x(\mathrm{mol}) = 0{,}1 – (10.C.V_{BE})$

Où $V_{BE}$ désigne le volume d’hydroxyde de sodium ajouté pour atteindre l’équivalence dans chaque tube.

❹ Les résultats expérimentaux de ce dosage ont permis de tracer la courbe représentative de l’avancement $x$ de la réaction d’estérification en fonction du temps :

La droite (T) représente la tangente à la courbe à l’instant $t_0 = 0$.

A l’aide de ce graphe, déterminer :

❹❶ La vitesse volumique de la réaction aux instants $t_0 = 0$ et $t_1 = 50\ \mathrm{min}$.

❹❷ Le temps de demi-réaction $t_{1/2}$.

❹❸ Le quotient de réaction $Q_{r,éq}$ à l’équilibre.

L’éthanoate 3-méthylbutyl, est un composé organique caractérisé par une bonne odeur similaire à celle des bananes. Il est utilisé comme arôme dans quelques pâtisseries, quelques boissons et yaourts.

Le but de cette partie de l’exercice est l’étude cinétique de l’hydrolyse de l’éthanoate 3-méthylbutyl, et la détermination de la constante d’équilibre de cette réaction.

• La formule semi-développée de l’éthanoate 3-méthylbutyle noté E est :
• La masse molaire du composé E est : $M(\mathrm{E}) = 130\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;
• La masse volumique du composé E est : $\rho(\mathrm{E}) = 0{,}87\ \mathrm{g.mL^{-1}}$ ;
• La masse molaire de l’eau est : $M(\mathrm{H_2O}) = 18\ \mathrm{g.mol^{-1}}$ ;
• La masse volumique de l’eau est : $\rho(\mathrm{H_2O}) = 1\ \mathrm{g.mL^{-1}}$.

On pose un ballon contenant un volume $V(\mathrm{H_2O}) = 35\ \mathrm{mL}$ d’eau distillée, dans un bain-marie de température constante, puis on y ajoute un volume $V(\mathrm{E}) = 15\ \mathrm{mL}$ du composé (E), pour obtenir un mélange de volume $V = 50\ \mathrm{mL}$.

❶ Déterminer le groupe caractéristique du composé (E).

❷ Ecrire, en utilisant les formules semi-développées, l’équation modélisant la réaction d’hydrolyse du composé (E).

❸ Le suivi de l’évolution de l’avancement $x(t)$ de la réaction en fonction du temps, permet d’obtenir la courbe représentée sur la figure suivante :

❸❶ La vitesse volumique de la réaction est donnée par la relation : $v(t) = \dfrac{1}{V}\dfrac{dx}{dt}$, où $V$ est le volume total du mélange. Calculer, en $\mathrm{mol.L^{-1}.min^{-1}}$, la valeur de cette vitesse à l’instant $t = 20\ \mathrm{min}$. (La droite (T) représente la tangente à la courbe au point d’abscisse $t = 20\ \mathrm{min}$).

❸❷ Déterminer graphiquement, la valeur de l’avancement final $x_f$, et le temps de demi-réaction $t_{1/2}$.

❸❸ Construire le tableau descriptif de l’évolution du système, puis trouver la composition molaire du mélange à l’équilibre.

❸❹ Déterminer la constante d’équilibre $K$ associée à la réaction d’hydrolyse du composé (E).