ES-BEstérification et hydrolyse

Suivi expérimental d'une estérification : montage, trempe, tableau et caractère limité

Idée directrice

Sous-chapitre produit d'estérification (activité récurrente du programme d'équilibres Techniques) : le corrigé officiel enchaîne identification du montage (réfrigérants, trempe), tableau d'avancement, calcul de $x_f$ puis conclusion limitée si $x_f < x_{\max}$ .

Signature de reconnaissance — l'énoncé se trahit ainsi

« utilité des tubes réfrigérants »

« trempe dans l'eau glacée »

« tableau d'avancement »

« réaction limitée »

Sujet principal

Exercice — Montage, trempe et avancement final d'une estérification

4 questionsCorrigé masqué

On étudie une estérification entre un acide carboxylique et un alcool en phase liquide. On répartit le mélange dans des tubes à essais surmontés de tubes réfrigérants, placés dans un bain-marie. À des instants choisis, on retire un tube, on le trempe dans l'eau glacée, puis on dose le réactif acide restant pour suivre l'avancement.

Chaque tube contient initialement $n_0 = 1{,}50\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ d'acide carboxylique et $n_0 = 1{,}50\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ d'alcool (mélange équimolaire). Lorsque le système n'évolue plus, le dosage donne une quantité d'ester formée $n(\mathrm{ester}) = x_f = 9{,}80\cdot 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ .

Préciser l'utilité des tubes réfrigérants dans ce montage d'estérification.
Donner la raison pour laquelle on trempe le tube dans l'eau glacée avant le dosage.
Écrire l'équation d'estérification (acide carboxylique + alcool $\rightleftharpoons$ ester + eau) et dresser le tableau d'avancement (états initial, intermédiaire, final) pour un prélèvement.
Calculer $x_f$ à partir de la donnée d'ester, comparer à $x_{\max}$ , et justifier que la réaction d'estérification est limitée.

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Montage. Les tubes réfrigérants évitent la perte de matière vers l'extérieur au cours du chauffage : ils conservent les quantités de matière d'alcool, d'acide carboxylique et d'ester en formation.

2. Trempe. On trempe le tube dans l'eau glacée pour bloquer au maximum la réaction d'estérification avant le dosage (arrêt cinétique de l'évolution).

3. Équation et tableau. Estérification : acide carboxylique + alcool $\rightleftharpoons$ ester + eau. Pour $n_0$ de chaque réactif :

| État | Avancement | $n$ (acide) | $n$ (alcool) | $n$ (ester) | $n$ (eau) |
|---|---|---|---|---|---|
| Initial | $0$ | $n_0$ | $n_0$ | $0$ | $0$ |
| Intermédiaire | $x$ | $n_0-x$ | $n_0-x$ | $x$ | $x$ |
| Final | $x_f$ | $n_0-x_f$ | $n_0-x_f$ | $x_f$ | $x_f$ |

Mélange équimolaire : pas de réactif limitant unique ; $x_{\max}=n_0=1{,}50\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ .

4. Application numérique. La quantité d'ester formée donne directement $x_f=9{,}80\cdot 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ . Comme $x_f < x_{\max}=1{,}50\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ , ce n'est pas une réaction totale : l'estérification est limitée.

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

Entraînement 01 / 02

Drill ES-B.1 — tubes réfrigérants et trempe

2 questionsCorrigé masqué

Lors du suivi d'une estérification acide carboxylique + alcool $\rightarrow$ ester + eau, chaque prélèvement est placé sous un tube réfrigérant, puis trempé dans l'eau glacée juste avant le dosage.

Quel est le rôle des tubes réfrigérants pour les quantités de matière ?
Pourquoi la trempe dans l'eau glacée est-elle indispensable avant le dosage ?

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Les tubes réfrigérants évitent la perte de matière vers l'extérieur pendant le chauffage : ils conservent les quantités de matière d'alcool et d'ester en formation dans le tube d'estérification.

2. On trempe dans l'eau glacée pour bloquer au maximum la réaction d'estérification : le dosage mesure alors un état figé, pas un système qui continue d'évoluer. Ce n'est pas une réaction totale qu'on force ; on arrête seulement la cinétique.

Entraînement 02 / 02

Drill ES-B.2 — lente et limitée (suivi temporel)

3 questionsCorrigé masqué

On prépare un mélange équimolaire d'acide carboxylique et d'alcool ( $n_0 = 2{,}40\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ de chaque) pour une estérification. Des dosages successifs donnent l'avancement $x(t)$ ; pour $t\ge 90\,\mathrm{min}$ , $x$ ne varie plus et $x_f = 1{,}55\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ d'ester.

Nommer la réaction étudiée.
En déduire $x_f$ et $x_{\max}$ , puis une propriété de la réaction (limitée ou totale).
À partir du fait que l'équilibre n'est atteint qu'après plusieurs dizaines de minutes, dégager une autre propriété caractéristique.

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. C'est une réaction d'estérification (acide carboxylique + alcool $\rightleftharpoons$ ester + eau).

2. Mélange équimolaire : les deux réactifs sont introduits dans les proportions stœchiométriques, donc $x_{\max}=n_0=2{,}40\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ . Le plateau donne $x_f=1{,}55\cdot 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ . Comme $x_f < x_{\max}$ , ce n'est pas une réaction totale : l'estérification est limitée.

3. L'avancement n'atteint son plateau qu'après un temps long (dizaines de minutes) : la réaction d'estérification est aussi lente.

Méthode / Automatismes

Réfrigérants = conservation de matière ; trempe = blocage cinétique (pas un catalyseur).
Toujours comparer $x_f$ à $x_{\max}$ (ou $\tau_f$ à $1$ ) avant de dire « limitée ».
Le tableau d'avancement précède tout calcul de $x_f$ ou de $K$ .

Pièges classiques

Confondre le rôle de la trempe (bloquer la réaction) avec celui du catalyseur acide, ou conclure « totale » sans comparer $x_f$ et $x_{\max}$ .