Le meilleur protocole ?

Le nom de Y est le méthanoate d’éthyle, c’est un ester.

Le réactif A est l’acide méthanoïque, .

Le réactif B est l’éthanol, .

L’équation de la réaction s’écrit :

A + B → Y + W

H-CO₂H + CH₃CH₂OH ⇄ + H₂O

La réaction d’estérification est une réaction lente. La température étant un facteur cinétique, le fait de chauffer permet d’atteindre plus rapidement l’état final. L’acide sulfurique est un catalyseur, les ions H⁺ favorisent la réaction en intervenant dans le mécanisme réactionnel et en étant régénérés à la fin de la synthèse.

Un montage à reflux permet de chauffer le mélange réactionnel (facteur cinétique) sans perte de matière. La vitesse de la réaction est ainsi augmentée.

L’énoncé indique que le chauffage se déroule jusqu’à obtention de tout l’ester possible. On en déduit que dans l’état final, la composition du système chimique n’évolue plus. On observe la présence des produits de la réaction, mais aussi des réactifs, il s’agit bien d’un équilibre chimique entre les quatre espèces.

L’avancement final x_f vaut 0,8 mol d’après le nombre de mol de Y et W formées. Le rendement ρ est le rapport de la masse m_exp du produit obtenu à l’équilibre (ou au moment où la réaction est arrêtée : rendement pratique) sur la masse m_th de ce même produit obtenu dans le cas de la disparition totale du réactif en défaut (réaction totale). C’est aussi le rapport des quantités n_exp et n_th correspondantes de ce produit : $\rho =\frac{m_{\exp }}{m_{th}}=\frac{n_{\exp }}{n_{th}}=\frac{x_f}{x_{\max }}$.

D’où η₁ = $\frac{x_f}{x_{\max }}\times 100$.

Calculons l’avancement maximal x_max.

Si A ou B est totalement consommé, n_{A ou B} – x_max = 0.

Alors x_max = 1,2 mol et η₁ = $\frac{\mathrm{0,80}}{\mathrm{1,2}}\times 100$ =67 %.

η₂ = $\frac{x_f}{x_{\max }}\times 100$.

Calculons l’avancement maximal x_max.

Soit x_A – x_max = 0 alors x_max = 2,61 mol.

Soit x_B – x_max = 0 alors x_max = 1,30 mol.

1,30 < 2,61 donc B est le réactif limitant, c’est-à-dire l’alcool, et x_max = 1,30 mol.

Calculons l’avancement final x_f : x_f = 1,1 mol.

D’où η₂ = $\frac{\mathrm{1,1}}{\mathrm{1,3}}\times 100$ =84,6 %.

En ajoutant l’un des réactifs en excès, on déplace l’équilibre dans le sens direct, on augmente ainsi considérablement le rendement de l’estérification, ce qui est donc un avantage.

En revanche, l’un des réactifs est en excès, il n’est pas totalement consommé, c’est une perte.

Dans les deux cas, du fait de la lenteur de la réaction, on est obligé de chauffer ce qui engendre un coût énergétique.

Il s’agit d’un montage de distillation. Le ballon contient le mélange réactionnel, le chauffe-ballon permet de le chauffer. Au-dessus du ballon, se trouve une colonne Vigreux, ou colonne à distiller, qui permet de séparer les vapeurs. Les vapeurs les plus volatiles distillent en premier, et en tête de colonne, le thermomètre indique la température d’ébullition caractéristique du produit. Puis le réfrigérant condense ces vapeurs que l’on recueille à l’état liquide.

Ce sont des produits corrosifs, il faut travailler avec gants, lunettes et sous hotte. En cas de contact, il faut rincer abondamment sous l’eau pendant 15 minutes.

La température mesurée est celle des vapeurs qui sont en haut de colonne. Lors du changement d’état (ici liquide → gaz) d’une espèce chimique, la température se stabilise à un palier de température correspondant à la température d’ébullition de l’espèce. Le distillat obtenu est l’ester Y. En effet, sa température d’ébullition est de 55 °C, ce qui correspond au palier obtenu.

On peut déterminer la masse volumique du composé $\mu =\frac{m}{V}$. Pour cela, on pèse le produit obtenu et on détermine le volume correspondant, la valeur expérimentale doit être en accord avec la valeur théorique.

Le mélange réactionnel initial est équimolaire car :

$x_{\text{A}}=\frac{\mu V}{M}=\frac{\mathrm{1,22}\times 15}{46}=\mathrm{0,4}\text{mol}$ et $x_{\text{B}}=\frac{\mu V}{M}=\frac{\mathrm{0,79}\times \mathrm{23,1}}{46}=\mathrm{0,4}\text{mol}$.

À partir de la masse de produit obtenu 28,1 g, déterminons le rendement de cette synthèse.

x_max = 0,4 mol donc m_th = 0,4  $\times$ 74 = 29,6 g d’ester.

${\eta }_3=\frac{x_f}{x_{\max }}=\frac{m_{\exp }}{m_{th}}$ soit ${\eta }_3=\frac{m_{\exp }}{\mathrm{29,6}}$  $=\frac{\mathrm{28,1}}{\mathrm{29,6}}=\mathrm{0,95}$

On trouve un rendement de 95 % !

Au fur et à mesure de sa formation, l’ester passe à l’état gazeux et est éliminé du système chimique, ce qui empêche la réaction inverse d’hydrolyse de l’ester. Il y a donc déplacement de l’équilibre dans le sens de la formation de l’ester, le rendement augmente.

Augmenter le rendement est possible si l’ester est le produit le plus volatil et si la différence des températures d’ébullition est de plusieurs degrés. Ce qui n’est pas toujours le cas ! Autre avantage, le produit obtenu est pur, on limite ainsi les traitements.

Même avec un mélange équimolaire, on peut améliorer le rendement de 67 % à 95-98 % (pratiquement une transformation totale) et ce en peu d’étapes.