Méthode 2 - Expliquer l'optimisation du rendement d'une synthèse

Pour expliquer l'optimisation du rendement d'une synthèse, il faut le plus souvent réaliser une analyse qualitative ou quantitative.

Analyse qualitative

• Déterminer l'expression du quotient de réaction à partir de l'équation de réaction.
• Expliquer l'influence de telle ou telle action sur la valeur du quotient de réaction hors équilibre.
  
• Utiliser le critère d’évolution spontanée d’un système hors équilibre chimique pour justifier l'augmentation du rendement de la synthèse.
  

Analyse quantitative

• Si on dispose des valeurs de rendement pour plusieurs conditions expérimentales, on les compare afin de justifier l'augmentation du rendement de la synthèse.
• Si nous manque la valeur d'un rendement, l'énoncé invite le plus souvent à déterminer la valeur dans les questions précédentes.
  

On rappelle que deux stratégies d'optimisation de rendement ont été traitées dans le cours :

• introduction d'un excès d'un réactif ;
• élimination d'un produit du milieu réactionnel.
  

Exercice (extrait d'un sujet du bac)

La menthe poivrée est bien connue pour ses bienfaits depuis des siècles : elle calme les maux de tête et a des propriétés stimulantes, antispasmodiques et antiseptiques. Utilisée en parfumerie, son huile essentielle contient un ester très odorant : l'éthanoate de menthyle (\(\mathrm{C_{12}H_{22}O_2}\)) qu'on peut synthétiser en laboratoire, à partir de menthol (\(\mathrm{C_{10}H_{20}O}\)) et d'acide éthanoïque (\(\mathrm{C_{2}H_{4}O_2}\)).

L'équation de cette réaction est : \(\mathrm{C_{10}H_{20}O(aq)+C_{2}H_{4}O_2(aq) \longrightarrow C_{12}H_{22}O_2(aq) + H_2O(\ell)}\).

La synthèse de l'éthanoate de menthyle a été réalisée dans différentes conditions expérimentales. Pour chacune, un suivi cinétique a également été réalisé. On peut ainsi tracer l'évolution temporelle de la quantité d'ester formé, notée \(n_\text{ester formé}\). Les différentes conditions expérimentales sont données dans le tableau ci-dessous et les courbes de suivi fournies juste après. Les quantités de matière fournies correspondent à l'état initial et la température est celle du milieu réactionnel, fixée à l'aide d'un bain-marie.

\(\begin{array}{|l|c|} \hline\textbf{Quantité de matière}& \textbf{Expérience 1 (courbe b)} & \textbf{Expérience 2 (courbe c)}&\textbf{Expérience 3 (courbe a)} \\\hline \text{Acide éthanoïque}& {\text{0,10 mol}}& {\text{0,10 mol}} & {\text{0,20 mol}}\\\hline \text{Menthol}& {\text{0,10 mol}}& {\text{0,10 mol}} & {\text{0,10 mol}} \\ \hline \text{Température}&\text{70°C} & \text{20°C} &\text{70°C} \\ \hline \end{array}\)

1. Donner l'expression du quotient de réaction `Q_r` et calculer sa valeur à l'état initial pour l'expérience 1.

La constante d'équilibre `K(70"°C")` associée à cette réaction est égale à 2,3.

2. Indiquer, en justifiant, le sens d'évolution spontanée du système.

3. Expliquer comment optimiser le rendement de la synthèse de l'éthanoate de menthyle.