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Synthèse organique : protocole et rendement
Les quatre étapes d’un protocole de synthèse et le montage à reflux ; l’isolement du produit (filtration sous vide, ampoule à décanter, choix d’un solvant d’extraction) ; sa purification (lavage, séchage, recristallisation, distillation) ; son analyse (température de fusion, CCM, spectre infrarouge) ; le calcul du rendement à partir du réactif limitant.
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Devoir surveillé – Synthèse organique : protocole et rendement
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie 1ʳᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – La synthèse de l’aspirine ★★
(5 pts)L’aspirine C₉H₈O₄ (M = 180 g·mol⁻¹) se prépare à partir d’acide salicylique C₇H₆O₃ (M = 138 g·mol⁻¹) et d’anhydride éthanoïque :
C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂
① Dans un erlenmeyer, mélanger 3,05 g d’acide salicylique, 7 mL d’anhydride éthanoïque (en excès) et 5 gouttes d’acide sulfurique ; chauffer 15 min au bain-marie à 70 °C en agitant.
② Refroidir, ajouter 20 mL d’eau glacée : l’aspirine cristallise. Filtrer sur Büchner, rincer à l’eau glacée.
③ Sécher les cristaux à l’étuve.
④ Peser : 3,27 g. Mesurer la température de fusion au banc Kofler : 128 °C. Valeur des tables : 135 °C.
Chaque question vaut 1 point.
- a)Associer chacune des opérations ① à ④ à une étape d’un protocole de synthèse.
- b)Calculer la quantité d’acide salicylique introduite.
- c)Calculer la masse maximale d’aspirine que l’on peut obtenir.
- d)Calculer le rendement de la synthèse.
- e)Interpréter la température de fusion mesurée. Quelle conséquence a-t-elle sur le rendement calculé ? Proposer une technique pour améliorer le produit.
Exercice 2 – De l’alcool à la cétone : la propanone ★★
(5 pts)On oxyde le propan-2-ol C₃H₈O (ébullition à 82 °C) en propanone C₃H₆O (ébullition à 56 °C) par une solution aqueuse d’oxydant en excès, en chauffant à reflux. La propanone est miscible à l’eau. Table IR : O–H d’alcool lié 3 200 – 3 400 cm⁻¹ (large) ; C=O d’aldéhyde ou de cétone 1 650 – 1 730 cm⁻¹ (forte, fine). Chaque question vaut 1 point.
- a)Schématiser le montage de chauffage à reflux et légender au moins cinq de ses éléments.
- b)Expliquer l’intérêt de ce montage, puis pourquoi le haut du réfrigérant doit rester ouvert.
- c)Peut-on isoler la propanone du mélange aqueux par décantation ou par extraction ? Justifier, puis proposer une technique adaptée.
- d)On réalise une distillation fractionnée. Quelle température indique le thermomètre en tête de colonne pendant que l’on recueille la propanone ? À quoi sert la colonne de Vigreux ?
- e)Le spectre IR du distillat présente une bande forte et fine vers 1 715 cm⁻¹ et aucune bande large entre 3 200 et 3 400 cm⁻¹. Conclure.
Exercice 3 – L’essence de wintergreen ★★★
(5 pts)Le salicylate de méthyle C₈H₈O₃ (M = 152 g·mol⁻¹), à l’odeur de wintergreen, se prépare à partir d’acide salicylique C₇H₆O₃ (M = 138 g·mol⁻¹) et de méthanol CH₄O (M = 32,0 g·mol⁻¹, ρ = 0,79 g·mL⁻¹) :
C₇H₆O₃ + CH₄O → C₈H₈O₃ + H₂O
① Chauffer à reflux pendant 1 h 6,90 g d’acide salicylique, 20,0 mL de méthanol et 2 mL d’acide sulfurique. ② Refroidir, verser dans 50 mL d’eau, extraire avec du dichlorométhane, garder la phase organique. ③ Laver cette phase avec une solution d’hydrogénocarbonate de sodium, la sécher avec du sulfate de magnésium anhydre, filtrer, évaporer le dichlorométhane. ④ Peser le liquide obtenu : 5,32 g.
| Espèce | Densité | Dans l’eau | Dans le dichlorométhane | Ébullition |
|---|---|---|---|---|
| salicylate de méthyle | 1,18 | très peu soluble | très soluble | 223 °C |
| méthanol | 0,79 | miscible | soluble | 65 °C |
| dichlorométhane | 1,33 | non miscible | — | 40 °C |
- a)Calculer les quantités initiales d’acide salicylique et de méthanol, puis identifier le réactif limitant.
- b)Calculer la masse maximale de salicylate de méthyle, puis le rendement de la synthèse.
- c)À l’étape ②, la phase organique est-elle au-dessus ou au-dessous de la phase aqueuse ? Justifier. Dans quelle phase se trouve surtout le méthanol en excès ?
- d)Quel est le rôle du lavage de l’étape ③ ? Pourquoi faut-il ouvrir régulièrement le robinet de l’ampoule retournée pendant ce lavage ?
- e)Pourquoi l’évaporation du dichlorométhane laisse-t-elle le salicylate de méthyle presque seul ? Proposer une mesure pour contrôler l’identité du liquide obtenu.
Exercice 4 – Le bisphénol A : rendement d’une synthèse ★★★
(5 pts)Le bisphénol A C₁₅H₁₆O₂ (M = 228 g·mol⁻¹), qui sert à fabriquer des plastiques polycarbonates, se forme à partir de phénol C₆H₆O (M = 94,0 g·mol⁻¹) et de propanone C₃H₆O (M = 58,0 g·mol⁻¹), en présence d’un catalyseur acide :
2 C₆H₆O + C₃H₆O → C₁₅H₁₆O₂ + H₂O
Lors d’un essai, on mélange 11,28 g de phénol et 2,90 g de propanone. Le solide obtenu, lavé et essoré, pèse 11,86 g ; après une nuit à l’étuve, il pèse 8,21 g. Il fond alors à 155 °C, la valeur des tables, et donne une seule tache en CCM, à la hauteur de celle du bisphénol A pur.
Chaque question vaut 1 point.
- a)Calculer les quantités initiales de phénol et de propanone.
- b)Montrer, à l’aide de l’avancement maximal, lequel des deux réactifs limite la transformation.
- c)Calculer la masse maximale de bisphénol A.
- d)Calculer le rendement avec la masse avant séchage, puis avec la masse après séchage. Commenter.
- e)Que montrent la température de fusion et la CCM ? Citer deux causes possibles de l’écart entre le rendement et 100 %.
Bon courage !
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Corrigé et barème – Synthèse organique : protocole et rendement
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie 1ʳᵉ
Exercice 1 – La synthèse de l’aspirine ★★
(5 pts)- a)① transformation (l’acide sulfurique est le catalyseur) ; ② isolement (cristallisation à froid, filtration sous vide) ; ③ purification (séchage) ; ④ analyse (pesée et température de fusion). (1)
- b)n = m ÷ M = 3,05 ÷ 138 ≈ 2,21 × 10⁻² mol. (1)
- c)L’anhydride est en excès : l’acide salicylique est limitant ; une mole donne une mole d’aspirine. nmax ≈ 2,21 × 10⁻² mol ; mmax ≈ 2,21 × 10⁻² × 180 ≈ 3,98 g. (1)
- d)η ≈ 3,27 ÷ 3,98 ≈ 0,822, soit 82,2 %. (1)
- e)128 °C est nettement inférieur à 135 °C : le produit est impur (les impuretés abaissent la température de fusion). La masse pesée contient donc des impuretés : le rendement de 82,2 % est surestimé. On purifie le produit par recristallisation, puis on le sèche, on le repèse et on remesure sa température de fusion. (1)
Erreur fréquente — Calculer 3,27 ÷ 3,05 : on ne divise jamais la masse du produit par celle d’un réactif, leurs masses molaires diffèrent.
Exercice 2 – De l’alcool à la cétone : la propanone ★★
(5 pts)- a)Schéma attendu (légendes : réfrigérant à boules, entrée et sortie d’eau, ballon, mélange réactionnel, pierre ponce, chauffe-ballon, support élévateur ; haut du réfrigérant ouvert, eau entrant par le bas) : (1)
- b)Le chauffage accélère la transformation ; les vapeurs (propanone, propan-2-ol, eau) se liquéfient dans le réfrigérant et retombent dans le ballon : aucune espèce n’est perdue. Le haut reste ouvert : un montage fermé et chauffé subirait une surpression dangereuse. (1)
- c)Non : la propanone est miscible à l’eau, elle ne forme pas de deuxième phase, et un solvant d’extraction ne la séparerait pas efficacement. Mais elle bout à 56 °C, bien plus bas que l’eau (100 °C) et que le propan-2-ol (82 °C) : on l’isole par distillation. (1)
- d)Environ 56 °C, la température d’ébullition de la propanone, tant qu’elle distille seule. La colonne de Vigreux améliore la séparation des liquides de températures d’ébullition voisines : elle évite d’entraîner du propan-2-ol (82 °C) dans le distillat. (1)
- e)La bande vers 1 715 cm⁻¹ signale une liaison C=O : la cétone est présente. L’absence de bande large entre 3 200 et 3 400 cm⁻¹ montre qu’il n’y a pas de liaison O–H en quantité détectable : le distillat ne contient ni propan-2-ol ni eau détectables. Le produit est de la propanone, pratiquement pure. (1)
Méthode — Pour justifier une technique de séparation, on cite la donnée qui la rend possible : miscibilité et densité pour la décantation, température d’ébullition pour la distillation.
Exercice 3 – L’essence de wintergreen ★★★
(5 pts)- a)n(acide) = 6,90 ÷ 138 = 0,0500 mol, soit 5,00 × 10⁻² mol. m(méthanol) = 0,79 × 20,0 = 15,8 g ; n(méthanol) = 15,8 ÷ 32,0 ≈ 0,494 mol. Nombres stœchiométriques égaux à 1 : xmax = 5,00 × 10⁻² mol, l’acide salicylique est limitant (le méthanol est en large excès). (1)
- b)nmax = 5,00 × 10⁻² mol ; mmax = 5,00 × 10⁻² × 152 = 7,60 g. η = 5,32 ÷ 7,60 = 0,700, soit 70,0 %. (1)
- c)Le salicylate de méthyle est très soluble dans le dichlorométhane : la phase organique est surtout du dichlorométhane, de densité 1,33, plus grande que celle de la phase aqueuse (environ 1) : elle est au-dessous. Le méthanol, miscible à l’eau, reste surtout dans la phase aqueuse. (1)
- d)L’hydrogénocarbonate de sodium élimine les acides restants (acide sulfurique, acide salicylique qui n’a pas réagi) : ils réagissent et passent dans la phase aqueuse. Cette réaction dégage du dioxyde de carbone : on ouvre le robinet pour évacuer le gaz et éviter une surpression dans l’ampoule. (1)
- e)Le dichlorométhane bout à 40 °C, le salicylate de méthyle à 223 °C : en chauffant doucement, seul le solvant s’évapore. Pour contrôler l’identité : mesurer la température d’ébullition (environ 223 °C), ou réaliser une CCM avec de l’acide salicylique et du salicylate de méthyle pur comme références. (1)
Repère — Une phase organique n’est pas toujours au-dessus : avec le dichlorométhane (densité 1,33), elle est en dessous de la phase aqueuse.
Exercice 4 – Le bisphénol A : rendement d’une synthèse ★★★
(5 pts)- a)n(phénol) = 11,28 ÷ 94,0 = 0,120 mol ; n(propanone) = 2,90 ÷ 58,0 = 0,0500 mol. (1)
- b)Phénol : 0,120 ÷ 2 = 0,0600 mol ; propanone : 0,0500 ÷ 1 = 0,0500 mol. Le plus petit : xmax = 0,0500 mol, la propanone est le réactif limitant ; le phénol est en excès, ce qui, dans l’industrie aussi, limite la formation de produits secondaires. (1)
- c)nmax = xmax = 0,0500 mol ; mmax = 0,0500 × 228 = 11,40 g. (1)
- d)Avant séchage : 11,86 ÷ 11,40 ≈ 1,040, soit 104,0 %, impossible : le solide contenait encore de l’eau. Après séchage : 8,21 ÷ 11,40 ≈ 0,720, soit 72,0 %, le seul rendement valable. (1)
- e)Fusion à la valeur des tables et tache unique au niveau de la référence : le produit est du bisphénol A pratiquement pur, sans impureté détectée. Causes de pertes : produit resté dans le filtrat ou sur la verrerie lors des transferts et du lavage ; réactions parasites qui forment d’autres espèces ; transformation qui n’est pas totale. (1)
Le point clé — Pour trouver le réactif limitant, on divise chaque quantité par son nombre stœchiométrique avant de comparer.
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Ce contrôle de spe-physique-chimie 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Synthèse organique : protocole et rendement » : 4 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — La synthèse de l’aspirine ★★/ 5 pts
- Exercice 2 — De l’alcool à la cétone : la propanone ★★/ 5 pts
- Exercice 3 — L’essence de wintergreen ★★★/ 5 pts
- Exercice 4 — Le bisphénol A : rendement d’une synthèse ★★★/ 5 pts
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Synthèse organique : protocole et rendement » ?
- 60 minutes pour 4 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de spe-physique-chimie de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Synthèse organique : protocole et rendement » du programme officiel de spe-physique-chimie en première.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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