1re Physique-Chimie Exercices Gratuit

Exercices — Synthèse organique et rendement

💡 Conseil : fais chaque exercice au brouillon avant d’ouvrir le corrigé — c’est en te trompant que tu progresses.

Exercice 1 — Les étapes d’une synthèse

  1. Remets dans l’ordre les quatre grandes étapes d’une synthèse organique : purification — transformation des réactifs — analyse du produit — isolement du produit.
  2. Lors de la transformation, on utilise souvent un chauffage à reflux. Quel est l’intérêt du chauffage ? Quel est le rôle du réfrigérant à eau placé au-dessus du ballon ?
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1. L’ordre d’une synthèse est toujours le même :

  1. transformation des réactifs (souvent avec chauffage) ;
  2. isolement du produit (filtration, décantation…) ;
  3. purification (recristallisation, distillation…) ;
  4. analyse du produit (vérifier son identité et sa pureté : CCM, température de fusion, spectre IR…).

2. Le chauffage permet d’accélérer la transformation : la température est un facteur cinétique. Le réfrigérant à eau condense les vapeurs qui s’échappent du mélange : elles retombent dans le ballon sous forme liquide. On peut donc chauffer longtemps sans perte de matière.

Réflexe à retenir : « chauffage à reflux = chauffer pour aller plus vite, refluer pour ne rien perdre ». Cette double justification est presque toujours demandée en contrôle.

Exercice 2 — Un premier calcul de rendement

Lors d’une synthèse, la masse maximale de produit attendue est mmax=6,0 gm_{\text{max}} = 6{,}0\ \text{g}. Après purification, on pèse mexp=4,5 gm_{\text{exp}} = 4{,}5\ \text{g} de produit.

  1. Rappelle la définition du rendement d’une synthèse.
  2. Calcule le rendement. Exprime-le en pourcentage.
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1. Le rendement compare ce qu’on a réellement obtenu à ce qu’on pouvait obtenir au maximum :

η=mexpmmax\eta = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{max}}}

2. On applique la formule :

η=4,56,0=0,75=75 %\eta = \dfrac{4{,}5}{6{,}0} = 0{,}75 = 75\ \%

Astuce de vérification : un rendement est toujours compris entre 0 et 100 %. Si tu trouves plus de 100 %, c’est que tu as inversé la fraction (ou que le produit pesé n’est pas pur !).

Exercice 3 — Calculer une masse maximale

On synthétise de l’éthanoate d’éthyle, un ester de masse molaire M=88 g⋅mol−1M = 88\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}. D’après l’équation de la réaction, la quantité maximale d’ester que l’on peut former est nmax=0,050 moln_{\text{max}} = 0{,}050\ \text{mol}.

Calcule la masse maximale mmaxm_{\text{max}} d’ester que l’on peut espérer obtenir.

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On utilise la relation du cours entre masse, quantité de matière et masse molaire :

m=n×Mm = n \times M

D’où :

mmax=nmax×M=0,050×88=4,4 gm_{\text{max}} = n_{\text{max}} \times M = 0{,}050 \times 88 = 4{,}4\ \text{g}

Astuce de vérification : contrôle l’unité avec les dimensions — mol×g⋅mol−1=g\text{mol} \times \text{g}\cdot\text{mol}^{-1} = \text{g} ✓. C’est le meilleur moyen de repérer une formule écrite à l’envers.

Exercice 4 — Rendement de la synthèse de l’aspirine

Lors de la synthèse de l’aspirine (masse molaire M=180 g⋅mol−1M = 180\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}), l’équation de la réaction montre qu’au maximum nmax=0,025 moln_{\text{max}} = 0{,}025\ \text{mol} d’aspirine peut se former. Après purification et séchage, on pèse mexp=3,6 gm_{\text{exp}} = 3{,}6\ \text{g} d’aspirine.

  1. Calcule la masse maximale d’aspirine attendue.
  2. En déduire le rendement de la synthèse.
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1. Avec m=n×Mm = n \times M :

mmax=nmax×M=0,025×180=4,5 gm_{\text{max}} = n_{\text{max}} \times M = 0{,}025 \times 180 = 4{,}5\ \text{g}

2. On applique la définition du rendement :

η=mexpmmax=3,64,5=0,80=80 %\eta = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{max}}} = \dfrac{3{,}6}{4{,}5} = 0{,}80 = 80\ \%

Réflexe à retenir : le rendement est inférieur à 100 % à cause des pertes lors de l’isolement et de la purification, ou parce que la transformation n’est pas totale. C’est normal — et c’est souvent la question d’interprétation qui suit le calcul !

Exercice 5 — Réactif limitant et rendement (type contrôle ⭐)

On fait réagir n1=0,20 moln_1 = 0{,}20\ \text{mol} d’acide éthanoïque avec n2=0,30 moln_2 = 0{,}30\ \text{mol} d’éthanol. Il se forme de l’éthanoate d’éthyle (masse molaire M=88 g⋅mol−1M = 88\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}) selon l’équation :

CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}

Après la synthèse, on isole mexp=13,2 gm_{\text{exp}} = 13{,}2\ \text{g} d’ester.

  1. Identifie le réactif limitant.
  2. Calcule la masse maximale d’ester que l’on pouvait obtenir.
  3. En déduire le rendement de la synthèse.
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1. Les nombres stœchiométriques des deux réactifs valent 1 : ils sont consommés mole à mole. Comme n1=0,20 mol<n2=0,30 moln_1 = 0{,}20\ \text{mol} < n_2 = 0{,}30\ \text{mol}, c’est l’acide éthanoïque qui s’épuise en premier : c’est le réactif limitant.

2. Toujours mole à mole, 0,20 mol0{,}20\ \text{mol} d’acide peut former au maximum nmax=0,20 moln_{\text{max}} = 0{,}20\ \text{mol} d’ester. D’où :

mmax=nmax×M=0,20×88=17,6 gm_{\text{max}} = n_{\text{max}} \times M = 0{,}20 \times 88 = 17{,}6\ \text{g}

3. On applique la définition du rendement :

η=mexpmmax=13,217,6=0,75=75 %\eta = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{max}}} = \dfrac{13{,}2}{17{,}6} = 0{,}75 = 75\ \%

Réflexe à retenir : le calcul de mmaxm_{\text{max}} se fait toujours à partir du réactif limitant — jamais à partir du réactif en excès. C’est LE piège classique de ce type d’exercice.

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