Etude d'un vernis à ongles, Bac Amérique du Nord 2025

L’objectif de cet exercice est d’étudier la synthèse de l’éthanoate d’éthyle, couramment utilisé comme solvant dans la formulation des vernis, puis de déterminer le pourcentage massique d’un pigment dans un vernis.
1. Étude d’une synthèse au laboratoire d’un solvant pour vernis.
Dans les vernis classiques, l’éthanoate de butyle et l’éthanoate d’éthyle sont majoritairement utilisés comme solvant. La formule topologique de l’éthanoate d’éthyle est représentée ci-dessous.

Q1. Représenter la formule semi-développée de l’éthanoate d’éthyle. Entourer le groupe caractéristique présent dans cette molécule et nommer la famille fonctionnelle associée.

L'éthanoate d'éthyle est formé à partir de l'acide éthanoïque et de l'éthanol, selon la transformation chimique modélisée par la réaction dont l'équation est donnée ci-dessous :

Le mécanisme réactionnel de la synthèse de l’acétate d’éthyle est modélisé par plusieurs actes élémentaires, dont le premier est représenté.

2. Justifier le sens de la flèche courbe.
Déplacement du doublet d'électrons ( site nucléophile) sur le site électrophile du proton.
L’éthanoate d’éthyle peut être synthétisé dans un laboratoire au lycée en suivant les étapes du protocole expérimental décrit ci-dessous :
Etape 1 : - Introduire dans un ballon un volume d’éthanol V₁ = 11,7 mL. Sous la hotte, ajouter V₂ = 14,3 mL d’acide éthanoïque et 5 gouttes d'acide sulfurique concentré. Mettre quelques grains de pierre ponce dans le ballon et chauffer à reflux pendant environ 15 minutes, en surveillant le chauffage.
Etape 2. Laisser refroidir le mélange réactionnel à l'air ambiant puis dans un bain d'eau froide. Verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter puis ajouter environ 50 mL d'eau salée. Agiter prudemment en dégazant régulièrement. Laisser décanter, puis éliminer la phase aqueuse.
Etape 3. Pour neutraliser le reste d’acide, ajouter à la phase organique 60 mL d'une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium (Na⁺ (aq) + HCO₃ ^- (aq)) de concentration en quantité de matière de 1 mol·L^-1 . Laisser dégazer et décanter puis éliminer la phase aqueuse. Recueillir la phase organique dans un bécher. Sécher cette phase avec du chlorure de calcium anhydre puis filtrer. Recueillir le filtrat dans un erlenmeyer propre et sec.
Q.3. Définir un catalyseur et justifier le fait que l’acide sulfurique ajouté dans l’étape 1 peut jouer ce rôle.
Un catalyseur accélère une réaction chimique thermodynamiquement possible. Il est régénéré lors de la dernière étape du mécanisme et n'apparaît pas dans le bilan.
Q.4. Indiquer l'étape qui, parmi les trois étapes du protocole expérimental, correspond à une extraction.
Etape 2.
Q.5. Schématiser l'ampoule à décanter après la décantation de l'étape 2, et indiquer les espèces chimiques présentes dans chacune des deux phases. Justifier.

Liquide le plus dense : eau salée.

Q.6. Écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation acido-basique entre les ions hydrogénocarbonate HCO₃^– (aq) et l’acide éthanoïque qui se déroule dans l’étape 3 du protocole expérimental et nommer le gaz formé.
HCO₃^– (aq) +H₃C-COOHaq -->H₃C-COO^-aq + H₂O(l) +CO₂(g) dioxyde de carbone.
La synthèse réalisée a permis d’obtenir un volume de filtrat égal à V_ester = 12,0 mL.
Q.7. Déterminer la valeur du rendement de cette synthèse, sachant que l’acide éthanoïque est en excès.
Masse volumique de l'ester : 0,902 g /mL ; masse d'ester : 0,902 x12,0 =10,82 g.
Masse molaire ester : M =88,1 g / mol.
Quantité de matière d'ester : 10,82 / 88,1 =0,123 mol.
Masse volumique de l'éthanol : 0,789 g /mL ; masse d'éthanol : 0,789 x11,7 =10,82 g.
Masse molaire éthanol : M =46,1 g / mol.
Quantité de matière d'éthanol : 10,82 / 46,1 =0,235 mol.
Rendement : 0,123 / 0,235=0,52 ( 52 %).
Q.8. Choisir la ou les bonne(s) proposition(s) permettant d’augmenter le rendement de cette synthèse. Justifier.
Proposition A : ajouter de l'éthanol en excès aux 14,3 mL d'acide éthanoïque. Vrai.
L'excès d'éthanol déplace l'équilibre dans le sens direct, formation de l'ester.
Proposition B : doubler le volume d'acide sulfurique. Faux.
Proposition C : éliminer l'eau produite au cours de la réaction. Vrai.
En éliminant l'eau au fur et à mesure de sa formation, on déplace l'équilibre dans le sens direct.

2. Détermination du pourcentage massique du pigment dans un vernis.
Parmi les pigments couramment utilisés pour colorer les vernis à ongles, on trouve l'oxyde de fer (III), de formule Fe₂O₃. Ce composé minéral de couleur rouge doit être présent avec un pourcentage massique de 5 % pour avoir un pouvoir couvrant optimal. L’étude quantitative permettant de déterminer le pourcentage massique d’oxyde de fer (III) dans un vernis à ongles est réalisée à l’aide d’un dosage spectrophotométrique. Dans les conditions de l’expérience, on transforme les ions Fe³⁺(aq) en ions Fe²⁺(aq) que l'on dose. Le dosage se déroule en trois étapes :
Étape 1 : préparation de la gamme d'étalonnage ;
Étape 2 : réalisation de la courbe d'étalonnage à l'aide de mesures spectrophotométriques ;
Étape 3 : préparation de l'échantillon et mesure de son absorbance.
La gamme d’étalonnage est réalisée à partir d’une solution mère S₀, de concentration en quantité de matière en ions Fe²⁺ (aq) : C₀ = 3,58 x 10^-4 mol·L^-1 . Pour obtenir une gamme d’étalonnage colorée, une solution d’orthophénantroline a été ajoutée aux solutions d’ions Fe²⁺ (aq). Pour préparer chaque solution étalon S_i, un volume V_i est prélevé de la solution mère S₀ auquel sont ajoutés une solution d’orthophénantroline et de l’eau distillée jusqu’à atteindre un volume total de 50,0 mL.

Solution étalon	S1	S2	S3	S4	S5	S6
Volume (mL) de solution S₀	2,0	4,0	6,0	8,0	10,0	12,0

Q.9. Indiquer la verrerie nécessaire à la préparation de la solution étalon S₅ à partir de la solution mère S0, puis calculer la valeur de sa concentration en quantité de matière C5.
Facteur de dilution : 50 / 10 =5.
Fiole jaugée de 50,0 mL et pipette jaugée de 10,0 mL.