Chapitre 8


Cours




2
Stœchiométrie de la réaction chimique


B
Réactif limitant

Les nombres stœchiométriques nous renseignent sur les proportions de chacun des réactifs. Ces proportions ont un impact sur le déroulé de la réaction. Lorsque la réaction s’arrête, c’est qu’il n’y a plus de réactif pour réaliser la transformation. Seul un des réactifs peut être responsable de cet arrêt.

Le réactif limitant est celui qui est totalement transformé au cours de la réaction. Il est responsable de l’arrêt de la réaction.

Pour identifier le réactif limitant, il faut comparer les quantités de matière de chacun des réactifs. Cela permet ensuite de calculer les quantités de produits formés et celles des réactifs restants.

Données

  • Une mole de méthane a une masse de 16 g ;
  • Une mole de dioxygène a une masse de 32 g.

Doc. 3
Traité de Lavoisier

[… ] car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes sont les mêmes, et qu’il n’y a que des changements, des modifications.

Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, 1789.

Pas de malentendu

Si les deux réactifs sont présents en proportions stœchiométriques, c’est qu’il n’en reste aucun à la fin de la transformation. Il n’y a donc aucun réactif limitant.

Supplément numérique

Retrouvez une explication de la notion de réactifs limitants en vidéo.

Pas de malentendu

Écrire une équation de réaction consiste à indiquer les réactifs et les produits mais aussi à l’équilibrer ! N’oubliez pas cette étape !

Doc. 5
Torchère

torchère
Torchère brûlant des déchets de gaz naturels sur un site d’exploitation.

Application

On dispose d’un tube à essai contenant 250 g de dioxygène. On y fait brûler 50 g de méthane. Identifier le réactif limitant.

Corrigé : Calculer les quantités de matière de chacun des réactifs. Si une mole de méthane pèse 16 g, calculer la quantité de matière contenue dans 50 g de méthane : 5016= 3,1\dfrac{50}{16} = 3\text{,}1 mol.
Si une mole de dioxygène pèse 32 g, calculer la quantité de matière contenue dans 250 g de dioxygène : 25032=7,8\dfrac{250}{32} = 7\text{,}8 mol.
Or, d’après l’équation de la réaction, une mole de méthane réagit avec deux moles de dioxygène. Ainsi, 3,1 mol de méthane réagissent avec 3,1×2= 6,23\text{,}1 \times 2 = 6\text{,}2 mol de dioxygène.

Le méthane est donc le réactif limitant car la quantité de matière de méthane n’est pas suffisante pour faire réagir la totalité du dioxygène.

Éviter les erreurs

Lorsque rien n’est écrit devant une molécule dans une équation chimique, c’est que le nombre stœchiométrique est égal à 1 !
Le nombre stœchiométrique s’applique à tous les atomes de la molécule associée. Ainsi, pour 2H2O,2\,\text{H}_2\text{O} , il y a 2×2=42 \times 2 = 4 atomes d’hydrogène et 2×1=22 \times 1 = 2 atomes d’oxygène.

Application

Écrire l’équation de la réaction de combustion du méthane.

Corrigé : Lors de la combustion du méthane avec le dioxygène, de l’eau se forme (gouttelettes sur le tube à essai bleuissant du sulfate de cuivre anhydre) ainsi que du dioxyde de carbone (l’eau de chaux se trouble lorsqu’on l’ajoute dans le tube) (doc. 4). Ainsi, l’équation s’écrit :
CH4+O2H2O+CO2\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2
Cette équation n’est pas ajustée car il y a deux atomes d’hydrogène de différence entre les réactifs et les produits ainsi qu’un atome d’oxygène.

Ajouter le chiffre 2 devant l’eau pour ajuster les atomes hydrogène :
CH4+O22H2O+CO2\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow 2\: \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2
Il faut encore ajuster l’oxygène : ajouter un 2 devant le dioxygène :
CH4+2O22H2O+CO2\text{CH}_4 + 2 \text{O}_2 \rightarrow 2\: \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2
L’équation de la réaction est ajustée car il y a autant d’atomes de carbone, d’oxygène et d’hydrogène dans les réactifs et dans les produits.

A
Ajuster une équation chimique

La notion de stœchiométrie est indispensable pour décrire une réaction chimique qui respecte la loi de conservation de la matière. En effet, d’après le principe de Lavoisier (doc. 3), le nombre et la nature des éléments chimiques des réactifs doivent être identiques aux produits.

Ajuster une équation chimique consiste à prendre en compte la stœchiométrie de la réaction et donc à indiquer les proportions des réactifs réagissant ensemble et celles des produits formés.

On indique la stœchiométrie de la réaction en modifiant les nombres stœchiométriques.

Doc. 4
Combustion du méthane

Combustion du méthane

1
Modélisation des transformations chimiques


B
Écriture symbolique d’une réaction chimique

Après avoir observé et listé les espèces présentes au cours d’une transformation, il est possible d’indiquer quels sont les réactifs et quels sont les produits de la réaction en comparant les états initial et final de la réaction.

L’équation chimique modélise la transformation chimique microscopique ayant lieu. Elle indique donc les réactifs qui se transforment en produits à l’aide d’une flèche :
réactif 1 ++ réactif 2 ++ ... \rightarrow produit 1 ++ produit 2 ++ ...

A
Observations macroscopiques

Au cours d’une transformation chimique, des réactifs réagissent et forment des produits : un réarrangement entre les atomes a lieu. Pour écrire l’équation de la réaction, il faut identifier les espèces mises en jeu.

Pour cela, observer expérimentalement ce qui se passe lors de la transformation est crucial. En effet, des changements peuvent être visibles : apparition d’un solide, formation de bulles donc d’un gaz, changement de couleur, etc. Il est aussi possible d’utiliser les tests chimiques d’identification des espèces.

Ces observations expérimentales macroscopiques nous permettent d’écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique microscopique en identifiant les réactifs en jeu ainsi que les produits.


Doc. 1
Disparition d’un réactif

Lorsque l’on mélange de l’acide oxalique (incolore) et du permanganate de potassium (violet), on observe une disparition de la couleur avec le temps : cela signifie que le permanganate de potassium a disparu !

Retrouvez en vidéo
la disparition du réactif.
Disparition d’un réactif

C
Notion d’espèce spectatrice

Une espèce chimique qui est présente au cours de la réaction mais qui ne subit aucun changement est une espèce spectatrice.

Ainsi, cette espèce n’apparaît pas dans l’équation de la réaction chimique.

Vocabulaire

  • Macroscopique : se voit à l’œil nu.
  • Microscopique : de dimension comparable à celle d’une entité chimique.

Éviter les erreurs

Attention à ne pas confondre l’apparition d’un solide avec un changement d’état. On traite dans ce chapitre de transformations chimiques.

Doc. 2
Réaction de combustion du carbone

Réaction de combustion du carbone

Application

Écrire l’équation de la réaction de combustion du carbone dans l’air (doc. 2).

Corrigé : Lors de la combustion du carbone, on constate que du dioxyde de carbone est formé (l’eau de chaux se trouble lorsqu’on l’ajoute dans le tube). De plus, cette combustion ne se fait qu’en présence d’air. L’air est un mélange de dioxygène et de diazote. Ce dernier étant inerte, seul le dioxygène réagit. Le diazote est donc une espèce spectatrice.

Ainsi, le bilan s’écrit : carbone ++ dioxygène \rightarrow dioxyde de carbone

Ou plus simplement : C+O2CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2

Supplément numérique

Retrouvez l'ajustement d'une équation de réaction en vidéo.

3
Effets thermiques d’une transformation chimique


B
Influence de la masse de réactif limitant

Si l’on fait varier la masse du réactif limitant, on fait varier la quantité de produits formés et donc l’énergie absorbée ou libérée par la transformation.

Plus la masse du réactif limitant est élevée, plus la variation de température observée sera significative.

A
Transformations endothermiques ou exothermiques ?

Au cours d’une transformation chimique, des liaisons sont brisées lorsqu’une quantité suffisante d’énergie leur est apportée. C’est pour cette raison qu’une amorce est nécessaire pour démarrer une combustion.

À l’inverse, de nouvelles liaisons chimiques sont créées en libérant de l’énergie. Au final, la réorganisation des molécules implique de l’absorption et de l’émission d’énergie.

Pour savoir si globalement la réaction consomme de l’énergie ou si elle en libère, il faut comparer l’énergie nécessaire pour briser les liaisons des réactifs avec celle nécessaire pour former les liaisons des produits. L’énergie absorbée ou libérée est échangée avec le système sous forme d’énergie thermique.

Une réaction chimique qui nécessite une absorption d’énergie est endothermique : la température globale du système va diminuer. Une réaction chimique qui libère de l’énergie est exothermique : la température globale du système va augmenter.

Doc. 6
Combustion d’une allumette

Combustion d'une allumette
Lorsqu’une allumette se consume, c’est une réaction de combustion qui produit de la chaleur : la réaction est exothermique.

Pas de malentendu

Il se peut qu’il n’y ait aucune variation de température au cours de la transformation. Dans ce cas, la réaction est dite athermique.
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