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Physique-Chimie 1re

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Chapitre 3
Évolution d'un système chimique
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Exercices




Trouver le réactif limitant

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19
Déterminer un volume de gaz

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

Pâte pain

La levure chimique est utilisée pour faire des gâteaux. Elle contient 0,2 mol d’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3\text{NaHCO}_3) ainsi que 2 mol d’acide tartrique (qui libère 4 mol d’ions H+\text{H}^+), tous deux solides. À froid, en présence d’eau, on observe un dégagement de dioxyde de carbone, ce qui fait lever la pâte à pain :

NaHCO3(s)+H+(aq)→Na+(aq)+H2O(l)+CO2(g)\mathrm{NaHCO}_{3}(\mathrm{s})+\mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})


1. Déterminer la masse de chacun des produits.


2. Calculer le volume de dioxyde de carbone ainsi produit.


Donnée

  • Le volume molaire des gaz est pris égal à Vm=V_\text{m}= 24 L·mol-1.

Supplément numérique
A
Compléter un tableau d’avancement

✔ MATH : Calcul littéral

L’eau de Javel résulte d’une réaction entre des ions hydroxyde HO- et du dichlore Cl2(g).

1. Compléter la deuxième ligne du tableau d’avancement ci-dessous.

Cl2(g)\text{Cl}_2(g) +2HO− (aq)\text{+2HO}^-\,_{(aq)} →\rightarrow ClO− (aq)\text{ClO}^-\,_{(aq)} +Cl− (aq)\text{+Cl}^-\,_{(aq)} +H2O(l)\text{+H}_2\text{O}(l)
EI (mol) 0,12 0,28 0 0 excès
EInt (mol)
EF (mol)

Données

On notera
  • EI : État initial
  • EInt : État intermédiaire
  • EF : État final
  • x : avancement de la réaction

2. Déterminer l’avancement maximal xmax de cette réaction. En déduire la nature du réactif limitant.


3. Compléter la dernière ligne du tableau.

4. Les réactifs ont-ils été mélangés selon les proportions stœchiométriques ?
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21
Quelques calculs en QCM

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

On étudie la réaction de la combustion du dihydrogène que l’on retrouve dans les réacteurs de certaines fusées :
2 H2(l)+O2(l)→2 H2O(l)2\, \mathrm{H}_{2}(\mathrm{l})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{l}) \rightarrow 2\, \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}).

Choisissez la ou les bonnes réponses pour chaque cas.

1. On fait réagir 2,0 g de H2\text{H}_2 avec 1,0 g de O2\text{O}_2 :
a. les proportions stœchiométriques ont été respectées.
b. H2\text{H}_2 est le réactif limitant.
c. O2\text{O}_2 est le réactif limitant.

2. On fait réagir 0,8 g de H2\text{H}_2 avec 0,4 g de O2\text{O}_2 :
a. les proportions stœchiométriques ont été respectées.
b. il va se former 1,2 mol d’eau.
c. il va se former 14,4 g d’eau.

Données

  • M(H)=M(\mathrm{H})= 1,0 g·mol-1 ;
  • M(O)=M(\text{O})= 16,0 g·mol-1.
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20
Importance des conditions expérimentales

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation

Dans l’exercice
19
 on étudie le mode d’action de la levure chimique à froid. Cependant, lors de la cuisson au four, la réaction se fait à chaud, et non plus à froid. L’équation bilan de la réaction est alors :

2 NaHCO3(s)→Na2CO3(s)+H2O(l)+CO2(g)2\, \mathrm{NaHCO}_{3}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Na}_{2} \mathrm{CO}_{3}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})

1. Pourquoi la question de la nature du réactif limitant ne se pose-t-elle plus ici ?


2. La levure contient 0,2 mol de bicarbonate de soude (NaHCO3\text{NaHCO}_3), déterminer le volume de gaz carbonique produit.


Donnée
  • Dans les conditions de l’expérience, le volume molaire des gaz vaut Vm=V_\text{m}= 30 L·mol-1.
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18
Construire un tableau d’avancement

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique


On fait réagir 0,34 g de méthylamine avec 0,44 cm3 de butane-2,3-dione. Il se forme une imine qui possède une odeur prononcée de pop-corn. Voici l’équation de la réaction :

C2O2(CH3)2Butane - 2,3 - dione+NH2CH3Methylamine→COCN(CH3)3Imine+H2OEau\underset{\text{Butane - 2,3 - dione}}{\mathrm{C}_{2} \mathrm{O}_{2}\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{2}}+\underset{\text{Methylamine}}{\mathrm{NH}_{2} \mathrm{CH}_{3}} \rightarrow \underset{\text{Imine}}{\mathrm{COCN}\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}}+\underset{\text{Eau}}{\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}}

1. Déterminer les quantités de matière des réactifs à l’état initial.


2. Construire le tableau d’avancement correspondant.
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Formes
Dessinez ici


3. En déduire le réactif limitant ainsi que les quantités de matière finales.


Données

  • Méthylamine : Mm=M_\text{m} = 31,0 g·mol-1;
  • Butane-2,3-dione : Mb=M_\text{b} = 86,0 g·mol-1;
    ρb=\rho_\text{b} = 0,99 kg·L-1.

Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Déterminer la composition d’un système à l’état final
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23
Cas 2 (conditions stœchiométriques)

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Dans le cas général, si l’équation bilan s’écrit :
2 A+B→C+2 D2\, \text{A}+\text{B} \rightarrow \text{C}+2\, \text{D}.

1. Quelles sont les proportions de A\text{A} et de B\text{B} à respecter pour être dans les conditions stœchiométriques ?


2. Écrire alors la relation entre les masses de A\text{A}, B\text{B}, C\text{C} et D\text{D}.


3. C\text{C} et D\text{D} seront obtenus dans quelles proportions ?


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24
Cas 3 (conditions stœchiométriques)

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Dans le cas général, si l’équation bilan s’écrit :
2 A+3 B→2 C+2 D2\, \text{A}+3\, \text{B} \rightarrow 2\, \text{C} + 2\, \text{D}.

1. Quelles sont les proportions de A\text{A} et de B\text{B} à respecter pour être dans les conditions stœchiométriques ?


2. Écrire alors la relation entre les masses de A\text{A}, B\text{B}, C \text{C} et D\text{D}.


3. C\text{C} et D\text{D} seront obtenus dans quelles proportions ?



Avancement d'une réaction et proportions stœchiométriques

22
Cas 1 (conditions stœchiométriques)

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✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

Dans le cas général, si l’équation bilan s’écrit :
A+B→C+D\text{A}+\text{B} \rightarrow \text{C}+\text{D}.

1. Quelles sont les proportions de A\text{A} et de B\text{B} à respecter pour être dans les conditions stœchiométriques ?


2. Écrire alors la relation entre les masses de A\text{A}, B\text{B}, C\text{C} et D\text{D}.


3. C\text{C} et D\text{D} seront obtenus dans quelles proportions ?


Relier quantité de matière et transformation chimique

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14
Utiliser des nombres fractionnels

✔ APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

En présence d’alcool, les ions dichromate Cr2O72−\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{7}^{2-} se transforment en ions chrome (III) Cr3+\mathrm{Cr}^{3+} (passage de l’orange au vert). L'équation bilan correspondante est :
Cr2O72−(aq)+32C2H5OH(l)+8H+(aq)→\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{7}^{2-}(\mathrm{aq})+\dfrac{3}{2} \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{5} \mathrm{OH}(\mathrm{l})+8 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 32CH3CO2H(l)+2Cr3+(aq)+112H2O(l)\dfrac{3}{2} \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}(\mathrm{l})+2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+\dfrac{11}{2} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})

1. Est-il possible d’écrire une équation bilan de cette manière ? Expliquer.


2. Réécrire cette équation ajustée avec des coefficients stœchiométriques non fractionnaires.
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12
Comprendre une équation bilan

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

La modélisation de la combustion du méthane peut s’écrire :
...CH4(g)+\mathrm{CH}_{4}(\mathrm{g}) + ...O2(g)→\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow ...CO2(g)+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g}) + ...H2O(g).\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}).

1. Équilibrer cette équation bilan.
CH4(g)+\mathrm{CH}_{4}(\mathrm{g}) + O2(g)→\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow CO2(g)+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g}) + H2O(g)\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}).

2. Quelle information apporte cette équation bilan ?


3. Comment appelle-t-on les coefficients devant le symbole des molécules ? Ont-ils une signification à l’échelle microscopique ? macroscopique ?


Torchère de gaz (Lincolnshire, Angleterre).

Torchère de gaz (Lincolnshire, Angleterre).
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13
Changer d’échelle : du microscopique au macroscopique

✔ RAI/MOD : Modéliser une transformation chimique

En cours de chimie, l’utilisation de modèles moléculaires est courante. Ils permettent de montrer la conservation de la matière lors d’une transformation chimique, comme ci-dessous lors de la décomposition de l’eau.

Décomposition de l'eau

1. Écrire l’équation bilan correspondante.


2. De ces deux interprétations, laquelle est la bonne ?
a. Deux molécules d’eau réagissent pour donner deux molécules de dihydrogène et une molécule de dioxygène.
b. On obtient autant de molécules dihydrogène et moitié moins de molécules dioxygène qu’il y a de molécules d’eau ayant réagi.

Pour s'échauffer

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5
Deux exemples de transformations

◆ S’agit-il de transformations physique ou chimique ?

a. CaCO3(s)→Ca2+(aq)+CO32−(aq)\mathrm{CaCO}_{3}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Ca}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{CO}_{3}^{2-}(\mathrm{aq}) \qquad
Transformation physique.
Transformation chimique.

b. CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)\mathrm{CaCO}_{3}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})\qquad
Transformation physique.
Transformation chimique.


6
Loi de conservation

◆ Au cours d’une transformation chimique, observe-t-on la conservation :

a. de la masse ?
b. de la quantité de matière ?
c. du volume ?

7
L’avancement xx

◆ À quoi correspond l’avancement d’une réaction pour une équation dans laquelle tous les coefficients stœchiométriques valent 1 ?


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8
L’état initial d’une réaction

◆ Doit-on prendre en compte les coefficients stœchiométriques d’une équation bilan pour définir l’état initial ?


9
xxmax(1) et xxmax(2)

◆ Pourquoi est-on susceptible de trouver plusieurs valeurs pour xmaxx_\text{max} ? Pourquoi est-ce la plus petite des deux valeurs qui est la bonne ?


10
Les conditions stœchiométriques

◆ À quel état du système chimique correspondent-elles en fin de réaction ?


11
Le réactif limitant

◆ Est-ce forcément celui dont la quantité de matière initiale est la plus faible ?


Les conditions stœchiométriques

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15
Relier quantité de matière et nombres stœchiométriques - Identifier la conservation de la masse

✔ RAI/MOD : La quantité de matière

1. Équilibrer l’équation bilan ci-dessous.

Equation bilan
1
2
3


2. Des deux propositions, rouge et verte, laquelle correspond aux conditions stœchiométriques ? Justifier en s’appuyant sur ses connaissances.
Rouge. Verte.


On suppose qu’on fait réagir 8,0 g de diazote (N2)(\mathrm{N}_{2}) pour obtenir 9,7 g d’ammoniac (NH3).(\mathrm{NH}_{3}).

3. A priori, quelle masse de dihydrogène aura réagi ?


4. Si la masse initiale de dihydrogène est de m(H2)=m(\text{H}_2) = 1,7 g, les conditions stœchiométriques seront-elles respectées ?


Données

  • M(H)=M(\text{H}) =1,0 g·mol-1;
  • M(N)=M(\text{N}) =14,0 g·mol-1.
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16
Calculer une quantité de matière

✔ RAI/MOD : La quantité de matière

La soudure aluminothermique permet de relier les rails du chemin de fer entre elles. Elle s’appuie sur :
Fe2O3(s)+2 Al(s)→2 Fe(s)+Al2O3(s)\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{s})+2\, \mathrm{Al}(\mathrm{s}) \rightarrow 2\, \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{s})

Soudure aluminothermique

1. On cherche à calculer la masse d’aluminium qui sera nécessaire pour faire réagir 3,00 g d’oxyde de fer, initialement présent dans les conditions stœchiométriques. Pour cela :
a. Calculer la quantité de matière initiale d’oxyde de fer.


b. En déduire l’avancement maximal xmaxx_{\text{max}}.


c. En déduire la quantité de matière nécessaire d’aluminium pour que la réaction soit totale.


d. Calculer la masse d’aluminium correspondante.


2. Déterminer la masse de chacun des produits.


3. Le principe de conservation de la masse est-il appliqué ?


Données

  • M(Fe)=M(\mathrm{Fe})= 55,8 g·mol-1.
  • M(Al)=M(\mathrm{Al})= 27,0 g·mol-1.
  • M(O)=M(\mathrm{O})= 16,0 g·mol-1.
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17
Vrai ou faux ? Différencier masse et quantité de matière

✔ APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

Soit l’équation bilan suivante (combustion du glucose) :

C6H12O6(s)+6 O2(g)→6 CO2(g)+6 H2O(l)\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}(\mathrm{s})+6\, \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightarrow 6\, \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+6\, \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})

◆ En se plaçant dans les conditions stœchiométriques, les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses ?
    a. Le rapport des masses du dioxygène et du glucose vaut 6.
    Vrai. Faux.
    b. Le rapport des quantités de matières du dioxygène et du glucose vaut 6.
    Vrai. Faux.
    c. La quantité de matière des réactifs est égale à celle des produits.
    Vrai. Faux.
    d. La masse des réactifs est égale à celle des produits.
    Vrai. Faux.

Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Construire un tableau d’avancement :
18
26

Savoir décrire l’évolution d’un système :
13
31

Déterminer la composition d’un système à l’état final :
16
DIFF
31

Comparer l’avancement final à l’avancement maximal :
28

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