Programme 2011 : Physique et Chimie Programme 2020 : Physique et chimie

 

Mots clés : transformation chimique ; réaction chimique ; quantité de matière ; avancement de la réaction ; état initial ; état final ; avancement final ; avancement maximal ; mélange stœchiométrique ; ...

 

I- La transformation chimique.

 

1)- Description d’un système chimique.

- Un système chimique est constitué par l’ensemble des espèces chimiques auxquelles on s’intéresse.

-  Pour décrire un système chimique, il faut préciser :

- La nature, la quantité de matière et l’état physique (solide, liquide ou gazeux) des différentes espèces chimiques qui constituent le système.

- Les conditions de température T et de pression p.

- Définition :

-  Un système subit une transformation chimique si la nature et (ou) la quantité de matière des espèces chimiques sont différentes à l’état initial et à l’état final.

- Exemple : Une solution d’acide chlorhydrique (H ⁺ (aq) + Cl ⁻ (aq) ) réagit avec le magnésium métal.

-  On observe un dégagement gazeux de dihydrogène, H₂ (g) et il se forme des ions Mg²⁺ (aq).

- Lors de la réaction, les ions chlorure sont des ions spectateurs, ils ne participent pas à la réaction.

-  D’autre part, l’eau est le solvant, il est en large excès. On ne fera pas de calcul sur l’eau.

2)- La réaction chimique et son équation. 

- La réaction chimique rend compte, à l’échelle macroscopique de l’évolution d’un système subissant une transformation.

- On représente la réaction chimique par une équation.

- On note à gauche la formule des réactifs et à droite la formule des produits.

- Entre les réactifs et les produits, une flèche indique le sens d’évolution du système.

Réactifs  →  Produits

- Exemple : réaction antre l’acide chlorhydrique et le magnésium :

- Le coefficient placé devant chaque espèce chimique est appelé ; nombre stœchiométrique.

- Il faut ajuster les nombres stœchiométriques afin de respecter la conservation des éléments chimiques et la conservation de la charge électrique. 

- Par convention, on n’écrit pas le nombre stœchiométrique 1.

-  Les nombres stœchiométriques nous renseignent sur les proportions en quantités de matière.

- Traduction de la réaction précédente : 

- 1 mole de magnésium réagit avec 2 moles d’ions hydrogène pour donner 1 mole d’ions magnésium et 1 mole de dihydrogène gazeux.

II- Évolution des quantités de matière au cours d’une transformation chimique.

 

1)- Étude d’un exemple.

a)- Exemple : la combustion du propane dans le dioxygène donne du dioxyde de carbone et de l’eau.

- On fait brûler n₁ = 1,0 mole de propane dans n₂ = 3,0 moles de dioxygène.

-  Les conditions de températures et de pression sont les suivantes : p = 1013 hPa et θ = 20 °C . 

-  Formule du propane C₃H₈

- Donner l’état initial du système chimique.

- Donner l’état final du système chimique obtenu lorsque la réaction est finie.

b)- État initial du système.

- Pour donner l’état final du système chimique, il faut utiliser l’équation de la transformation chimique et réaliser un tableau d’avancement de la réaction.

- Équation de la réaction :

- Traduction : 1 mole de propane réagit avec 5 moles de dioxygène pour donner 3 moles de dioxyde de carbone et 4 moles d’eau.

c)- Avancement d’une réaction chimique : x (mol).

- L’avancement x d’une transformation chimique est une grandeur exprimée    en mole qui permet de décrire l’état du système au cours de la transformation.  - Il permet d’exprimer les quantités de matière de réactifs et de produits    présents dans le système chimique à chaque instant. - L’avancement x est une quantité de matière. - Elle s’exprime en mol. - Dans l’état initial, x = 0, - au cours de la transformation,  0  ≤  x  ≤  xmax - À l’état final : x = xmax (ceci au niveau de la classe de seconde).

d)- Tableau d’avancement de la réaction :

e)- Réactif limitant et avancement maximal.

- L’avancement maximal x_max s’obtient en écrivant que les quantités de matière des réactifs restent positives ou nulles. 

-  Il permet de déterminer l’état final de la transformation.

- En général, la réaction s’arrête lorsque l’un des réactifs a été totalement consommé. 

- À l’état final, la quantité de matière du réactif limitant est nulle.

- Il se peut que lorsque la réaction s’arrête, tous les réactifs soient entièrement consommés. 

- On dit qu’initialement, les réactifs étaient dans les proportions stœchiométriques.

- Comment peut-on déterminer la valeur maximale de x : x_max ?

- En fin de réaction, la quantité de matière de chaque réactif est soit positive, soit nulle.

- En conséquence, on peut écrire deux inéquations :

- En conséquence, l’avancement x peut varier entre 0 et 0,60 mol.

- L’avancement maximal : x_max = 0,60 mol.

- Le réactif limitant est celui qui disparaît totalement c’est-à-dire celui dont la quantité de matière s’annule pour la plus faible valeur de x.

- L’avancement est maximal lorsque le réactif limitant a totalement disparu : x_max  est la plus petite valeur de x pour laquelle la quantité de matière de l’un des réactifs devient nulle.

- Lorsque la valeur de x_max  est connue, on peut déterminer les quantités de matière des différentes espèces chimiques dans l’état final du système. 

-  Il suffit pour cela de rajouter une ligne au tableau.

 

 

 

f)-  État final du système :

2)- Autre méthode pour la détermination de la valeur de x_max.

- On peut déterminer x_max en traçant les droites représentant les variations des quantités de matière des réactifs en fonction de l’avancement x de la réaction.

- Dans le cas précédent :

-  Les deux droites coupent l’axe horizontal et x_max est égal à la plus petite abscisse des deux points d’intersection.

-  Graphe : On peut montrer l’évolution du système grâce à un tableur : ici Excel.

 

Fichier Excel compressé avec macro (choisir la réaction N° 20)

Vidéo

3)- Cas particulier : Le mélange stœchiométrique.

- Dans certains cas, à la fin de la réaction, tous les réactifs ont été entièrement consommés.

-  On dit que dans l’état initial, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques : le mélange est stœchiométrique.

- Mélange stœchiométrique de propane et de dioxygène : on parle de mélange détonant.

- Graphe :

Fichier Excel compressé avec macro (choisir la réaction N° 20)

 

4)- Le bilan de matière.

-  Le bilan de matière d’une transformation chimique donne les quantités de matière des réactifs restants et des produits obtenus à l’état final. 

- À partir de ces quantités de matière, on peut calculer des masses, des concentrations, des volumes, des pressions.

 

III- Applications.

 

1)- Bilan de matière et volume de gaz formé.

- Énoncé : Le zinc réagit avec l’acide chlorhydrique pour donner un dégagement gazeux    de dihydrogène et des ions Zn2+ (aq) en solution aqueuse.  - On fait réagir un volume V1 = 20,0 mL  d’acide chlorhydrique de concentration   C1  = 5,00 mol / L  avec une masse m = 0,11 g de zinc solide  - On précise que les ions chlorure sont des ions spectateurs et que dans les conditions    de l’expérience, le volume molaire Vm = 24 ,3 L / mol.  - Données : masse molaire du zinc : M (Zn) = 65,4 g / mol. - Faire un bilan de matière et calculer le volume V de dihydrogène obtenu dans    les conditions de l’expérience. - Comment aborder cet exercice ?

- Les différentes étapes :

 

- Résolution :

- Équation de la réaction :

- État initial et quantité de matière :

- Tableau d’avancement de la réaction.

 

 

-  Pour compléter le tableau, il faut déterminer la valeur de x_max.

-  On peut calculer les deux valeurs de x_max  en résolvant les deux équations suivantes

-  La valeur retenue pour x_max est la plus faible des deux valeurs.

-  Maintenant, on peut compléter le tableau et donner l’état final du système.

 

- Le zinc métal est le réactif limitant.

-  La réaction s’arrête lorsqu’il est totalement consommé.

- Volume de dihydrogène obtenu en fin de réaction :

2)- Bilan de matière et pression du gaz formé.

- Énoncé :

-  L’acide chlorhydrique réagit avec le carbonate de calcium (CaO₃) pour donner du dioxyde de carbone, de l’eau et des ions calcium (Ca²⁺) en solution aqueuse.

-  Les ions chlorure sont des ions spectateurs et l’eau est le solvant.

-  La réaction se fait à température constante. On donne les caractéristiques de l’état initial du système.

- On donne : M (C) = 12,0 g / mol ; M (O) = 16,0 g / mol ; M (Ca) = 40,1 g / mol 

-  On recueille dans un récipient de volume V’ = 1,1 L le dioxyde de carbone par déplacement de liquide sur la cuve à eau.

- Déterminer la valeur de la pression p’ du dioxyde de carbone dans le récipient.

- Équation de la réaction :

- Quantités de matière :

 

- Tableau d’avancement de la réaction.

 

-  La valeur retenue pour x_max est la plus faible des deux valeurs.

-  Conclusion le carbonate de calcium est le réactif limitant.

-  Les ions hydrogène ont été introduits en excès.

- Tableau final :

- Pression du dioxyde de carbone.

- On peut considérer que le dioxyde de carbone se comporte comme un gaz parfait.

- On peut utiliser la relation suivante : p V = n R T

- 

3)- QCM :

Changement de couleur et réaction chimique (tableau) Changement de couleur et réaction chimique (Questy) La réaction chimique (Questy) Avancement d'une réaction (tableau) Avancement d'une réaction chimique (Questy)

4)- Exercices :

Correction des exercices  Exercice 7 page 72 Exercice 21 page 75 - 76  Exercice 24 page 77