La transformation chimique

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Lorsqu'il se produit une réaction chimique, la composition du système est modifiée. Pour suivre l'évolution du système et prévoir les quantités de matières obtenues à la fin de la transformation, nous introduisons un nouvel outil : l'avancement chimique.
Remarques : tous les exemples de ce chapitre portent sur l'action de l'acide chlorhydrique sur le zinc.
1. Description d'un système
• Un sytème chimique est constitué d'un ensemble d'espèces chimiques.
On décrit l'état du système en donnant :
  • la nature, l'état physique et la quantité de matière de toutes les espèces présentes ;
  • les conditions de température et de pression.
On dit que le système subit une transformation chimique si la nature et/ou les quantités de matière des espèces présentes sont modifiées :
• On décrit cette transformation chimique par un modèle : la réaction chimique.
On représente la réaction chimique par une équation chimique (ou équation bilan).
Test n°1Test n°2
2. L'équation bilan
• Elle s'écrit sous la forme :
réactifs → produits
(la flèche se lit « donne »).
Exemple : la réaction qui correspond à la transformation du paragraphe 1 s'écrit :
Zn(s) + 2 H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g).
• Les réactifs sont les espèces chimiques qui réagissent au cours de la réaction. Leurs quantités de matière vont donc diminuer.
• Les produits sont les espèces chimiques qui sont formées au cours de la réaction. Leurs quantités de matière vont donc augmenter.
• Les espèces chimiques dont la quantité de matière n'évolue pas au cours de la réaction sont appelées « espèces spectatrices » (« ions spectateurs » s'il s'agit d'ions). C'est le cas de l'ion Cl dans l'exemple.
• Les coefficients que l'on place devant les formules chimiques des réactifs et produits s'appellent des « coefficients stœchiométriques » (ou nombres stœchiométriques). Ce sont des nombres entiers et positifs.
Ces coefficients stœchiométriques permettent de respecter les règles de conservation :
  • du nombre d'atomes de chaque élément ;
  • de la charge globale.
Test n°3Test n°4
3. Le bilan de matière et le tableau d'évolution
• Réaliser le bilan de matière du système consiste à déterminer les quantités de matière de toutes les espèces présentes. On peut donc avoir besoin d'un bilan de matière dans l'état initial, dans l'état final, mais aussi dans un état intermédiaire.
Pour suivre l'évolution du système entre l'état initial et l'état final, on définit une nouvelle grandeur : l'avancement chimique.
L'avancement de la réaction est une quantité de matière variable, notée x, qui permet de déterminer les quantités de matière de tous les réactifs et produits à n'importe quel moment de la réaction.
À l'état initial x = 0 ; à l'état final x = xmax (avancement maximal de la réaction).
Pour simplifier, on présente généralement tous ces éléments sous la forme d'un tableau d'évolution :
• L'avancement correspond donc à la quantité de matière de réactif consommé ou de produit formé si le coefficient stœchiométrique est égal à 1.
Si le coefficient stœchiométrique est égal à n, alors la quantité de matière de réactif consommé ou de produit formé sera égale à n \cdot x.
Remarques :
  • toutes les quantités figurant dans ce tableau sont des quantités de matière ; si les données sont sous une autre forme (masse, volume, concentration, etc.), il faut d'abord calculer les quantités de matière correspondantes ;
  • de la même façon, si l'énoncé demande un résultat sous une autre forme, il faudra effectuer ensuite les calculs nécessaires à partir des quantités de matière dans l'état final ;
  • pour déterminer xmax et établir l'état final, le tableau n'est pas suffisant (voir paragraphe 4) ;
  • l'unité doit être indiquée dans la première colonne ;
  • en général les quantités de matière sont exprimées en mol, mais on utilise parfois la millimole (mmol).
Test n°5Test n°6
4. Détermination de l'avancement maximal et état final
• La réaction chimique s'arrête dès qu'un des réactifs est épuisé : le système est alors dans son état final, et l'avancement a atteint sa valeur maximale xmax. Le réactif qui s'épuise le premier est appelé « réactif limitant » ; pour calculer xmax, il faut donc tout d'abord déterminer quel est le réactif limitant.
Pour cela, on effectue pour chaque réactif l'hypothèse « ce réactif est limitant » et on calcule la valeur de xmax correspondante. On peut alors déterminer quel réactif est réellement limitant : c'est celui pour lequel la valeur de xmax est la plus petite (ce qui signifie bien que ce réactif arrête la réaction avant les autres).
Exemple :
Supposons que Zn soit le réactif limitant : alors dans l'état final n(Zn)f = 0.
Or d'après le tableau d'évolution (en remplaçant x par xmax) :
n(Zn)f = 5 − xmax.
En égalant ces deux expressions on obtient :
0 = 5 − xmax, soit xmax = 5 mol.
Supposons maintenant que H+ soit le réactif limitant : alors dans l'état final n(H+)f = 0.
Or d'après le tableau d'évolution (en remplaçant x par xmax) :
n(H+)f = 8 − 2xmax.
En égalant ces deux expressions on obtient :
0 = 8 − 2xmax, soit xmax = 4 mol.
On en déduit que le réactif limitant est H+ et que l'avancement maximal vaut xmax = 4 mol.
Pour établir le bilan de matière dans l'état final, il suffit alors de remplacer dans les expressions du tableau pour chaque réactif ou produit :
n(Zn)f = 5 − xmax = 5 − 4 = 1 mol ;
n(H+)f = 8 − 2xmax = 8 − 2 × 4 = 0 (calcul facultatif puisque c'est le réactif limitant) ;
n(Zn2+)f = xmax = 4 mol ;
n(H2)f = xmax = 4 mol.
Test n°7Test n°8
5. Proportions stœchiométriques
• Lorsque les quantités de matière initiales des réactifs sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques de l'équation bilan, on dit que les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques, ou que la réaction a lieu dans les conditions stœchiométriques.
Si les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques, alors ils s'épuiseront en même temps.
• Si on considère une réaction quelconque, d'équation :
a A + b B → c C + d D
où A et B sont les formules chimiques des réactifs, C et D celles des produits, et a, b, c et d leurs coefficients stœchiométriques, alors A et B sont dans les proportions stœchiométriques si leurs quantités de matière initiales n(A)i et n(B)i vérifient la relation : \frac{n(\mathrm{A})_i}{a}=\frac{n(\mathrm{B})_i}{b}.
Dans ce cas, l'avancement maximal vaut :
xmax = \frac{n(\mathrm{A})_i}{a}=\frac{n(\mathrm{B})_i}{b}
et les quantités de matière finales sont :
n(A)f = n(B)f = 0 ;
n(C)f = c \cdot xmax ;
n(D)f = d \cdot xmax .
Test n°9
À retenir
• Lorsque les quantités de matière des espèces chimiques d'un système évoluent, on dit que ce système subit une transformation chimique. On modélise cette transformation par une équation chimique.
L'équation chimique doit respecter la conservation des atomes et des charges.
• L'avancement chimique d'une réaction est une quantité de matière variable, notée x, qui permet de déterminer les quantités de matière de tous les réactifs et produits à n'importe quel moment de la réaction.
• La réaction chimique s'arrête dès qu'un des réactifs, appelé « réactif limitant », est épuisé : le système est alors dans son état final et l'avancement a atteint sa valeur maximale xmax.
Lorsque les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques, alors ils s'épuisent en même temps.
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