Le bilan de matière d’une réaction chimique

Le bilan de matière d’une réaction chimique

I. Avancement et bilan de matière1- avancement d’une réaction chimique2- bilan de matière (tableau d’avancement)3- avancement maximal et réactif limitant

cas particulier des conditions stoechiométriques

II. Autres exemples et exercices

Les nombres stœchiométriques d’une équation chimique indiquent dans quelles proportionsles quantités de matière des réactifs réagissent et ce quelques soient les quantités de matière des réactifs mis en présence.

I. Avancement et bilan de matière

Si x mole de O 2 disparaissent, 2x mole de H 2 disparaissent aussi et il se forme 2x mole de H 2O

+Exemple: →2 H2 2 H2OO2

1/ Avancement d’une réaction chimique

L’avancement d’une réaction chimique est une valeur variable , notée x, exprimée en mole , qui permet de déterminer les quantités de matière de réactifs transformés et de produits formés

• x ≥ 0• dans l’état initial x =0 mol• x augmente tant que l’état final de la réaction n’est pas atteint. Il prend alors sa valeur maximale xmax

2/ Bilan de matière (tableau d’avancement)

L’étude de l’avancement d’une réaction chimique est simplifiée par l’utilisation d’un tableau d’avancement.

a) Etat initial :

Il correspond aux quantités de matière (en mole) des réactifs introduits. En général dans l’étatinitial, la réaction n’a pas commencé : x = 0 mol . Dans cet exemple on a mélange 2 moles de H2 avec 2 moles de O2. Il n’y a pas encore de produits formés.

2xmax 2 -xmax2 - 2xmaxxmaxEtat final (f)

2x2 -x2 - 2xxEtatintermédiaire (t)

0 mole2 moles2 molesx = 0 (mol)Etat initial (i)

nH2OnO2nH2avancement

2H2 + O2 → 2H2OEquation de la réaction

b) Etat intermédiaire

Une réaction chimique n’est pas instantanée : au cours du temps, les quantités de matières de réactifs et de produits évoluent. Celles des réactifs diminuent et celles des produits augmentent.

L’avancement à un instant t, vaut x .

• Il reste (2 - 2x) moles de H2 et (2- x) moles de O2

• Il s’est formé 2x moles de H2O

Nombre de mole initial

Nombre stoechiométrique

xx-Réactifs :

Nombre stoechiométrique

xxProduits :

c) Etat final

Il décrit l’état du système chimique lorsque la réaction s’arréte. Un ou plusieurs réactifs ont disparu (*) . Dans l’état final, l’avancement a sa plus grande valeur xmax(*) : ce n’est pas toujours le cas.

(signe - : le réactif disparaît)

Dans l’état final, au moins un des réactifs a disparu : sa quantité de matière est nulle. Ce réactif est appelé réactif limitant (ou réactif en défaut) car sa disparition arrête la réaction. Les autres réactifs, dont la quantité de matière n’est pas nulle, sont dits en excès .

3/ Avancement maximal et réactif limitant

• Pour déterminer xmax et le réactif limitant :

soit 2 – 2xmax = 0 pour H2 d’où xmax = 1 mol soit 2 – xmax = 0 pour O2 d’où xmax = 2 mol

xmax est la plus petite valeur trouvée

Dans notre cas : xmax = 1 mol et H2 est le réactif limitant (disparaît avant O2)

2xmax =2 moles

2 –xmax =1 mole

2 -2xmax=0 mole

xmax =1 mole

Etat final (f)

0 mole2 moles2 molesx = 0 (mol)Etat initial (i)

nH2OnO2nH2avancement

2H2 + O2 → 2H2OEquation de la réaction

• Détermination de xmax par méthode graphique

n (O2) (mol)n (H2) (mol)

x (mol)

1

2

1

2

xmax

Cas ou n(O2)i = 2 moles et n(H2)i =2 moles

Evolution de la quantité de matière des réactifs en fonction de l’avancement x. Le dihydrogène est le réactif limitant.

• Cas particulier des conditions stœchiométriques

Lorsque les quantités de matière de chaque réactifs sont nulles à l’état final, aucun réactifn’est en excès. Ce cas est possible si à l’état initial il y a juste les bonnes proportions de réactifs. De telles proportions sont dites proportions stœchiométriques.

(Effectuer une réaction dans les proportions stœchiométriques, c’est économiser des réactifs.)

Dans le cas géneral d’une équation chimique aA + bB → cCles réactifs A et B sont dans les proportions stœchiométriques si :

(nB)i(nA)i

a b=

(nA)i et (nB)i les quantités de matière de A et B dans l’état initial

L’état final n’est constitué que des produits de la réaction.

2xmax =2 moles

1 –xmax =0 mole

2 -2xmax=0 mole

xmax =1 mole

Etat final (f)

0 mole1 mole2 molesx = 0 (mol)Etat initial (i)

nH2OnO2nH2avancement

2H2 + O2 → 2H2OEquation de la réaction

II. Autre exemple et exercices.

• Exercice à faire à la maison.

Livre Physique-Chimie Hachette pages 256-257

• exo 5 – 6 – 8 – 9 page 256• exo 11 et 13 page 257

• Exercice 1 : Effervescence de la craie

1) Ecrire l’équation chimique.2) Etablir un tableau d’avancement chimique :

� dans l’état initial il y a 1,4 g de craie et no moles d’acide éthanoïque

3) On considère que la craie est le réactif limitant:• quel sera l’avancement maximal ?• quelle masse d’eau a été produite en fin de réaction?• quel volume de gaz, mesuré a 20°C, s’est dégagé lors de l’effervescence?

L’action de l’acide éthanoïque CH3COOH sur la craie (composée de carbonate de calcium CaCO3) produit du dioxyde de carbone, des ions éthanoate CH3COO¯ ,des ions calcium et de l’eau.