La réaction chimique.
 

Remarque préalable: Il est difficile, à notre niveau, de traiter ce chapitre de façon uniquement théorique et abstraite. Le parti pris ici est de développer les connaissances à partir d'un exemple. Il appartient à chacun d'assimiler les notions présentées à partir de cet exemple de façon à pouvoir les utiliser dans d'autres cas.

I. Les transformations chimiques.

1. Exemple.

Le dihydrogène peut réagir de façon explosive avec le dioxygène pour donner de l'eau. Nous supposerons qu'il reste du dioxygène à la fin de la transformation.

2. Système et transformation chimique.

Le système chimique est constitué par l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse.

L'état d'un système chimique est caractérisé par:

On prendra l'habitude de représenter l'état d'un système comme il est indiqué ci-contre:

La transformation chimique est le passage du système de l'état initial à l'état final (voir ci-contre).

Le réactif limitant (ou réactif en défaut) est le réactif totalement consommé par la réaction. Il n'en reste plus à la fin de la réaction. C'est le cas du dihydrogène ici.

II. La réaction chimique et son équation.

1. La réaction chimique.

La réaction chimique modélise la transformation chimique subie par un système.

2. L'équation (ou équation-bilan) d'une réaction.

a. L'équation d'une réaction est l'écriture symbolique d'une réaction chimique. Elle comporte:

b. Remarques:

c. Exemple:

 

d. Équation et quantité de matière:

Les nombres stoechiométriques indiquent dans quelles proportions les quantités de matières des réactifs réagissent et ce quelques soient les quantités de matières des réactifs mis en présence. Par exemple l'équation de la réaction de formation de l'eau donnée en 3 indique que:

si x mol de O2 disparaissent alors 2x mol de H2 disparaissent aussi et il se forme 2x mol de H2O.

III. Avancement et bilan de matière.

1. Avancement de la réaction.

En reprenant l'exemple précédent, x est appelé avancement de la réaction à la date t. Ce nombre permet de suivre l'évolution de la transformation et donc de caractériser le système à un moment donné.

L'avancement maximal xmax s'obtient en écrivant que les quantités de matières des réactifs sont toujours positives ou nulles.

Nous supposerons, cette année qu'une réaction s'arrête lorsqu'un des réactifs a été totalement consommé. Ce réactif est appelé réactif limitant. Il est tel que sa quantité de matière est nulle (il n'en reste plus) lorsque x=xmax, c'est-à-dire lorsque l'avancement est maximal.

Dans certains cas tous les réactifs sont totalement consommés. On dit alors qu'ils ont été introduits dans les proportions stoechiométriques.

2. Bilan de matière.

Rappelons que les quantités de matières peuvent être déterminées à partir des masses ou des volumes (plus particulièrement pour les gaz) en utilisant les relations suivantes déjà rencontrées:

et

Supposons que l'on réalise une réaction chimique en mettant en présence 0,2 mol de dioxygène et 0,2 mol de dihydrogène. Dressons un bilan complet de matière.

Ce bilan est, en général, présenté sous forme de tableau que l'on construit progressivement.
 

Équation de la réaction

2H2 + O2 2H2O

Quantités de matières initiales (mol)

n(H2)i=0,2

n(O2)i=0,2

n(H2O)i=0,0

Quantités de matières de réactifs consommés
et de produits formés à la date t (mol)

n(H2)=2x

n(O2)=x

n(H2O)=2x

Quantités de matières présentes à la date t (mol)
lorsque l'avancement est x

n(H2)t=0,2-2x

n(O2)t=0,2-x

n(H2O)t=2x

Quantités de matières finales (mol)
lorsque l'avancement est xmax

n(H2)f=0,2-2xmax

n(O2)f=0,2-xmax

n(H2O)f=2xmax

A ce stade de l'étude, le tableau n'est pas complet car xmax n'est pas connu et reste à déterminer. Il est possible de déterminer xmax de deux manières différentes:

a. Méthode des quantités de matières toujours positives ou nulles.

 

 

 

n(H2)t = 0,2-2x 0

  =>  

2x 0,2

 

  =>  

x 0,1

 

 

 

n(O2)t = 0,2-x

  =>  

x 0,2

Les deux dernières inégalités sur x sont satisfaites pour x 0,1. On retiendra donc la valeur xmax=0,1 mol. Il devient alors possible de compléter la dernière ligne du tableau précédent.
 

Équation de la réaction

2H2 + O2 2H2O

Quantités de matières initiales (mol)

n(H2)i=0,2

n(O2)i=0,2

n(H2O)i=0,0

Quantités de matières de réactifs consommés
et de produits formés à la date t (mol)

n(H2)=2x

n(O2)=x

n(H2O)=2x

Quantités de matières présentes à la date t (mol)
lorsque l'avancement est x

n(H2)t=0,2-2x

n(O2)t=0,2-x

n(H2O)t=2x

Quantités de matières finales (mol)
lorsque l'avancement est xmax

n(H2)f=0,0

n(O2)f=0,1

n(H2O)f=0,2

Le dihydrogène est totalement consommé il apparaît comme le réactif limitant.

b. Méthode graphique.

On trace dans le même repère les droites d'équations:

n(H2)t=0,2-2x et n(O2)t=0,2-x.

Lorsque x croît, c'est-à-dire lorsque la réaction évolue, sa valeur maximale xmax est atteinte lorsque la droite n(H2)t=0,2-2x coupe l'axe des abscisses. On a alors xmax=0,1 mol.

D'une façon plus générale, xmax s'obtient en considérant les intersections des droites du graphique avec l'axe des abscisses et en choisissant celle qui a l'abscisse la plus petite.

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