Transformation chimique d’un système

Transformation chimique d’un système

Transformation chimique d’un système

التحول الكيميائي لمجموعة

Situation problème

Lorsqu’on place un comprimé d’aspirine dans un verre d’eau, on remarque l’apparition de bulles de gaz à l’intérieur de l’eau. On dit qu’une transformation chimique s’est produite entre l’aspirine et l’eau.

Qu’est-ce qu’une transformation chimique ?
Comment est-elle modélisée ?
Comment son évolution est-elle étudiée ?

I.Transformation chimique d’un système

1. Définitions

❶La transformation chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle des espèces chimiques disparaissent et des nouvelles espèces chimiques apparaissent.
Les espèces chimiques qui disparaissent (complètement ou partiellement) au cours de la transformation chimique sont appelées : réactifs
Les espèces chimiques qui apparaissent au cours de la transformation chimique sont appelées : produits
❷On appelle système chimique l’ensemble des réactifs, produits, et des autres espèces chimiques qui ne participent pas à la transformation chimique.

Exemples de transformations chimiques :

■ Combustion de carbone

Carbone incandescentDioxygène purGaz formé (dioxyde de carbone)
Carbone + DioxygèneTransformation chimiqueDioxyde de carbone

■ Synthèse de savon

Huile + Soudechauffe-balloneaueau
Huile + Hydroxyde de sodiumTransformation chimiqueSavon

■ Précipitation de l’hydroxyde de cuivre (II)

Sulfate de cuivre (II) + Hydroxyde de sodiumTransformation chimiqueHydroxyde de cuivre (II)

2. État initial et état final d’un système

Toute transformation chimique évolue d’un état initial à un état final tout en se déroulant sous une pression et une température données.

On appelle état initial l’état sous lequel se trouve le système chimique au début de la transformation chimique.
On appelle état final l’état sous lequel se trouve le système chimique à la fin de la transformation chimique.

Exemple :

État initial

(Na+ + OH−) versé dans (Cu2+ + SO42−)
(Pi = 1 atm ; Ti = 25 °C)
Cu2+ : ni(Cu2+)
SO42− : ni(SO42−)
Na+ : ni(Na+)
OH− : ni(OH−)
H2O : ni(H2O)
Transformation

État final

Précipité bleu Cu(OH)2
(Pf = 1 atm ; Tf = 25 °C)
Cu2+ : nf(Cu2+)
SO42− : nf(SO42−)
Na+ : nf(Na+)
OH− : nf(OH−)
H2O : nf(H2O)
Cu(OH)2 : nf(Cu(OH)2)

II.Réaction chimique

1. Définition

La réaction chimique est une transformation chimique dans laquelle nous nous limitons uniquement à suivre l’évolution des réactifs et des produits. Donc, la réaction chimique est une modélisation simple de la transformation chimique.

Exemple : Les ions cuivre (II) Cu2+ réagit avec les ions hydroxyde OH− pour donner l’hydroxyde de cuivre (II) Cu(OH)2

2. Équation de la réaction chimique

On représente la réaction chimique par une équation appelée équation chimique dans laquelle les réactifs et les produits sont représentés par leurs formules :

Les réactifs sont placés à gauche d’une flèche qui désigne le sens de la réaction.
Les produits sont placés à sa droite.

Exemple : Combustion de carbone

C + O2 → CO2 (carbone + dioxygène → dioxyde de carbone)

3. Équilibrer une équation chimique – les coefficients stœchiométriques

Au cours d’une réaction chimique, il y a :

Conservation des éléments chimiques : Les éléments chimiques présents dans les réactifs sont identiques en genre et en nombre aux éléments chimiques présents dans les produits.
Conservation de la charge électrique : La somme des charges électriques présentes dans les réactifs est égale à la somme des charges électriques présentes dans les produits.

Exemple :

RéactifsProduits
Équation chimiqueCu2+ + 2 HO− → Cu(OH)2
Conservation des éléments chimiquesCuivre : 1 × 1 = 1
Oxygène : 2 × 1 = 2
Hydrogène : 2 × 1 = 2		Cuivre : 1 × 1 = 1
Oxygène : 1 × 2 = 2
Hydrogène : 1 × 2 = 2
Conservation de la charge électrique1 × (+2e) + 2 × (−e) = 01 × (0) = 0

Remarque : Les nombres (en rouge) utilisés pour équilibrer l’équation chimique sont appelés : coefficients stœchiométriques.

Exercice d’application 1

Équilibrer les équations chimiques suivantes :

a)  C3H8 + O2 → CO2 + H2O
b)  Al + O2 → Al2O3
c)  Fe + O2 → Fe3O4
d)  MnO4− + Fe2+ + H+ → Mn2+ + Fe3+ + H2O

III.Bilan de matière

1. Notion de l’avancement de la réaction

Pour suivre l’évolution du système chimique entre l’état initial et l’état final, on utilise une nouvelle grandeur appelée avancement de la réaction, et notée x.

L’avancement de la réaction x est une quantité de matière (en mol) variable qui permet de déterminer la quantité de matière des réactifs et des produits à n’importe quel moment de la réaction.

2. Tableau d’avancement de la réaction

À l’état initial : l’avancement de la réaction est nul, car rien n’a été consommé, et rien n’a été produit (x = 0).
À un état intermédiaire : l’avancement de la réaction prend une valeur quelconque x.
À l’état final : l’avancement de la réaction prend une valeur maximale xmax, car l’un des réactifs (ou tous les réactifs) a (ont) été consommé totalement (x = xmax).

Pour simplifier le suivi de l’évolution d’un système, on représente tous ces états sous forme d’un tableau appelé tableau d’avancement. On considère l’équation de la réaction suivante : a A + b B → c C + d D, où a, b, c et d sont des coefficients stœchiométriques.

Équation de réactiona Ab B→ c C+ d D
État du systèmeAvancementQuantités de matière en (mol)
État initialx = 0ni(A)ni(B)00
État intermédiairexni(A) − a·xni(B) − b·xc·xd·x
État finalxmaxni(A) − a·xmaxni(B) − b·xmaxc·xmaxd·xmax

3. Le réactif limitant

La réaction chimique s’arrête lorsque l’un des réactifs est entièrement consommé, le système est alors dans son état final, et l’avancement de la réaction prend une valeur maximale xmax. Le réactif qui a été entièrement consommé est appelé le réactif limitant.

Pour déterminer le réactif limitant parmi les deux réactifs A et B :

On suppose que A est le réactif limitant, c-à-d que sa quantité de matière restante est nulle : ni(A) − a·xA = 0 ⇔ xA = ni(A)a
On suppose que B est le réactif limitant, c-à-d que sa quantité de matière restante est nulle : ni(B) − b·xB = 0 ⇔ xB = ni(B)b
On compare xA avec xB :
Si xA < xB, alors le réactif limitant est l’espèce A et xmax = xA.
Si xB < xA, alors le réactif limitant est l’espèce B et xmax = xB.

4. Bilan de matière

Connaître l’avancement maximal xmax permet de déterminer les quantités de matière des réactifs et des produits à l’état final, c’est ce qu’on appelle bilan de matière.

nf(A) = ni(A) − a·xmax  ;  nf(C) = c·xmax
nf(B) = ni(B) − b·xmax  ;  nf(D) = d·xmax
ni(A) : la quantité de matière initiale de l’espèce A
nf(A) : la quantité de matière restante de l’espèce A
a·xmax : la quantité de matière disparue de l’espèce A
Exercice d’application 2

On fait réagir 0,8 mol d’aluminium Al avec 0,9 mol de soufre S, il se forme du sulfure d’aluminium Al2S3.

  1. Écrire l’équation chimique de la réaction en précisant les coefficients stœchiométriques.
  2. Dresser le tableau d’avancement de cette réaction.
  3. Déterminer l’avancement maximal xmax et en déduire le réactif limitant.
  4. Donner le bilan de matière.
Cours de chimie