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Suivi d’une transformation chimique

Par Mathieu le 08/09/2009 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Tirer des Conclusions d’une Expérience de Chimie

I. Remarques préliminaires

1. Il est indispensable de relire le cours de seconde concernant la réaction chimique avant d’aborder ce chapitre.

2. Ce chapitre présente deux parties distinctes:

  • Un exemple concret: étude de la réaction entre le zinc et une solution aqueuse de chlorure d’hydrogène (acide chlorhydrique).
  • Une généralisation.

Une étude sérieuse de l’exemple concret est indispensable.
La généralisation ne pourra être assimilée que si, à chaque étape de cette généralisation, vous êtes en mesure de faire correspondre l’étape analogue de l’exemple concret.

II. Etude d’un exemple de suivi d’une réaction chimique

1. But de l’étude.

On fait réagir ensemble 1,00g de zinc avec 20mL d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration 2,0mol.L-1. Suivre la réaction chimique consiste à:

  • Écrire l’équation-bilan de la réaction,
  • Déterminer les quantités de matière des différentes espèces dans l’état initial,
  • Déterminer les quantités de matière des différentes espèces au cours de l’évolution en fonction de l’avancement x de la réaction,
  • Déterminer l’avancement maximum xmax de la réaction,
  • Déterminer les quantités de matière des différentes espèces dans l’état final.

On présente en général tous ces résultats en tableau.

2. Équation-bilan de la réaction.

Zn(s) + 2H3O+ Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O

3. Etat initial.

n(Zn)i =m(Zn)

M(Zn)
  =>
n(Zn)i =1,00

65,4
  =>n(Zn)i = 1,53.10-2mol

n(H3O+)i = C(A).V(A)

  =>n(H3O+)i = 2,0×20.10-3
  =>n(H3O+)i = 4,0.10-2mol

4. En cours d’évolution.

Soit x l’avancement de la réaction (x est par exemple la quantité de matière de zinc disparue à la date t). D’après l’équation-bilan (nombres stoechiométriques), lorsqu’il disparaît x mol de zinc

  • Il disparaît 2x mol d’ions oxonium H3O+
  • Il apparaît x mol d’ions zinc (II) Zn2+(aq)
  • Il apparaît x mol de molécules de dihydrogène H2(g)
  • Il apparaît 2x mol de molécules d’eau H2O.

L’eau étant le solvant (en très grande quantité par rapport au autres espèces) on ne la fera plus apparaître.

Il est alors possible de dresser le tableau provisoire suivant:

Équation de la réaction

Zn(s) + 2H3O+ Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O

Etat initial (mol)n(Zn)i=1,53.10-2n(H3O+)i=4,0.10-2n(Zn2+)i=0,0n(H2)i=0,0
Etat à la date t
l’avancement est x
n(Zn)t=1,53.10-2-xn(H3O+)t=4,0.10-2-2xn(Zn2+)t=xn(H2)t=x
Etat final (mol)
l’avancement est xmax(mol)
n(Zn)f=1,53.10-2-xmaxn(H3O+)f=4,0.10-2-2xmaxn(Zn2+)f=xmaxn(H2)f=xmax

Pour compléter ce tableau il reste à déterminer la valeur de xmax.

5. Etat final.

L’état final est connu dès lors que xmax est connu. Il existe trois méthodes pour déterminer la valeur de xmax.

5.1 Méthode graphique.

Elle consiste à tracer dans le même repère les deux droites d’équations (voir figure):

n(Zn)t=1,53.10-2-x

    etn(H3O+)t=4,0.10-2-2x

Lorsque l’avancement augmente, n(Zn) et n(H3O+) diminuent. La réaction s’arrête lorsque l’un au moins des réactifs a disparu. C’est-à-dire lorsque l’une des droites rencontre l’axe des abscisses. L’espèce considérée est l’espèce limitante.

En ce point on a:

1,53.10-2-xmax = 0

  =>xmax = 1,53.10-2mol

Il est alors possible de compléter le tableau d’avancement.

Équation de la réaction

Zn(s) + 2H3O+ Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O

Etat initial (mol)n(Zn)i=1,53.10-2n(H3O+)i=4,0.10-2n(Zn2+)i=0,0n(H2)i=0,0
Etat à la date t
l’avancement est x (mol)
n(Zn)t=1,53.10-2-xn(H3O+)t=4,0.10-2-2xn(Zn2+)t=xn(H2)t=x
Etat final (mol)
l’avancement est xmax(mol)
n(Zn)f=0,00n(H3O+)f=9,4.10-3n(Zn2+)f=1,53.10-2n(H2)f=1,53.10-2
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