Introduction

Comment peut-on reconnaître le réactif limitant ?
Il est nécessaire d'étudier les quantités des réactifs utilisés afin de connaître la quantité de produit obtenue.

La première des choses est de comprendre quelle est l'utilité d'écrire des équations bilans : en général quand on réalise une expérience tu ne fais pas attention aux quantités de réactifs que tu prends mais dans l'industrie, par exemple, il n'en est pas de même : imagine une industrie qui fabrique un produit quelconque ; et bien si elle prend les quantités de réactifs au hasard, elle risque d'avoir de gros soucis financiers car elle gâchera une partie des réactifs nécessaires à la réaction.

En général les industriels savent quelles quantités de réactifs il faut utiliser et mieux, ils savent quelles quantités de produits ils vont obtenir, ce qui est primordial pour eux.

Il faut donc que tu te places dans l'optique d'un industriel : écrire l'équation bilan d'une réaction chimique te permettra de connaître les proportions de réactifs qui réagissent et les proportions de produits qui se forment.

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Équilibrer l'équation

Comment connaître la masse de produit obtenue ?
L'équilibre est très important dans la rédaction d'une réaction chimique pour que la logique soit respectée.

En général cela commence ainsi : on réalise l'expérience (ici la combustion du méthane) puis on identifie les produits formés (ici le dioxyde de carbone et de l'eau) et on note les réactifs (ce que l'on a avant la réaction) et les produits formés (après la réaction). Ce qui donne ceci dans notre exemple:

  • Réactifs : méthane, dioxygène
  • Produits : dioxyde de carbone, eau

Puis on écrit le bilan de la réaction :

  • Avant la flèche c'est à dire avant la réaction on écrit les réactifs.
  • Après la flèche c'est à dire après la réaction on écrit les produits.

Dans notre exemple cela donnera ceci: le + avant la flèche signifie "réagit avec" et la flèche signifie "pour former"

    \[ \text { methane } + \text { dioxygene } \rightarrow \text { dioxyde de carbone } + \text { eau } \]

Le nombre de chaque sorte d'atomes n'est donc pas le même avant et après la réaction : on dit que l'équation bilan n'est pas équilibrée en atomes.

Cela signifie, en fait, que dans la réalité ce n'est pas une molécule de méthane qui réagit avec une molécule de dioxygène pour former une molécule de dioxyde de carbone et une molécule d'eau mais d'autres quantités de molécules qui réagissent pour donner d'autres quantités de molécules qui se forment. Il faut donc trouver les nombres de molécules qui permettront d'avoir le même nombre de chaque sorte d'atomes avant et après la réaction : repartons donc de l'équation bilan de départ

Le nombre d'atomes de carbone est pour l'instant le même avant et après la réaction ; il n'y a donc rien à équilibrer !

Cependant le nombre d'atomes d'hydrogène n'est pas le même avant et après la réaction (on commence par les atomes d'hydrogène plutôt que les atomes d'oxygène car les atomes d'hydrogène ne sont présents que dans 2 molécules sur 4 alors que les atomes d'oxygène sont présents dans 3 molécules sur 4) : 4 atomes d'hydrogène avant et 2 seulement après la réaction.

Pour avoir 4 atomes d'hydrogène après la réaction il suffit donc d'avoir 2 molécules d'eau qui se forment.

Dans notre exemple pour chaque molécule de méthane qui réagit il faut 2 molécules de dioxygène ; celles-ci formeront alors une molécule de dioxyde de carbone et 2 molécules d'eau.

Evidemment dans la réalité il y a beaucoup plus de molécules qui sont concernées (de l'ordre de 10 22 à 10 24 pour 1 g de matière) mais les proportions restent toujours les mêmes.

Et voilà notre équation bilan maintenant équilibrée en chaque sorte d'atomes : avant et après la réaction on a 1 atome de carbone, 4 atomes d'hydrogène et 4 atomes d'oxygène ; il suffit maintenant de compter le nombre de chaque molécule différente et de placer les coefficients numériques correspondants dans l'équation bilan

Notre équation est donc équilibrée en atomes de carbone et en atomes d'hydrogène mais elle ne l'est pas encore en atomes d'oxygène : on a 2 atomes d'oxygène avant la réaction et 4 après la réaction.
Pour avoir 4 atomes d'oxygène il suffit donc d'avoir 2 molécules de dioxygène au départ.

Résumé de ce qu'il faut connaître à ce sujet

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

  • Une flèche qui indique le sens de la transformation,
  • A gauche de la flèche, les symboles des réactifs séparés par des signes +,
  • A droite de la flèche, les symboles des produits de la transformation séparés par des signes +.
  • Des nombres stœchiométriques, placés devant chaque symbole, choisis de telle façon que la loi de conservation des éléments soit satisfaite. On dit qu'on ajuste les nombres stœchiométriques.

Remarques

  • Le nombre stœchiométrique 1 n'est jamais écrit.
  • Si la transformation met en jeu des ions, l'ajustement des nombres stœchiométriques doit aussi réaliser la conservation de la charge électrique.

Exemple

    \[ H _ { 2 \left( g \right) } + \frac { 1 } { 2 } O _ { 2 \left( g \right) } \rightarrow H _ { 2 } O _ { \left( l \right) } \]

ou

    \[ 2 H _ { 2 \left( g \right) }  + O _ { 2 \left( g \right) }  \rightarrow H _ { 2 } O _ { \left( l \right) } \]

    \[ CuCl_ { 2 \left( s \right) } \rightarrow Cu ^ { 2 + } _ { \left( aq \right) } + 2 Cl ^ { - } _ { \left( aq \right) } <h3>Équation et quantité de matière</h3> Les nombres stœchiométriques indiquent dans quelles <strong>proportions</strong> 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 O<sub>2</sub> disparaissent alors 2x mol de H<sub>2</sub> disparaissent aussi et il se forme 2x mol de H<sub>2</sub>O. <h2>L'équation bilan retranscrit une transformation chimique</h2> <h3>Exemple</h3> Le dihydrogène peut réagir de façon explosive avec le dioxygène pour donner de l'eau. Nous <strong>supposerons</strong> qu'il reste du dioxygène à la fin de la transformation. <h3>Système et transformation chimique</h3> Le système chimique est constitué par <strong>l'ensemble des espèces chimiques</strong> auxquelles on s'intéresse. L'état d'un système chimique est caractérisé par : <ul>  	<li><strong>Les grandeurs physiques</strong> P (pression du ou des gaz) et T (température),</li>  	<li><strong>L'état</strong> physique, liquide (l), solide (s), gazeux (g) et aqueux (aq) des espèces présentes,</li>  	<li><strong>Les quantités de matière</strong> des espèces présentes.</li> </ul> La transformation chimique est le<strong> passage du système de l'état initial à l'état final</strong> (voir ci-contre). Le<strong> réactif limitant</strong> (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. <h2>Avancement et bilan de matière</h2> <h3>Avancement de la réaction</h3> Considérons la réaction chimique dont l'équation est : aA + bB <img src="/ressources/wp-content/uploads/fiches/49251-fleche.gif" width="30" height="15" border="0" /> cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stœchiométriques. Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous : <ul>  	<li>x : <strong>avancement</strong> de la réaction ;</li>  	<li>n(A)<sub>0</sub> : <strong>quantité de matière initiale</strong> de A ;</li>  	<li>n(A) : <strong>quantité de matière </strong>de A <strong>à la date t</strong> ;</li>  	<li>n(A)<sub>f</sub> : <strong>quantité de matière finale</strong> de A.</li> </ul> Voici un exemple de tableau d'avancement : [table id=777 /] Il en est de même pour les autres espèces. L'avancement final est un <strong>avancement </strong>qui est<strong> réellement observé</strong>, atteint. Mais l'avancement maximal correspond également à l'<strong>avancement atteint lorsqu'un réactif est entièrement consommé </strong>(avancement théorique observable). 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 <strong>caractériser le système à un moment donné</strong>. L'avancement maximal x<sub>max</sub> s'obtient en écrivant que les quantités de matières des réactifs sont toujours positives ou nulles. Nous <strong>supposerons,</strong> cette année qu'une réaction s'arrête lorsqu'un des réactifs a été totalement consommé. Ce réactif est appelé <strong>réactif limitant</strong>. Il est tel que sa quantité de matière est nulle (il n'en reste plus) lorsque x = x<sub>max</sub>, 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 <strong>proportions stœchiométriques</strong>. <h3 dir="ltr">Taux d'avancement τ</h3> \[ \tau = \frac { x _ { f } } { x _ { \text { max } } } \]

  • Si τ ≤ 1 => si τ = 1  xf = xmax alors on est en présence d'une réaction totale
  • τ < 1 , xf  ≠ xmax alors on est en présence d'une réaction partielle qui s'arrête lorsqu'elle atteint l'équilibre chimique.

Relation entre l'avancement et la concentration molaire volumique

Si on ne prend en compte que le cas particulier d'une réaction ayant lieu en solution aqueuse telle que le volume V de la solution soit constant, alors on peut utiliser l'expression suivante :

    \[ [X] = \frac {n(X)} {V} \]

Avec :

  • [X] représentant la concentration molaire (en mol.L-1) ;
  • n(X) représentant la quantité de matière de l'espèce X en solution (en mol) ;
  • V représentant le volume de la solution (en L).

D'après ce qui précède, en divisant tous les termes de la relation de définition de l'avancement par V :

    \[\frac {x} {V} = \frac { [A] _ {0} - [A] } {a} = \frac { [ B ] _ { 0 } - [B] } {b} = \frac {[C]} {c} =\frac {[D]} {d} \]

Vitesse volumique de réaction

Définition

On peut définir la vitesse volumique de réaction avec l'aide de l'expression suivante :

    \[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]

Avec :

  • v représentant la vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
  • V représentant le volume de la solution (en m3) ;
  • dx représentant la variation de l'avancement (en mol) ;
  • dt représentant la durée de la variation (en s).

Remarques :

  • Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
  • Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
  • Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.

Le type de réactions à connaître et comprendre

Comment protéger sa ferraille de la rouille ?
La rouille est provoquée par une réaction d'oxydo-réduction !

Les réactions type oxydo-réduction

Une réaction d'oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle a lieu un transfert d'électron. C'est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique dite réducteur.

Un oxydant, également appelé agent d'oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique. Lavoisier mettra en évidence en 1772, suite à ses manipulations du mercure, le rôle du dioxygène dans certaines réactions d'oxydoréduction. D'où le nom oxydation qui signifie "combinaison avec l'oxygène".

Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique. Réduction quant à lui signifie "l'extraction d'un métal de son oxyde", une définition connue en métallurgie.

Les réactions d'oxydo-réduction forment une grande famille puisqu'elles comprennent de nombreuses réactions chimiques. En effet, elles interviennent dans les combustions, certains dosages métallurgiques mais également la corrosion des métauxl'électrochimie et la respiration cellulaire.

Ces réactions sont alors essentielles puisqu'elles jouent un rôle fondamental en biologie : elles permettent la transformation de l'oxygène en eau, de formule H2O, au sein des organismes vivants. Elles sont également massivement utilisées dans l'industrie humaine, notamment afin d'obtenir de la fonte à partir de différents minerais composés d'oxyde de fer grâce à une réduction, puis de fer et d'acier à partir de la fonte grâce à une réaction d'oxydation.

Ces différentes utilisations peuvent être expliquée par l'extrême mobilité de l'électron, sa légèreté mais également son omniprésence dans toutes les formes de la matière.

Les demi-équations

Puisque dans une réaction d'oxydo-réduction, le réducteur s'oxyde, c'est la réaction d'oxydation et l'oxydant se réduit, c'est la réaction de réduction, l'oxydoréduction se compose donc de deux demi-réactions : une oxydation et une réduction.

Elles se présentent sous la forme suivante :

  • Oxydation
    • réducteur(1) = oxydant(1) + n e-
  • Réduction
    • oxydant(2) + n e- = réducteur(2)
  • Oxydoréduction qui représente donc la "somme" de l'oxydation et de la réduction
    • oxydant(2) + réducteur(1) → oxydant(1) + réducteur(2)

Notons que dans les demi-équation, les flèches n'apparaissent que si la réaction est totale, c'est à dire quand K > 10 000

Le potentiel d'oxydo-réduction

Le caractère oxydant ou réducteur d'une espèce dépend de la réaction chimique et des espèces qui interagissent entre elles. En effet, l'élément réducteur dans une réaction peut devenir l'oxydant d'une autre réaction. C'est pour cela que l'on construit une échelle de force oxydante (ou de force réductrice selon le sens donné à cette échelle) afin d'obtenir le potentiel d'oxydo-réduction se mesurant en volt.

En outre, le potentiel d'oxydo-réduction dépend du contexte chimique, notamment du pH, mais aussi du contexte physique puisque les effets de la lumière peuvent intervenir dans la nature comme ce qui est le cas avec la photosynthèse chez les plantes ou la photographie avec l'Homme.

Les réactions type acido-basique

Pourquoi a-t-on des brûlures d'estomac ?
Dans le corps, on peut trouver des zones avec des pH bien différents afin de favoriser les réactions chimiques qui s'y produisent.

Acide et base selon Brönsted

Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+.

    \[ AH \rightleftarrows A ^ { - } + H ^ { + } \]

Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+.

    \[ B + H ^ { + } \rightleftarrows BH ^ { + } \]

On obtient donc une réaction acido-basique :

    \[ AH + B \rightleftarrows A ^ { - } + BH ^ { + } \]

Dans cet exemple, on peut alors parler de :

  • Couple AH/A-
  • Couple BH+/B

Il y a un transfert d'un proton H+ entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple.
A chaque acide est associé une base qui est dite base conjuguée (réciproquement). Les deux forment un couple Acide/Base.

Le pH

Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l'activité chimique de ce qu'on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l'ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium.

Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l'acidité ou encore la basicité de la solution. On peut alors la déterminer avec l'échelle suivant dans le cas d'un milieu aqueux à 25°C :

  • une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
  • une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
  • une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.

Mais la définition que nous connaissons aujourd'hui du pH, définition de Sorensen, n'a été officiellement reconnue qu'à partir du milieu du XXe siècle par l'UICPA.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologies des éléments chimiques et leurs dérivés via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaires et s'énonce ainsi :

    \[ pH = - \log \left( a _ { \text { H } } \right) \]

Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l'activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH.

Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d'obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l'activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l'influence du solvant ou encore de la température.

Il reste cependant possible d'obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l'activité.

Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !