Chapitre 4 : Stœchiométrie. GCI Chimie Hiver 2009

Transcription

1 Chapitre : Stœchiométrie GCI Chimie Hiver 2009 Hubert Cabana, 2010

2 Contenu 1. Les réactions chimiques et les équations : la stœchiométrie; 2. Réactifs, produits et rendement. Hubert Cabana,

3 Objectifs du chapitre Être en mesure de réaliser les calculs stœchiométrique sur une base molaire et massique. Se familiariser avec les concepts de réactif, produit et rendement. Hubert Cabana,

4 Lectures recommandées Chang et Papillon (2009) Chapitre 3 pp Hubert Cabana, 2010

5 Rappel : masse moléculaire La masse moléculaire c est la somme des masse atomiques des atomes qui forment une molécule. Ex : Molécule d eau (H 2 O) 2*( masse atomique de H) + 1*( masse atomique de l' O) 2 *(1.008 uma) + 1*(16.00 uma) uma Hubert Cabana,

6 Rappel : masse molaire La masse molaire (en grammes) d un composé a une valeur numérique égale à sa masse moléculaire (en uma) Par exemple : 1 mole d eau pèse g * molécules d eau pèsent g Hubert Cabana,

7 Rappel : Composition centésimale La composition centésimale est le pourcentage, en masse, de chaque élément contenu dans un composé composition centésimale d'un élément n masse molaire de l'élément masse molaire du composé 100% Il est possible d utiliser cette approche pour déterminer la formule empirique d une composé Hubert Cabana,

8 Réactions chimiques Ces sont des interaction chimique entre atomes et/ou molécules qui résultent en la production de produits de réactions Une équation chimique utilise des symboles chimiques pour indiquer ce qui se produit lors d une réaction chimique Hubert Cabana,

9 Réactions chimiques Produit H O H O Réactifs + Réagit avec Pour former «Rien ne se perd, rien ne se crée, mais tout se transforme» Il est impératif d équilibrer cette expression Hubert Cabana,

10 Réactions chimiques 2H + O 2H O molécules 1 molécule 2 molécules 2 moles 1 mole 2 moles 2*(2.02 g).0g g 2*(18.02 g) 36.0g + la stœchiométrie est le calcul des relations quantitatives entre réactifs et produits au cours d'une réaction chimique. Hubert Cabana,

11 Symboles utilisés Hubert Cabana, Malone et Dolter (2010)

12 Production d ammoniac les différentes relations stœchiométriques existantes N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 1 molécule + 3 molécules 2 molécules 12 molécules + 36 molécules 2 molécules * molécules * molécules 12.0 * molécules 1 mol + 3 mol 2 mol 28 g + 6 g 3 g Hubert Cabana,

13 Relations stœchiométriques Hubert Cabana, Malone et Dolter (2010)

14 Relations stœchiométriques Hubert Cabana, Malone et Dolter (2010)

15 Relations stœchiométriques Hubert Cabana, Malone et Dolter (2010)

16 Équilibrage des équations chimiques Le nombre de chacun des atomes doit être le même de chaque côté de l équation 1. Identifier les réactifs/produits et écrire leurs formules de chaque côté de la flèche 2. Équilibrer les expressions en faisant varier les coefficients devant les composés : Pour les éléments apparaissant 1 seule fois de chaque côté, les coefficients doivent être les mêmes; Pour les éléments apparaissant 1 seule fois de chaque côté, mais avec des nombres différents d atomes, équilibrer ces éléments; Finalement, équilibrer les éléments qui apparaissent dans 2 ou plusieurs formules situées d un même côté de la flèche. 3. Valider qu il y ait autant d atomes de chaque côté pour chaque élément. Hubert Cabana,

17 Équilibrage des équations chimiques la méthode algébrique P 2I + P + H O PH I + H PO Attribuer des coefficients algébriques aux formules ap I bp ch 2O dph I eh3po 2. Application de la loi de conservation de la masse P : 2a + b d + I : a d H: 2c d + 3e O:c e e (1) (2) (3) () Hubert Cabana,

18 Équilibrage des équations chimiques la méthode algébrique 3. Résolution du système d équation par substitutions successives Dans (1) remplaçons d par sa valeur dans (2) e a b a e d b a Dans (3) remplaçons c par sa valeur dans () Hubert Cabana, e a b + 2 d e e d e e d c

19 Équilibrage des équations chimiques la méthode algébrique. Ayant les expressions suivantes d e d a e a b Posons une valeur arbitrale de a1 Hubert Cabana, c e ( ) 13/ / 5 16 / b e a b e c e d e d a 1 posons a

20 Équilibrage des équations chimiques la méthode algébrique a 10 b 13 c 128 d 0 e 32 10P + H PO 2I + 13P + 128H 2O 0PH I 32 3 Hubert Cabana,

21 Calcul des quantités de réactifs et de produits : les ratios molaires Si l on connaît les quantités de réactifs impliquées, est-il possible des déterminer la quantité de produits formés? Quelles quantités de réactifs doit-on utiliser pour former une quantité donnée de produits? Hubert Cabana,

22 Calcul des quantités de réactifs et de produits : les ratios molaires Les relations clés permettant de répondre (éventuellement) à ces question reposent sur les ratios molaires existants entre les réactifs et les produits Par exemple : N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 1 mol de N 2 produit 2 mol de NH 3 La production de 2 mol de NH 3 nécessite 1 mol de N 2 1 mol N2 2 mol NH 3 2 mol NH ou 1 mol N 2 3 Hubert Cabana,

23 Calcul des quantités de réactifs et de produits : les ratios molaires Procédure 1. Écrire l équation chimique équilibrée; 2. Convertir les quantités connues en moles; 3. Utiliser les coefficients pour calculer les ratios molaires recherchés;. À l aide des ratios molaires déterminer les inconnus du problème; 5. Convertir, si nécessaire, le nombre de moles obtenues en unité massique. Hubert Cabana,

24 En résumé Malone et Dolter (2010) Hubert Cabana,

25 Le(s) réactif(s) limitant(s) Lors de synthèses chimiques, les réactifs utilisés ne sont habituellement pas présents en quantités stœchiométrique Le réactif qui sera le premier entièrement utilisé est le réactif limitant la quantité de produits formés Les autres réactifs dont la quantité dépasse celle requise pour réagir avec la quantité de réactif limitant présent sont les réactifs en excès. Hubert Cabana,

26 Le(s) réactif(s) limitant(s) Hubert Cabana, 2010 Malone et Dolter (2010) 26

27 Le(s) réactif(s) limitant(s) Procédure : 1. Écrire l équation équilibrée; 2. Convertir les données massiques sous forme molaire; 3. Déterminer la quantité de produit formé théoriquement par chaque réactif en utilisant les ratios molaires; Le réactif formant théoriquement le moins de produit est le réactif limitant la réaction. 27 Hubert Cabana, 2010 Malone et Dolter (2010)

28 Le rendement d une réaction Jusqu à présent, nous avons assumé que la totalité des réactifs limitant impliqués était consommée lors de la réaction chimique Toutefois, ceci est rarement le cas! Limitations associées : Cinétique; Thermodynamique; Empoisonnement du catalyseur; Etc. Hubert Cabana,

29 Les rendements Le rendement théorique d une réaction correspond à la quantité de produit formé en supposant que tout le réactif limitant a été consommé; Le rendement réel est, quant à lui, la quantité réellement obtenue de produit à la fin d une réaction chimique. Hubert Cabana,

30 Le pourcentage de rendement Pourcentage de rendement Rendement réel Rendement Théorique 100% Le pourcentage de rendement peut varier entre < 1% jusqu à 100% Optimisation des procédés pour augmenter le pourcentage de rendement Conditions du milieu (T, P, etc.) Catalyseur Excès Etc. Hubert Cabana,

31 En résumé Les réactions chimiques sont représentées par une notation symbolique Réactifs Produits Énergie ajoutée, catalyseurs, etc. Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme! Les équations doivent être équilibrées La production de produits à partir de réactifs se fait selon des relations molaires; Hubert Cabana,

32 En résumé À partir de ces relations molaires, il est possible d obtenir les quantités massiques impliquées; Les réactions peuvent être limitées par un des réactifs : il s agit du réactif limitant; Dans la vraie vie, la totalité du réactif limitant n est pas consommée, ce qui a un impact sur le rendement de la réaction. Hubert Cabana,

33 Exercices suggérés Chang et Papillon (2009) Chapitre 3 : 3-3, 3-59, 3-65, 3-69, 3-83, 3-92 Hubert Cabana,