Ré visions sur lé bilan d uné transformation chimiqué. Exércicés sur la transformation chimiqué

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1 Ré visions sur lé bilan d uné transformation chimiqué Cette notion d'équation bilan est très importante en chimie car elle traduit ce qui se passe entre espèces chimiques réactives et ce qui est produit lors d'une réaction chimique. Le problème est que si on identifie relativement ces espèces chimiques, il nous manque généralement les quantités respectives de chacune de ces espèces... Autrement dit, la "recette" qui nous donne les proportions... ce qui s'exprime par l'intermédiaire des coefficients stoechiométriques. Exemple : 2 H2 + O2 2 H2O Lors d'une réaction, il y a un principe de conservation de la masse et des structures nucléaires, donc les atomes présents chez les réactifs sont toujours là chez les produits, réassemblés, transformés : dans une équation bilan, on retrouve donc le même nombre d'atomes de chaque type chez les réactifs (à gauche) que chez les produits (à droite). En outre, lorsque la réaction fait appel à des ions, la charge aussi se conserve! Conseil pour ajuster les nombres stoechiométriques d une équation : Commencer par équilibrer les atomes qui sont le moins présents dans les espèces chimiques impliquées dans la réaction. Exércicés sur la transformation chimiqué Exercice 1 : équilibrer une équation-bilan Ajuster les nombres stœchiométriques des équation suivantes 1)... C6H12O O2... CO H2O (combustion complète) 2)... C6H12O O2... CO +... H2O (combustion incomplète) 3)... Fe +... H3O +... Fe H H2O 4)... H2SO H2O... H3O SO4 2-5)... Fe Cr2O H3O +... Fe Cr H2O 6)... CH3 CH2OH +... MnO H +... CH3 CHO +... Mn H2O 7)... S2O Cl HO -... SO ClO H + Exercice 2 : Tableau d avancement Données : Volume molaire des gaz : Vm = 24 L/mol On fait brûler de manière incomplète 26 g de glucose (sucre) dans le dioxygène de l'air. 1. Dresser le tableau d'avancement de cette réaction. 2. Remplir le tableau à l'état initial. 3. Déterminer, sans calcul le réactif limitant et de fait, la valeur maximale (finale) de la variable d'avancement. 4. Compléter alors le tableau. 5. Quel volume total de gaz est formé durant cette réaction? Exercice 3 : Tableau d avancement Pour la réaction n 7 de l exercice 1, on mélange 55 ml d'une solution d'ions thiosulfate (S2O8 2- ) de concentration molaire C1 = 1, mol/l avec 0,5L de solution d'eau salée de concentration massique Cm2 = 56 g/let 25 ml de soude de concentration 2, mol/l. Mme GRISARD 1/6

2 1. Dresser le tableau d'avancement de cette réaction. 2. Calculer la valeur finale de la variable d'avancement. 3. Compléter le tableau. 4. Calculer toutes les concentrations de chaque espèce chimique présente à la fin de la réaction. Exercice 4 : Ecrire les équations des réactions suivantes 1. Le titane est un métal très utilisé dans l industrie aéronautique en raison de sa faible densité. Il est obtenu en chauffant fortement un gaz de chlorure de titane TiCl 4 en présence de magnésium liquide Mg. La transformation produit aussi du chlorure de magnésium MgCl 2 solide. 2. Si on fait brûler du fer métallique, il se forme un solide noir appelé oxyde magnétique Fe 2O On verse dans un tube à essai une solution aqueuse orangée de sulfate de fer (III) (2Fe SO 4 2 ). On y ajoute une solution aqueuse incolore d iodure de potassium (K + + I ). Il se forme du diiode I 2 qui brunit le mélange peu à peu ainsi que des ions fer(ii) Fe 2+. Exercice 5 : L oxyde de cuivre et le carbone se présentent tous deux sous la forme de poudres noires. Leurs formules respectives sont CuO et C. Si on chauffe fortement un mélange de 0,14 moles d oxyde de cuivre et 0,10 moles de carbone, on constate l apparition d une poudre rose (cuivre métallique) ainsi qu un dégagement gazeux qui trouble l eau de chaux. 1. Écrire l équation de réaction. 2. Vrai ou faux? A : A la fin de la transformation chimique, l oxyde de cuivre et le carbone ont entièrement disparu. B : A la fin de la transformation chimique, l oxyde de cuivre et le carbone se sont mélangés. C : A la fin de la transformation chimique, la quantité de dioxyde de carbone a diminué. D : A la fin de la transformation chimique, il y a du cuivre 3. Déterminer le réactif limitant la réaction (on pourra s aider d un tableau d avancement). 4. En déduire les quantités de matières des réactifs et des produits dans l état final. Exercice 6 : Données : Masse molaire du fer : 55,8 g/mol. Volume molaire des gaz à température et pression ambiante : V M = 24 L/mol. Dans un tube à essai, on verse 10 ml d acide chlorhydrique (solution aqueuse de chlorure d hydrogène (H + + Cl )), de concentration molaire égale à 2, mol/l. On y ajoute 20 mg de poudre de fer, à pression atmosphérique (environ 1 bar) et à température ambiante (25 C). On observe un dégagement gazeux de dihydrogène (effervescence). Au bout d un moment, on constate la disparition de la poudre de fer et une augmentation du ph. Des ions fer III (Fe 3+ aq) ont été formés. 1. Décrire en détails le système chimique dans son état initial (en précisant les quantités de matières connues). 2. Nommer les réactifs et les produits de réaction, puis écrire la réaction chimique et son équation ajustée. 3. La transformation s est arrêtée. Cocher la ou les bonne(s) réponse : Peut-on encore observe une effervescence? oui si on ajoute de la poudre de fer oui si on ajoute de l eau oui si on ajoute de l acide chlorhydrique oui si on ajoute des ions fer III non, même si on ajoute de la poudre de fer ou de l acide chlorhydrique ou des ions fer III 4. A l aide d un tableau d avancement, déterminer le réactif limitant. Est-ce cohérent avec les constatations décrites dans l énoncé? 5. Donner, dans l état final, la concentration en ions hydrogène H + aq, la masse de fer, la concentration en ions fer III, et le volume de dihydrogène formé.

3 Corrigé dés éxércicés sur la transformation chimiqué Corrigé de l exercice 1 : équilibrer une équation-bilan 1) C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O (combustion complète) 2) C6H12O6 + 3 O2 6 CO + 6 H2O (combustion incomplète) 3) Fe + 2 H3O + Fe 2+ + H2 + 2 H2O 4) H2SO4 + 2 H2O 2 H3O + + SO4 2-5) 6 Fe 2+ + Cr2O H3O + 6 Fe Cr H2O 6) 5 CH3 CH2OH + 2 MnO H + 5 CH3 CHO + 2 Mn H2O 7) S2O Cl - + HO - 2 SO ClO - + H + Corrigé de l exercice 2 : Tableau d avancement 1. Dresser le tableau d'avancement de cette réaction. Réaction C6H12O6 + 3 O2 6 CO + 6 H2O EI 0,14 mol excès 0 0 EQ 0,14 x excès 6x 6x EF 0,14 xf = 0 mol excès 6xf = 6*0,14 = 0,84 mol 6xf = 6*0,14 = 0,84 mol 2. Remplir le tableau à l'état initial. Voir ci-dessus. La quantité de glucose est de : n1i = m(glu) / M(glu) = 26 / 180 = 0,14 mol. Les produits, quant à eux sont inexisants au départ (attention, ce n'est pas forcément toujours le cas...!), soit : n3i = n4i = 0 mol. 3. Déterminer, sans calcul le réactif limitant et de fait, la valeur maximale (finale) de la variable d'avancement. Il n'y a que 2 réactif dont le 2 nd est en excès, donc c'est forcément le glucose qui va manquer en premier : il est limitant. Et on peut alors directement dire (voir cours) que : xf = n1i / 1 = 0,14 mol. 4. Compléter alors le tableau. La deuxième ligne n'exige pas de calcul particulier (voir cours pour la méthode). La dernière ligne est directement renseignée dans le tableau, calculs compris. 5. Quel volume total de gaz est formé durant cette réaction? Attention, ici, les 2 produits sont gazeux, y compris la vapeur d'eau produite à haute température (car la combustion se fait avec une flamme à plusieurs centaines de C...), donc la relation à utiliser est : Vtot = V(eau) + V(monoxyde de carbone) = [ n(eau) + n(monox.de C) ] * Vm = (0,84 + 0,84) * 24 = 40 L.

4 Corrigé dés éxércicés sur la transformation chimiqué Corrigé de l exercice 3 : Tableau d avancement 1. Dresser le tableau d'avancement de cette réaction. n1i = C(S2O8 2- ) * V(S2O8 2- ) = 0,055 * 1, = 8, mol Puis : m2i = Cm(sel) * V(sel) = 56 * 0,5 = 28 g de sel Puis : n2i = m2i / M(NaCl) = 28 / (23+35,5) = 0,48 mol Et enfin : n3i = C(soude) * V(soude) = 0,25 * 2, = 6, mol Réaction S2O Cl - + HO - 2 SO ClO - + H + EI 8, mol 0,48 mol 6, mol EQ 8, x 0,48 x 6, x 2x x x EF 8, xf = 1, mol 0,48 xf = 0,47 mol 0 mol 2xf = 1, mol 6, mol 6, mol 2. Calculer la valeur finale de la variable d'avancement. Cette fois ci, il faut calculer les rapports (ni / ai) (Voir cours, pour la méthode) et les comparer : le plus petit rapport donnera le réactif limitant et aussi la valeur de xf, et ici, tous les coefficients stoechiométriques sont de 1, donc c'est très simple : (n1i / 1) = 8, mol (n2i / 1) = 0,48 mol (n3i / 1) = 6, mol... c'est donc ce réactif qui est limitant et : xf = 6, mol 3. Compléter le tableau. Voir tableau. 4. Calculer toutes les concentrations de chaque espèce chimique présente à la fin de la réaction. Il suffit de connaître le volume de solution aqueuse dans lequel toutes ces espèces chimiques sont dissoutes : Vtot = V(sel) + V(S2O8 2- ) + V(soude) = 0,805 L. Donc : C(S2O8 2- ) = n1f / Vtot = 1, / 0,805 = 1, mol/l C(Cl - ) = n2f / Vtot = 0,47 / 0,805 = 0,58 mol/l C(HO - ) = 0 mol/l C(SO4 2- ) = n4f / Vtot = 1, mol/l C(ClO - ) = C(H + ) = n5f / Vtot = 6, / 0,805 = 8, mol/l Corrigé de l exercice 4 : 1. TiCl 4 (g) + 2 Mg (l) Ti + 2 MgCl 2 (s) 2. 2 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) 3. 2 Fe 3+ (aq) + 2 I (aq) 2 Fe 2+ (aq) + I 2 (aq)

5 Corrigé dés éxércicés sur la transformation chimiqué Corrigé de l exercice 5 : 1. 2 CuO (s) + C (s) 2 Cu (s) + CO 2 (g) 2. A : faux B : faux C : faux D : vrai 3. Soit le tableau d avancement de la transformation chimique : Tableau d avancement : Équation de réaction Quantités exprimées en moles Avancement 2CuO + C 2Cu + CO 2 oxyde de cuivre carbone cuivre Dioxyde de carbone État initial x = 0 0,14 0, État intermédiaire x 0,14-2x 0,10-x 2x x État final x max 0,14-2x max 0,10-x max 2x max x max Recherche du réactif limitant : 0,14 2x 0 0,14 2x { et 0,10 x 0 0,10 x Donc x max = 0,07 mol Le réactif limitant est donc l oxyde de cuivre. 0,14 x 2 { et 0,10 x 0,07 x 0,10 x Autre méthode : D après les nombres stoechiométriques de l équation chimique, la réaction consomme deux fois plus d oxyde de cuivre que de carbone, or la quantité initiale d oxyde de cuivre n est pas double de celle du carbone, donc le réactif limitant la réaction est l oxyde de cuivre. 4. Calcul de la quantité de carbone restant : 0,10-x max = 0,10 0,07, soit n C final = 0,03 mol Calcul de la quantité de cuivre formé : 2 x max = 2 0,07, soit n Cu final = 0,14 mol Calcul de la quantité de dioxyde de carbone formé : x max = 0,07, soit n CO2 final = 0,07 mol. Autre méthode : Lorsque tout l oxyde de cuivre (0,14 moles) a été consommé, on a consommé la moitié de carbone (soit 0,07 moles), il en reste donc 0,03 moles. On a créé autant de dioxyde de carbone que la quantité de carbone consommée (soit 0,07 moles) et autant de cuivre que la quantité d oxyde de cuivre consommée, soit 0,14 moles. Corrigé de l exercice 6 : 1. Soit la masse molaire du fer : M = 55,8 g/mol ; soit la masse de fer présente à l état initial : m = 20 mg, soit m = g. Calcul de la quantité de fer à l état initial : n = m M Soit la concentration molaire en chlorure d hydrogène : c = 2, mol.l -1 ; Soit le volume d acide chlorhydrique versé à l état initial : V = 10 ml, soit V = L Calcul de la quantité d ions hydrogène présents : n = C V 2, = 2,5 10 3, donc n H + = 2, mol. De même n Cl = 2, mol Système chimique à l état initial : Pression : P = 1 bar ; température = 25 C ,8 = 3, , donc n Fe = 3, mol

6 Espèces chimiques : Ions hydrogène : H + (aq) : n 1 = 2, mol Ions chlorure : Cl - (aq) : n 2 = 2, mol Fer : Fe (s) : n 3 = 3, mol Eau : H 2O (l) : en excès 2. Réactifs : ions hydrogène (H + (aq)) et fer (Fe (s)) Produits de réaction : ions fer III (Fe 3+ ) et dihydrogène (H 2) Réaction chimique : fer + ions hydrogène ions fer III + dihydrogène Equation chimique : 2 Fe (s) + 6 H + (aq) 2 Fe 3+ (s) + 3 H 2 (g) 3. oui si on ajoute de la poudre de fer 4. Tableau d avancement : Équation de Quantités réaction 2Fe + 6H + 2 Fe H 2 exprimées en moles Avancement fer Ion hydrogène Ion fer III dihydrogène État initial x = 0 3, , État intermédiaire x 3, x 2, x 2x 3x État final x max 3, x max 2, x max 2x max 3x max Recherche du réactif limitant : 3, x 0 { et 2, x 0 3, x 2, x { 3, et 2, x x 1, x 4, x Donc x max = 1, mol Le réactif limitant est donc le fer, ce qui est cohérent avec la disparition de la poudre de fer. Dans l état final : Quantité d ions hydrogène : 2, x max = 2, ,8.10-4, soit n H+ final = 1, mol Pour une solution de volume V = 10 ml, soit V = L, la concentration molaire en ions hydrogène est donc : c H+ = n H+final V 1, La masse de fer est nulle (réactif limitant). = 1,4 10 1, soit c H+ = 1, mol/l Quantité d ions fer III formés : 2x max = 2 1,8.10-4, soit n Fe3+ final = 3, mol Pour une solution de volume V = 10 ml, soit V = L, la concentration molaire en ions fer III est donc : c Fe3+ = n Fe3+final V 3, = 3, , soit c Fe3+ = 3, mol/l Quantité de dihydrogène : 3x max = 3 1,8.10-4, soit n H2 final = 5, mol Sachant que le volume molaire des gaz est V m = 24 L/mol, V H2 = n H2 final V m 5, = 1,3 10 2, soit V H2 = 1, L (13 ml)