Tableau d avancement d une réaction chimique

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1 Tableau d avancement d une réaction chimique 1) Le tableau d avancement et son utilité Voici comment se présente, dans un cas général un tableau d avancement d une réaction : a A + b B b C + d D n A (initial) n B (initial) n C (initial) n D (initial) n A (initial) - a x n B (initial) - b x n C (initial) + c x n D (initial) + d x n A (initial) - a x max n B (initial) - b x max n C (initial) + c x max n D (initial) + d x max Voici la représentation graphique des concentrations correspondant à ce tableau : Quantité de matière (mol) n A (initial) n C (final) n B (initial) Etat initial n C (initial) n D (final) n B (final) n D (initial) 0 0 x max n A (final) avancement x(mol) On remarque que sur cette représentation graphique, le réactif A est le «réactif limitant» car c est celui qui s épuise en premier. Pour déterminer l avancement maximal x max d une réaction on cherche l avancement x correspondant à l annulation d un des réactifs et on garde le plus petit de tous, noté x max, c est l avancement correspondant à l épuisement du réactif limitant, ce qui correpond à la fin de la réaction. - L état initial est connu par le chimiste. - L état intermédiaire se retrouve grâce à l équation bilan de la réaction et aux coefficients stoechiométriques. - L état final se trouve en déterminant l avancement maximal x max de la réaction, c est à dire l avancement correspondant à l épuisement du réactif limitant. Cet état final est aussi appelé en chimie le «bilan de matière». C est ce «bilan de matière» qui intéresse le chimiste. Il l obtient grâce au tableau d avancement de la réaction. Le tableau d avancement d une réaction sert à obtenir le bilan de matière de la réaction donc le nombre de moles de réactifs et de produits à la fin de la réaction (il faut connaître le nombre de moles de réactifs et de produits avant le début de la réaction, ainsi que l équation bilan de la réaction). 1

2 2) Application n 1 : levure + vinaigre NaHCO 3 (s) + CH 3 COOH (aq) CO 2 (g) + CH 3 COONa (aq) + H 2 O (l) réactifs produits a) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits solides et les liquides : m((nahco 3) n(nahco 3 ) = M(NaHCO 3) M(NaHCO 3 ) = M(Na)+M(H)+M(C)+3M(O) = x16 = 84 g.mol -1 m(nahco 3) n(nahco 3 ) = avec m(nahco 84 3 ) en g m(h2o) ρeau.veau n(h2 O) = = M(H2O) M(H2O) M(H 2 O) = 2M(H) + M(O) = 2 x = 18 g.mol -1 ρ eau = 1000 g.l -1 = 1 g.ml -1 V eau V vinaigre Vvinaigre n(h2o) avec V 18 vinaigre en ml b) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits en solution aqueuse : n(ch 3 COOH) = c(ch 3 COOH).V(CH 3 COOH) = c vinaigre.v vinaigre c) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits gazeux : n(co2) V(CO 2) Dans toute la suite, on prélèvera toujours 10 ml de vinaigre molaire (c = 1 mol.l -1 ). Par contre, on fera varier ma masse de levure prélevée de 0,2 g à 1,2 g n(ch 3 COOH) i = c vinaigre.v vinaigre = = 10-2 mol = 10 mmol n(h 10 2O) i 0,555 mol 555 mmol 18 m(nahco 3) n(nahco 3 ) i = 84 n(co 2 ) i = 0 n(ch 3 COONa) i = 0 m(nahco 3 ) i 0,2 g 0,4 g 0,6 g 0,8 g 0,84 g 1 g 1,2 g n(nahco 3 ) i 0,2 4,76 7,14 9, ,9 14,3 = 0,0238 mol = 2,38 mmol 84 mmol mmol mmol mmol mmol mmol n(ch 3 COOH) i mmol mmol mmol mmol mmol mmol mmol n(co 2 ) i n(ch 3 COONa) i n(h 2 O) i mmol mmol mmol mmol mmol mmol mmol d) Tableaux d avancement à compléter : V m 2

3 Tableau n 1 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 0,2 g en Tableau n 2 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 0,4 g en Tableau n 3 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 0,6 g en Tableau n 4 : en Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 0,8 g 3

4 Tableau n 5 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 0,84 g en Tableau n 6 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 1 g en Tableau n 7 : Masse de levure initiale : m(nahco 3 ) i = 1,2 g en Pour quelle masse de levure dit-on que l on a respecté les conditions stœchiométriques de la réaction? Quelle est la relation entre le nombre initial de moles de réactifs dans ce cas? Quel(s) est (sont) le(s) réactif(s) limitant(s) dans ce cas? Que peut-on dire de l eau dans cette réaction? 4

5 2) Application n 2 : fer + dioxygène a ) présentation de la réaction O 2 fer + dioxygène oxyde de fer Fe On prendra dans tous les cas 1,5L de dioxygène pur à 20 C (V m = 24 L.mol -1 ) Par contre, on prendra divers échantillons de fer de diverses masses. b ) calcul des quantités de matière initiales m(fe) m(fe) (g) n(fe) i = = M(Fe) 55,8 V(O ) 1,5 n(o ) i 2 2 = = = 0,0625 mol = 62,5 mmol Vm 24 m(fe) i 1 g 3 g 5 g 5,231 g 7 g 9 g n(fe) i 17,9 mmol 53,8 mmol 89,6 mmol 93,75 mmol 125 mmol 161 mmol n(o 2 ) i 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol n(fe 3 O 4 ) i c ) remplissage des tableaux d avancement Tableau n 8 : Masse fer initiale : m(fe) i = 1 g en Tableau n 9 : Masse fer initiale : m(fe) i = 3 g en 5

6 Tableau n 10 : Masse fer initiale : m(fe) i = 5 g en Tableau n 11 : Masse fer initiale : m(fe) i = 5,231 g en Tableau n 12 : Masse fer initiale : m(fe) i = 7 g en Tableau n 13 : en Masse fer initiale : m(fe) i = 9 g 6

7 d ) conclusion Pour quelle masse de fer dit-on que l on a respecté les conditions stœchiométriques de la réaction? Quelle est la relation entre le nombre initial de moles de réactifs dans ce cas? 3) Application n 2bis : fer + dioxygène, avec un volume plus important de dioxygène a ) présentation de la réaction O 2 fer + dioxygène oxyde de fer Fe On prendra dans tous les cas 2,4 L de dioxygène pur à 20 C (V m = 24 L.mol -1 ) Par contre, on prendra divers échantillons de fer de diverses masses. b ) calcul des quantités de matière initiales m(fe) m(fe) (g) n(fe) i = = M(Fe) 55,8 V(O ) 2,4 n(o ) i 2 2 = = = 0,1 mol = 100 mmol Vm 24 m(fe) i 1 g 3 g 5 g 7 g 9 g 11 g n(fe) i 17,9 mmol 53,8 mmol 89,6 mmol 125 mmol 161 mmol 197 mmol n(o 2 ) i 100 mmol 100 mmol 100 mmol 100 mmol 100 mmol 100 mmol n(fe 3 O 4 ) i c ) remplissage des tableaux d avancement Tableau n 14 : Masse fer initiale : m(fe) i = 1 g en 7

8 Tableau n 15 : Masse fer initiale : m(fe) i = 3 g en Tableau n 16 : Masse fer initiale : m(fe) i = 5 g en Tableau n 17 : Masse fer initiale : m(fe) i = 7 g en Tableau n 18 : en Masse fer initiale : m(fe) i = 9 g 8

9 Tableau n 19 : Masse fer initiale : m(fe) i = 11 g en d ) conclusion Pour quel nombre de moles de fer respecte-t-on les conditions stœchiométriques de la réaction? Quelle est la masse de fer dans ce cas Remplir le tableau d avancement dans le cas des conditions stœchiométriques. Tableau n 20 : Masse fer initiale : m(fe) i = g en Conclusion : Que peut-on dire dans ce cas? 4) Représentation graphique de certains tableaux d avancement Sur les feuilles millimétrées distribuées par le professeur, vous représenterez graphiquement les tableaux d avancement (graduez l avancement x et les quantités de matière en millimoles : mmol) : - N 3 m(nahco 3 ) i = 0,6 g ; n(ch 3 COOH) i = 10 mmol (on ne représente pas H 2 O) - N 7 m(nahco 3 ) i = 1,2 g ; n(ch 3 COOH) i = 10 mmol (on ne représente pas H 2 O) - N 9 m(fe) i = 3 g n(o 2 ) i = 62,5 mmol - N 11 m(fe) i = 5,231 g n(o 2 ) i = 62,5 mmol - N 13 m(fe) i = 9 g n(o 2 ) i = 62,5 mmol 9