Notion de stoechiométrie d`une réaction chimique

Notion de stoechiométrie d’une réaction chimique
Niveau :
Durée
Prérequis :
Objectifs :
Méthode :
matériels :
Produits
Mots clés :
1h
Réaction de précipitation entre le sulfate de cuivre et la solution de soude
Calcul des nombres de moles à partir d’une concentration et du voluma
d’une solution (Au cas où les élèves ne sauraient pas encore trouver le
nombre de moles à partir de la concentration et du volume de la solution, le
professeur le fera lui-même)
Montrer qu’au cours d’une réaction chimique, les réactifs réagissent dans
des proportions bien déterminées (c’est à dire les proportions
stoechiométriques)
par groupes :
2 béchers de 100 mL
1 entonnoir + support + papier filtre
1 pipette de 5 mL
tubes à essai et support
Un flacon de 100 mL contenant de la solution de soude (dans la cas où le
produit est insuffisant, on peut employer un seul flacon pour toute la
classe) de concentration c’ = 4. 10-1 mol.L-1
1L de solution de sulfate de cuivre de concentration c = 10-1 mol.L-1.
(Pour la préparation, ne pas oublier que le sulfate de cuivre solide est
hydraté avec 5 molécules d’eau CuSO4, 5H2O)
Stoechiométrie, précipité, filtrat, proportions stoechiométriques, conditions
stoechiométriques, excès, défaut
Déroulement:
Activités des élèves
Activités du professeur
Le professeur met les élèves en groupes (il
faut au moins 8 groupes d’élèves pour
réaliser cette expérience)
Le professeur donne les matériels et les
produits nécessaire pour l’expérience.
Le professeur demande :
à tous les groupes de prendre 50 ml de
solution de soude dans la solution de
sulfate de cuivre
au 1er groupe : de verser 5 mL de solution
de soude dans la solution de sulfate de
cuivre
au 2ème groupe : de verser 10 mL de la
solution de soude dans la solution de
sulfate de cuivre
…
au groupe n° n de verser 5×n mL de la
solution de soude dans la solution de
les élèves se mettent en groupe
solution de soude
solution de sulfate
de cuivre
- 81 -
Le professeur demande à chaque groupe
d’apporter son bécher au bureau près du
numéro correspondant au numéro du groupe
Le professeur demande aux élèves
d’observer le résultat de chaque groupe
La quantité de précipité augmente du
premier au nieme groupe
Le professeur demande aux élèves quelle est
la réaction correspondante
Le professeur demande aux élèves de filtrer
le produit obtenu
Cu2+ + OH– → Cu(OH)2
Chaque groupe reprend son bécher et
retourne à sa place pour faire la filtration
mélange
filtrat
La couleur du filtrat devient de plus
en plus pâle et disparaît à partir du
groupe numéro 5.
Le professeur demande aux élèves
d’apporter le filtrat au bureau pour
comparer.
Etude du filtrat :
Le professeur demande aux élèves de
partager leur filtrat en deux tubes A et B :
Verser dans le tube A 5mL de soude (avec
une seringue rincée à l’eau distillée) et dans
le tube B 1mL de solution de sulfate de
cuivre(II) .
Apporter les deux tubes au bureau et placer
les tubes A d’un coté et les tubes B de
l’autre coté en respectant les numéros
successifs
- 82 -
1 2
3
4 5 …
1 2
3 4
Que voyez-vous dans les tubes A ?
Que voyez-vous dans les tubes B?
Il y a des précipités dans les tubes A de 1
jusquà 4 et à partir de 5, il ny a pas de
précipité et la quantité de précipité diminue
de 1 à 4.
Les précipités apparaissent à partir du tube
numéro 6 et la quantité de précipité
augmente
Pourquoi apparaît-il un précipité dans les
tubes A jusqu’à 4 quand on ajoute de la
soude ?
Il reste encore des ions Cu2+ dans le filtrat.
Pourquoi n’y a-t-il pas de précipité dans
les tubes A à partir du numéro 5
Il ne reste plus d’ ions Cu2+ dans le filtrat
Pourquoi n’y a-t-il pas de précipité dans
les tubes B du numéro 1 jusqu’à 5 quand
on ajoute du sulfate de cuivre ?
Il ne reste plus d’ ions OH- dans le filtrat
Pourquoi apparaît-il un précipité dans les
tubes B du numéro 6 au numéro n quand
on ajoute de la solution de sulfate de
cuivre
Il reste encore des ions OH- dans le filtrat
Le professeur présente le tableau de
Les élèves font le tableau dans leur
Milieu réactionnel
1
50
5
2
50
10
3
50
15
4
50
20
5
50
25
6
50
30
7
50
35
8
50
40
Quantité
de
précipité
Tubes B
Tubes A +
Conclusion sur
aspect du
+
Sulfate le milieu
filtrat
soude
de cuivre réactionnel
II
coloration bleu
d’intensité décroissante
volume
de
solution
de soude
en mL
i n co l o r
volume
Group de
solution
e
de sulfate
de
cuivreII
- 83 -
Excés
d’ions
Cu2+
conditions
stoechiométriqu
es
Excés
d’ions
OH-
Conclusion :
tous les réactifs utilisés par le groupe 5 ont
été consommés: il n’en reste aucun. On se
trouve dans les proportions stoechiométriques
Le professeur demande à chaque groupe de
nettoyer et de ranger le matériel
- 84 -
Notion quantitative de stoechiométrie d’une réaction
Activités du professeur
Activités des élèves
En prenant les données dans les conditions
stoechiométriques de l’expérience ci
dessus:
(Cu2+, SO42-) c = 10-1 mol.L-1 , v = 50mL
(Na+, OH-) c’ = 0,4 mol.L-1 , v’ = 25mL
Calculez le nombre de mole d’ions cuivre
(II) présents nCu2+
nCu2+ = c×v
-3
-3
nCu2+ = 10-150.10
50.10-3==510
510-3mol
mol
Calculez le nombre de mole d’ions
hydroxyde versés nOH-
nOH– versés = c’ × v’
nOH– versés = 0;4 ×25.10-3 =10-2 mol
Comparez le nombre demole d’ions Cu2+
et celui des ions hydroxyde OH– versés
nCu2+ =nOH– versés
Ecrivez l’équation biman de la réaction
entre les ions cuivre(II) et les ions
hydroxyde .
Pouquoi dans les conditions où
nOH- = 2nCu2+, tous les réactifs sont-ils
consommés ?
Cu2+ + OH– → Cu(OH)2
Ce sont les proportions indiquées par
l’équation bilan de la réaction chimique
Le professeur tire la conclusion:
Dans ce cas, on dit qu’on est dans les
conditions stoechiométriques
Envisageons deux cas où nous ne sommes
pas dans les conditions stoechiométriques
Cas du bécher numéro 1
Calculez le nombre de mole d’ions cuivre
(II) dans le filtrat du bécher numéro 1
cCuSO4 = 10-1 mol.L-1 , vCuSO4 = 50mL
c’NaOH = 0,4 mol.L-1 , v’NaOH = 5mL
Quand vous versez de la solution de soude
dans le tube A du numéro 1, que se passet-il ?
nOH– versés = cNaOH × vNaOH
nOH– versés = 0,4 ×5.10-3 = 2.10-3
cCuSO4× vCuSO4
nCu2+ initial =10-1 ×50.10-3 = 5.10-3mol
D’après l’équation bilan de la réaction :
nOH– réagi = 2nCu2+ réagi
nCu2+ réagi = nOH– réagi /2
nCu2+ réagi =2.10-3/2 = 10-3 mol
Le nombre de mole d’ions Cu2+ restant dans
le filtrat est 5.10-3 – 10-3 = 4.10-3 mol.
Les ions OH– réagissent avec les ions Cu2+
restant pour former un précipité bleu
d’hydroxyde de cuivre(II) Cu(OH)2
- 85 -
Cas du bécher numéro 6
Calculez le nombre de mole d’ions
hydroxyde OH– dans le bécher numéro 6
cCuSO4 = 10-1 mol.L-1 , vCuSO4 = 50mL
c’NaOH = 0,4 mol.L-1 , v’NaOH = 30mL
Quand vous versez de la solution de sulfate
de cuivre(II) dans le tube B du numéro 6,
que se passe-t-il ?
Le professeur peut vérifier pour les autres
béchers ou demander aux élèves de vérifier
comme exercice d’application
nOH– versés = c’NaOH × v’NaOH
nOH– versés = 0,4 ×30.10-3
nOH– versés = 12.10-3 mol
D’après l’équation bilan de la réaction :
nOH– réagi = 2nCu2+ réagi
nOH– réagi =2 5.10-3 = 10.10-3 mol
Le nombre de mole d’ions hydroxyde OHrestant dans le bécher numéro 6 est
12.10-3 – 10.10-3 = 2.10-3 mol.
Les ions cuivre(II) Cu2+ réagissent avec les
ions hydroxyde OH- restant dans le tube
pour former un précipité bleu d’hydroxyde
de cuivre(II) Cu(OH)2
- 86 -
EXERCICES
1
On verse une solution de sulfate de cuivre(II) dans un bécher contenant 20 mL de
solution de soude de concentration 2 mol.L-1.
Calculer le volume de la solution de sulfate de cuivre versée pour qu’on ait les conditions
stoechiométriques sachant que la concentration de la solution de sulfate de cuivre est de
10-1molL-1
Le professeur demande à un élève d’aller corriger l’exercice au tableau. Dans le cas où
l’élève ne pourrait pas trouver la solution, le professeur l’aiderait en lui demandant de
calculer d’abord le nombre de moles d’ions hydroxydes présents dans la solution de soude,
d’écrire la réaction entre les ions cuivre(II) et les ions hydroxyde, d’en déduire une relations
entre les quantités de matière d’ions Cu2+ et d’ions OH– qui réagissent , enfin de calculer le
volume de la solution de sulfate de cuivre à verser.
2
On veut brûler 2,28 g d’octane de formule C8H18 dans le dioxygène de l’air. Calculer
le volume d’air nécessaire à la combustion complète de l’octane.
REPONSES
1
L’équation bilan de la réaction :
Cu + OH– → Cu(OH)2
2
2+
nombre de mole d’ion hydroxyde OH– dans
la solution de soude :
nOH– = cNaOH × vNaOH
nOH– = 2 ×20.10-3
nOH– versés = 4.10-2 mol
nombre de mole d’ion Cu2+ à verser : nCu2+
D’après l’équation bilan de la réaction
nCu2+ réagi= ½nOH– réagi
nCu2+ =4.10-2 / 2 = 2.10-2 mol
dissolution du sulfate de cuivre :
CuSO4 disout → Cu2+ aq + SO42– aq
1mol
1 mol 1 mol
nCuSO4 dissout = nCu2+ = 2 . 10-2 mol
volume de la solution de sulfate de cuivre à
verser :
cCuSO4 = nCuSO4 dissout / vCuSO4
vCuSO4 = nCuSO4 dissout / cCuSO4
vCuSO4 = 2.10-2/10-1 = 2.10-1 L
vCuSO4 = 200 mL
- 87 -
volume d’air : 28 L