Chapitre 2 : Réaction chimique et bilan de matière Activité 1 : Etude

Chapitre 2 : Réaction chimique et bilan de matière
Activité 1 : Etude quantitative d’une transformation chimique
A. Equation de la réaction chimique étudiée
La transformation qu’on va étudier peut être décrite par cette phrase :
« Lorsqu’une solution de sulfate de cuivre, de formule Cu2+ + SO42-, est mise en présence d’une solution
d’hydroxyde de sodium, de formule Na+ + HO-, il se forme un précipité d’hydroxyde de cuivre Cu(OH)2.
(a) Les réactifs sont Cu2+; SO42- ; Na+ ; HO- et le produit est Cu(OH)2
(b) Les espèces spectatrices sont SO42- ; Na+. Elles ne doivent pas obligatoirement être écrites dans
l’équation de réaction.
(c) 𝐶𝑢2+ + 2 𝐻𝑂− → 𝐶𝑢(𝑂𝐻)2
(d) Il faudrait deux moles de HO- pour que tous les réactifs disparaissent si on a une mole de Cu2+.
Si HO- est introduit en plus grande quantité, ce sera le réactif en excès.
(e) Si on introduit cinq moles de Cu2+, il faudrait alors dix moles de HO- pour que tous les réactifs
disparaissent.
B. Etude expérimentale de la transformation
Expérience : On introduit une solution d’hydroxyde de sodium dans une solution de sulfate de cuivre.
On note les résultats dans ce tableau.
N° du groupe
V (HO-) en mL
V (Cu2+) en mL
Quantité initiale
des ions HOEtat
initial
Quantité initiale
des ions Cu2+
Reste-t-il des
ions HO- ?
Etat
Reste-t-il des
final
ions Cu2+ ?
Réactif limitant
1
10
20
2
20
20
3
30
20
4
40
20
5
50
20
6
60
20
7
70
20
8
80
20
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
Non
Non
Non
Non
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Non
Non
Non
Non
Non
HO-
HO-
HO-
HO- et
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
(a) Calculer la quantité de matière initiale des ions Cu²+ que vous avez introduite
𝑛 (𝐶𝑢2+ ) = 𝐶 × 𝑉
(b) De même, déterminer 𝑛𝑖 (𝐻𝑂− )
𝑛 (𝐻𝑂− ) = 𝐶 × 𝑉
(c) Dans un des tubes à essais contenant du filtrat, verser 1 mL de solution de sulfate de zinc.
Noter vos observations.
Pas de précipité (groupes 1 à 3) et précipité blanc (groupes 5 à 8).
(d) Dans l’autre tube, verser 1 mL de solution d’ammoniaque. Noter vos observations.
Précipité bleu (groupes 1 à 3) et pas de précipité (groupes 5 à 8).
(e) Déduire des questions précédentes le réactif limitant.
Le réactif limitant est HO- pour les groupes 1 à 3 et Cu2+ pour les groupes 5 à 8.
(f) Observer l’évolution de la couleur du filtrat.
Quand il reste du Cu2+, le précipité dans la coupelle est bleu
Quand il reste du HO-, le précipité dans la coupelle est vert.
(g) On dit que dans le mélange n°4, les réactifs ont été introduits dans des proportions
stœchiométriques. Indiquer ce que ce mélange a de particulier.
Pour le groupe 4, tous les réactifs ont été consommés en même temps donc Cu2+ et HO- sont tous les
deux les réactifs limitant. Ils ont été introduits dans des proportions stœchiométriques.
Activité 2 : Description de la transformation à l’aide d’un tableau d’avancement
A. Etude de la transformation réalisée par le binôme 1
Avancement x
𝐶𝑢2+
+
2 𝐻𝑂− →
(mol)
Etat initial
x =0
2,0 × 10-3
1,0 × 10-3
Transformation
x quelconque
2,0 × 10-3 – x
1,0 × 10-3 – 2x
en cours
2,0 × 10-3 – xmax
1,0 × 10-3 – 2xmax
Etat final
x = xmax
-3
= 1,5 × 10
0
Calcul de xmax :
1,0 × 10-3 – 2xmax = 0
xmax = (1,0 × 10-3) / 2
xmax = 5,0 × 10-4
A l’état initial, on a x=0 car la réaction n’a pas encore commencé.
𝐶𝑢(𝑂𝐻)2
0
x
xmax
= 5,0 × 10-4
B. Etude de la transformation réalisée par le binôme 5
Etat initial
Transformation
en cours
Etat final
Avancement x
(mol)
x =0
2,0 × 10-3
5,0 × 10-3
0
x quelconque
2,0 × 10-3 – x
5,0 × 10-3 – 2x
x
x = xmax
2,0 × 10-3 – xmax
0
5,0 × 10-3 – 2xmax
1,0 × 10-3
xmax
2,0 × 10-3
𝐶𝑢2+
+
2 𝐻𝑂− →
𝐶𝑢(𝑂𝐻)2
C. Etude de la transformation réalisée par le binôme 4
Etat initial
Transformation
en cours
Etat final
Avancement x
(mol)
x =0
2,0 × 10-3
4,0 × 10-3
0
x quelconque
2,0 × 10-3 – x
,0 × 10-3 – 2x
x
x = xmax
2,0 × 10-3 – xmax
0
4,0 × 10-3 – 2xmax
0
xmax
2,0 × 10-3
 Proportions stœchiométriques
𝐶𝑢2+
+
2 𝐻𝑂− →
𝐶𝑢(𝑂𝐻)2
Activité 3 : Etude de la réaction entre le diiode et les ions thiosulfates
On dispose de deux solutions :
 Solution 1 : solution de diiode I2 de concentration C1 = 1,0 × 10-2 mol/L
 Solution 2 : Solution de thiosulfate de sodium 2 𝑁𝑎+ + 𝑆2 𝑂32− de concentration inconnue
Expérience :
 Prélever 10 mL de solution 1
 Prélever 40 mL de solution 2
 Les mélanger dans un bécher
Avancement x
(mol)
x =0
𝐼2
+
2 𝑆2 𝑂32− → 2𝐼 −
Etat initial
1,0 × 10−4
𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− )
Transformation
x quelconque
𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− ) − 2𝑥
1,0 × 10−4 − 𝑥
en cours
Etat final
x = xmax
1,0 × 10−4 − 𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− ) − 2𝑥𝑚𝑎𝑥
2− )
−4
𝑛(𝑆2 𝑂3 = 1,0 × 10 × 2 = 2,0 × 10−4
On cherche à connaitre la concentration C2 de 𝑆2 𝑂32−
𝑛 2,0 × 10−4
𝐶= =
= 5,0 × 10−3 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑙
𝑣
40
+
𝑆4 𝑂62−
0
0
2𝑥
𝑥
2𝑥𝑚𝑎𝑥
𝑥𝑚𝑎𝑥
COURS :
I-
Stœchiométrie et avancement d’une réaction chimique
1) Interprétation des nombres stœchiométriques
On a vu en classe de seconde que les nombres stœchiométriques doivent être écrits pour respecter
les lois de conservation (éléments chimiques, charges).
Une fois écrits, ces nombres peuvent être utilisés pour savoir dans quelles proportions les réactifs
disparaissent et les produits apparaissent.
Exemple : 𝐼2 + 2 𝑆2 𝑂32− → 2 𝐼 − + 𝑆4 𝑂62−
Cette équation indique que, lorsqu’une mole de I2 disparaît :
 2 mol de 2 𝑆2 𝑂32− disparaissent
 2 mol de I- apparaissent
 1 mol de 𝑆4 𝑂62− apparait
2) Avancement d’une réaction chimique
Définition : L’avancement d’une réaction chimique est égal à la quantité de matière d’un produit formé
(ou à la quantité de matière de réactif disparu) si son nombre stœchiométrique est 1 dans l’équation.
L’avancement est noté x et s’exprime en mol. L’avancement est nul à l’état initial et augmente au fur
et à mesure que la transformation a lieu.
II-
Tableau d’avancement et bilan de matière
1) Avancement maximal
Les réactions que nous étudions en première ont lieu jusqu’à ce qu’un réactif ait totalement disparu :
c’est le réactif limitant. Alors l’avancement atteint une valeur particulière appelée avancement
maximal, notée xmax.
2) Le tableau d’avancement
C’est un tableau que l’on complète par des valeurs de quantités de matière, éventuellement exprimées
en fonction de x.
 1ère ligne : équation chimique de la réaction
 2ème ligne : quantités de matière des réactifs à l’état initial
 3ème ligne : quantités de matière des réactifs et des produits au cours de la réaction à l’aide de
l’avancement x
 4ème ligne : quantités de matière des réactifs et des produits à l’état final à l’aide de xmax
Avancement x
(mol)
x =0
𝐼2
+
2 𝑆2 𝑂32− → 2𝐼 −
+
𝑆4 𝑂62−
Etat initial
𝑛𝑖 (𝐼2 )
0
0
𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− )
Transformation
x quelconque
𝑛𝑖 (𝐼2 ) − 𝑥
𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− ) − 2𝑥
2𝑥
𝑥
en cours
Etat final
x = xmax
𝑛𝑖 (𝐼2 ) − 𝑥𝑚𝑎𝑥
2𝑥𝑚𝑎𝑥
𝑥𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑖 (𝑆2 𝑂32− ) − 2𝑥𝑚𝑎𝑥
Remarque : Si le solvant apparait dans l’équation chimique, on ne le prend pas en compte dans le
tableau d’avancement ; on écrit alors « solvant ».
3) Bilan de matière
Faire le bilan de matière d’une transformation, c’est :
 Déterminer la valeur de 𝑥𝑚𝑎𝑥 . Il faut pour cela faire des hypothèses sur la nature du réactif
limitant. L’hypothèse validée est celle qui donne la valeur de 𝑥𝑚𝑎𝑥 la plus faible.
 En déduire les valeurs des quantités de matière à l’état final
4) Proportions stœchiométriques
Quand tous les réactifs ont disparu à l’état final, on dit qu’à l’état initial, les réactifs étaient dans des
proportions stœchiométriques.
Ce qu’il faut retenir du chapitre 2 :
 Identifier le réactif limitant
 Décrire quantitativement l’état final d’un système chimique
 Interpréter en fonction des conditions initiales la couleur à l’état final d’une solution siège
d’une réaction chimique mettant en jeu un réactif ou un produit coloré