Aspect quantitatif des transformations

Au cours d’une transformation chimique des réactifs sont consommés et des produits formés. Établir un tableau d’avancement permet de suivre l’évolution des quantités de matière entre l’état initial et l’état final.

I Quantité de matière des espèces présentes

L’avancement x d’une réaction est une grandeur, exprimée en moles, qui permet de suivre l’évolution des quantités de matière des réactifs et des produits au cours d’une transformation. L’avancement est une grandeur positive qui croît de x = 0 mol à l’état initial à une valeur finale xf dans l’état final.

L’équation chimique indique les proportions en moles dans lesquelles les ­réactifs sont consommés et dans lesquelles les produits sont formés.

Exemple : pour Fe²⁺(aq) + 2 HO^–(aq) → Fe(OH)2(s), lorsqu’on consomme x mole de Fe²⁺(aq), on consomme 2x moles de HO^–(aq) et il se forme x mole de Fe(OH)2(s).

II Tableau d’évolution, avancements final et maximal

Le tableau d’avancement ou tableau d’évolution rend compte de l’évolution des quantités de matière du système de l’état initial à l’état final.

Si la transformation est totale, alors elle s’arrête quand l’un des réactifs a été entièrement consommé.

Le réactif qui s’épuise en premier (ce qui entraîne l’arrêt de la transformation) s’appelle réactif limitant.

Le réactif qui est partiellement consommé dans l’état final s’appelle réactif en excès.

L’avancement final xf est alors l’avancement maximal, noté xmax.

1 Savoir lire un tableau d’avancement

Équation chimique		${\text{C}}_3{\text{H}}_8{}_{\left(\text{g}\right)}+5 {\text{O}}_2{}_{\left(\text{g}\right)}\to 3 {\text{CO}}_2{}_{\left(\text{g}\right)}+4 {\text{H}}_2{\text{O}}_{\left(l\right)}$
État du système	Avancement (en mol)	Quantité de matière des espèces présentes (en mol)
Initial	x = 0	3,0	10,0	0	0
En cours	x	3,0 – x	10,0 – 5x	3x	4x
Final	xf = xmax = 2,0	1,0	0	6,0	8,0

Repère
Conseils

b. Remplacez x par sa valeur dans l’expression des quantités de matière de la ligne « En cours » du tableau.

a. Que valent les quantités de matière des réactifs dans l’état initial ?

b. Quelle est la quantité de matière des réactifs si l’avancement x vaut 1,0 mol ?

c. Quelle est la quantité de matière de toutes les espèces dans l’état final ?

solution

a. Dans l’état initial : n(C3H8)i = 3,0 mol et n(O2)i = 10,0 mol.

b. Quand l’avancement x = 1,0 mol, n(C3H8)présent = 3,0 – 1,0 = 2,0 mol, n(O2)présent = 10,0 – 5 × 1,0 = 2,0 mol.

c. Dans l’état final, il reste 1,0 mol de C3H8, il n’y a plus de O2 et il s’est formé 6,0 mol de CO2 et 8,0 mol de H2O.

2 Déterminer la valeur de l’avancement maximal

Équation chimique		N2(g) +  3 H2(g)→ 2 NH3(g)
État du système	Avancement (en mol)	Quantité de matière des espèces présentes (en mol)
Initial	x = 0	9,0	12,0	0
Final	xf = xmax	9,0 – xmax	12,0 – 3xmax	2xmax

Déterminer xmax si la transformation est considérée comme totale.

solution

Si la transformation est totale : soit N2(g) est réactif limitant alors n(N2)f = 0 donc 9,0 – xmax = 0 d’où xmax = 9,0 mol ; soit H2(g) est réactif limitant alors n(H2)f = 0 donc 12,0 – 3xmax = 0 d’où xmax = 4,0 mol.

On choisit la plus petite des deux valeurs pour xmax, d’où xmax = 4,0 mol.