Tableau d`avancement d`une réaction chimique

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 :
aA+bB→ bC+dD
Equation
Réactifs
Produits
Etat initial
nA(initial)
nB(initial)
nC(initial)
nD(initial)
Etat intermédiaire
nA(initial) - a x
nB(initial) - b x
nC(initial) + c x
nD(initial) + d x
Etat final
nA(initial) - a xmax nB(initial) - b xmax nC(initial) + c xmax nD(initial) + d xmax
Voici la représentation graphique des concentrations correspondant à ce tableau :
Quantité de matière (mol)
Etat intermédiaire
nC(final)
nA(initial)
nB(initial)
Etat
initial
nD(final)
nC(initial)
nB(final)
nD(initial)
0
nA(final)
0
xmax
Etat 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 xmax 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 xmax, 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 xmax 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) Application n°1 : levure + vinaigre
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq)
→
CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
réactifs
produits
a) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits solides et les liquides :
m((NaHCO3)
n(NaHCO3) =
M(NaHCO3)
M(NaHCO3) = M(Na)+M(H)+M(C)+3M(O) = 23 + 1 + 12 + 3x16 = 84 g.mol-1
m(NaHCO3)
n(NaHCO3) =
avec m(NaHCO3) en g
84
m(H2O) ρeau.Veau
=
M(H2O) M(H 2O)
M(H2O) = 2M(H) + M(O) = 2 x 1 + 16 = 18 g.mol-1
ρeau = 1000 g.L-1 = 1 g.mL-1
Veau ≈ Vvinaigre
n(H2O) ≈ Vvinaigre avec Vvinaigre en mL
18
n(H2O) =
b) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits en solution aqueuse :
n(CH3COOH) = c(CH3COOH).V(CH3COOH) = cvinaigre.Vvinaigre
c) Détermination de la quantité initiale de réactifs et de produits gazeux :
n(CO2) ≈
V(CO2)
Vm
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(CH3COOH)i = cvinaigre.Vvinaigre= 1.10.10-3 = 10-2 mol = 10 mmol
n(H 2O)i ≈ 10 ≈ 0,555 mol≈ 555 mmol
18
m(NaHCO3)
n(NaHCO3)i =
84
i
n(CO2) = 0
n(CH3COONa)i = 0
m(NaHCO3)i
0,2 g
0,4 g
4,76
0,2
= 0,0238 mol = 2,38 mmol
n(NaHCO3)i
mmol
84
10
n(CH3COOH)i
10 mmol
mmol
n(CO2)i
0
0
n(CH3COONa)i
0
0
555
n(H2O)i
555 mmol
mmol
d) Tableaux d’avancement à compléter :
2
0,6 g
7,14
mmol
10
mmol
0
0
555
mmol
0,8 g
9,52
mmol
10
mmol
0
0
555
mmol
0,84 g
10
mmol
10
mmol
0
0
555
mmol
1g
11,9
mmol
10
mmol
0
0
555
mmol
1,2 g
14,3
mmol
10
mmol
0
0
555
mmol
Tableau n°1 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 0,2 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°2 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 0,4 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°3 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 0,6 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°4 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 0,8 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
3
Tableau n°5 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 0,84 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°6 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 1 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°7 :
Equation
Masse de levure initiale : m(NaHCO3)i = 1,2 g
NaHCO3 (s) + CH3COOH (aq) → CO2 (g) + CH3COONa (aq) + H2O (l)
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
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
2) Application n°2 : fer + dioxygène
a ) présentation de la réaction
O2
3Fe (s) + 2O2 (g) → Fe3O4 (s)
fer + dioxygène → oxyde de fer
Fe
On prendra dans tous les cas 1,5L de
dioxygène pur à 20°C (Vm = 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
n(O2)i =
V(O2) 1,5
=
= 0,0625 mol = 62,5 mmol
24
Vm
m(Fe)i
1g
3g
5g
5,231 g
7g
9g
n(Fe)i
17,9 mmol 53,8 mmol 89,6 mmol 93,75 mmol 125 mmol
161 mmol
n(O2)i
62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol 62,5 mmol
n(Fe3O4)i
0
0
0
0
0
0
c ) remplissage des tableaux d’avancement
Tableau n°8 :
Masse fer initiale : m(Fe)i = 1 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
→
Fe3O4 (s)
Equation
Réactifs
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°9 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 3 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
5
→
Fe3O4 (s)
Produits
Tableau n°10 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 5 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°11 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 5,231 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
→
Réactifs
Fe3O4 (s)
Produits
Masse fer initiale : m(Fe)i = 7 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Masse fer initiale : m(Fe)i = 9 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°12 :
Equation
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°13 :
Equation
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
6
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
O2
3Fe (s) + 2O2 (g) → Fe3O4 (s)
fer + dioxygène → oxyde de fer
Fe
On prendra dans tous les cas 2,4 L de
dioxygène pur à 20°C (Vm = 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
n(O2)i =
V(O2) 2,4
=
= 0,1 mol = 100 mmol
24
Vm
m(Fe)i
n(Fe)i
n(O2)i
n(Fe3O4)i
1g
17,9 mmol
100 mmol
0
3g
53,8 mmol
100 mmol
0
5g
89,6 mmol
100 mmol
0
7g
125 mmol
100 mmol
0
9g
161 mmol
100 mmol
0
11 g
197 mmol
100 mmol
0
c ) remplissage des tableaux d’avancement
Tableau n°14 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 1 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
7
→
Fe3O4 (s)
Produits
Tableau n°15 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 3 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Masse fer initiale : m(Fe)i = 5 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Masse fer initiale : m(Fe)i = 7 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Masse fer initiale : m(Fe)i = 9 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
Réactifs
→
Fe3O4 (s)
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°16 :
Equation
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°17 :
Equation
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
Tableau n°18 :
Equation
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
8
Tableau n°19 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = 11 g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
→
Réactifs
Fe3O4 (s)
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
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 :
Equation
Masse fer initiale : m(Fe)i = _____ g
3Fe (s)
+
2O2 (g)
→
Réactifs
Fe3O4 (s)
Produits
Etat initial
Etat intermédiaire
Etat final en
fonction de xmax
Réactif limitant
(faire une croix)
xmax =
Etat final
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(NaHCO3)i = 0,6 g ; n(CH3COOH)i = 10 mmol (on ne représente pas H2O)
- N°7
m(NaHCO3)i = 1,2 g ; n(CH3COOH)i = 10 mmol (on ne représente pas H2O)
- N°9
m(Fe)i = 3 g
n(O2)i = 62,5 mmol
i
- N°11
m(Fe) = 5,231 g
n(O2)i = 62,5 mmol
- N°13
m(Fe)i = 9 g
n(O2)i = 62,5 mmol
9