Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie
Transformations chimiques et équations de réaction
Réactifs, produits, avancement et bilan de matière — Constitution et transformations de la matière (1re Spé PC)
À propos de cette page
Transformation chimique : définition et caractéristiques
Une transformation chimique modifie la nature des substances : des réactifs disparaissent et des produits apparaissent. La transformation s'accompagne souvent de changements observables : dégagement gazeux, précipité, changement de couleur, dégagement de chaleur.
Exemples : combustion du carbone ($\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$), oxydation du fer (formation de la rouille), dissolution d'un acide dans l'eau.
Réactifs et produits — conservation des éléments
Dans toute transformation chimique :
- Les réactifs sont les espèces chimiques qui se consomment.
- Les produits sont les espèces chimiques qui se forment.
- Les spectateurs (s'il y en a) ne participent pas à la réaction.
| Grandeur conservée | Grandeur non conservée |
|---|---|
| Nombre d'atomes de chaque élément | Nature des espèces chimiques |
| Masse totale | Nombre de molécules |
| Charges électriques (total) | Énergie chimique (chaleur échangée) |
Vérification : 3 C à gauche, 3 C à droite ; 8 H à gauche, 8 H à droite ; 10 O à gauche (2×5), 10 O à droite (6+4).
Équation de réaction : écriture et équilibrage
Une équation de réaction représente symboliquement la transformation : les réactifs sont à gauche de la flèche (→), les produits à droite. Des coefficients stœchiométriques (entiers, positifs, minimaux) équilibrent l'équation.
1. Écrire les formules des réactifs et produits.
2. Compter les atomes de chaque élément de chaque côté.
3. Ajuster les coefficients devant les formules (jamais les indices) jusqu'à égalité.
4. Vérifier que les coefficients sont entiers et premiers entre eux.
Exemple détaillé : Combustion de l'éthane $\text{C}_2\text{H}_6$.
- Formule de départ : $\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$
- Équilibrage C : 2 C → 2 devant $\text{CO}_2$
- Équilibrage H : 6 H → 3 devant $\text{H}_2\text{O}$
- Équilibrage O : $2\times2 + 3\times1 = 7$ O à droite → $\frac{7}{2}$ devant $\text{O}_2$, puis on multiplie tout par 2 : $2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$
Méthode en 4 étapes pour équilibrer une équation de réaction.
La notion d'avancement $x$
L'avancement $x$ (en mol) est une variable qui décrit la progression de la réaction. Initialement $x = 0$ ; il croît jusqu'à l'état final.
- La quantité de A à l'instant $x$ : $n(A) = n_0(A) - a\,x$
- La quantité de B à l'instant $x$ : $n(B) = n_0(B) - b\,x$
- La quantité de C à l'instant $x$ : $n(C) = n_0(C) + c\,x$
- La quantité de D à l'instant $x$ : $n(D) = n_0(D) + d\,x$
$n(\text{H}_2) = 4 - 2x$ ; $n(\text{O}_2) = 3 - x$ ; $n(\text{H}_2\text{O}) = 0 + 2x$
Tableau d'avancement et bilan de matière
Le tableau d'avancement (ou tableau de stœchiométrie) recense, pour chaque état (initial, en cours, final), les quantités de matière de tous les réactifs et produits en fonction de $x$.
Colonnes : réactifs (signe −) | produits (signe +)
Lignes : état initial ($x=0$) · état intermédiaire · état final ($x = x_f$)
Exemple complet : Réaction $\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$
| État | Zn (mol) | HCl (mol) | ZnCl₂ (mol) | H₂ (mol) |
|---|---|---|---|---|
| Initial ($x=0$) | $n_0(\text{Zn})$ | $n_0(\text{HCl})$ | 0 | 0 |
| En cours | $n_0(\text{Zn}) - x$ | $n_0(\text{HCl}) - 2x$ | $x$ | $x$ |
| Final ($x = x_f$) | $n_0(\text{Zn}) - x_f$ | $n_0(\text{HCl}) - 2x_f$ | $x_f$ | $x_f$ |
Évolution des quantités de matière de Zn, HCl et H₂ en fonction de l'avancement $x$ (exemple : $n_0(\text{Zn})=2\,\text{mol}$, $n_0(\text{HCl})=4\,\text{mol}$).
Réactif limitant et état final
La réaction s'arrête quand au moins un réactif est totalement consommé. Ce réactif est le réactif limitant ; l'autre est en excès.
Pour chaque réactif $i$ de coefficient $\nu_i$, calculer le rapport $\dfrac{n_{0,i}}{\nu_i}$.
Le réactif limitant est celui dont ce rapport est le plus petit ; l'avancement maximal est $x_{\max} = \min\left(\dfrac{n_{0,i}}{\nu_i}\right)$.
$\dfrac{n_0(\text{Zn})}{1} = 0{,}3$ ; $\dfrac{n_0(\text{HCl})}{2} = 0{,}2$
HCl est le réactif limitant. $x_{\max} = 0{,}2\,\text{mol}$.
État final : $n(\text{Zn}) = 0{,}3 - 0{,}2 = 0{,}1\,\text{mol}$ (excès) ; $n(\text{HCl}) = 0$ ; $n(\text{H}_2) = 0{,}2\,\text{mol}$.
Rendement et transformation non totale (aperçu)
Lorsque la réaction est totale, le réactif limitant est entièrement consommé : $x_f = x_{\max}$. C'est le cas de la majorité des réactions rencontrées en terminale et en 1re.
Certaines réactions sont dites limitées (ou non totales) : un équilibre s'établit avant que le réactif limitant soit épuisé. Dans ce cas, $x_f < x_{\max}$ et on définit le taux d'avancement final :
Pour une transformation totale : $\tau = 100\,\%$.
Pour une transformation limitée : $\tau < 100\,\%$.
- Une transformation chimique consomme des réactifs et produit des produits ; les atomes sont conservés.
- L'équation de réaction est équilibrée par des coefficients stœchiométriques (atomes et charges conservés).
- L'avancement $x$ (mol) décrit la progression : réactifs $\rightarrow n_0 - \nu x$ ; produits $\rightarrow n_0 + \nu x$.
- Le tableau d'avancement liste les quantités de matière en fonction de $x$.
- Le réactif limitant est celui dont $\dfrac{n_0}{\nu}$ est minimal ; $x_{\max} = \min\!\left(\dfrac{n_0}{\nu}\right)$.
- Transformation totale : $x_f = x_{\max}$ (réactif limitant épuisé) ; transformation limitée : $x_f < x_{\max}$.
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