Suivi d’une transformation chimique – Cours
🧪 SUIVI D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE
1er Bac Sciences
Introduction – L’évolution d’un système chimique
Objectif du cours : Comprendre comment suivre l’évolution d’un système chimique au cours d’une transformation, en identifiant les réactifs, les produits et en utilisant le tableau d’avancement pour faire le bilan de matière.
- 🔬 Nous allons étudier la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique.
- 📊 Nous apprendrons à construire un tableau d’avancement.
- ⚖️ Nous déterminerons le réactif limitant et le bilan de matière.
Composition de l’acide chlorhydrique
🔬 Manipulation 1 – Mesure du pH
Protocole : On verse de l’acide chlorhydrique dans un bécher et on mesure son pH à l’aide d’un pH-mètre stylo.
Résultat : \( \text{pH} = 2,35 \) → \( \text{pH} < 7 \) → caractère acide.
✅ Interprétation : La solution contient des ions hydrogène H⁺(aq) en quantité importante.
🔬 Manipulation 2 – Test au nitrate d’argent
Protocole : On verse quelques gouttes de solution de nitrate d’argent (AgNO₃) dans un peu d’acide chlorhydrique contenu dans un tube à essais.
Observation : Formation d’un précipité blanc qui noircit à la lumière.
✅ Interprétation : Le précipité blanc est du chlorure d’argent (AgCl), ce qui indique la présence d’ions chlorure Cl⁻(aq).
Conclusion : L’acide chlorhydrique est une solution aqueuse contenant H⁺(aq) + Cl⁻(aq).
Sa formule chimique est : \( (\text{H}^+_{(aq)} + \text{Cl}^-_{(aq)}) \)
Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer
🔬 Manipulation 1 – Mise en contact
Protocole : Dans un tube à essais grand modèle, mettre environ \( \frac{1}{2} \) spatule de fer (Fe) en poudre, puis ajouter environ \( 2 \, \text{cm}^3 \) d’acide chlorhydrique.
Observations :
- 💨 Effervescence : dégagement d’un gaz.
- 🔥 Le tube devient chaud (réaction exothermique).
- ⚙️ Le fer est attaqué par l’acide.
✅ Conclusion : Une réaction chimique se produit entre le fer et l’acide chlorhydrique.
🔬 Manipulation 2 – Test du gaz (dihydrogène)
Protocole : Boucher le tube avec un bouchon adapté, attendre quelques instants pour que le dégagement de gaz soit suffisant, puis enlever le bouchon et approcher une allumette enflammée de l’ouverture du tube légèrement incliné.
Observation : On entend une petite détonation (« boum »), puis le gaz brûle sans bruit.
✅ Interprétation : La détonation caractérise la présence du gaz dihydrogène H₂(g).
🔬 Manipulation 3 – Analyse de la solution finale
Protocole : Après la réaction, ajouter de l’eau distillée dans le tube jusqu’aux \( \frac{2}{3} \) environ, puis répartir la solution S obtenue dans deux tubes notés 1 et 2.
Tube 1 : Verser quelques gouttes de solution de nitrate d’argent.
✅ Observation : Précipité blanc → présence d’ions chlorure Cl⁻ (ions spectateurs).
Tube 2 : Ajouter goutte à goutte de la soude (NaOH) jusqu’à l’apparition d’un précipité.
✅ Observation : Précipité vert → présence d’ions fer II Fe²⁺ (produit de la réaction).
Conclusion : La solution S est une solution de chlorure de fer (II) contenant Fe²⁺(aq) + Cl⁻(aq).
Analyse de la transformation chimique
a) Espèces présentes avant la transformation (état initial) :
- 🔹 Fer Fe(s) (métal solide)
- 🔹 Ions hydrogène H⁺(aq) (de l’acide chlorhydrique)
- 🔹 Ions chlorure Cl⁻(aq) (de l’acide chlorhydrique)
b) Espèces transformées (réactifs) :
- ❌ Fer Fe(s) : disparaît partiellement (consommé)
- ❌ Ions hydrogène H⁺(aq) : le pH augmente (ils sont consommés)
Apparition de produits :
- ✅ Gaz dihydrogène H₂(g) (effervescence)
- ✅ Ions fer II Fe²⁺(aq) (coloration verte de la solution)
c) Espèces n’ayant pas participé (ions spectateurs) :
- 🔸 Ions chlorure Cl⁻(aq) : présents avant et après la réaction.
d) Est-ce une transformation chimique ?
✅ Oui, car au moins un produit apparaît (H₂) et au moins un réactif disparaît (Fe).
e) Équation chimique :
\( \text{Fe}_{(s)} + 2\text{H}^+_{(aq)} \rightarrow \text{Fe}^{2+}_{(aq)} + \text{H}_2{(g)} \)
- 1 atome de Fe (réactif) → 1 ion Fe²⁺ (produit)
- 2 ions H⁺ (réactifs) → 1 molécule H₂ (produit)
La réaction chimique & tableau d’avancement
Définition de la réaction chimique
La réaction chimique est un modèle descriptif de la transformation chimique qui se réfère uniquement aux réactifs, aux produits et à leurs proportions. Elle est exprimée par une écriture symbolique appelée équation chimique.
Lois de conservation
- 🔹 Conservation des éléments chimiques : les atomes présents dans les réactifs se retrouvent dans les produits.
- 🔹 Conservation de la charge électrique : la somme des charges des réactifs est égale à celle des produits.
- 🔹 Conservation du nombre d’entités : le nombre d’atomes de chaque élément est conservé.
- 🔹 Conservation de la masse : la masse des réactifs est égale à la masse des produits.
Avancement \( x \)
Pour une réaction générale : \( \alpha A + \beta B \rightarrow \gamma C + \delta D \)
Les variations des quantités de matière sont proportionnelles à une grandeur appelée l’avancement de la réaction \( x \) (exprimé en mol).
- \( n(A) = n_i(A) – \alpha x \) (réactif A consommé)
- \( n(B) = n_i(B) – \beta x \) (réactif B consommé)
- \( n(C) = \gamma x \) (produit C formé)
- \( n(D) = \delta x \) (produit D formé)
Tableau d’avancement
| État | \( x \) | \( A \) | \( B \) | \( C \) | \( D \) |
|---|---|---|---|---|---|
| Initial | 0 | \( n_i(A) \) | \( n_i(B) \) | 0 | 0 |
| En cours | \( x \) | \( n_i(A) – \alpha x \) | \( n_i(B) – \beta x \) | \( \gamma x \) | \( \delta x \) |
| Final | \( x_{max} \) | \( n_i(A) – \alpha x_{max} \) | \( n_i(B) – \beta x_{max} \) | \( \gamma x_{max} \) | \( \delta x_{max} \) |
Réactif limitant et avancement maximal
Réactif limitant : le réactif qui disparaît complètement à l’état final (\( n_f = 0 \)).
Avancement maximal \( x_{max} \) : la plus petite valeur de \( x \) pour laquelle un réactif s’annule.
Détermination : on calcule \( x_{max} \) pour chaque réactif (en supposant qu’il est limitant), puis on prend la plus petite valeur.
Mélange stœchiométrique
Le mélange est stœchiométrique si les quantités initiales des réactifs sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques :
\( \dfrac{n_i(A)}{\alpha} = \dfrac{n_i(B)}{\beta} \)
Dans ce cas, tous les réactifs sont complètement consommés à l’état final.
Application numérique
On introduit une masse 𝒎 = 𝟎, 𝟐 𝒈 de fine grenaille de zinc 𝒁𝒏 dans un tube à essai et un volume 𝑽 = 𝟏𝟎 𝒎𝒍 d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration \( C = 2 \, mol \cdot L^{-1} \) , puis on le fermer immédiatement.
On mesure le volume de dihydrogène dégagé lors de cette réaction. A la fin de la réaction, on trouve que le volume final du gaz dihydrogène dégagé \( V_f = 74 \, mL \) .
Données :
• Masse de zinc : \( m = 0,2 \, g \)
• Volume d’acide chlorhydrique : \( V = 10 \, mL \)
• Concentration de l’acide : \( C = 2 \, mol \cdot L^{-1} \)
• Volume molaire : \( V_M = 24 \, L \cdot mol^{-1} \)
• Masse molaire du zinc : \( M(Zn) = 65,4 \, g \cdot mol^{-1} \)
a) Quantités initiales des réactifs :
\( n_i(Zn) = \dfrac{m}{M(Zn)} = \dfrac{0,2}{65,4} = 3,0 \times 10^{-3} \, mol = 3 \, mmol \)
\( n_i(H^+) = C \times V = 2 \times 10 \times 10^{-3} = 2,0 \times 10^{-2} \, mol = 20 \, mmol \)
b) Équation de réaction et tableau d’avancement :
\( \text{Zn}_{(s)} + 2\text{H}^+_{(aq)} \rightarrow \text{Zn}^{2+}_{(aq)} + \text{H}_2{(g)} \)
| État | \( x \) (mmol) | Zn | H⁺ | Zn²⁺ | H₂ |
|---|---|---|---|---|---|
| Initial | 0 | 3 | 20 | 0 | 0 |
| En cours | \( x \) | \( 3 – x \) | \( 20 – 2x \) | \( x \) | \( x \) |
| Final | \( x_{max} \) | \( 3 – x_{max} \) | \( 20 – 2x_{max} \) | \( x_{max} \) | \( x_{max} \) |
c) Réactif limitant et avancement maximal :
• Si Zn est limitant : \( 3 – x_{max} = 0 \) → \( x_{max} = 3 \, mmol \)
• Si H⁺ est limitant : \( 20 – 2x_{max} = 0 \) → \( x_{max} = 10 \, mmol \)
✅ Zn est le réactif limitant et \( x_{max} = 3 \, mmol \).
d) Volume de H₂ attendu :
\( V_f(H_2) = n_f(H_2) \times V_M = 3 \times 10^{-3} \times 24 = 72 \, mL \)
Comparaison : Valeur attendue \( 72 \, mL \) ≈ valeur expérimentale \( 74 \, mL \) → accord satisfaisant.
📌 Synthèse – Transformation chimique
• Réactifs : espèces qui disparaissent (ex: Fe, H⁺).
• Produits : espèces qui apparaissent (ex: Fe²⁺, H₂).
• Ions spectateurs : ne participent pas à la réaction (ex: Cl⁻).
• Équation chimique : \( \text{Fe} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2 \).
• Avancement \( x \) : suit la stœchiométrie de la réaction.
• Réactif limitant : détermine \( x_{max} \) et le bilan de matière.
Le tableau d’avancement est un outil essentiel pour prévoir les quantités de matière.
Suivi d’une transformation chimique – Cours