Chapitres
Définition
Une réaction chimique entre deux réactifs se produit toujours dans des proportions et des quantités bien déterminées. Il est donc important de savoir quelle sont ces proportions. Par exemple, dans l'industrie, il est important de connaître ces proportions car sinon elle gâchera une partie des réactifs nécessaires à la réaction. C'est dans cette optique que l'on se doit d'équilibrer l'équation bilan d'une réaction chimique. Pour ce faire, il faut procéder avec méthode et suivre les étapes suivantes. Nous prenons comme exemple la combustion du méthane dans le dioxygène.
Déroulement d'une réaction
- 1ère étape : on réalise d'abord l'expérience puis on identifie les produits formés (dans notre cas,le dioxyde de carbone et de l'eau) ; on note les réactifs (ce que l'on a avant la réaction) et les produits formés (après la réaction). Pour notre exemple cela donne :
- Réactifs: méthane, dioxygène
- Produits: dioxyde de carbone, eau
- Réactifs: méthane, dioxygène
- 2ème étape : on écrit alors en toutes lettres le bilan de la réaction :
- Avant la flèche c'est à dire avant la réaction on écrit les réactifs.
- Après la flèche c'est à dire après la réaction on écrit les produits
- 3ème étape : on remplace alors les noms des réactifs et des produits par leur formule chimique correspondante:
- 4ème étape : il faut donc trouver les nombres de molécules qui permettront d'avoir le même nombre de chaque type d'atomes avant et après la réaction : on va équilibrer en atomes l'équation bilan de la réaction chimique. Pour cela, repartons donc de l'équation bilan de départ. On constate que le nombre de chaque type d'atomes n'est pas le même avant et après la réaction: on dit que l'équation bilan n'est pas équilibrée en atomes.
Cela signifie, dans la réalité, que ce n'est pas une molécule de méthane qui réagit avec une molécule de dioxygène pour former une molécule de dioxyde de carbone et une molécule d'eau mais d'autres quantités de molécules qui réagissent pour former d'autres quantités de molécules.
Équilibrer une équation bilan
En général cela commence ainsi : on réalise l'expérience (ici la combustion du méthane) puis on identifie les produits formés (ici le dioxyde de carbone et de l'eau) et on note les réactifs (ce que l'on a avant la réaction) et les produits formés (après la réaction). Ce qui donne ceci dans notre exemple:
- Réactifs : méthane, dioxygène
- Produits : dioxyde de carbone, eau
Puis on écrit le bilan de la réaction :
- Avant la flèche c'est à dire avant la réaction on écrit les réactifs.
- Après la flèche c'est à dire après la réaction on écrit les produits.
Dans notre exemple cela donnera ceci: le + avant la flèche signifie "réagit avec" et la flèche signifie "pour former"
[ text { methane } + text { dioxygene } \rightarrow text { dioxyde de carbone } + text { eau } ]
Le nombre de chaque sorte d'atomes n'est donc pas le même avant et après la réaction : on dit que l'équation bilan n'est pas équilibrée en atomes.
Cela signifie, en fait, que dans la réalité ce n'est pas une molécule de méthane qui réagit avec une molécule de dioxygène pour former une molécule de dioxyde de carbone et une molécule d'eau mais d'autres quantités de molécules qui réagissent pour donner d'autres quantités de molécules qui se forment. Il faut donc trouver les nombres de molécules qui permettront d'avoir le même nombre de chaque sorte d'atomes avant et après la réaction : repartons donc de l'équation bilan de départ
Le nombre d'atomes de carbone est pour l'instant le même avant et après la réaction ; il n'y a donc rien à équilibrer !
Cependant le nombre d'atomes d'hydrogène n'est pas le même avant et après la réaction (on commence par les atomes d'hydrogène plutôt que les atomes d'oxygène car les atomes d'hydrogène ne sont présents que dans 2 molécules sur 4 alors que les atomes d'oxygène sont présents dans 3 molécules sur 4) : 4 atomes d'hydrogène avant et 2 seulement après la réaction.
Pour avoir 4 atomes d'hydrogène après la réaction il suffit donc d'avoir 2 molécules d'eau qui se forment.
Dans notre exemple pour chaque molécule de méthane qui réagit il faut 2 molécules de dioxygène ; celles-ci formeront alors une molécule de dioxyde de carbone et 2 molécules d'eau.
Evidemment dans la réalité il y a beaucoup plus de molécules qui sont concernées (de l'ordre de 1022 à 1024 pour 1 g de matière) mais les proportions restent toujours les mêmes.
Et voilà notre équation bilan maintenant équilibrée en chaque sorte d'atomes : avant et après la réaction on a 1 atome de carbone, 4 atomes d'hydrogène et 4 atomes d'oxygène ; il suffit maintenant de compter le nombre de chaque molécule différente et de placer les coefficients numériques correspondants dans l'équation bilan
Notre équation est donc équilibrée en atomes de carbone et en atomes d'hydrogène mais elle ne l'est pas encore en atomes d'oxygène : on a 2 atomes d'oxygène avant la réaction et 4 après la réaction.
Pour avoir 4 atomes d'oxygène il suffit donc d'avoir 2 molécules de dioxygène au départ
Ce qu'il faut absolument retenir
L'équation d'une réaction est l'écriture symbolique d'une réaction chimique. Elle comporte :
- Une flèche qui indique le sens de la transformation,
- A gauche de la flèche, les symboles des réactifs séparés par des signes +,
- A droite de la flèche, les symboles des produits de la transformation séparés par des signes +.
- Des nombres stœchiométriques, placés devant chaque symbole, choisis de telle façon que la loi de conservation des éléments soit satisfaite. On dit qu'on ajuste les nombres stœchiométriques.
Remarques
- Le nombre stœchiométrique 1 n'est jamais écrit.
- Si la transformation met en jeu des ions, l'ajustement des nombres stœchiométriques doit aussi réaliser la conservation de la charge électrique.
Exemple
[ H _ { 2 left( g right) } + \frac { 1 } { 2 } O _ { 2 left( g right) } \rightarrow H _ { 2 } O _ { left( l right) } ]
ou [ 2 H _ { 2 left( g right) } + O _ { 2 left( g right) } \rightarrow H _ { 2 } O _ { left( l right) } ]
[ CuCl_ { 2 left( s right) } \rightarrow Cu ^ { 2 + } _ { left( aq right) } + 2 Cl ^ { - } _ { left( aq right) }
Équation et quantité de matière
Les nombres stœchiométriques indiquent dans quelles proportions les quantités de matières des réactifs réagissent et ce quelques soient les quantités de matières des réactifs mis en présence. Par exemple l'équation de la réaction de formation de l'eau donnée en 3 indique que :
si x mol de O2 disparaissent alors 2x mol de H2 disparaissent aussi et il se forme 2x mol de H2O.
L'équation bilan retranscrit une transformation chimique
Exemple
Le dihydrogène peut réagir de façon explosive avec le dioxygène pour donner de l'eau. Nous supposerons qu'il reste du dioxygène à la fin de la transformation.
Système et transformation chimique
Le système chimique est constitué par l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse.
L'état d'un système chimique est caractérisé par :
- Les grandeurs physiques P (pression du ou des gaz) et T (température),
- L'état physique, liquide (l), solide (s), gazeux (g) et aqueux (aq) des espèces présentes,
- Les quantités de matière des espèces présentes.
La transformation chimique est le passage du système de l'état initial à l'état final (voir ci-contre).
Le réactif limitant (ou réactif en défaut) est le réactif totalement consommé par la réaction. Il n'en reste plus à la fin de la réaction. C'est le cas du dihydrogène ici.
Avancement et bilan de matière
Avancement de la réaction chimique
Considérons la réaction chimique dont l'équation est : aA + bB 
cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stœchiométriques.
Les notations généralement utilisées sont résumées ci-dessous :
- x : avancement de la réaction ;
- n(A)0 : quantité de matière initiale de A ;
- n(A) : quantité de matière de A à la date t ;
- n(A)f : quantité de matière finale de A.
Il en est de même pour les autres espèces.
L'avancement final est un avancement qui est réellement observé, atteint. Mais l'avancement maximal correspond également à l'avancement atteint lorsqu'un réactif est entièrement consommé (avancement théorique observable).
En reprenant l'exemple précédent, x est appelé avancement de la réaction à la date t. Ce nombre permet de suivre l'évolution de la transformation et donc de caractériser le système à un moment donné.
L'avancement maximal xmax s'obtient en écrivant que les quantités de matières des réactifs sont toujours positives ou nulles.
Nous supposerons, cette année qu'une réaction s'arrête lorsqu'un des réactifs a été totalement consommé. Ce réactif est appelé réactif limitant. Il est tel que sa quantité de matière est nulle (il n'en reste plus) lorsque x = xmax, c'est-à-dire lorsque l'avancement est maximal.
Dans certains cas tous les réactifs sont totalement consommés. On dit alors qu'ils ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.
Le taux d'avancement τ
[ tau = \frac { x _ { f } } { x _ { text { max } } } ]
- Si τ ≤ 1 => si τ = 1 xf = xmax alors on est en présence d'une réaction totale
- τ < 1 , xf ≠ xmax alors on est en présence d'une réaction partielle qui s'arrête lorsqu'elle atteint l'équilibre chimique.
Relation entre l'avancement et la concentration molaire volumique
Si on ne prend en compte que le cas particulier d'une réaction ayant lieu en solution aqueuse telle que le volume V de la solution soit constant, alors on peut utiliser l'expression suivante :
[ [X] = \frac {n(X)} {V} ]
Avec :
- [X] représentant la concentration molaire (en mol.L-1) ;
- n(X) représentant la quantité de matière de l'espèce X en solution (en mol) ;
- V représentant le volume de la solution (en L).
D'après ce qui précède, en divisant tous les termes de la relation de définition de l'avancement par V :
[frac {x} {V} = \frac { [A] _ {0} - [A] } {a} = \frac { [ B ] _ { 0 } - [B] } {b} = \frac {[C]} {c} =frac {[D]} {d} ]
Chimie et vitesse volumique de réaction
Définition
On peut définir la vitesse volumique de réaction avec l'aide de l'expression suivante :
[ v = \frac {ab} {cd} \frac { text {d} x } { text {d} t} ]
Avec :
- v représentant la vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
- V représentant le volume de la solution (en m3) ;
- dx représentant la variation de l'avancement (en mol) ;
- dt représentant la durée de la variation (en s).
Remarques :
- Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
- Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
- Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.
L'équilibre d'une réaction acido-basique
Rappels sur le pH
Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l'activité chimique de ce qu'on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l'ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium.
Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l'acidité ou encore la basicité de la solution. On peut alors la déterminer avec l'échelle suivant dans le cas d'un milieu aqueux à 25°C :
- une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
- une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
- une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.
Mais la définition que nous connaissons aujourd'hui du pH, définition de Sorensen, n'a été officiellement reconnue qu'à partir du milieu du XXe siècle par l'UICPA.
L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologies des éléments chimiques et leurs dérivés via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.
Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaires et s'énonce ainsi :
[ pH = - log left( a _ { text { H } } right) ]
Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l'activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH.
Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d'obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l'activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l'influence du solvant ou encore de la température.
Il reste cependant possible d'obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l'activité.
Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.
Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.
Remarque
Le p de pH représente la fonction "- log" donc ici - log (H). Donc si on parle de pOH ou de pKa, cela signifie que l'on parle de - log (OH) et de - log (Ka).
Nouvelle définition du pH
Aujourd'hui, une autre définition du pH a été donnée par l'UICPA. Cette définition, déterminée grâce à une méthode électrochimique expérimentale, consiste à utiliser la relation de Nernst dans une cellule électrochimique définie comme qui suit :
Électrode de référence | Solution de KCl concentré | Solution X | H2 | Pt (électrode à hydrogène)
Ainsi, via des mesures de ce qu'on appelle force électromotrice, également notée fem ou f.e.m., de la cellule avec une solution de référence notée S, on peut obtenir la relation suivante : [ pH left( H right) = pH left( S right) + \frac { left( E _ { S } - E _ { X } right) times F } { R times T times ln left( 10 right) } ]
Avec :
- pH(X) représentant le pH de la solution inconnue ;
- pH(S) représentant le pH tabulé de la solution de référence S ;
- EX représentant la f.e.m. de la cellule avec la solution inconnue X ;
- ES représentant la f.e.m. de la cellule avec la solution de référence S à la place de la solution X,
- F = 96 485 C mol−1 représentant la constante de Faraday,
- R = 8,314 472 J mol−1 représentant la constante universelle des gaz parfaits,
- Et T représentant la température absolue, en kelvins.
Constantes d'équilibre : Ka et pKa
Le Ka correspond à la constante d'acidité, encore appelée constante de dissociation acide. Elle permet la mesure quantitative de la force d'un acide en solution. En effet, cette constante permet également de connaître l'équilibre d'une espèce acide dans le cadre d'une réaction acido-basique. De cette façon, plus le Ka est élevée, plus la dissociation des molécules en solution est grande. On peut alors dire que la force d'un acide est proportionnelle au Ka.
En chimie, une constante d'acidité ou constante de dissociation acide, Ka, est une mesure quantitative de la force d'un acide en solution. C'est la constante d'équilibre de la réaction de dissociation d'une espèce acide dans le cadre des réactions acido-basiques. Plus cette constante Ka est élevée, plus la dissociation des molécules en solution est grande, et donc plus fort est l'acide.
Soit :
[ AH + B rightleftarrows A ^ { - } + BH ^ { + } ]
Avec :
- Couple AH/A-
- Couple BH+/B
On considère alors que AH correspond à un acide générique qui va, en se dissociant, donner l'acide A- qui est sa base conjuguée, ainsi qu'un ion hydrogène H+ que l'on appelle également proton. Si la réaction se déroule dans un milieu aqueux, ce proton devient un proton solvaté H3O+.
On considère alors que les espèces chimiques AH, A- et H+ sont en équilibre si leur concentration ne varie pas en fonction du temps. On peut alors écrire la constante d'équilibre sous la forme de quotient de concentrations des différentes espèces à l'équilibre (en mol/L), notées [AH], [A-] et [H+]. On obtient donc :
[ K _ { a } = \frac { left[ A ^ + right] times left[ H ^ - right] } { left[ AH right] } ]
Pour obtenir le pKa, tout comme le p de pH, le p de pKa représente la fonction "- log" donc ici - log (Ka). Donc si on parle de pOH ou de pKa, cela signifie que l'on parle de - log (OH) et de - log (Ka). On a donc :
[ text { p}K _ { a } = log left( 10 right) times K _ { a } ]
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