Chapitre 5 − Évolution d’un système chimique

prérequis

réactifs / produits / espèces specatrices
masse et réaction chimique

0. Rappels

Qu’est-ce qu’un réactif ?|une espèce consommée pendant la réaction

Qu’est-ce qu’un produit ?|une espèce produite par la réaction

Qu’est-ce qu’une espèce spectatrice ?|une espèce non affectée par la réaction

Que dire de la masse totale lors d’une réaction chimique ?|Elle se conserve.

1. Réaction chimique

Exemple :

avant	après	évolution
		diiode : \(n_{\mathrm{I_2}}\) \(\searrow\) ions tétrathionate : \(n_{\mathrm{S_4O_6^{2−}}}\) \(\nearrow\) eau : \(n_{\mathrm{H_2O}}\) \(\rightarrow\) ions iodure : \(n_{\mathrm{I^−}}\) \(\nearrow\) ions thiosulfate : \(n_{\mathrm{S_2O_3^{2−}}}\) \(\searrow\)

On modélise cette transformation par une réaction chimique ne faisant intervenir que les espèces dont la quantité de matière varie :

Faire écrire l’équation de la RC (avec les états d’agrégation)

\[\mathrm{I_2 (aq) + 2S_2O_3^{2-} (aq) \rightarrow 2I^- (aq) + S_4O_6^{2−} (aq)}\]

L’équation chimique permet de rendre compte d’une réaction chimique en plaçant :

à gauche les espèces dont la quantité de matière diminue : les réactifs ;
une flèche orientée vers la droite ;
à droite les espèces dont la quantité de matière augmente : les produits ;
les espèces spectatrices ne sont pas représentées.

Pour qu’une équation soit correcte, elle doit respecter la conservation des éléments chimiques et la conservation de la charge.

2. Avancement d’une réaction

L’avancement \(x\) d’une réaction chimique est une quantité de matière égale au nombre de fois que la réaction se produit, Il s’exprime en mol.

Au début d’un réaction l’avancement est nul et il ne fait qu’augmenter jusqu’à sa valeur finale notée x_f.

\[\mathrm{I_2 (aq) + 2S_2O_3^{2-} (aq) \rightarrow 2I^- (aq) + S_4O_6^{2−} (aq)}\]

Au cours de la réaction, 1 mol de I₂ réagit avec 2 mol d’ions S₂O₃²⁻ pour donner 2 mol d’ions I⁻ et 1 mol d’ions S₄O₆²⁻.

Les réactifs réagissant toujours dans les mêmes proportions, on peut écrire, plus généralement, que x mol de I₂ réagit avec 2x mol d’ions S₂O₃²⁻ pour former 2x mol d’ions I⁻ et x mol d’ions S₄O₆²⁻.

3. Tableau d’avancement

(sur poly) :

Remarques :

Une transformation est totale si un des réactifs est totalement consommé lorsque l’avancement final est atteint (réactif limitant). L’avancement final est alors égal à une valeur maximale x_max, nommée avancement maximal et x_f = x_max
Identifier le réactif limitant : \(\frac{n_0(A)}{α} < \frac{n_0(B)}{β}\) : alors A est limitant (et vice-versa).
Cas particulier : \(\frac{n_0(A)}{α} = \frac{n_0(B)}{β}\) est un mélange stœchiométrique. À la fin de la réaction tous les réactifs sont consommés.
Une transformation est limitée ou équilibrée si aucun des réactifs n’a été entièrement consommé alors que la réaction est terminée. x_f< x_max .

Pas d’évolution des quantités ne signifie pas forcement qu’il n’y a plus de réaction. (simulation)
Dans la majorité des cas la quantité de matière des produits est nulle dans l’état initial mais ce n’est pas toujours le cas.
Quand un réactif est indiqué en excès on ne complète pas la colonne correspondance et on la barre ou on écrit excès.
Quand un solvant intervient en tant que réactif ou produit on ne complète pas la colonne correspondante, on la barre ou on écrit excès.

Application

On mélange \(n_1=3,0×10^{-2} \text{ mol}\) de dioxyde de soufre \(\ce{SO2}\) en phase gazeuse avec \(n_2=4,0×10^{-2} \text{ mol}\) de sulfure d’hydrogène \(\mathrm{H_2S}\) également en phase gazeuse. Du soufre solide et de la vapeur d’eau se forment.

Écrire l’équation de réaction ajustée en indiquant les états des réactifs et des produits.
Déterminer le réactif limitant de la réaction.
Dresser le tableau d’avancement de le réaction.
En déduire l’avancement de cette réaction et déterminer la composition finale du système.

	\[\ce{SO2 (g)}\]	\[\ce{2H2S (g)}\]	\[\ce{->}\]		\[\ce{3S (s)}\]	\[\ce{2H2O (\ell)}\]
É. initial	\(n_1=3,0·10^{-2}\)	\(n_2=4,0·10^{-2}\)		0		0
É. intermédiaire	\(3,0·10^{-2} - x\)	\(4,0·10^{-2}-2x\)		\(3x\)		\(2x\)
É. final \(x_{\text{max}} = 2,0·10^{-2}\)	\(1,0·10^{-2}\)	0		\(6,0·10^{-2}\)		\(4,0·10^{-2}\)

Sur le graphique suivant, associer chaque courbe à une espèce chimique.
Dire comment on aurait pu détérminer :
1. le réactif limitant
2. les coefficients stœchiométriques des réactifs et produits.
3. la composition finale
4. l’avancement maximal