La réaction chimique

Remarque préalable:
Il est difficile, à notre niveau, de traiter ce chapitre de façon
uniquement théorique et abstraite. Le parti pris ici est de développer
les connaissances à partir d'un exemple. Il appartient à chacun
d'assimiler les notions présentées à partir de cet exemple
de façon à pouvoir les utiliser dans d'autres cas.
I. Les transformations chimiques.



1. 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.

2. 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.
  

On prendra l'habitude de représenter l'état
d'un système comme il est indiqué ci-contre:

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.

I. La réaction chimique et son équation.



1. La réaction chimique.

La réaction chimique modélise la transformation
chimique subie par un système.

2. L'équation (ou équation-bilan)
d'une réaction.

a. 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 stoechiométriques, placés
  devant chaque symbole, choisis de telle façon
  que la loi de conservation des éléments soit satisfaite. On
  dit qu'on ajuste les nombres stoechiométriques.
  

b. Remarques:

• Le nombre stoechiométrique 1 n'est jamais écrit.
  
• Si la transformation met en jeu des ions, l'ajustement
  des nombres stoechiométriques doit aussi réaliser la conservation
  de la charge électrique.
  

c. Exemple:



d. Équation et quantité de matière:

Les nombres stoechiométriques 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.

III. Avancement et bilan de matière.



1. Avancement de la réaction.

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 x_max 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=x_max, 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 stoechiométriques.

2. Bilan de matière.

Rappelons que les quantités de matières
peuvent être déterminées à partir des masses ou des
volumes (plus particulièrement pour les gaz) en utilisant les relations
suivantes déjà rencontrées:

Supposons que l'on réalise une réaction
chimique en mettant en présence 0,2 mol de dioxygène et 0,2 mol
de dihydrogène. Dressons un bilan complet de matière.

Ce bilan est, en général, présenté
sous forme de tableau que l'on construit progressivement.


A ce stade de l'étude, le tableau n'est pas complet car
x_max n'est pas connu et reste à déterminer. Il est
possible de déterminer x_max de deux manières différentes:

a. Méthode des quantités de matières toujours
positives ou nulles.

n(H2)t = 0,2-2x 0	=>	2x 0,2
	=>	x 0,1
n(O2)t = 0,2-x	=>	x 0,2

Les deux dernières inégalités sur x sont
satisfaites pour x 0,1. On retiendra donc la valeur x_max=0,1 mol. Il
devient alors possible de compléter la dernière ligne du tableau
précédent.


Le dihydrogène est totalement consommé il apparaît
comme le réactif limitant.

b. Méthode graphique.

On trace dans le même repère les droites d'équations:

n(H₂)_t=0,2-2x
et n(O₂)_t=0,2-x.

Lorsque x croît, c'est-à-dire lorsque la réaction
évolue, sa valeur maximale x_max est atteinte lorsque la droite
n(H₂)_t=0,2-2x coupe l'axe des abscisses. On a alors x_max=0,1
mol.

D'une façon plus générale, x_max
s'obtient en considérant les intersections des droites du graphique avec
l'axe des abscisses et en choisissant celle qui a l'abscisse la plus petite.

MERCI