Réaction entre l’Acide Chlorhydrique et le Carbonate de Calcium
Étudier la réaction entre l'acide chlorhydrique et le carbonate de calcium, identifier le réactif limitant, et calculer les quantités de produits formés.
La réaction entre un acide et un carbonate est une réaction chimique courante qui produit un sel, de l'eau et du dioxyde de carbone gazeux. Le carbonate de calcium (\(CaCO_3\)), principal constituant du calcaire et de la craie, réagit vivement avec l'acide chlorhydrique (\(HCl\)).
L'équation générale de la réaction est :
Cette réaction est souvent utilisée pour produire du dioxyde de carbone en laboratoire ou pour illustrer les concepts de stœchiométrie et de réactif limitant.
La quantité de matière (\(n\)) d'un solide de masse (\(m\)) et de masse molaire (\(M\)) est \(n = m/M\).
La quantité de matière (\(n\)) d'une espèce en solution de concentration molaire (\(C\)) et de volume (\(V\)) est \(n = C \cdot V\).
Le volume d'un gaz (\(V_{gaz}\)) est lié à sa quantité de matière (\(n_{gaz}\)) par le volume molaire (\(V_m\)) dans les conditions de l'expérience : \(V_{gaz} = n_{gaz} \cdot V_m\).
Données du Problème
On fait réagir du carbonate de calcium solide avec une solution d'acide chlorhydrique.
- Masse de carbonate de calcium utilisée : \(m_{CaCO_3} = 5.00 \text{ g}\)
- Volume de la solution d'acide chlorhydrique : \(V_{HCl} = 100 \text{ mL}\)
- Concentration molaire de la solution d'acide chlorhydrique : \(C_{HCl} = 0.50 \text{ mol/L}\)
- Volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience : \(V_m = 24.0 \text{ L/mol}\)
Masses molaires atomiques :
- Calcium (Ca) : \(M(Ca) = 40.1 \text{ g/mol}\)
- Carbone (C) : \(M(C) = 12.0 \text{ g/mol}\)
- Oxygène (O) : \(M(O) = 16.0 \text{ g/mol}\)
- Hydrogène (H) : \(M(H) = 1.0 \text{ g/mol}\)
- Chlore (Cl) : \(M(Cl) = 35.5 \text{ g/mol}\)
Questions
- Calculer la masse molaire du carbonate de calcium (\(CaCO_3\)).
- Calculer la quantité de matière initiale de carbonate de calcium (\(n_{CaCO_3,i}\)).
- Calculer la quantité de matière initiale d'acide chlorhydrique (\(n_{HCl,i}\)). (Attention au volume).
- Construire le tableau d'avancement de la réaction.
- Déterminer le réactif limitant et l'avancement maximal (\(x_{max}\)).
- Calculer la quantité de matière de dioxyde de carbone (\(n_{CO_2,f}\)) formée à l'état final.
- En déduire le volume de dioxyde de carbone (\(V_{CO_2,f}\)) dégagé dans les conditions de l'expérience.
- Calculer la masse de chlorure de calcium (\(CaCl_2\)) formée. (M(Cl) = 35.5 g/mol).
Correction : Réaction entre l’Acide Chlorhydrique et le Carbonate de Calcium
1. Calcul de la Masse Molaire du Carbonate de Calcium (\(M_{CaCO_3}\))
\(M(CaCO_3) = M(Ca) + M(C) + 3 \times M(O)\).
Données :
- \(M(Ca) = 40.1 \text{ g/mol}\)
- \(M(C) = 12.0 \text{ g/mol}\)
- \(M(O) = 16.0 \text{ g/mol}\)
La masse molaire du carbonate de calcium est \(M(CaCO_3) = 100.1 \text{ g/mol}\).
2. Calcul de la Quantité de Matière Initiale de \(CaCO_3\) (\(n_{CaCO_3,i}\))
On utilise \(n = m/M\).
Données :
- \(m_{CaCO_3} = 5.00 \text{ g}\)
- \(M(CaCO_3) = 100.1 \text{ g/mol}\)
La quantité de matière initiale de carbonate de calcium est \(n_{CaCO_3,i} \approx 0.0500 \text{ mol}\) (arrondi à 3 chiffres significatifs).
3. Calcul de la Quantité de Matière Initiale de \(HCl\) (\(n_{HCl,i}\))
On utilise \(n = C \cdot V\). Le volume doit être en Litres.
Données :
- \(C_{HCl} = 0.50 \text{ mol/L}\)
- \(V_{HCl} = 100 \text{ mL} = 0.100 \text{ L}\)
La quantité de matière initiale d'acide chlorhydrique est \(n_{HCl,i} = 0.050 \text{ mol}\).
Quiz Intermédiaire
4. Tableau d'Avancement de la Réaction
Équation : \(CaCO_3(s) + 2HCl(aq) \longrightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)\). L'eau est le solvant et est en excès.
| Équation | \(CaCO_3\) | + \(2HCl\) | \(\longrightarrow\) | \(CaCl_2\) | + \(H_2O\) | + \(CO_2\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| État Initial (mol) | 0.0500 | 0.050 | 0 | Excès | 0 | |
| En cours (mol) (\(x\)) | \(0.0500 - x\) | \(0.050 - 2x\) | \(x\) | Excès | \(x\) | |
| État Final (mol) (\(x_{max}\)) | \(0.0500 - x_{max}\) | \(0.050 - 2x_{max}\) | \(x_{max}\) | Excès | \(x_{max}\) |
5. Détermination du Réactif Limitant et de \(x_{max}\)
On pose les conditions pour que chaque réactif soit limitant.
Hypothèse 1 : \(CaCO_3\) est limitant.
Hypothèse 2 : \(HCl\) est limitant.
L'avancement maximal \(x_{max}\) est la plus petite des valeurs trouvées.
Le réactif limitant est donc celui qui conduit à cette valeur, soit \(HCl\).
Le réactif limitant est l'acide chlorhydrique (\(HCl\)).
L'avancement maximal est \(x_{max} = 0.025 \text{ mol}\).
Quiz Intermédiaire
6. Quantité de Matière de \(CO_2\) Formée (\(n_{CO_2,f}\))
D'après le tableau d'avancement, \(n_{CO_2,f} = x_{max}\).
La quantité de matière de dioxyde de carbone formée est \(n_{CO_2,f} = 0.025 \text{ mol}\).
7. Volume de Dioxyde de Carbone (\(V_{CO_2,f}\)) Dégagé
On utilise \(V_{gaz} = n_{gaz} \cdot V_m\).
Données :
- \(n_{CO_2,f} = 0.025 \text{ mol}\)
- \(V_m = 24.0 \text{ L/mol}\)
Conversion en mL : \(0.60 \text{ L} = 600 \text{ mL}\).
Le volume de dioxyde de carbone dégagé est \(V_{CO_2,f} = 0.60 \text{ L}\) (ou 600 mL).
8. Masse de Chlorure de Calcium (\(CaCl_2\)) Formée
D'abord, calculer la quantité de matière de \(CaCl_2\) formée : \(n_{CaCl_2,f} = x_{max}\). Ensuite, calculer la masse molaire de \(CaCl_2\). Enfin, calculer la masse \(m = n \cdot M\).
Données :
- \(x_{max} = 0.025 \text{ mol}\)
- \(M(Ca) = 40.1 \text{ g/mol}\)
- \(M(Cl) = 35.5 \text{ g/mol}\)
Quantité de matière de \(CaCl_2\) formée :
Masse molaire de \(CaCl_2\) :
Masse de \(CaCl_2\) formée :
La masse de chlorure de calcium formée est \(m_{CaCl_2} \approx 2.78 \text{ g}\).
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Glossaire des Termes Clés
Acide Chlorhydrique (\(HCl\)) :
Acide fort, solution aqueuse de chlorure d'hydrogène.
Carbonate de Calcium (\(CaCO_3\)) :
Composé ionique solide, principal constituant du calcaire, de la craie, du marbre.
Stœchiométrie :
Étude des proportions quantitatives des réactifs et des produits dans une réaction chimique.
Réactif Limitant :
Réactif qui est entièrement consommé en premier et qui détermine la quantité maximale de produits pouvant être formés.
Avancement Maximal (\(x_{max}\)) :
Valeur de l'avancement de la réaction lorsque le réactif limitant a été totalement consommé.
Quantité de Matière (\(n\)) :
Mesure du nombre d'entités élémentaires (atomes, molécules, ions). Unité : mole (mol).
Masse Molaire (\(M\)) :
Masse d'une mole d'une substance. Unité : g/mol.
Volume Molaire (\(V_m\)) :
Volume occupé par une mole d'un gaz dans des conditions de température et de pression données. Unité : L/mol.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Comment pourrait-on vérifier expérimentalement que le dioxyde de carbone est bien le gaz produit lors de cette réaction ? (Pensez à un test caractéristique).
2. La réaction entre l'acide chlorhydrique et le carbonate de calcium est-elle exothermique ou endothermique ? Comment pourrait-on le déterminer ?
3. Si on utilisait de l'acide sulfurique (\(H_2SO_4\)) à la place de l'acide chlorhydrique, l'équation de la réaction serait-elle la même ? Quels seraient les produits ?
4. Le carbonate de calcium est peu soluble dans l'eau pure. Comment sa solubilité est-elle affectée par la présence d'un acide ?
5. Recherchez l'importance du carbonate de calcium dans la nature (par exemple, formation de grottes, coquilles d'organismes marins) et les problèmes liés à l'acidification des océans.
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