Calcul de Stœchiométrie : Réactions Chimiques et Proportions
Comprendre la Stœchiométrie
La stœchiométrie est une branche de la chimie qui étudie les relations quantitatives entre les réactifs et les produits lors d'une réaction chimique. Elle nous permet de prédire les quantités de substances consommées ou produites. Pour cela, il est essentiel de savoir équilibrer les équations chimiques et d'utiliser le concept de mole, ainsi que les masses molaires. Cet exercice vous aidera à maîtriser ces calculs fondamentaux.
Données de l'étude
Réaction entre le fer et le soufre.
Questions à traiter
- Vérifier si l'équation de la réaction \(\text{Fe (s)} + \text{S (s)} \rightarrow \text{FeS (s)}\) est équilibrée. Justifier.
- Calculer la masse molaire moléculaire du sulfure de fer(II) (\(\text{FeS}\)).
- On souhaite faire réagir complètement une masse \(m(\text{Fe}) = 11,2 \, \text{g}\) de fer.
- Calculer la quantité de matière de fer (en moles) correspondante. Notée \(n(\text{Fe})\).
- En utilisant l'équation équilibrée, déterminer la quantité de matière de soufre (\(n(\text{S})\)) nécessaire pour réagir avec cette quantité de fer.
- Calculer la masse de soufre (\(m(\text{S})\)) correspondante.
- Quelle masse de sulfure de fer(II) (\(m(\text{FeS})\)) sera alors produite lors de cette réaction complète ?
- Si on mélange \(2,8 \, \text{g}\) de fer avec \(2,0 \, \text{g}\) de soufre. L'un des réactifs est-il en excès ? Si oui, lequel et quelle masse de ce réactif restera-t-il après la réaction ? (Question plus avancée)
Correction : Calcul de Stœchiométrie
Question 1 : Équilibrage de l'équation
Principe :
Une équation chimique est équilibrée lorsque le nombre d'atomes de chaque élément est le même du côté des réactifs (à gauche de la flèche) et du côté des produits (à droite de la flèche). C'est la loi de conservation de la masse (et des éléments).
Vérification : \(\text{Fe (s)} + \text{S (s)} \rightarrow \text{FeS (s)}\)
Tous les éléments sont présents en même quantité de chaque côté de la flèche.
Question 2 : Calcul de la Masse Molaire de FeS
Principe :
La masse molaire moléculaire d'un composé est la somme des masses molaires atomiques de tous les atomes présents dans sa formule chimique.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
Calcul :
Question 3.a : Quantité de matière de Fer (\(n(\text{Fe})\))
Principe :
La quantité de matière (nombre de moles, \(n\)) d'un échantillon est obtenue en divisant sa masse (\(m\)) par sa masse molaire (\(M\)).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
Calcul :
On peut arrondir à \(0,20 \, \text{mol}\) ou \(0,201 \, \text{mol}\) pour la suite des calculs, en fonction de la précision souhaitée.
Question 3.b : Quantité de matière de Soufre (\(n(\text{S})\)) nécessaire
Principe :
L'équation chimique équilibrée \(\text{Fe} + \text{S} \rightarrow \text{FeS}\) indique que 1 mole de fer réagit avec 1 mole de soufre pour former 1 mole de sulfure de fer. Les proportions sont donc de 1:1 entre Fe et S.
Relation stœchiométrique :
D'après l'équation, \(\frac{n(\text{Fe})}{1} = \frac{n(\text{S})}{1}\). Donc \(n(\text{S}) = n(\text{Fe})\).
Calcul :
Question 3.c : Masse de Soufre (\(m(\text{S})\)) correspondante
Principe :
Pour trouver la masse à partir de la quantité de matière, on utilise la formule \(m = n \times M\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
Calcul :
Arrondi à \(6,45 \, \text{g}\) ou \(6,5 \, \text{g}\) en fonction des chiffres significatifs.
Quiz Intermédiaire 1 : Si la masse molaire d'une substance X est \(M_X\), et que vous avez \(n_X\) moles de X, quelle formule utilisez-vous pour trouver la masse \(m_X\) ?
Question 4 : Masse de Sulfure de Fer(II) (\(m(\text{FeS})\)) produite
Principe :
Selon l'équation \(\text{Fe} + \text{S} \rightarrow \text{FeS}\), 1 mole de fer réagit pour former 1 mole de sulfure de fer(II). Donc, la quantité de matière de FeS produite sera égale à la quantité de matière de fer (ou de soufre, puisqu'ils réagissent en proportions 1:1 et qu'on suppose une réaction complète avec la quantité calculée de soufre).
Relation stœchiométrique et calcul de \(n(\text{FeS})\) :
\(n(\text{FeS}) = n(\text{Fe}) \approx 0,201 \, \text{mol}\).
Calcul de la masse \(m(\text{FeS})\) :
Arrondi à \(17,7 \, \text{g}\). Alternativement, par conservation de la masse : \(m(\text{FeS}) = m(\text{Fe}) + m(\text{S}) = 11,2 \, \text{g} + 6,45 \, \text{g} = 17,65 \, \text{g}\). Les petites différences sont dues aux arrondis.
Question 5 : Réactifs en excès (Question avancée)
Principe :
Lorsque les réactifs ne sont pas mélangés dans les proportions stœchiométriques exactes, l'un d'eux sera entièrement consommé avant l'autre. Celui qui est entièrement consommé est appelé le réactif limitant, et celui qui reste est le réactif en excès. Pour déterminer cela, on calcule combien de l'un est nécessaire pour réagir avec la totalité de l'autre, ou on compare les rapports (quantité de matière / coefficient stœchiométrique).
Données initiales :
Calcul des quantités de matière initiales :
Détermination du réactif limitant :
L'équation est \(\text{Fe} + \text{S} \rightarrow \text{FeS}\). Les coefficients stœchiométriques sont 1 pour Fe et 1 pour S.
Si tout le fer réagit (\(0,05018 \, \text{mol}\)), il faudrait \(0,05018 \, \text{mol}\) de soufre.
Nous avons \(0,06230 \, \text{mol}\) de soufre, ce qui est supérieur à \(0,05018 \, \text{mol}\). Donc, le soufre est en excès et le fer est le réactif limitant.
Calcul de la masse de soufre restante :
Quantité de soufre qui réagit : \(n(\text{S})_{\text{réagit}} = n(\text{Fe})_{\text{initial}} \approx 0,05018 \, \text{mol}\).
Quantité de soufre restante :
Masse de soufre restante :
Arrondi à \(0,39 \, \text{g}\).
Quiz Intermédiaire 2 : Dans une réaction, le réactif limitant est celui qui :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Qu'est-ce que la masse molaire d'un atome ?
2. L'équation : \(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\) signifie que :
3. Si la masse molaire du Carbone (C) est \(12 \, \text{g/mol}\), combien de moles y a-t-il dans \(24 \, \text{g}\) de Carbone ?
Glossaire
- Stœchiométrie
- Étude des relations quantitatives (en masse ou en moles) entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique.
- Équation Chimique Équilibrée
- Représentation d'une réaction chimique où le nombre d'atomes de chaque élément est conservé entre les réactifs et les produits. Les coefficients stœchiométriques indiquent les proportions molaires.
- Mole (mol)
- Unité de quantité de matière. Une mole contient environ \(6,022 \times 10^{23}\) entités (atomes, molécules, ions, etc.). Ce nombre est appelé constante d'Avogadro.
- Masse Molaire Atomique (\(M\))
- Masse d'une mole d'atomes d'un élément chimique, généralement exprimée en grammes par mole (g/mol). Elle est numériquement proche du nombre de masse \(A\) de l'isotope le plus courant.
- Masse Molaire Moléculaire (\(M\))
- Masse d'une mole de molécules d'un composé chimique. Elle est calculée en additionnant les masses molaires atomiques de tous les atomes présents dans la formule de la molécule.
- Réactif
- Substance consommée au cours d'une réaction chimique.
- Produit
- Substance formée au cours d'une réaction chimique.
- Coefficient Stœchiométrique
- Nombre placé devant la formule d'une espèce chimique dans une équation équilibrée, indiquant la proportion en moles de cette espèce dans la réaction.
- Réactif Limitant
- Réactif qui est entièrement consommé en premier lors d'une réaction chimique, déterminant ainsi la quantité maximale de produit qui peut être formée.
- Réactif en Excès
- Réactif qui n'est pas entièrement consommé à la fin d'une réaction chimique, car le réactif limitant a été épuisé avant lui.
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