Calcul du Liquide Résiduel Après Réaction
Calculs stœchiométriques pour déterminer les quantités de substances restantes après une réaction chimique, en identifiant notamment le réactif limitant.
En chimie, lorsqu'on mélange des réactifs, ils ne sont pas toujours présents dans les proportions exactes indiquées par l'équation de la réaction. L'un des réactifs sera entièrement consommé avant les autres : c'est le réactif limitant. Il détermine la quantité maximale de produits qui peuvent être formés. Les autres réactifs, présents en plus grande quantité (par rapport aux proportions stœchiométriques), sont dits en excès et il en restera une certaine quantité à la fin de la réaction.
Considérons la réaction de neutralisation entre l'acide chlorhydrique (HCl) et l'hydroxyde de sodium (NaOH) qui produit du chlorure de sodium (NaCl) et de l'eau (H₂O). L'équation équilibrée de la réaction est :
Données du Problème
On mélange les solutions suivantes :
- Volume de solution d'acide chlorhydrique : \(V_{HCl} = 20.0 \text{ mL}\)
- Concentration molaire de la solution d'acide chlorhydrique : \(C_{HCl} = 0.10 \text{ mol/L}\)
- Volume de solution d'hydroxyde de sodium : \(V_{NaOH} = 15.0 \text{ mL}\)
- Concentration molaire de la solution d'hydroxyde de sodium : \(C_{NaOH} = 0.12 \text{ mol/L}\)
On supposera que les volumes sont additifs lors du mélange.
Questions
- Convertir les volumes donnés en Litres (L).
- Calculer la quantité de matière (en moles) initiale de chaque réactif (HCl et NaOH).
- Identifier le réactif limitant en justifiant votre réponse (par exemple, à l'aide d'un tableau d'avancement simplifié ou en comparant les rapports stœchiométriques).
- Calculer la quantité de matière (en moles) de chlorure de sodium (NaCl) formée à la fin de la réaction.
- Calculer la quantité de matière (en moles) du réactif en excès restant à la fin de la réaction.
- Calculer le volume total de la solution après mélange.
- Calculer la concentration molaire finale en chlorure de sodium (NaCl) dans le mélange.
- Calculer la concentration molaire finale du réactif en excès dans le mélange.
Correction : Calcul du Liquide Résiduel Après Réaction
1. Conversion des Volumes
Les concentrations sont en mol/L, il faut donc convertir les volumes en Litres.
\(V_{HCl} = 20.0 \text{ mL}\)
\(V_{NaOH} = 15.0 \text{ mL}\)
\(V_{HCl} = 0.0200 \text{ L}\)
\(V_{NaOH} = 0.0150 \text{ L}\)
2. Calcul des Quantités de Matière Initiales
On utilise la relation \(n = C \times V\), où \(n\) est la quantité de matière en moles, \(C\) la concentration molaire en mol/L et \(V\) le volume en L.
Pour HCl :
Pour NaOH :
\(n_{HCl, initial} = 0.00200 \text{ mol}\)
\(n_{NaOH, initial} = 0.00180 \text{ mol}\)
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3. Identification du Réactif Limitant
L'équation de la réaction est : \(\text{HCl(aq) + NaOH(aq) } \rightarrow \text{ NaCl(aq) + H}_2\text{O(l)}\). Les coefficients stœchiométriques pour HCl et NaOH sont tous les deux égaux à 1. Le réactif limitant est celui qui est entièrement consommé en premier. On compare les rapports \(\frac{n_{initial}}{\text{coeff. stœchio.}}\) pour chaque réactif.
Pour HCl :
Pour NaOH :
Puisque \(0.00180 < 0.00200\), le rapport pour NaOH est plus petit. Donc, NaOH est le réactif limitant.
L'avancement maximal de la réaction, \(x_{max}\), est égal à la plus petite de ces valeurs :
Le réactif limitant est NaOH. L'avancement maximal est \(x_{max} = 0.00180 \text{ mol}\).
4. Quantité de Matière de NaCl Formée
La quantité de produit formé dépend de l'avancement maximal et du coefficient stœchiométrique du produit.
D'après l'équation, 1 mole de NaCl est formée pour 1 mole de HCl réagissant (ou 1 mole de NaOH réagissant). Le coefficient stœchiométrique de NaCl est 1.
La quantité de matière de NaCl formée est \(n_{NaCl, formé} = 0.00180 \text{ mol}\).
5. Quantité de Matière du Réactif en Excès Restant
Le réactif en excès est HCl. Sa quantité restante est la quantité initiale moins la quantité qui a réagi.
Quantité de HCl ayant réagi = coefficient stœchiométrique de HCl \(\times x_{max} = 1 \times 0.00180 \text{ mol} = 0.00180 \text{ mol}\).
La quantité de matière de HCl restante est \(n_{HCl, restant} = 0.00020 \text{ mol}\).
6. Volume Total de la Solution Après Mélange
On suppose que les volumes sont additifs.
Le volume total de la solution est \(V_{total} = 0.0350 \text{ L}\) (soit 35.0 mL).
7. Concentration Molaire Finale en NaCl
On utilise la quantité de NaCl formé et le volume total.
La concentration finale en NaCl est \(C_{NaCl, final} \approx 0.0514 \text{ mol/L}\).
8. Concentration Molaire Finale du Réactif en Excès (HCl)
On utilise la quantité de HCl restante et le volume total.
La concentration finale du HCl restant est \(C_{HCl, final} \approx 0.00571 \text{ mol/L}\).
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Glossaire des Termes Clés
Quantité de Matière (\(n\)) :
Grandeur physique qui représente un nombre d'entités élémentaires (atomes, molécules, ions...). Son unité est la mole (mol).
Mole (mol) :
Unité de quantité de matière. Une mole contient environ \(6.022 \times 10^{23}\) entités élémentaires (nombre d'Avogadro).
Concentration Molaire (\(C\)) :
Quantité de matière de soluté dissoute par litre de solution. Son unité est la mole par litre (mol/L ou M).
Réactif :
Espèce chimique qui est consommée au cours d'une réaction chimique.
Produit :
Espèce chimique qui est formée au cours d'une réaction chimique.
Équation Chimique :
Représentation symbolique d'une réaction chimique, montrant les réactifs, les produits et leurs coefficients stœchiométriques.
Coefficient Stœchiométrique :
Nombre placé devant la formule d'une espèce chimique dans une équation équilibrée, indiquant la proportion relative de cette espèce dans la réaction.
Réactif Limitant :
Réactif qui est entièrement consommé en premier lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produits pouvant être formés.
Réactif en Excès :
Réactif présent en quantité supérieure à celle nécessaire pour réagir complètement avec le réactif limitant. Il en reste à la fin de la réaction.
Avancement de la Réaction (\(x\)) :
Grandeur, exprimée en moles, qui permet de suivre l'évolution des quantités de matière des réactifs et des produits au cours d'une réaction. L'avancement maximal (\(x_{max}\)) est atteint lorsque le réactif limitant est épuisé.
Stœchiométrie :
Étude des relations quantitatives entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Comment la pureté des réactifs pourrait-elle affecter les calculs de quantités de matière et l'identification du réactif limitant ?
2. Si la réaction n'était pas totale (c'est-à-dire si elle atteignait un équilibre), comment cela changerait-il l'approche pour calculer les quantités résiduelles ?
3. Imaginez que l'un des produits de la réaction soit un gaz. Comment pourrait-on calculer le volume de ce gaz produit (en supposant des conditions de température et de pression connues) ?
4. Si l'on souhaitait obtenir une quantité précise d'un produit, comment déterminerait-on les quantités initiales de réactifs nécessaires, en tenant compte d'un éventuel rendement de réaction inférieur à 100% ?
5. En quoi la notion de réactif limitant est-elle importante dans des contextes industriels ou en synthèse chimique ?
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