Exercices et corrigés

Exercices Physique Chimie

Calcul du Volume d’Air pour le Magnésium

Calcul du Volume d’Air pour la Combustion du Magnésium

La Flamme Éclatante : Combustion du Magnésium et Volume d'Air

Quand le magnésium rencontre l'air en feu !

Le magnésium est un métal qui brûle avec une flamme très vive et blanche lorsqu'on le chauffe fortement en présence d'air. Cette transformation spectaculaire est une réaction chimique appelée combustion. Pour brûler, le magnésium a besoin d'un des composants de l'air : le dioxygène. En connaissant la quantité de magnésium que l'on veut faire brûler, on peut calculer la quantité de dioxygène nécessaire, et donc le volume d'air qu'il faudra pour que la réaction se fasse complètement. C'est ce que nous allons faire dans cet exercice, en utilisant les principes de la stœchiométrie.

L'Expérience de Combustion du Magnésium

En classe, sous la supervision de leur professeur, les élèves observent la combustion d'un ruban de magnésium.

Informations et données utiles :

  • Masse de magnésium (\(Mg\)) utilisée : \(1,2 \, \text{grammes (g)}\).
  • L'équation (non équilibrée au départ) de la réaction de combustion du magnésium dans le dioxygène (\(O_2\)) pour former de l'oxyde de magnésium (\(MgO\)) est :
    \[ Mg\text{(s)} + O_2\text{(g)} \rightarrow MgO\text{(s)} \]
  • Masses molaires atomiques :
    • Magnésium (Mg) : \(M(Mg) = 24 \, \text{g/mol}\)
    • Oxygène (O) : \(M(O) = 16 \, \text{g/mol}\)
  • L'air contient environ 20% de dioxygène (\(O_2\)) en volume.
  • Dans les conditions de l'expérience, le volume molaire d'un gaz (\(V_m\)) est de \(24 \, \text{litres par mole (L/mol)}\).
Schéma : Combustion du magnésium dans l'air
Pince & Ruban Mg Flamme vive MgO (poudre blanche) Air (O₂) Combustion du Magnésium

Le magnésium brûle dans l'air en réagissant avec le dioxygène.

Questions à traiter

  1. Quels sont les réactifs et le produit de cette réaction de combustion ?
  2. Équilibre l'équation chimique : \( Mg\text{(s)} + O_2\text{(g)} \rightarrow MgO\text{(s)} \).
  3. Quelle est la masse molaire atomique du magnésium (\(M(Mg)\)) ?
  4. Calcule la quantité de matière (nombre de moles) de magnésium (\(n(Mg)\)) contenue dans les \(1,2 \, \text{g}\) utilisés.
  5. En utilisant l'équation chimique équilibrée, détermine la quantité de matière (nombre de moles) de dioxygène (\(n(O_2)\)) nécessaire pour faire réagir complètement les \(1,2 \, \text{g}\) de magnésium.
  6. Calcule le volume de dioxygène (\(V(O_2)\)) nécessaire pour cette réaction, sachant que le volume molaire des gaz (\(V_m\)) est de \(24 \, \text{L/mol}\).
  7. Sachant que l'air contient environ 20% de dioxygène en volume, calcule le volume d'air total qu'il faudrait pour fournir le volume de dioxygène calculé à la question précédente. (Indice : Si 20 L d'air contiennent X L d'O₂, combien de L d'air pour Y L d'O₂ ?)

Correction : La Flamme Éclatante du Magnésium

Question 1 : Réactifs et Produit

Réponse :
  • Les réactifs sont : le magnésium (\(Mg\)) et le dioxygène (\(O_2\)).
  • Le produit est : l'oxyde de magnésium (\(MgO\)).

Question 2 : Équilibrage de l'équation chimique

Équation non équilibrée :
\[ Mg\text{(s)} + O_2\text{(g)} \rightarrow MgO\text{(s)} \]
Comptage des atomes :
  • Réactifs : Mg: 1, O: 2
  • Produits : Mg: 1, O: 1

Le magnésium est équilibré. L'oxygène ne l'est pas. Pour avoir 2 atomes d'O à droite, on met un coefficient 2 devant \(MgO\) : \(Mg + O_2 \rightarrow 2MgO\).

Maintenant, comptons à nouveau : Réactifs (Mg:1, O:2), Produits (Mg:2, O:2). L'oxygène est équilibré, mais le magnésium ne l'est plus. Pour avoir 2 atomes de Mg à gauche, on met un coefficient 2 devant \(Mg\).

Équation équilibrée :
\[ \mathbf{2}Mg\text{(s)} + O_2\text{(g)} \rightarrow \mathbf{2}MgO\text{(s)} \]

Vérification : Réactifs (Mg:2, O:2), Produits (Mg:2, O:2). L'équation est équilibrée.

Question 3 : Masse molaire atomique du Magnésium (\(M(Mg)\))

Réponse :

D'après l'énoncé, la masse molaire atomique du magnésium est \(M(Mg) = 24 \, \text{g/mol}\).

Question 4 : Quantité de matière (moles) de Magnésium (\(n(Mg)\))

Données :
  • Masse de \(Mg\) (\(m\)) : \(1,2 \, \text{g}\)
  • Masse molaire de \(Mg\) (\(M\)) : \(24 \, \text{g/mol}\)
Formule : \(n = m/M\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n(Mg) &= \frac{1,2 \, \text{g}}{24 \, \text{g/mol}} \\ &= 0,05 \, \text{mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Il y a \(0,05 \, \text{mol}\) de magnésium dans \(1,2 \, \text{g}\).

Question 5 : Quantité de matière (moles) de Dioxygène (\(n(O_2)\)) nécessaire

Principe :

L'équation équilibrée est \(2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO\).

Les coefficients stœchiométriques nous disent que pour faire réagir 2 moles de \(Mg\), il faut 1 mole de \(O_2\). Le rapport est donc de 2 moles de Mg pour 1 mole de \(O_2\).

Donc, \(n(O_2)_{\text{nécessaire}} = \frac{n(Mg)_{\text{consommé}}}{2}\).

Calcul :
\[ n(O_2) = \frac{0,05 \, \text{mol}}{2} = 0,025 \, \text{mol} \]
Résultat Question 5 : Il faut \(0,025 \, \text{mol}\) de dioxygène (\(O_2\)) pour faire réagir \(0,05 \, \text{mol}\) de magnésium.

Quiz Intermédiaire 1 : D'après l'équation \(2A + 3B \rightarrow C\), si on veut faire réagir \(6 \, \text{mol}\) de A, combien de moles de B sont nécessaires ?

Question 6 : Volume de Dioxygène (\(V(O_2)\)) nécessaire

Données :
  • Quantité de matière de \(O_2\) (\(n(O_2)\)) : \(0,025 \, \text{mol}\)
  • Volume molaire des gaz (\(V_m\)) : \(24 \, \text{L/mol}\)
Formule : \(V_{\text{gaz}} = n_{\text{gaz}} \times V_m\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V(O_2) &= n(O_2) \times V_m \\ &= 0,025 \, \text{mol} \times 24 \, \text{L/mol} \\ &= 0,6 \, \text{L} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Le volume de dioxygène (\(O_2\)) nécessaire est de \(0,6 \, \text{L}\).

Question 7 : Volume d'air nécessaire

Principe :

L'air contient environ 20% de dioxygène en volume. Cela signifie que pour avoir un certain volume de dioxygène, il faut un volume d'air 5 fois plus grand (car \(100\% / 20\% = 5\)).

Ou, si \(V(O_2)\) représente 20% de \(V(\text{air})\), alors \(V(O_2) = 0,20 \times V(\text{air})\). Donc \(V(\text{air}) = V(O_2) / 0,20\).

Données :
  • Volume de \(O_2\) nécessaire : \(0,6 \, \text{L}\)
  • Pourcentage de \(O_2\) dans l'air : 20% (soit 0,20)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V(\text{air}) &= \frac{V(O_2)}{0,20} \\ &= \frac{0,6 \, \text{L}}{0,20} \\ &= 3 \, \text{L} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : Il faudrait \(3 \, \text{L}\) d'air pour fournir les \(0,6 \, \text{L}\) de dioxygène nécessaires à la combustion de \(1,2 \, \text{g}\) de magnésium.

Quiz Intermédiaire 2 : Si l'air contient 20% d'oxygène, pour obtenir 1 Litre d'oxygène pur, il faut environ :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La combustion du magnésium est une réaction entre le magnésium et :

2. Si \(1 \, \text{mol}\) de Mg réagit pour former \(1 \, \text{mol}\) de MgO (selon l'équation \(2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO\), attention aux coefficients), combien de moles de \(O_2\) sont nécessaires ?

3. Le volume molaire des gaz est le volume occupé par :

Glossaire

Combustion
Réaction chimique qui dégage de la chaleur et souvent de la lumière, impliquant généralement un combustible et un comburant (souvent le dioxygène).
Magnésium (Mg)
Métal léger qui brûle avec une flamme blanche très lumineuse dans le dioxygène.
Dioxygène (\(O_2\))
Gaz essentiel à la vie et aux combustions, constituant environ 20-21% de l'air.
Oxyde de Magnésium (\(MgO\))
Poudre blanche solide formée lors de la combustion du magnésium.
Réactif
Substance présente au début d'une réaction chimique.
Produit
Nouvelle substance formée lors d'une réaction chimique.
Équation Chimique Équilibrée
Représentation d'une réaction où le nombre d'atomes de chaque élément est le même des deux côtés.
Masse Molaire (M)
Masse d'une mole d'une substance (g/mol).
Mole (mol)
Unité de quantité de matière.
Quantité de matière (n)
Nombre de moles. \(n = m/M\).
Volume Molaire d'un gaz (\(V_m\))
Volume occupé par une mole de gaz dans des conditions données (ex: \(24 \, \text{L/mol}\) à température et pression ambiantes).
Stœchiométrie
Étude des proportions quantitatives des réactifs et des produits dans une réaction chimique.
Calcul du Volume d’Air pour la Combustion du Magnésium - Exercice d'Application

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