Le Volcan de Craie : Quel Volume de Gaz Produit ?
Des bulles et des calculs : la magie de la chimie !
En chimie, lorsque des substances se transforment, on appelle cela une réaction chimique. Souvent, ces réactions produisent des signes visibles, comme un changement de couleur, la formation d'un solide, ou le dégagement d'un gaz (des bulles !). La fameuse expérience du "volcan" avec de la craie (ou du bicarbonate) et du vinaigre produit un gaz : le dioxyde de carbone (\(CO_2\)). Grâce à l'équation chimique équilibrée de la réaction et à quelques informations, on peut même calculer le volume de gaz qui va se former !
L'Expérience de la Craie et de l'Acide
- Masse de craie (\(CaCO_3\)) utilisée : \(5,0 \, \text{grammes (g)}\).
- L'équation (non équilibrée au départ) de la réaction est :
\[ CaCO_3\text{(s)} + HCl\text{(aq)} \rightarrow CaCl_2\text{(aq)} + H_2O\text{(l)} + CO_2\text{(g)} \]
- Masses molaires atomiques (pour calculer les masses molaires des molécules) :
- Carbone (C) : \(12 \, \text{g/mol}\)
- Oxygène (O) : \(16 \, \text{g/mol}\)
- Calcium (Ca) : \(40 \, \text{g/mol}\)
- Dans les conditions de l'expérience (température et pression ambiantes), le volume molaire d'un gaz (\(V_m\)) est de \(24 \, \text{litres par mole (L/mol)}\). Cela signifie qu'une mole de n'importe quel gaz occupe un volume de \(24 \, \text{L}\).
Schéma : Réaction entre la craie et l'acide
La réaction produit du dioxyde de carbone gazeux, qui fait des bulles.
Questions à traiter
- Quels sont les réactifs et les produits de cette réaction chimique ?
- L'équation chimique donnée est : \( CaCO_3\text{(s)} + HCl\text{(aq)} \rightarrow CaCl_2\text{(aq)} + H_2O\text{(l)} + CO_2\text{(g)} \). Équilibre cette équation en ajustant les coefficients stœchiométriques.
- Calcule la masse molaire moléculaire du carbonate de calcium (\(CaCO_3\)).
- Calcule la quantité de matière (nombre de moles) de \(CaCO_3\) contenue dans les \(5,0 \, \text{g}\) de craie utilisés. (Rappel : \(n = m/M\)).
- En utilisant l'équation chimique équilibrée, détermine la quantité de matière (nombre de moles) de dioxyde de carbone (\(CO_2\)) produite lorsque les \(5,0 \, \text{g}\) de \(CaCO_3\) réagissent complètement.
- Sachant que le volume molaire des gaz (\(V_m\)) est de \(24 \, \text{L/mol}\) dans les conditions de l'expérience, calcule le volume de dioxyde de carbone (\(CO_2\)) dégagé. (Rappel : \(V_{\text{gaz}} = n_{\text{gaz}} \times V_m\)).
Correction : Le Volcan de Craie
Question 1 : Réactifs et Produits
Réponse :
- Les réactifs sont : le carbonate de calcium (\(CaCO_3\)) et l'acide chlorhydrique (\(HCl\)).
- Les produits sont : le chlorure de calcium (\(CaCl_2\)), l'eau (\(H_2O\)) et le dioxyde de carbone (\(CO_2\)).
Question 2 : Équilibrage de l'équation chimique
Équation non équilibrée :
Comptage des atomes :
- Réactifs : Ca: 1, C: 1, O: 3, H: 1, Cl: 1
- Produits : Ca: 1, C: 1, O: (dans \(H_2O\)) 1 + (dans \(CO_2\)) 2 = 3, H: 2, Cl: 2
Les atomes de H et Cl ne sont pas équilibrés. Il faut 2 H et 2 Cl du côté des réactifs. On place donc un coefficient 2 devant HCl.
Équation équilibrée :
Vérification : Ca:1/1, C:1/1, O:3/3, H:2/2, Cl:2/2. L'équation est équilibrée.
Question 3 : Masse molaire du \(CaCO_3\)
Calcul :
\(M(CaCO_3) = M(Ca) + M(C) + 3 \times M(O)\)
Question 4 : Quantité de matière (moles) de \(CaCO_3\)
Données :
- Masse de \(CaCO_3\) (\(m\)) : \(5,0 \, \text{g}\)
- Masse molaire de \(CaCO_3\) (\(M\)) : \(100 \, \text{g/mol}\)
Formule : \(n = m/M\)
Calcul :
Question 5 : Quantité de matière (moles) de \(CO_2\) produite
Principe :
D'après l'équation équilibrée : \(CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\), les coefficients stœchiométriques devant \(CaCO_3\) et \(CO_2\) sont tous les deux de 1. Cela signifie que pour chaque mole de \(CaCO_3\) qui réagit, il se forme 1 mole de \(CO_2\).
Relation :
\(n(CO_2)_{\text{produit}} = n(CaCO_3)_{\text{consommé}}\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 1 : Si l'équation est \(A + 2B \rightarrow C\), et que l'on fait réagir \(1 \, \text{mol}\) de A, combien de moles de B sont nécessaires ?
Question 6 : Volume de \(CO_2\) dégagé
Données :
- Quantité de matière de \(CO_2\) (\(n(CO_2)\)) : \(0,05 \, \text{mol}\)
- Volume molaire des gaz (\(V_m\)) : \(24 \, \text{L/mol}\)
Formule : \(V_{\text{gaz}} = n_{\text{gaz}} \times V_m\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 2 : Le volume molaire d'un gaz dépend principalement de :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Pour équilibrer une équation chimique, on ajuste :
2. La quantité de matière se mesure en :
3. Si \(0,1 \, \text{mol}\) d'un gaz est produit, et que le volume molaire est de \(24 \, \text{L/mol}\), le volume de gaz produit est de :
Glossaire
- Réaction Chimique
- Transformation de substances (réactifs) en de nouvelles substances (produits) par réarrangement des atomes.
- Équation Chimique
- Représentation symbolique d'une réaction chimique. Une équation équilibrée respecte la conservation des atomes.
- Réactif
- Substance de départ dans une réaction chimique.
- Produit
- Nouvelle substance formée lors d'une réaction chimique.
- Coefficient Stœchiométrique
- Nombre placé devant une formule chimique dans une équation équilibrée, indiquant la proportion relative des molécules ou des moles.
- Masse Molaire (M)
- Masse d'une mole d'une substance. Elle s'exprime en grammes par mole (g/mol).
- Mole (mol)
- Unité de quantité de matière. Une mole contient un nombre très grand (nombre d'Avogadro, environ \(6,022 \times 10^{23}\)) d'entités (atomes, molécules...).
- Quantité de matière (n)
- Nombre de moles d'une substance. \(n = m/M\), où m est la masse et M la masse molaire.
- Volume Molaire d'un gaz (\(V_m\))
- Volume occupé par une mole de n'importe quel gaz dans des conditions de température et de pression données. Dans les conditions usuelles de laboratoire (souvent \(20-25^\circ\text{C}\) et pression atmosphérique), \(V_m \approx 24 \, \text{L/mol}\).
- Dioxyde de Carbone (\(CO_2\))
- Gaz produit par la combustion de matières carbonées ou par la réaction des carbonates avec les acides. C'est aussi le gaz que nous expirons.
- Carbonate de Calcium (\(CaCO_3\))
- Principal constituant de la craie, du calcaire et du marbre.
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