Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment calculer le pourcentage de composition d’une substance en utilisant sa formule chimique ou les masses des éléments qui la composent.
Il y a plusieurs façons de représenter la composition chimique d’un composé. Prenons une molécule de glucose.
On peut représenter la composition chimique du glucose par la formule chimique . Cette formule chimique indique que chaque molécule de glucose contient six atomes de carbone, douze atomes d’hydrogène et six atomes d’oxygène.
On peut aussi représenter la composition chimique du glucose en affirmant que le glucose est constitué de carbone, d’hydrogène, et de d’oxygène en masse. Ces valeurs représentent le pourcentage de composition en masse du glucose et est souvent appelé pourcentage de composition ou pourcentage massique.
Définition : Le pourcentage de composition
Le pourcentage de composition est le pourcentage en masse de chaque élément d’un composé ou d’un échantillon.
Le pourcentage de composition en masse de chaque élément d’un composé peut être déterminé à partir de la formule chimique en divisant la masse totale relative de chaque élément d’une molécule ou d’une formule chimique par la masse molaire moléculaire.
Équation : Pourcentage de composition
L’équation suivante peut être utilisée pour déterminer le pourcentage de composition en masse d’un élément dans un composé de formule chimique donnée : où est le nombre d’atomes de l’élément dans une molécule ou une formule chimique, est la masse molaire atomique de l’élément, et est la masse molaire totale de l’élément dans une molécule ou une formule chimique.
La masse molaire relative d’une molécule ou d’un composé ionique est la somme des masses atomiques relatives des atomes ou des ions constituants d’une molécule ou une unité de formule.
Définition : Masse molaire relative
La masse molaire relative est la masse molaire d’une molécule ou d’une formule chimique obtenue en additionnant les masses atomiques relatives des atomes qui la composent.
On peut utiliser l’équation du pourcentage de composition massique pour calculer le pourcentage de carbone, d’hydrogène et d’oxygène dans la composition d’une molécule de glucose (). Tout d’abord, nous additionnons les masses molaires atomiques pour six atomes de carbone, douze atomes d’hydrogène et six atomes d’oxygène pour déterminer la masse moléculaire du glucose :
Ensuite, nous pouvons compléter l’équation du pourcentage massique pour chaque élément, en complétant avec le nombre approprié d’atomes et les masses atomiques relatives.
Pour le carbone,
Pour l’hydrogène,
Pour l’oxygène,
La somme des pourcentages massiques de chaque élément d’une composition doit être égale à .
Exemple 1: Calculer le pourcentage de composition de l’éthanol
L’éthanol a la formule chimique . [ = 1 g/mol, = 12 g/mol, = 16 g/mol]
- Quelle est la teneur en oxygène de la molécule d’éthanol, exprimée en pourcentage massique arrondi à l’entier ?
- Quelle est la teneur en carbone de la molécule d’éthanol, exprimée en pourcentage massique arrondi à l’entier ?
- Quelle est la teneur en hydrogène de la molécule d’éthanol, exprimée en pourcentage massique arrondi à l’entier ?
Réponse
Partie 1
Le pourcentage massique d’oxygène dans l’éthanol, ou le pourcentage de composition en masse d’oxygène, peut être calculé à l’aide de la formule suivante : où est le nombre d’atomes d’oxygène dans une molécule d’éthanol et est la masse molaire atomique.
La masse molaire moléculaire de l’éthanol peut être calculée en additionnant les masses molaire des atomes qui constituent une molécule d’éthanol :
On peut alors substituer de , de , et la masse molaire de l’éthanol dans l’équation du pourcentage de composition :
Ensuite, nous déterminons le pourcentage en masse d’oxygène dans l’éthanol comme étant égal à . En arrondissant la réponse à l’entier près, le pourcentage en masse d’oxygène est déterminé comme étant de .
Partie 2
Le pourcentage en masse de carbone dans l’éthanol peut être calculé en utilisant la même équation que dans la partie 1, mais nous utiliserons le nombre d’atomes de carbone et la masse molaire atomique du carbone à la place de ceux de l’oxygène :
Comme nous avons déjà déterminé la masse molaire de l’éthanol dans la partie 1, nous pouvons substituer de , de et la masse molaire de l’éthanol dans l’équation et déterminer le pourcentage massique du carbone :
En arrondissant la réponse à l’entier près, le pourcentage massique de carbone est déterminé comme étant de .
Partie 3
Nous pouvons déterminer le pourcentage en masse d’hydrogène dans l’éthanol en répétant les mêmes étapes que dans les parties 1 et 2, mais nous utiliserons le nombre d’atomes d’hydrogène et la masse molaire relative de l’hydrogène :
En arrondissant la réponse à l’entier près, le pourcentage en masse d’hydrogène est déterminé comme étant de .
Le tableau suivant présente comment les informations peuvent être organisées de manière logique pour résoudre plus facilement les problèmes de pourcentage de composition massique.
Afin de déterminer le pourcentage de composition en masse de carbone, d’hydrogène et d’oxygène dans une molécule de glucose (), nous pouvons commencer par compléter les trois premières lignes du tableau.
Pour déterminer la masse molaire totale de chaque élément dans la molécule, nous multiplions le nombre d’atomes de chaque élément par la masse molaire atomique respective.
Pour déterminer la masse molaire moléculaire, on additionne les masses molaires totales.
Le pourcentage de composition en masse de chaque élément peut alors être déterminé en divisant la masse molaire totale de chaque élément par la masse molaire moléculaire et en multipliant par :
Exemple 2: Calculer le pourcentage de composition d’un composé ternaire
Quel est le pourcentage de composition du carbonate de calcium () ? Indiquez les pourcentages au dixième près. [ = 12 g/mol, = 16 g/mol, = 40 g/mol]
Réponse
Pour déterminer le pourcentage de composition ou le pourcentage de composition en masse de chaque élément dans le carbonate de calcium, nous pouvons commencer par construire le tableau suivant.
En étudiant la formule chimique du carbonate de calcium et les masses atomiques relatives données, nous pouvons compléter les trois premières lignes du tableau.
Pour déterminer la masse molaire totale de chaque élément, nous multiplions la masse molaire atomique par le nombre d’atomes d’après la formule chimique, pour chacun des éléments.
La somme des masses molaires totales de tous les éléments nous donne la masse molaire moléculaire .
Pour déterminer le pourcentage de composition massique de chaque élément, on peut utiliser l’équation suivante :
Écrite au dixième près, le pourcentage de composition du carbonate de calcium est de en masse de calcium, en masse de carbone et en masse d’oxygène.
Le pourcentage massique d’un élément dans un composé est toujours le même quelle que soit la taille de l’échantillon, tant que l’échantillon est pur.
Supposons que nous avons un échantillon de 400 grammes de glucose. Le pourcentage de composition du glucose indique que de la masse totale de l’échantillon est du carbone (160,00 g), de la masse est de l’hydrogène (26,68 g) et de la masse est de l’oxygène (213,32 g).
Nous pouvons utiliser des données de masses expérimentales pour déterminer le pourcentage de composition d’un composé. En laboratoire, nous travaillons avec des masses exprimées en grammes ou kilogrammes plutôt qu’avec des masses molaires atomiques ou des masses molaires moléculaires. Par conséquent, nous pouvons ajuster l’équation du pourcentage de composition pour qu’elle reflète cette différence :
Exemple 3: Calculer le pourcentage de composition d’un composé théorique binaire
Un composé ne contient que les éléments et . Un échantillon du composé avec une masse de 12,5 g contient 6,50 g de . Quel est le pourcentage de composition de ce composé ?
Réponse
Cette question nous demande de déterminer le pourcentages de composition ou les pourcentages massiques des éléments et dans le composé. Pour ce faire, nous pouvons utiliser la formule suivante pour les pourcentages de composition en masse :
On sait que la masse totale de l’échantillon contenant le composé est de 12,5 g et que l’échantillon contient 6,50 g de . Par conséquent, nous pouvons substituer ces valeurs dans l’équation, et déterminer que le pourcentage de composition de est de en masse.
Comme le composé ne contient que les éléments et , la somme des pourcentages massiques des éléments et dans la composition doit être égale à :
On peut substituer le pourcentage massique de dans l’équation, et déterminer le pourcentage de comme étant de en masse. Par conséquent, le composé est constitué de en masse de et de en masse de .
Exemple 4: Calculer la masse de chlorure de calcium qui contient une masse donnée de chlore
Combien de grammes de contiennent 15,0 g de chlore ? Donnez votre réponse à 1 décimale près. [ = 35,5 g/mol, = 40 g/mol]
Réponse
Afin de déterminer combien de grammes de chlorure de calcium () contiennent 15,0 g de chlore, nous devons d’abord déterminer le pourcentage massique de chlore dans le composé. Le pourcentage massique du chlore dans peut être déterminé en utilisant l’équation où est le nombre d’atomes de chlore dans une molécule (formule chimique) et est la masse molaire atomique correspondante.
La masse molaire moléculaire du chlorure de calcium peut être calculée en additionnant les masses molaires des atomes présents dans une molécule de chlorure de calcium :
On peut alors substituer de , de et la masse molaire moléculaire du chlorure de calcium dans l’équation du pourcentage de composition, et déterminer le pourcentage massique du chlore dans le chlorure de calcium comme étant égal à .
Le pourcentage massique d’un élément dans un composé est le même quelle que soit la taille de l’échantillon, pour autant que l’échantillon soit pur. Ici, nous avons un échantillon de chlorure de calcium qui contient 15,0 g de chlore. Ces 15,0 g de chlore doivent représenter de la masse totale de l’échantillon. Nous pouvons ajuster les variables de l’équation du pourcentage massique afin d’isoler la masse totale de :
On peut alors substituer le pourcentage massique du chlore et la masse totale de chlore dans l’équation, et la réarranger pour obtenir la masse totale de l’échantillon,
En écrivant la masse au dixième près, on obtient que 23,5 g de contiennent 15,0 g de chlore.
Exemple 5: Déterminer le nombre d’atomes de vanadium dans un oxyde de vanadium à partir du pourcentage de composition
Un composé du vanadium a la formule moléculaire , où est un nombre entier. Si le pourcentage massique de dans est de , quelle est la valeur de ? [ = 16 g/mol, = 51 g/mol]
Réponse
L’équation du pourcentage massique du vanadium dans un oxyde de vanadium inconnu est où est le nombre d’atomes de vanadium dans une molécule de et est la masse molaire atomique. Le pourcentage massique et la masse molaire atomique du vanadium sont tous les deux donnés dans la question. Par conséquent, peut être substitué par la variable , le nombre d’atomes de vanadium dans :
La masse molaire moléculaire de peut être calculée en faisant la somme des masses molaires atomiques des atomes présents dans une molécule de :
Ensuite, la masse molaire moléculaire peut être substituée dans l’équation du pourcentage ce composition :
On peut alors réarranger l’équation à résoudre pour , le nombre d’atomes de vanadium :
Par conséquent, la valeur de dans vaut 2.
Terminons par une récapitulation des points importants dans cette fiche explicative.
Points clés
- Le pourcentage de composition massique est un moyen de représenter la composition chimique d’un composé.
- L’équation générale pour le pourcentage de composition massique
- L’équation du pourcentage massique peut être utilisée lors de la détermination du pourcentage massique d’une seule molécule/formule chimique ou de la masse d’un grand échantillon :
- Le pourcentage massique ne change pas quelle que soit la quantité de composé présent.
- La somme des pourcentages de composition massiques d’un composé doit être égale à .
