Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à déterminer la stœchiométrie d’une équation de réaction en équilibrant le nombre d’atomes dans les réactifs et dans les produits.
Considérons la réaction entre un gaz d’hydrogène () et un gaz d’oxygène (), qui produit de la vapeur d’eau :
L’équation chimique telle qu’elle est écrite nous donne des informations utiles sur les réactifs, les produits, et leur état de la matière. Cependant, cette équation chimique n’est pas complète.
Notez qu’il y a deux atomes d’hydrogène des deux côtés de l’équation, mais qu’il y a deux atomes d’oxygène du côté du réactif et un seul atome d’oxygène du côté du produit :
Cette équation de réaction viole la loi de conservation de la masse qui stipule que la matière ne peut être ni créée, ni détruite. Lors de l’écriture de l’équation, nous devons, trouver un moyen de nous assurer que le nombre d’atomes d’hydrogène et d’oxygène est le même des deux côtés de la flèche de réaction. Une équation de réaction qui ne viole pas la loi de conservation de la masse est appelée une équation chimique équilibrée.
Définition : Équations chimiques équilibrées
Une équation chimique équilibrée est une équation de réaction où le nombre d’atomes de chaque élément est le même du côté des réactifs et du côté des produits.
Pour équilibrer l’équation, nous pourrions envisager d’ajouter un indice « deux » après l’atome d’oxygène dans la molécule d’eau :
Cette nouvelle équation est conforme à la loi de conservation de la masse. Cependant, le produit de cette réaction est du peroxyde d’hydrogène, et non de l’eau. Nous ne pouvons pas modifier les valeurs des indices dans aucune des substances à droite ou à gauche de l’équation chimique, car cela changerait l’identité des composés impliqués dans la réaction.
Au lieu de cela, nous devrions ajuster le nombre de molécules ou d’unités de formule de chaque substance impliquée dans la réaction jusqu’à ce que l’équation soit équilibrée. On pourrait placer le numéro « deux » devant la molécule d’hydrogène et la molécule d’eau dans l’équation chimique, doublant ainsi le nombre de molécules d’hydrogène et d’eau :
Il y a maintenant quatre atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène des deux côtés de l’équation chimique, et la réaction est équilibrée. Les chiffres que nous avons placés devant les molécules d’hydrogène et d’eau dans l’équation sont connus comme des coefficients ou des coefficients stœchiométriques.
Définition : Coefficients stœchiométriques
Les coefficients stœchiométriques sont des valeurs numériques écrites devant les espèces chimiques de l’équation chimique afin d’équilibrer toute la réaction.
Les coefficients stoechiométriques indiquent le rapport de chaque espèce qui participe dans la réaction. Ainsi, pour la formation d’eau à partir d’hydrogène et d’oxygène, le rapport entre les molécules d’hydrogène et les molécules d’oxygène est de 2 : 1.
Exemple 1: Équation équilibrée de la formation d’iodure d’hydrogène
L’iodure d’hydrogène est produit par la réaction entre de l’hydrogène et de l’iode selon l’équation
Les coefficients , , et sont des nombres entiers. Quelles sont les plus petites valeurs possibles de , , et ?
Réponse
Dans une équation chimique équilibrée, le nombre d’atomes de chaque élément est le même des deux côtés de la réaction. En partant de l’équation chimique ou du modèle ci-dessous, nous pouvons voir qu’il y a deux atomes d’hydrogène et deux atomes d’iode du côté des réactifs, et un atome d’hydrogène et d’iode du côté du produit.
Pour qu’il y ait deux atomes d’hydrogène et d’iode du côté du produit, il faut qu’il y ait une deuxième molécule d’acide iodhydrique.
Avec deux molécules de , la réaction est équilibrée.
Dans l’équation chimique, , , et sont les coefficients stœchiométriques. Les coefficients stœchiométriques sont des chiffres qui indiquent le nombre de molécules ou d’unités de formule de chaque espèce qui sont nécessaires pour équilibrer une réaction chimique. Dans cette question, , , et représentent le nombre de molécules de , , et respectivement. La réaction est équilibrée avec une molécule de , une molécule de et deux molécules de . Donc, , et .
Exemple 2: Identifier quel élément n’est pas équilibré dans une équation chimique
Considérez l’équation chimique
Quel élément n’est pas équilibré dans l’équation chimique ?
Réponse
Un élément est équilibré lorsque le nombre total des atomes de cet élément est le même des deux côtés de la flèche de réaction. Les indices indiquent le nombre des atomes dans une molécule ou dans une unité de formule. Les nombres devant une espèce chimique sont appelés des coefficients et indiquent le nombre de molécules ou d’unités de formule.
Du côté réactifs, à gauche de la flèche de réaction, nous voyons ce qui suit :
Il n’y a pas de coefficients, ce qui signifie qu’il y a une molécule de chaque espèce. Nous pouvons déterminer le nombre d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène en additionnant les indices de chaque élément. Un indice non écrit est par défaut « un » :
Il y a deux atomes de carbone, six atomes d’hydrogène et trois atomes d’oxygène sur le côté des réactifs.
Du côté des produits, à droite de la flèche de réaction, nous voyons ce qui suit :
Le coefficient deux devant la molécule de dioxyde de carbone indique qu’il y a deux molécules de dioxyde de carbone. Deux molécules auront deux fois plus d’atomes qu’une seule molécule. Le nombre des atomes d’une espèce sera égal au nombre des atomes dans une molécule multiplié par le coefficient :
Il y a deux atomes de carbone, six atomes d’hydrogène et sept atomes d’oxygène du côté des produits. Le nombre des atomes de carbone et d’hydrogène est le même des deux côtés de la réaction, mais le nombre des atomes d’oxygène n’est pas le même. L’élément qui n’est pas équilibré dans l’équation chimique est l’oxygène.
Équilibrer une équation chimique est souvent un processus de suppositions et vérifications, mais nous pouvons prendre des mesures pour faciliter l’opération.
Comment : Équilibrer une équation chimique
- Faites une liste du nombre des atomes de chaque élément des deux côtés de la réaction.
Astuce : si des ions polyatomiques sont présents des deux côtés de la réaction, traitez-les comme une unité. Par exemple, sera compté comme un groupe plutôt que comme un atome de carbone et trois atomes d’oxygène. - Identifiez les atomes/ions qui ne sont pas en nombres égaux des deux côtés de la réaction (non équilibrés).
- Ajoutez des coefficients devant toute espèce dans la réaction pour équilibrer les atomes/ions. Le nombre d’atomes/d’ions de chaque type dans une espèce sera multiplié par le coefficient.
Astuce : commencez par équilibrer les atomes ou les ions dans les espèces les plus complexes.
Conseil : équilibrez les éléments sous forme pure en dernier, par exemple, , , et ainsi de suite. - Continuez à ajouter des coefficients jusqu’à ce que tous les atomes/ions soient équilibrés.
Voyons comment les étapes pour équilibrer une équation chimique s’appliquent en pratique. Voici l’équation chimique non équilibrée pour la réaction du phosphate de sodium avec le chlorure de calcium :
Nous commencerons par dresser une liste des atomes de chaque élément des deux côtés de la réaction. Cependant, nous remarquerons que le phosphate () apparaît des deux côtés de l’équation. Cela signifie que nous pouvons compter l’ion phosphate comme une unité au lieu de le diviser en atomes de phosphore et d’oxygène. Un tableau, comme celui ci-dessous, est utile pour tenir les comptes des atomes/ions :
Nous devons faire spécialement attention lors du décompte des ions. Notez qu’il y a un ion phosphate dans chaque unité de phosphate de sodium et non quatre, et qu’il y a deux ions phosphate dans chaque unité de phosphate de calcium et non 12.
D’après le tableau, nous pouvons voir que tous les atomes et les ions de l’équation sont actuellement déséquilibrés. Nous pouvons maintenant commencer à équilibrer l’équation en ajoutant des coefficients.
Nous commençons par identifier les espèces les plus complexes de l’équation. Le phosphate de calcium contient la plupart des atomes et des ions. Par conséquent, nous pouvons commencer par équilibrer le calcium et le phosphate. Il y a trois atomes de calcium du côté produit et un seul atome de calcium du côté réactif. On peut placer un coefficient « trois » devant le chlorure de calcium :
Si une unité de formule de chlorure de calcium contient un atome de calcium et deux atomes de chlore, alors trois unités de formule contiennent un total de trois atomes de calcium et six atomes de chlore :
Les atomes de calcium étant équilibrés, nous pouvons équilibrer les ions phosphate en plaçant un coefficient « deux » devant le phosphate de sodium du côté des réactifs :
Si une unité de formule de phosphate de sodium contient trois atomes de sodium et un ion phosphate, alors deux unités de formule contiennent six atomes de sodium et deux ions phosphate :
Nous pouvons maintenant équilibrer les atomes de sodium et de chlore en plaçant un coefficient « six » devant le chlorure de sodium :
L’équation chimique complète équilibrée pour la réaction entre le phosphate de sodium et le chlorure de calcium est
Exemple 3: Déterminer les coefficients nécessaires pour équilibrer une équation chimique au cours du procédé Haber
Au cours du procédé Haber, l’ammoniac () est produit à partir de l’azote et de l’hydrogène, selon l’équation présentée :
Déterminez les plus petites valeurs entières possibles de , et .
Réponse
On nous demande dans cette question d’équilibrer l’équation chimique en déterminant les coefficients , et . Une équation chimique est équilibrée lorsque le nombre des atomes de chaque élément et/ou ion polyatomique est le même des deux côtés de la réaction.
Commençons par faire une liste du nombre des atomes de chaque élément des deux côtés de la réaction. Nous pouvons construire un tableau comme le suivant pour organiser notre liste.
En observant le tableau, nous pouvons voir qu’il y a deux atomes d’azote du côté des réactifs, mais seulement un atome d’azote du côté des produits. Si l’on donne au coefficient une valeur de deux, nous aurons le même nombre d’atomes d’azote pour les produits et les réactifs.
Nous pouvons maintenant modifier notre tableau en utilisant la valeur de deux pour le coefficient .
Nous pouvons voir dans le tableau que le nombre des atomes d’azote est maintenant équilibré. Cependant, il y a deux atomes d’hydrogène du côté des réactifs et six atomes d’hydrogène du côté des produits. Nous pouvons équilibrer le nombre des atomes d’hydrogène en donnant au coefficient la valeur trois.
Jetons un autre coup d’œil à notre tableau.
Nous pouvons constater que le nombre des atomes d’azote et d’hydrogène est le même du côté des réactifs et du côté des produits. Ainsi, notre équation chimique est maintenant équilibrée. Mais nous devons toutefois déterminer le coefficient..
Comme notre équation chimique est déjà équilibrée, nous n’avons pas besoin de modifier le nombre des atomes d’azote ou d’hydrogène, et nous pouvons donc donner au coefficient la valeur un.
Notre équation chimique équilibrée est donc
Les plus petites valeurs possibles de , et sont , et .
Les équations chimiques peuvent être écrites en analysant la formulation d’un énoncé chimique. Les expressions courantes utilisées dans les énoncés chimiques et leur relation avec les réactifs et les produits sont indiquées dans le tableau ci-dessous.
| Le réactif A | réagit avec est mélangé avec/au se combine avec/au est ajouté à/au brûle dans | (le) réactif B. |
| Les réactifs | donnent produisent forment se décomposent en | (les) produits. |
| Les produits | sont produits par sont générés par | les réactifs. |
Considérons l’énoncé chimique suivant. L’hydroxyde de calcium réagit avec l’acide chlorhydrique pour produire du chlorure de calcium et de l’eau.
Cette formulation chimique indique que l’hydroxyde de calcium () et l’acide chlorhydrique () sont les réactifs et doivent être écrits sur le côté gauche de la flèche de réaction. Le chlorure de calcium () et l’eau () sont les produits et doivent être écrits sur le côté droit de la flèche de réaction :
Une fois que l’équation chimique non équilibrée a été écrite, nous pouvons suivre notre série ordonnée d’étapes « suppositions et vérifications » pour déterminer les coefficients stœchiométriques appropriés.
Exemple 4: L’équation équilibrée de la décomposition de l’acide phosphoreux
Lorsqu’il est chauffé, l’acide phosphoreux () se décompose en acide phosphorique () et phosphine (), un gaz toxique piquant encore appelé hydrure de phosphore ou phosphane. Écrivez l’équation chimique équilibrée pour cette réaction en utilisant les plus petits coefficients entiers possibles pour les réactifs et les produits.
Réponse
Commençons par déchiffrer la formulation chimique de l’énoncé pour identifier les réactifs et les produits. L’expression clé « se décompose en » indique que les espèces chimiques citées dans la phrase avant cette expression sont les réactifs, et que les espèces chimiques citées après sont les produits. Cela signifie que lors de l’écriture de l’équation chimique, l’acide phosphoreux doit apparaître à gauche de la flèche de réaction, tandis que l’acide phosphorique et le gaz phosphine doivent apparaître à droite de la flèche de réaction :
C’est l’équation chimique non équilibrée. Une équation est équilibrée lorsque le nombre des atomes de chaque élément et/ou le nombre de chaque ion polyatomique est le même des deux côtés de la réaction.
Nous commençons par faire une liste du nombre d’atomes de chaque élément des deux côtés de la réaction :
Remarquez que nous avons séparé les ions polyatomiques et , en atomes de phosphore et d’oxygène. Ceci est nécessaire car aucun ion n’apparaît à la fois du côté réactif et du côté produit de l’équation chimique.
Nous pouvons maintenant commencer à équilibrer l’équation en ajoutant des coefficients. Les coefficients sont des nombres qui sont placés devant n’importe quelle espèce chimique de la réaction pour équilibrer l’équation. Nous devons décider quel élément équilibrer en premier. Notez que les atomes d’hydrogène et de phosphore apparaissent dans deux espèces du côté des produits. Cela peut rendre difficile l’équilibrage des atomes d’hydrogène et de phosphore. Par conséquent, nous commençons par équilibrer les atomes d’oxygène.
Il y a trois atomes d’oxygène du côté réactif et quatre atomes d’oxygène du côté produit. Dans cette équation, le nombre desatomes d’oxygène du côté réactif sera toujours égal au nombre des atomes d’oxygène dans une unité d’acide phosphoreux multiplié par le coefficient :
Pour qu’il y ait quatre atomes d’oxygène du côté des réactifs, nous avons besoin de
Le coefficient devrait être de . En utilisant ce coefficient, il sera très difficile d’équilibrer l’équation dans son ensemble. Au lieu d’utiliser une fraction pour le coefficient, nous pouvons chercher le plus petit commun multiple de trois (le nombre d’atomes du côté réactif), et de quatre (le nombre d’atomes du côté produit). Le plus petit commun multiple de trois et de quatre est 12. On peut alors fixer le nombre total d’atomes d’oxygène nécessaires des deux côtés de la réaction à 12 :
Pour qu’il y ait 12 atomes d’oxygène du côté réactif, il faut placer un coefficient quatre devant l’acide phosphoreux :
Le fait de placer un coefficient quatre devant l’acide phosphoreux modifie également le nombre d’atomes d’hydrogène et de phosphore du côté réactif. Si une unité d’acide phosphoreux contient trois atomes d’hydrogène et un atome de phosphore, alors quatre unités d’acide phosphoreux contiennent 12 atomes d’hydrogène et quatre atomes de phosphore :
Pour qu’il y ait 12 atomes d’oxygène du côté produit, il faut placer un coefficient trois devant l’acide phosphorique :
Le fait de placer un coefficient trois devant l’acide phosphorique modifie également le nombre d’atomes d’hydrogène et de phosphore du côté produit. Si une unité d’acide phosphorique contient trois atomes d’hydrogène et un atome de phosphore, alors trois unités d’acide phosphorique contiennent neuf atomes d’hydrogène et trois atomes de phosphore :
Avec un total de 12 atomes d’hydrogène et quatre atomes de phosphore du côté des réactifs, les atomes d’hydrogène et de phosphore sont maintenant équilibrés. L’équation chimique équilibrée complète pour la décomposition de l’acide phosphoreux est
Considérons la réaction de combustion non équilibrée suivante :
Commençons à équilibrer cette équation chimique en faisant une liste du nombre des atomes de chaque élément :
L’oxygène existe sous sa forme pure côté réactif. Nous devons équilibrer les éléments sous leur forme pure en dernier. Équilibrons les atomes de carbone en plaçant un coefficient deux devant la molécule de dioxyde de carbone, et les atomes d’hydrogène en plaçant un coefficient trois devant la molécule d’eau. Le tableau ci-dessous indique les totaux mis à jour du côté des produits après l’ajout de ces coefficients :
Il ne reste plus qu’à équilibrer les atomes d’oxygène. Il y a deux atomes d’oxygène du côté des réactifs et un total de sept atomes d’oxygène du côté des produits. Le nombre des atomes d’oxygène du côté des réactifs de cette équation sera toujours égal au nombre des atomes dans une molécule d’oxygène multiplié par le coefficient stœchiométrique :
Pour qu’il y ait sept atomes d’oxygène du côté des réactifs, il faut
Le coefficient devrait être (ou 3,5), comme indiqué ci-dessous :
Si nous plaçons un coefficient 3,5 devant la molécule d’oxygène pour équilibrer l’équation dans son ensemble, cela signifie que la réaction consomme trois molécules d’oxygène et demie. Cela n’est pas possible. Pour que cela soit plus facile à entendre tout en maintenant l’équation chimique équilibrée, nous pouvons multiplier tous les coefficients, y compris le « un » non-écrit devant , par deux :
Ainsi, L’équation chimique équilibrée complète est :
Exemple 5: L’équation équilibrée de l’oxydation de l’ammoniac
La réaction de l’ammoniac () avec l’oxygène produit de l’oxyde nitrique () et de l’eau comme seuls produits. Écrivez l’équation chimique équilibrée pour cette réaction en utilisant les plus petits coefficients entiers possibles pour les réactifs et pour les produits.
Réponse
Commençons par déchiffrer la formulation chimique de l’énoncé pour identifier les réactifs et les produits. Le mot clé « produit » indique que les espèces chimiques nommées avant ce mot dans la phrase sont les réactifs, et les espèces chimiques citées après ce mot sont les produits. Cela signifie que lors de l’écriture de l’équation chimique, l’ammoniac et l’oxygène doivent apparaître à gauche de la flèche de réaction, et l’oxyde nitrique et l’eau doivent apparaître à droite de la flèche de réaction. Notez que dans l’équation chimique ci-dessous, l’oxygène est écrit comme et non . Ceci parce que l’oxygène existe sous la forme d’une molécule diatomique à l’état pur :
L’équation écrite ci-dessus est l’équation chimique non équilibrée. Une équation est équilibrée lorsque le nombre des atomes de chaque élément est le même des deux côtés de la réaction.
Nous pouvons commencer à équilibrer l’équation en faisant une liste du nombre des atomes de chaque élément des deux côtés de la réaction :
Les atomes d’azote sont déjà équilibrés. Il est plus facile d’équilibrer en dernier les éléments présents sous leur forme pure dans l’équation chimique, tels que l’oxygène. Cela signifie que nous devrions commencer par équilibrer les atomes d’hydrogène.
Il y a trois atomes d’hydrogène du côté des réactifs et deux atomes d’hydrogène du côté des produits. Comme trois n’est pas un multiple de deux, ces atomes seront plus facilement équilibrés en trouvant leur plus petit commun multiple. Le plus petit commun multiple de deux et trois est six. On peut alors fixer le nombre total desatomes d’hydrogène des deux côtés de la réaction à six :
Pour qu’il y ait six atomes d’hydrogène du côté réactif, un coefficient de deux doit être placé devant la molécule d’ammoniac. Pour qu’il y ait sixatomes d’hydrogène du côté produit, un coefficient de trois doit être placé devant la molécule d’eau :
L’ajout de ces coefficients a affecté le nombre des atomes d’azote du côté réactif, et également le nombre des atomes d’oxygène du côté produit. Les atomes d’hydrogène sont maintenant équilibrés, mais nous devons rééquilibrer les atomes d’azote. Nous pouvons le faire en plaçant un coefficient deux devant la molécule d’oxyde nitrique :
Le fait de placer un coefficient deux devant la molécule d’oxyde nitrique a équilibré les atomes d’azote, et a affecté le nombre total des atomes d’oxygène du côté produit. Il ne reste plus qu’à équilibrer les atomes d’oxygène.
Le nombre desatomes d’oxygène du côté réactif de cette équation sera toujours égal au nombre des atomes d’oxygène dans une molécule d’oxygène multiplié par le coefficient :
Pour qu’il y ait cinq atomes d’oxygène du côté des réactifs, nous avons besoin de
Le coefficient serait (ou 2,5), comme indiqué ci-dessous :
L’équation chimique est maintenant équilibrée. Cependant, on nous demande dans cette question que l’équation soit équilibrée en utilisant les plus petits coefficients entiers possibles. On peut maintenir l’équation chimique équilibrée, et changer le coefficient décimal par un nombre entier devant la molécule d’oxygène, en multipliant tous les coefficients par deux :
L’équation chimique équilibrée pour la réaction de l’ammoniac avec l’oxygène en utilisant des coefficients entiers est
Points clés
- Une équation chimique équilibrée est une équation de réaction où le nombre des atomes de chaque élément est le même du côté réactif et du côté produit de l’équation.
- Les coefficients stoechiométriques sont placés devant des espèces chimiques dans une équation chimique afin d’équilibrer la réaction.
- Équilibrer des équations est un processus de « suppositions et vérifications ».
- L’équilibrage des équations peut être facilité en équilibrant les ions polyatomiques en tant qu’unité, et en équilibrant les éléments purs en dernier.
