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Fiche explicative de la leçon : Masses dans une réaction Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment calculer les masses des réactifs et des produits en utilisant leurs masses d’après leur formule chimique, leurs quantités molaires et leurs proportions.

Considérons l’équation chimique équilibrée suivante:2H()+O()2HO()222ggg

Le nombre apparaissant devant chaque molécule dans une équation chimique équilibrée s’appelle le coefficient stœchiométrique. Les coefficients stœchiométriques indiquent le nombre de molécules ou d’unités de chaque espèce nécessaire pour que la réaction ne viole pas la loi de la conservation de la masse.

Définition : Coefficients stœchiométriques

Le coefficient stœchiométrique représente le nombre apparaissant devant une espèce dans une équation chimique pour indiquer le nombre de ces espèces présent dans la réaction.

Lorsqu’aucun coefficient stœchiométrique n’apparaît devant une espèce, ce coefficient est considéré comme étant égal à un. Par conséquent, au cours de cette réaction, deux molécules de dihydrogène gazeux réagissent avec une molécule de dioxygène gazeux pour produire deux molécules d’eau à l’état vapeur. Cependant, si nous devions effectuer cette réaction, des millions de molécules de dihydrogène et de dioxygène gazeux réagiraient.

Étant donné que de nombreuses molécules réagissent au cours d'une réaction donnée, il est beaucoup plus fréquent que les chimistes considèrent les coefficients stœchiométriques comme étant la quantité de chaque substance en moles plutôt qu'en molécules individuelles.

La relation entre la quantité de matière en moles de deux substances dans une réaction chimique s'appelle le rapport molaire. Nous pouvons exprimer des rapports molaires entre deux espèces dans une réaction chimique, peu importe si ces espèces sont des réactifs ou des produits.

Définition : Rapport molaire

Le rapport molaire désigne la relation entre la quantité de matière en moles d’une substance et la quantité de matière en moles d’une autre substance qui sont toutes les deux impliquées dans une réaction chimique et représentées par des coefficients stœchiométriques dans une équation chimique équilibrée.

À partir de l’équation chimique équilibrée de la réaction entre le dihydrogène et le dioxygène pour produire de l’eau, nous pouvons constater que deux moles de dihydrogène gazeux réagissent pour produire deux moles de vapeur d’eau. Nous pouvons exprimer cette relation, soit le rapport molaire, de diverses façons, telles qu'indiquées dans la liste ci-dessous.

  • Le rapport molaire comme une expression 22molHmolHO22 où le symbole signifie qu'il s'agit d'une équivalence stœchiométrique.
  • Le rapport molaire comme un rapport 2222molHmolHO22
    Ou simplifié par 1111molHmolHO22
  • Le rapport molaire comme un facteur de conversion 2211.molHmolHOousimpliéparmolHmolHO2222 Ou l’inverse 2211.molHOmolHousimpliéparmolHOmolH2222

Exemple 1: Déduire le rapport molaire des réactifs dans une équation de réaction équilibrée

Le méthane se consume dans le dioxygène selon l’équation suivante:CH()+2O()CO()+2HO()4222gggg

  1. Quel est le rapport molaire entre le méthane et le dioxygène?
  2. Quel est le rapport molaire entre le méthane et le dioxyde de carbone?
  3. Quel est le rapport molaire entre l’oxygène et l’eau?

Réponse

Ces trois questions visent à déterminer le rapport molaire entre deux substances en utilisant une équation chimique équilibrée. Le rapport molaire correspond au nombre de moles d’une substance par rapport au nombre de moles d’une autre substance impliquée dans la même réaction chimique. Le coefficient stœchiométrique, soit le nombre qui apparaît devant une espèce dans une équation chimique, représente le nombre de moles de cette espèce nécessaire pour obtenir une réaction complète.

Partie 1

Pour déduire le rapport molaire entre le méthane (CH4) et le dioxygène (O2), nous devons identifier le coefficient stœchiométrique placé devant chaque espèce dans l’équation chimique. Le méthane n’a pas de nombre placé devant lui. Par conséquent, son coefficient stœchiométrique est égal à un. Le coefficient stœchiométrique placé devant le dioxygène est égal à deux. Par conséquent, nous pouvons exprimer ces deux valeurs sous forme de rapport, ce qui nous donne la valeur du rapport molaire entre le méthane et le dioxygène, soit 12.

Partie 2

Nous avons déjà déterminé que le coefficient stœchiométrique du méthane est égal à un. Le dioxyde de carbone (CO2) n’a pas de nombre placé devant lui dans l’équation chimique. Par conséquent, son coefficient stœchiométrique est également égal à un. Nous pouvons donc exprimer ces deux valeurs sous forme de rapport, ce qui nous donne la valeur du rapport molaire entre le méthane et le dioxyde de carbone, soit 11.

Partie 3

Les coefficients stœchiométriques placés devant le dioxygène (O2) et l’eau (HO2) sont tous les deux égaux à deux. Nous pouvons exprimer ces valeurs sous forme de rapport 22. Cependant, les rapports doivent toujours être simplifiés. Par conséquent, le rapport molaire entre le dioxygène et l’eau est de 11.

Nous pouvons utiliser des rapports molaires exprimés sous forme de facteur de conversion pour convertir entre les moles de deux substances différentes. Supposons que nous voulions savoir combien de moles de vapeur d’eau pourraient être produites à partir de huit moles de dihydrogène gazeux en présence de dioxygène gazeux en excès:2H()+O()2HO()222ggg

Nous pouvons utiliser l’analyse dimensionnelle pour convertir les huit moles de dihydrogène gazeux en moles de vapeur d’eau. Lors de ce processus, nous multiplions la valeur et l’unité d’origine par le rapport molaire approprié afin que toutes les unités non nécessaires s’annulent. Les unités apparaissant à la fois au numérateur et au dénominateur s'annulent.

Pour effectuer cette conversion, nous multiplions les moles de dihydrogène par le rapport molaire entre le dihydrogène et l’eau exprimé sous forme de fraction avec molH2 au dénominateur:8×11.moldeHmolHOmolH222

Par conséquent, les unités, soit les mol de H2, s'annulent:8×11,molHmolHOmolH222 ce qui nous laisse avec le nombre de moles d'eau:8×11=8.molHmolHOmolHmolHO2222

Notez que le rapport molaire a été exprimé en moles de dihydrogène au dénominateur. Considérons maintenant ce qui se passerait si le facteur de conversion était inversé, donc en moles de dihydrogène au numérateur:8×11.molHmolHmolHO222

L’unité mole apparaît au numérateur et au dénominateur, et nous pourrions donc penser que ces unités s'annulent. Cependant, il est important de considérer la substance comme faisant partie de l’unité. Ainsi, les mol de H2 au numérateur ne peuvent pas s'annuler avec les mol de HO2 au dénominateur.

Exemple 2: Calculer le nombre de moles consommées d’un réactif au cours d'une réaction à partir du nombre de moles d’un deuxième réactif

L'acétylène (CH22) est utilisé dans les torches de soudage. La combustion de l’acétylène est décrite par l’équation chimique équilibrée 2CH()+5O()4CO()+2HO()22222gggg

Si 8,5 moles d’acétylène sont consommées, combien de moles de dioxygène gazeux doivent avoir été consommées pour que la réaction soit complète?Donnez votre réponse au centième près.

Réponse

Nous devons utiliser l’analyse dimensionnelle pour convertir les moles d’acétylène en moles de dioxygène. Cela signifie que nous avons besoin d’un facteur de conversion qui relie les moles d’acétylène avec les moles de dioxygène. Ce facteur de conversion s'appelle le rapport molaire.

Les coefficients stœchiométriques dans une équation chimique équilibrée représentent le nombre de moles de chaque espèce nécessaire pour que la réaction soit complète. Les coefficients stœchiométriques placés devant le CH22 et le O2 sont respectivement deux et cinq. Le rapport molaire entre l’acétylène et le dioxygène, 25, peut être exprimé par les facteurs de conversion suivants:25,52.molCHmolOmolOmolCH222222

Au cours d’une analyse dimensionnelle, les unités apparaissant à la fois au numérateur et au dénominateur s’annulent. La valeur que nous convertissons est 8,5 moles de CH22. Nous avons besoin d'annuler les moles de CH22. Ainsi, nous devons multiplier la valeur d’origine par le facteur de conversion qui a les moles de CH22 au dénominateur:8,5×528,5×52.molCHmolOmolCHmolCHmolOmolCH2222222222

Nous effectuons ensuite le calcul afin de déterminer le nombre de moles de dioxygène gazeux:8,5×52=21,25.molCHmolOmolCHmolO222222

Lors de la combustion, 8,5 moles d’acétylène réagissent complètement avec 21,25 moles de dioxygène gazeux.

Les rapports molaires permettent d'effectuer la conversion entre les quantités de matière en moles de deux substances différentes. Cependant, lorsque nous souhaitons réaliser une réaction en laboratoire, nous ne mesurons pas nos réactifs en moles. Nous utilisons plutôt une balance afin de mesurer la masse de nos réactifs en grammes.

Considérons la réaction 2NaHCO()NaCO()+HO()+CO()32322aqsgg

Nous pouvons calculer combien de grammes de carbonate de sodium (NaCO23) nous nous attendons à produire en chauffant 46 grammes de bicarbonate de sodium (NaHCO3) dissous dans l'eau. À partir de l'équation chimique équilibrée, nous savons que 2 moles de bicarbonate de sodium peuvent produire 1 mole de carbonate de sodium, tel qu'exprimé par 21,21,12.molNaHCOmolNaCOmolNaHCOmolNaCOmolNaCOmolNaHCO323323233

Le rapport molaire concerne seulement le nombre de moles de chaque substance. Nous connaissons la masse de départ du bicarbonate de sodium en grammes et nous voulons déterminer la masse de carbonate de sodium qui peut être produite en grammes. Cela signifie que nous devons convertir la masse du bicarbonate de sodium en moles afin de pouvoir utiliser le rapport molaire pour comparer les deux composés. Ensuite, nous devons convertir les moles de carbonate de sodium en grammes. Cette suite de conversions est illustrée dans la figure suivante.

Nous pouvons convertir la masse en nombre de moles en utilisant l’équation 𝑛=𝑚𝑀,𝑛 représente la quantité de matière en moles, 𝑚 représente la masse en grammes et 𝑀 représente la masse molaire en grammes par mole.

En examinant ce problème, il est extrêmement important d'identifier chaque substance avec précaution, d’autant plus que les formules de ces deux composés sont très similaires. Il est également utile de déterminer les masses molaires des deux substances avant de résoudre le reste du problème.

La masse molaire de chaque composé peut être calculée en additionnant les masses molaires moyennes de ses atomes constitutifs:
la masse molaire du bicarbonate de sodium:𝑀=𝑀+𝑀+𝑀+3×𝑀𝑀=23/+1/+12/+(3×16/)𝑀=84/,()()()()()()()NaHCONaHCONaHCONaHCO333gmolgmolgmolgmolgmol
la masse molaire du carbonate de sodium:𝑀=2×𝑀+𝑀+3×𝑀𝑀=(2×23/)+12/+(3×16/)𝑀=106/.()()()()()()NaCONaCONaCONaCO232323gmolgmolgmolgmol

Nous pouvons maintenant commencer à résoudre le problème initial. Premièrement, nous devons remplacer la masse et la masse molaire du bicarbonate de sodium dans l'équation de la quantité de matière en mole:𝑛=𝑚𝑀𝑛=4684/.()()()()NaHCONaHCONaHCONaHCO3333ggmol

Ensuite, nous devons déterminer le nombre de moles de bicarbonate de sodium:𝑛=4684/=0,5476.()NaHCO33ggmolmolNaHCO

Nous pouvons alors multiplier le nombre de moles de bicarbonate de sodium par le rapport molaire entre le bicarbonate de sodium et le carbonate de sodium:0,5476×12.molNaHCOmolNaCOmolNaHCO3233

Nous avons exprimé le rapport molaire sous forme de fraction avec les moles de bicarbonate de sodium au dénominateur afin que les unités s'annulent:0,5476×12.molNaHCOmolNaCOmolNaHCO3233

Nous nous retrouvons donc avec des moles de carbonate de sodium:0,5476×12=0,2738.molNaHCOmolNaCOmolNaHCOmolNaCO323323

Finalement, nous pouvons remplacer le nombre de moles et la masse molaire du carbonate de sodium dans l'équation réarrangée de la quantité de matière en mole:𝑚=𝑛𝑀𝑚=0,2738106/.()()()()NaCONaCONaCONaCO23232323molgmol

Ensuite, nous pouvons calculer la masse de carbonate de sodium produite:𝑚=29,0238.()NaCO2323gdeNaCO

Par conséquent, le chauffage de 46 grammes de bicarbonate de sodium peut produire un peu plus de 29 grammes de carbonate de sodium.

Exemple 3: Calculer la masse d’un réactif dans une réaction ayant une stœchiométrie de un pour plusieurs

Le tétrachlorure de carbone peut être synthétisé en faisant réagir du dichlore avec du méthane selon l’équation CH()+4Cl()CCl()+4HCl()424gglg [C = 12 g/mol, H = 1 g/mol, Cl = 35,5 g/mol]

Si 8,0 g de HCl sont produits, quelle masse de méthane a été consommée?Donnez votre réponse au centième près.

Réponse

Cette question vise à convertir la masse en grammes de HCl en masse de méthane (CH4). Deux substances différentes peuvent être liées entre elles par leur rapport molaire. Le rapport molaire correspond à la quantité de matière en moles d’une substance par rapport à la quantité de matière en moles d’une autre substance, qui sont toutes les deux impliquées dans une réaction chimique. Les coefficients stœchiométriques dans une équation chimique équilibrée indiquent le nombre de moles de chaque espèce impliquée dans la réaction. Lorsqu’aucun nombre n’est placé devant une espèce, le coefficient est considéré comme étant égal à un. En observant l’équation chimique équilibrée, nous pouvons déterminer que le rapport molaire entre le CH4 et le HCl est de 1 mol de CH4 pour 4 mol de HCl.

Afin de pouvoir utiliser le rapport molaire, nous devons convertir la masse de HCl fournie dans la question en quantité de matière en moles. Cela peut être réalisé en utilisant l’équation 𝑛=𝑚𝑀,𝑛 représente la quantité de matière en moles, 𝑚 représente la masse en grammes et 𝑀 représente la masse molaire en grammes par mole. Pour utiliser cette équation, nous devons d’abord calculer la masse molaire du HCl en additionnant les masses molaires moyennes de ses atomes constitutifs:𝑀=𝑀+𝑀𝑀=1/+35,5/𝑀=36,5/.()()()()()HClHClHClHClgmolgmolgmol

Nous pouvons alors remplacer la masse et la masse molaire du HCl dans l’équation:𝑛=8,036,5/.ggmol

Ensuite, nous pouvons calculer le nombre de moles de HCl:𝑛=8,036,5/=0,219.ggmolmolHCl

Nous pouvons alors convertir les moles de HCl en moles de CH4 en multipliant la quantité de matière de HCl en moles par le rapport molaire exprimé sous forme de fraction. Le rapport molaire doit être exprimé avec les moles de HCl au dénominateur, 0,219×14,molHClmolCHmolHCl4 afin que les moles de molHCl s'annulent, 0,219×14,molHClmolCHmolHCl4 pour nous laisser avec des moles de CH4, 0,219×14=0,0548.molHClmolCHmolHClmolCH44

Comme la question vise à déterminer la masse de méthane, nous devons convertir la quantité de matière de méthane en moles en une masse en grammes. Nous pouvons utiliser la même équation de la quantité de matière en mole que nous avons utilisée précédemment:𝑛=𝑚𝑀, qui peut être réarrangée pour déterminer la masse:𝑚=𝑛𝑀.

Nous connaissons le nombre de moles de méthane, mais nous devons calculer sa masse molaire en additionnant les masses molaires moyennes de ses atomes constitutifs:𝑀=𝑀+4×𝑀𝑀=12/+(4×1/)𝑀=16/.()()()()()CHCHCHCH444gmolgmolgmol

Nous pouvons alors remplacer la masse molaire et la quantité de matière de CH4 en moles dans l’équation:𝑚=0,054816/.molgmol

Ensuite, nous pouvons calculer la masse de méthane:𝑚=0,877.gdeCH4

En arrondissant notre réponse au centième près, nous pouvons affirmer que si 8,0 g de HCl sont produits, 0,88 gramme de méthane a été consommé.

Nous avons maintenant appris comment la quantité de matière d’une substance en moles peut être liée à la masse de cette substance ou à la quantité de matière d’une autre substance exprimée en moles. La quantité de matière d’une substance en moles peut également être liée au nombre d’entités (atomes, molécules, unités, ions ou particules) d’une substance par l’équation 𝑛=𝑁𝑁,𝑛 représente la quantité de matière en moles, 𝑁 représente le nombre d’entités et 𝑁 représente la constante d’Avogadro (6,022×10 mol−1). La figure suivante illustre la relation entre les masses, les quantités de matière en moles et le nombre d’entités de deux substances.

Exemple 4: Calculer la masse de dioxygène nécessaire pour réagir avec un nombre donné d’atomes de magnésium

Combien de grammes de dioxygène gazeux sont nécessaires pour réagir complètement avec 2,93×10 atomes de magnésium pour produire de l’oxyde de magnésium?Donnez votre réponse au centième près en utilisant la notation scientifique. [O = 16 g/mol ,Mg = 24 g/mol]

Réponse

Afin d'établir la relation entre le dioxygène gazeux et le magnésium, nous avons besoin d'une équation chimique équilibrée. Le magnésium et le dioxygène gazeux sont des réactifs et doivent apparaître du côté gauche de la flèche de réaction. Le dioxygène gazeux est une molécule diatomique lorsqu’elle est à l’état pur et doit apparaître sous forme de O2 dans l’équation chimique. L'oxyde de magnésium, dont la formule chimique est le MgO, constitue le produit et doit apparaître du côté droit de la flèche de réaction. Par conséquent, la réaction s'écrit comme suit:Mg+OMgO2

Telle qu'elle est exprimée ci-dessus, cette équation chimique est déséquilibrée. Nous pouvons l’équilibrer en dressant la liste des atomes de chaque élément présents des deux côtés de l’équation.

Nous pouvons constater que les atomes de magnésium sont équilibrés, mais pas les atomes d’oxygène. Par conséquent, nous devons placer un coefficient de deux devant l’oxyde de magnésium pour équilibrer les atomes d’oxygène.

Le fait de placer un coefficient de deux devant l’oxyde de magnésium déséquilibre les atomes de magnésium. Cependant, ils peuvent être rééquilibrés en plaçant un coefficient de deux devant le magnésium du côté des réactifs.

Les coefficients stœchiométriques dans une équation chimique équilibrée indiquent le nombre de moles de chaque espèce impliquée dans la réaction. Lorsqu’aucun nombre n’est placé devant une espèce, le coefficient est considéré comme étant égal à un. En observant l’équation chimique équilibrée ci-dessus, nous pouvons constater que deux moles de magnésium réagissent avec une moles de dioxygène. Cette relation s'appelle le rapport molaire et peut être utilisée comme facteur de conversion pour convertir entre les deux substances.

Cependant, la question nous fournit la quantité de magnésium en atomes plutôt qu'en moles. Par conséquent, nous devons convertir un nombre d’entités, dans ce cas-ci des atomes, en moles en utilisant l’équation 𝑛=𝑁𝑁,𝑛 représente la quantité de matière en moles, 𝑁 représente le nombre d’entités et 𝑁 représente la constante d’Avogadro (6,022×10 mol−1). Nous pouvons alors remplacer le nombre d’atomes et la constante d’Avogadro dans l’équation 𝑛=2,93×106,022×10,mol et calculer le nombre de moles de magnésium:𝑛=0,00487.molMg

Ensuite, nous pouvons convertir les moles de magnésium en moles de dioxygène gazeux en multipliant par le rapport molaire exprimé sous forme de fraction. Le rapport molaire doit être exprimé avec les moles de magnésium au dénominateur, 0,00487×12,molMgmolOmolMg2 afin que les mol de Mg s'annulent, 0,00487×12,molMgmolOmolMg2 ce qui nous laisse avec des moles de O2, 0,00487×12=0,00243.molMgmolOmolMgmolO22

Comme la question vise à déterminer la masse de dioxygène gazeux en grammes, nous devons convertir la quantité de matière de dioxygène gazeux en moles en une masse en grammes. Pour effectuer cette conversion, nous pouvons utiliser l’équation 𝑛=𝑚𝑀,𝑛 représente la quantité de matière en moles, 𝑚 représente la masse en grammes et 𝑀 représente la masse molaire en grammes par mole. Nous devons ensuite réarranger cette équation pour pouvoir calculer la masse:𝑚=𝑛𝑀.

Ensuite, nous devons remplacer la quantité de matière et la masse molaire de dioxygène gazeux (32 g/mol) dans l’équation 𝑚=0,00243×32/,molgmol afin de calculer la masse de dioxygène gazeux 𝑚=0,077848.gO2

La question nous demande de donner notre réponse arrondie au centième près en notation scientifique. En écrivant correctement notre réponse, 7,78×10 grammes de dioxygène gazeux sont nécessaires pour réagir complètement avec 2,93×10 atomes de magnésium afin de produire de l’oxyde de magnésium.

Points clés

  • Dans une équation chimique équilibrée, le coefficient stœchiométrique représente le nombre de moles de chaque substance.
  • La relation entre les quantités de matière en moles de deux substances dans une réaction chimique s'appelle le rapport molaire.
  • Les moles d’une substance peuvent être converties en moles d’une autre substance en les multipliant par le rapport molaire exprimé sous forme de fraction.

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