Vidéo de la leçon: Pourcentage de rendement Chimie • Première secondaire

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à calculer le rendement d’une réaction en termes de pourcentage. Pour ce faire, nous allons d’abord apprendre à identifier le réactif limitant et à calculer le rendement théorique. Enfin, nous examinerons quels facteurs ont un effet sur le rendement d’une réaction.

Voyons le rendement dans un contexte très large avant de rentrer dans les détails. La plupart des choses que nous utilisons dans la vie quotidienne sont le résultat d’un processus de fabrication impliquant des réactions chimiques. Les peintures, les plastiques, les métaux qui nous entourent, les engrais utilisés par les agriculteurs, les additifs alimentaires et les médicaments que nous consommons ont tous été initialement produits ou synthétisés dans de grandes usines à l’aide de réactions chimiques.

L’industrie chimique est un gros business. Et de nombreuses recherches sont menées pour synthétiser ces produits chimiques rapidement et de manière rentable. La mesure du rendement de ces réactions, en pourcentage du rendement idéal, est un facteur important. Dans la réalité, cependant, la quantité de substance produite dans une réaction chimique est souvent inférieure à la quantité maximale, ou idéale, qui pourrait être formée dans certaines conditions.

Examinons l’équation que les scientifiques utilisent pour décrire le résultat réel d’une réaction chimique par rapport au résultat maximum ou idéal. Ensuite, nous exprimerons cela en pourcentage. On peut décrire le rendement d’une réaction en prenant le rendement réel divisé par le rendement théorique, multiplié par 100 si on veut l’exprimer en pourcentage. Notez que parfois le signe de pourcentage n’est pas visible dans cette équation.

Le rendement réel, également appelé rendement expérimental, est la quantité de produit réellement obtenue après une réaction. Il est généralement mesuré en moles ou en grammes. Si le produit est un solide, on peut le peser avec une balance de laboratoire pour obtenir le rendement réel. Le rendement théorique est la quantité maximale de produit qui pourrait être formée à partir des quantités données de réactifs. Il est également généralement exprimé en moles ou en grammes, et on le détermine par calcul.

Le rendement en pourcentage est toujours une valeur positive. Il est normalement inférieur à 100 pour cent, mais on peut parfois trouver une valeur supérieure à 100 pour cent. S’il est supérieur à 100 pour cent, nous savons que quelque chose d’inattendu s’est produit dans la réaction et qu’il reste une impureté ou un solvant dans le produit. La présence d’impureté ou de solvant rend la masse pesée supérieure à la masse maximale possible qui correspondrait à 100 pour cent.

Donc, pour calculer le rendement en pourcentage, nous avons besoin de deux valeurs : le rendement réel et le rendement théorique. Nous avons vu que le rendement réel est une quantité mesurée et que le rendement théorique est une quantité calculée. Donc, pour calculer le rendement en pourcentage, on doit d’abord calculer le rendement théorique. Mais pour déterminer le rendement théorique, on doit d’abord déterminer quel réactif est limitant dans la réaction. Mais qu’est-ce qu’un réactif limitant ?

Voici la réaction du fer avec le soufre pour produire le sulfure de fer (II). Les coefficients stœchiométriques nous indiquent qu’un atome de fer réagit avec un atome de soufre pour produire une unité de formule de sulfure de fer (II), ou qu’une mole de fer réagit avec une mole de soufre pour former une mole de produit. Cependant, ce schéma montre que parfois, les réactifs ne sont pas présents dans les mêmes proportions que dans l’équation équilibrée.

On peut voir sur le schéma que lorsque le fer et le soufre réagissent, l’un des atomes de fer n’a pas d’atome de soufre avec lequel réagir. On peut voir que le fer n’est pas complètement utilisé. On dit que le fer est en excès, c’est le réactif en excès dans cet exemple. D’autre part, dans cet exemple particulier, le soufre est complètement utilisé. Tout le soufre réagit. Dans ce cas, on appelle le soufre le réactif limitant. À la fin d’une réaction, le réactif limitant est celui qui est complètement utilisé. Et une partie du réactif en excès ne réagit pas.

Il est important d’identifier quel réactif est limitant car c’est lui qui détermine la quantité de produit qui pourra se former. Le réactif limitant dans cet exemple, le soufre, détermine directement la quantité de produit, le sulfure de fer (II), qui peut se former. En d’autres termes, le réactif limitant détermine le rendement théorique.

Voyons comment identifier le réactif limitant. Imaginez que deux moles de propane, C3H8, réagissent avec sept moles d’oxygène gazeux pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau. L’équation équilibrée est représentée ici. Il existe deux méthodes pour déterminer quel réactif est limitant.

Dans la première méthode, il y a deux étapes. La première étape consiste à calculer le nombre de moles de réactif un nécessaires si la totalité du réactif deux est utilisée, et la deuxième étape consiste à comparer ce nombre de moles calculées de réactif un avec son nombre de moles réellement donné. D’après l’équation équilibrée, on sait qu’une mole de propane réagit avec cinq moles d’oxygène. On peut calculer le nombre de moles de propane nécessaires si toutes les moles d’oxygène sont utilisées, en écrivant 𝑥 moles de propane réagissent avec sept moles d’O2.

On peut maintenant calculer 𝑥 en disant que cinq 𝑥 est égal à un multiplié par sept. On peut alors isoler 𝑥 dans la formule. 𝑥 est égal à une fois sept divisé par cinq. Et on trouve que 𝑥 est égal à 1,4 mole de propane nécessaire pour utiliser les sept moles d’oxygène.

Dans la deuxième étape, on doit comparer le nombre de moles de réactif un nécessaires, le propane, avec son nombre de moles donné. Et on peut voir que le nombre de moles de propane nécessaires, soit 1,4 mole, est inférieur au nombre de moles de propane donné, qui est de deux moles. On peut donc dire que le propane est en excès car il y a plus de propane que nécessaire. On dit que le propane est le réactif en excès. Et par conséquent, l’oxygène est le réactif limitant. Écrivons dans l’équation « E » pour excès à côté du propane et « L » pour limitant à côté de l’oxygène.

Il existe une alternative dans cette première méthode. À l’inverse, on calcule le nombre de moles de réactif deux nécessaire si la totalité du réactif un est utilisée, puis dans la deuxième étape, on compare ce nombre de moles calculées de réactif deux avec son nombre de moles réellement donné. Effaçons donc les nombres soulignés en rose et remplaçons-les. Là où il y en avait un, on met maintenant deux. Et là où il y avait deux, on met maintenant un.

Maintenant, on prend le nombre donné de moles de propane pour calculer le nombre de moles d’oxygène qu’il faut pour utiliser ce nombre de moles de propane. On fait exactement le même calcul que précédemment et on trouve que 10 moles d’oxygène sont nécessaires pour utiliser les deux moles de propane. Si on compare ensuite les moles d’oxygène nécessaires, 10 moles, avec les moles d’oxygène données, sept moles, on voit qu’il faut de plus de moles que ce qui est disponible. Ainsi, la totalité des sept moles d’oxygène réagira, et l’oxygène est donc le réactif limitant. Et par défaut, le propane est le réactif en excès. Et cela confirme ce que nous avons vu dans la première version de cette méthode.

Dans la deuxième méthode, on doit calculer séparément la quantité de produit formée à partir des quantités disponibles de chaque réactif, puis comparer ces deux quantités calculées de produit pour voir laquelle est la plus petite. Disons que le dioxyde de carbone est le produit en question. Pour la première étape, on relie les moles de propane aux moles de dioxyde de carbone et les moles d’oxygène aux moles de dioxyde de carbone.

Ici, pour gagner de la place, nous n’écrivons pas sous forme de phrase mais sous forme de rapport. Une mole de propane réagit pour produire trois moles de dioxyde de carbone. Donc, les deux moles de propane données produiront 𝑥 moles de dioxyde de carbone. En résolvant l’équation comme précédemment, on trouve que 𝑥 est égal à six moles de dioxyde de carbone pouvant être produit à partir des deux moles de propane. Et nous avons vu que cinq moles d’oxygène réagissent pour produire trois moles de dioxyde de carbone. Donc, en prenant les sept moles d’oxygène données, on peut calculer 𝑥, le nombre relatif de moles de dioxyde de carbone produit à partir des sept moles d’oxygène. En faisant le calcul comme précédemment, on trouve que 𝑥 eset égal à 4,2 moles de dioxyde de carbone pouvant être produit à partir des sept moles d’oxygène.

L’étape suivante consiste à comparer ces deux valeurs pour voir laquelle est la plus petite. Et on peut voir que le nombre de moles de CO2 pouvant être produit à partir de l’oxygène disponible est inférieur au nombre de moles de CO2 pouvant être produit à partir du propane disponible. Cela confirme à nouveau que l’oxygène est le réactif limitant et que le propane est le réactif en excès.

Les 4,2 moles de CO2 correspondent au rendement théorique, au rendement maximum possible de CO2 qui peut se former. Nous savons cela parce que ce nombre de moles est produit à partir des moles d’oxygène, le réactif limitant. Et nous avons vu que c’est le réactif limitant qui détermine le nombre de moles de produit pouvant se former.

Jusqu’à présent, nous avons appris ce qu’est un réactif limitant, comment identifier un réactif limitant par calcul et comment il peut déterminer la quantité maximale de produit pouvant se former, autrement dit le rendement théorique. Prenons maintenant un exemple de calcul du rendement en pourcentage.

L’équation montre que 31,5 grammes de zinc ont réagi avec un excès de sulfate de cuivre en solution pour former 28,1 grammes de cuivre, ainsi que du sulfate de zinc en solution. La masse de cuivre donnée peut être considérée comme le rendement réellement obtenu. Et comme le sulfate de cuivre est en excès, on sait automatiquement que le zinc est le réactif limitant.

On doit calculer la masse molaire du zinc puis son nombre de moles. Et à partir de ce nombre de moles, on peut calculer le nombre de moles de produit, qui est le rendement théorique. On peut alors prendre la masse molaire du cuivre pour calculer la masse correspondante. Et cela donne le rendement théorique en grammes. Les deux valeurs signalées par une étoile sont les valeurs dont nous aurons besoin pour calculer le rendement en pourcentage. Donc, si on prend la masse molaire du zinc dans le tableau périodique, 65,38 grammes par mole, on peut déterminer son nombre de moles, et à l’aide de la masse et de la masse molaire, on trouve 0,482 moles de zinc.

À partir de l’équation équilibrée, on sait qu’une mole de zinc permet de produire une mole de cuivre. Donc, 0,482 mole de zinc produira 0,482 mole de cuivre. On peut alors calculer la masse correspondant à 0,482 mole de cuivre. En utilisant le nombre de moles et la masse molaire donnée par le tableau périodique pour le cuivre, on trouve que 30,63 grammes de cuivre peuvent être produits à partir des 31,5 grammes de zinc. Voilà le rendement théorique en cuivre en grammes.

Puisqu’on connaît le rendement réel et le rendement théorique du cuivre, on peut maintenant calculer son rendement en pourcentage en divisant le rendement réel par le rendement théorique puis en multipliant par 100. On peut mettre les valeurs dans la formule. Et on trouve un rendement de 91,7 pour cent. Qu’est-ce que cela signifie ? Ça veut dire que des 100 pour cent du cuivre qui aurait théoriquement pu se former, 91,7 pour cent de ce cuivre s’est réellement formé. Les 8,3 pour cent restants n’ont pas été produits ou n’ont pas été collectés. En réalité, une réponse de 91,7 pour cent est logique car le numérateur est légèrement plus petit que le dénominateur. C’est souvent le cas. Le rendement en pourcentage est très souvent inférieur à 100 pour cent, bien qu’il puisse parfois être supérieur à 100 pour cent.

Examinons les facteurs qui affectent le rendement en pourcentage. En voici quelques-uns. Les quatre premiers facteurs causent des rendements inférieurs à 100 pour cent. Et le dernier facteur entraîne des rendements supérieurs à 100 pour cent ou au moins supérieurs à un rendement réaliste.

Dans une réaction incomplète, tous les réactifs ne sont pas utilisés et transformés en produit. Dans les réactions réversibles, une partie du produit se retransforme en réactif. Lorsque des réactions secondaires se produisent, le produit souhaité peut être formé en plus petite quantité. Lorsqu’on isole le produit à la fin d’une réaction, on n’arrive pas toujours à récupérer la totalité du produit formé. Cela peut être dû à diverses raisons. Par exemple, quand on fait une recristallisation, il arrive que tout le produit dissous dans un solvant ne se recristallise pas pour former des cristaux pouvant collectés par filtration. Un autre exemple est lorsqu’on transfère un produit d’un récipient à un autre. Parfois, certaines particules du produit collent dans le premier récipient et sont impossibles à récupérer.

Dans le cas d’un produit contaminé ou humide, le rendement réel est parfois supérieur au rendement théorique, ce qui donne un rendement supérieur à 100 pour cent. En effet, une impureté ou un solvant présent dans un produit, représenté en bleu sur le diagramme, augmente le rendement réel plus que ce qui est réaliste.

Un rendement inférieur à 100 pour cent, bien qu’il ne soit pas idéal, est correct. Par exemple, le procédé industriel Haber est une réaction réversible qui a un rendement très faible, parfois de l’ordre de 20 pour cent lorsque la réaction est effectuée à température élevée. En revanche, un rendement supérieur à 100 pour cent indique toujours que quelque chose s’est mal passé. Donc, la prochaine fois que vous obtenez un rendement supérieur à 100 pour cent, ne vous réjouissez pas trop tôt !

Récapitulons les principaux points que nous avons vus dans cette leçon. Premièrement, le rendement réel est la quantité de produit formé et réellement collecté. Le rendement théorique est la quantité maximale calculée de produit pouvant se former à partir des quantités données de réactifs. Ensuite, nous avons appris que le rendement en pourcentage est le rendement réel divisé par le rendement théorique multiplié par 100, et que le réactif limitant détermine directement le rendement théorique du produit pouvant être formé.

Et enfin, nous avons appris les facteurs qui affectent le rendement en pourcentage. Ces facteurs comprennent l’état d’avancement de la réaction si celle-ci n’est pas complète, les réactions secondaires, la réversibilité des réactions, ainsi que la collecte et la pureté du produit.