La stœchiométrie est une branche de la chimie qui traite des relations quantitatives entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique. Connaître la stœchiométrie permet aux chimistes de déterminer les quantités de substances consommées et produites lors d'une réaction, ce qui la rend cruciale pour les travaux de laboratoire et les applications industrielles.
En stœchiométrie, l’équation chimique fournit la recette d’une réaction chimique. Il montre quels réactifs se combinent et quels produits se forment, ainsi que leurs quantités respectives. Considérons l'équation de la combustion du méthane :
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{Ô}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{Ô} \)Cette équation nous dit qu'une molécule de méthane ( \(\textrm{CH}_4\) ) réagit avec deux molécules d'oxygène ( \(2\textrm{Ô}_2\) ) pour produire une molécule de dioxyde de carbone ( \(\textrm{CO}_2\) ) et deux molécules d'eau ( \(2\textrm{H}_2\textrm{Ô}\) ).
La taupe est une unité utilisée en chimie pour exprimer les quantités d’une substance chimique. Une taupe contient exactement \(6.022 \times 10^{23}\) particules de la substance (numéro d'Avogadro). En utilisant le concept de taupe, les chimistes peuvent relier la masse de substances au nombre de particules ou de taupes impliquées dans une réaction.
Les nombres devant les formules chimiques dans une équation chimique sont appelés coefficients stœchiométriques. Ils indiquent les proportions dans lesquelles les réactifs se combinent et les produits se forment. Dans l’exemple de combustion du méthane, les coefficients stœchiométriques sont 1 pour le méthane, 2 pour l’oxygène, 1 pour le dioxyde de carbone et 2 pour l’eau.
Pour effectuer des calculs stœchiométriques, nous devons souvent convertir des moles en grammes ou vice versa. Cela peut être fait en utilisant la masse molaire de la substance, qui est la masse d’une mole de cette substance. La masse molaire d'un composé est la somme des masses molaires de ses composants. Par exemple:
Calculons la masse de dioxyde de carbone produite lorsque \(50.0\, \textrm{g}\) de méthane est complètement brûlé dans l'oxygène. La masse molaire du méthane est \(16.04\, \textrm{g/mole}\) et la masse molaire du dioxyde de carbone est \(44.01\, \textrm{g/mole}\) .
Tout d’abord, convertissez la masse de méthane en taupes :
\( \textrm{taupes de CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mole}} \)En utilisant les coefficients stœchiométriques de l’équation équilibrée, nous savons que 1 mole de méthane produit 1 mole de dioxyde de carbone, donc les moles de dioxyde de carbone produites seront égales aux moles de méthane ayant réagi.
Ensuite, convertissez les moles de dioxyde de carbone en grammes :
\( \textrm{masse de CO}_2 = \textrm{moles de CO}_2 \times \textrm{masse molaire de CO}_2 \)Dans une réaction chimique, le réactif limitant est la substance qui est complètement consommée en premier et détermine la quantité maximale de produit pouvant être formée. Le rendement théorique est la quantité maximale de produit attendue d'une réaction, basée sur la quantité de réactif limitant.
Pour identifier le réactif limitant, comparez le rapport molaire des réactifs disponibles avec le rapport molaire requis par l’équation chimique équilibrée. Le réactif qui fournit le moins de produit selon le rapport stoechiométrique est le réactif limitant. Le calcul du rendement théorique implique d'utiliser la quantité de réactif limitant et la stœchiométrie de la réaction.
Considérons la réaction entre l'azote gazeux ( \(\textrm{N}_2\) ) et l'hydrogène gazeux ( \(\textrm{H}_2\) ) pour produire de l'ammoniac ( \(\textrm{NH}_3\) ) :
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Si nous avons 28 g de \(\textrm{N}_2\) et 10 g de \(\textrm{H}_2\) , quel est le réactif limitant et quel est le rendement théorique de \(\textrm{NH}_3\) ?
Masse molaire de \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mole}\) ; Masse molaire de \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mole}\)
Convertir des grammes en moles :
\( \textrm{moles de N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mole}} \) \( \textrm{taupes de H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mole}} \)Comparez le rapport molaire disponible de \(\textrm{H}_2\) à \(\textrm{N}_2\) avec le rapport stœchiométrique de l'équation. Le réactif limitant détermine la quantité maximale de \(\textrm{NH}_3\) qui peut être produite. Convertissez les moles du réactif limitant en moles de \(\textrm{NH}_3\) en utilisant les coefficients stoechiométriques, puis en grammes si nécessaire.
Les calculs stœchiométriques ne se limitent pas aux réactifs et aux produits sous leur forme pure ; ils s’appliquent également aux solutions. Dans les solutions aqueuses, les concentrations sont souvent exprimées en molarité, qui correspond aux moles de soluté par litre de solution ( \(M = \textrm{mole/L}\) ).
Lors de réactions en solution, le volume de solution et sa molarité peuvent être utilisés pour trouver les moles de réactif ou de produit impliquées. Ceci est particulièrement utile dans les expériences de titrage, où une solution de concentration connue est utilisée pour déterminer la concentration d'une solution inconnue par neutralisation.
Supposons que nous devions neutraliser 50,0 ml d’une solution de HCl 1,0 M avec une solution de NaOH. La réaction est la suivante :
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{Ô} \)La stœchiométrie de la réaction nous indique qu’une mole de HCl réagit avec une mole de NaOH pour produire une mole de NaCl et une mole d’eau. Tout d’abord, déterminez les moles de HCl :
\( \textrm{Taupes de HCl} = \textrm{Volume (L)} \times \textrm{Molarité (M)} \)Ensuite, en utilisant le rapport stœchiométrique, calculez le volume de solution de NaOH nécessaire pour réagir complètement avec la solution de HCl. Cet exemple démontre l'application de la stœchiométrie dans les solutions, où la concentration et le volume des solutions déterminent les quantités de réactifs et de produits.
La stœchiométrie est un concept fondamental en chimie qui permet l'analyse quantitative des réactifs et des produits dans une réaction chimique. En comprenant la relation entre les quantités de différentes substances impliquées dans une réaction, les chimistes peuvent prédire les rendements des produits, identifier les réactifs limitants et calculer les quantités de matières nécessaires aux réactions. Qu'il s'agisse de réactions sous leurs formes pures ou en solutions, les calculs stœchiométriques fournissent des informations précieuses pour les expériences en laboratoire et les processus chimiques industriels. Les composants clés, notamment le concept de taupe, les coefficients stoechiométriques et la capacité de convertir entre moles et grammes ou de déterminer les concentrations dans les solutions, sont essentiels pour effectuer ces calculs avec précision. Grâce à la pratique et à l'application, on peut maîtriser les calculs stœchiométriques et les appliquer à un large éventail de problèmes chimiques.
