En tant que chimistes, si nous examinons attentivement une réaction chimique, nous nous demandons : "Est-ce que chaque réactif se transforme en produit ?" Parfois, oui, cela se produit, mais parfois ce n'est pas le cas et parfois tous les réactifs n'ont même pas changé d'une quelconque manière. La façon dont nous pouvons analyser ce phénomène est un concept appelé taux d'avancement. Le taux d'avancement nous permet d'explorer la quantité d'un produit qui devrait être produite et la quantité de produit réellement produite, et c'est ce que nous allons explorer dans ce résumé de cours.
- Nous verrons ce qu'est le taux d'avancement, les facteurs qui l'influencent et nous apprendrons également à calculer le taux d'avancement.
- Nous examinerons les réactifs limitants et la manière de trouver le réactif limitant dans une réaction chimique.
- Enfin, nous examinerons les erreurs du taux d'avancement et la manière de les minimiser.
Nous pouvons avoir une idée de la quantité de produit (ou taux) que nous obtiendrons d'une réaction en utilisant la masse moléculaire des échantillons impliqués.
Prenons l'exemple de la réaction entre l'éthène et l'eau pour produire de l'éthanol. Observe les masses moléculaires de l'éthène, de l'eau et de l'éthanol indiquées ci-dessous.
Fig. 1- Taux d'avancement en pourcentage
Transformation chimique
Une transformation chimique est un processus au cours duquel certaines substances disparaissent et de nouvelles substances sont formées.
Une transformation chimique peut être décrite par une simple équation à mots :
- Les substances qui sont consommées lors d'une transformation chimique sont appelées réactifs.
- Les substances qui sont formées lors d'une transformation chimique sont appelées produits.
Taux de transformation chimique
Tu peux voir dans l'équation équilibrée de l'image ci-dessus qu'une mole d'éthène réagit avec l'eau pour produire une mole d'éthanol. Nous pouvons deviner que si nous faisons réagir \( 28 \ g \) d'éthène avec de l'eau, nous obtiendrons \( 46 \ g \) d'éthanol. Mais cette masse n'est que théorique. Dans la pratique, la quantité réelle de produit que nous obtenons est inférieure à celle que nous prédisons en raison de l'inefficacité du processus de réaction.
Si tu devais réaliser une expérience avec exactement \( 1 \ mole \) d'éthylène et un excès d'eau, la quantité de produit, l'éthanol, serait inférieure à \( 1 \ mole \) . Nous pouvons déterminer l'efficacité d'une réaction en comparant la quantité de produit obtenue lors d'une expérience à la quantité théorique de l'équation équilibrée. C'est ce que nous appelons le taux de transformation chimique.
Le taux d'avancement mesure l'efficacité d'une réaction chimique. Il nous indique la quantité de nos réactifs (en pourcentage) qui s'est transformée avec succès en un produit.
Taux d'avancement : Facteurs influencent
Le processus de réaction est inefficace pour un certain nombre de facteurs, dont certaines sont énumérées ci-dessous.
- Certains des réactifs ne se transforment pas en produit.
- Une partie des réactifs se perd dans l'air (s'il s'agit d'un gaz).
- Des produits non désirés sont générés par des réactions secondaires.
- La réaction atteint l'équilibre.
- Des impuretés arrêtent la réaction.
Taux de transformation : Calcul
Nous calculons le taux d'avancement à l'aide de la formule :
$$ Taux \ d'avancement= \frac{taux \ d'avancement \ réel}{taux \ d'avancement \ théorique} \times 100 $$
Le taux d'avancement réel est la quantité de produit que tu obtiens pratiquement d'une expérience. Il est rare d'obtenir un taux d'avancement de \( 100 \ \% \) dans une réaction en raison de l'inefficacité du processus de réaction.
Le taux d'avancement théorique (ou taux d'avancement prédit) est la quantité maximale de produit que tu peux obtenir d'une réaction. C'est le taux d'avancement que tu obtiendras si tous les réactifs de ton expérience se transformaient en produit.
Illustrons cela par un exemple.
Dans la réaction suivante, \( 34 \ g \) de méthane réagissent avec un excès d'oxygène pour produire \( 73 \ g \) de dioxyde de carbone. Trouve le pourcentage de rendement.
$$ CH_4+2O_2 \rightarrow CO_2 +2H_2O $$
\( 1 mole \) de méthane \( CH_4 \) produit 1 mole de dioxyde de carbone \( CO_2 \)
\( CH_4 = 16g/mol \)
\( 34 \ g \) de méthane \( = 34 ÷ 16 = 2,125 \ mol \) depuis = \( n= \frac{m}{M} \)
D'après l'équation, pour chaque mole de \( CH_4 \) , on obtient une mole de \( CO_2 \) , donc théoriquement, on devrait aussi produire \( 2,125 \ mol \) de dioxyde de carbone.
La masse moléculaire de \( CO_2 \) est de \( 44 g/mol \) :
M(C) = \( 12 g/mol \)
M(O) = \( 16 g/mol \)
Donc M( \( CO_2 \) ) \( = 12 + 2 \times 16 = 44 g/mol \) .
Rappelle-toi : \( n= \frac{m}{M} \Leftrightarrow m= n \times M \)
En multipliant la masse moléculaire avec la quantité de substance, nous pouvons obtenir le taux d'avancement théorique.
\( 44 \ g \times 2,125 = 93,5 \ g \)
Le taux d'avancement théorique (maximal) est donc de \( 93,5 \ g \) de dioxyde de carbone.
Taux d'avancement réel \( = 73 \ g \)
Taux d'avancement théorique \( = 93,5 \ g \)
Taux d'avancement en pourcentage \( = (73 ÷ 93,5) \times 100 = 78,075 \% \)
Cela signifie que le taux d'avancement en pourcentage est de \( 78{,}075 \% \) .
Transformation totale
On appelle transformation totale si au moins un des réactifs a été totalement ou entièrement consommé à la fin de la réaction.
On dit que la transformation est non totale si tous les réactifs de départ sont présents à la fin de la réaction.
Réactifs limitants
Parfois, nous n'avons pas assez d'un réactif pour former la quantité de produit dont nous avons besoin.
Imagine que tu prépares neuf gâteaux pour une fête, mais que onze invités se présentent. Tu aurais dû faire plus de gâteaux ! Les gâteaux sont maintenant un facteur limitant.
Fig. 2- Réactif limitant.
De la même manière, si tu n'as pas assez d'un certain réactif pour une réaction chimique, la réaction s'arrêtera lorsque le réactif sera épuisé. On appelle ce réactif un réactif limitant.
Un réactif limitant est un réactif qui est entièrement utilisé dans une réaction chimique. Une fois que le réactif limitant est épuisé, la réaction s'arrête.
Un ou plusieurs des réactifs peuvent être en excès. Ils ne sont pas tous utilisés dans une réaction chimique. On les appelle réactifs en excès.
Comment trouver le réactif limitant
Pour déterminer lequel des réactifs d'une réaction chimique est le réactif limitant, tu dois commencer par l'équation équilibrée de la réaction, puis déterminer la relation entre les réactifs en moles ou par leur masse.
Prenons un exemple pour trouver le réactif limitant dans une réaction chimique.
$$ C_2H_4+ Cl_2 \rightarrow C_2H_4Cl_2 $$
L'équation équilibrée montre que \( 1 mole \) d'éthène réagit avec \( 1 mole \) de chlore pour produire \( 1 mole \) de dichloroéthane. L'éthène et le chlore sont tous utilisés lorsque la réaction s'arrête.
| \( C_2H_4+ \ Cl_2 \ \rightarrow \ C_2H_4Cl_2 \) |
| \( Début \) | \( 1 \ mole \) | \( 1 \ mole \) | |
| \( Fin \) | \( 0 \ mole \) | \( 0 \ mole \) | \( 1 \ mole \) |
Que se passe-t-il si nous utilisons \( 1,5 mole \) de chlore ? Quelle quantité de réactifs reste-t-il ?
| \( C_2H_4 \ + \ Cl_2 \ \rightarrow \ C_2H_4Cl_2 \) |
| \( Début \) | \( 1 \ mole \) | \( 1.5 \ moles \) | |
| \( Fin \) | \( 0 \ mole \) | \( 0.5 \ moles \) | \( 1 \ moles \) |
\( 1 \ mole \) d'éthène et \( 1 \ mole \) de chlore réagissent pour donner \( 1 \ mole \) de dichloroéthane. Il reste \( 0,5 \) mole de chlore. L'éthène est le réactif limitant dans ce cas, car il est entièrement utilisé à la fin de la réaction.
Tu peux également utiliser l'astuce consistant à diviser le nombre de moles de chaque réactif par son coefficient stœchiométrique pour déterminer quel réactif est limitant. Le réactif dont le rapport molaire est le plus petit est limitant.
Dans l'exemple ci-dessus :
\( C_2H_4+ Cl_2 \rightarrow C_2H_4Cl_2 \)
Coefficient stœchiométrique de \( C_2H_4 \) = 1
Nombre de moles \( = 1 \)
\( 1 ÷ 1 = 1 \)
Coefficient stœchiométrique de \( Cl_2 \) \( = 1 \)
Nombre de moles \( = 1,5 \)
\( 1.5 ÷ 1 = 1.5 \)
\( 1 < 1,5 \) est donc, \( C_2H_4 \) le réactif limitant.
Estérification
La réaction chimique qui a lieu lors de la formation de l'ester est appelée estérification.
L'estérification est le processus consistant à combiner un acide organique \( (RCOOH) \) avec un alcool \( (ROH) \) pour former un ester \( (RCOOR) \) et de l'eau ; ou une réaction chimique entraînant la formation d'au moins un produit ester. L'ester est obtenu par une réaction d'estérification d'un alcool et d'un acide carboxylique.
$$ RCOOH+ROH \rightarrow RCOOR+H_2O $$
Salicylate de méthyle : Synthèse
Si tu as utilisé exactement \( 0.50 g \) d'acide salicylique, quel était le rendement théorique de l'ester synthétisé "salicylate de méthyle" ?
La masse de l'acide salicylique est de \( 0,50 g \) .
La réaction de l'acide salicylique avec le méthanol qui donne du salicylate de méthyle (ester) est donnée ci-dessous.
$$ C_7H_6O_3+CH_3OH \rightarrow C_8H_8O_3 +H_2O $$
La masse molaire de l'acide salicylique et du salicylate de méthyle est respectivement de \( 138,121 \frac{g}{mol} \) et \( 152,149 \frac{g}{mol} \) .
La formule permettant de calculer le nombre de moles est présentée ci-dessous.
\( nombre \ de \ moles= \frac{masse}{masse \ molaire} \)
Substituer la masse et la masse molaire de l'acide salicylique dans la formule au-dessus.
\( Nombre \ de \ moles = \frac{0.5 \ g}{138.121 \frac{g}{mol}} = 0.0036 \ mol \)
D'après la réaction de l'acide salicylique, il est clair qu'une mole d'acide salicylique donne une mole de salicylate de méthyle.
Ainsi, \( 0,0036 \ mole \) d'acide salicylique donnerait \( 0,0036 \ mole \) de salicylate de méthyle.
Substituer le nombre de moles et la masse molaire du salicylate de méthyle dans la formule.
\( 0.0036 \ mol= \frac{masse}{152.149 \frac{g}{mol}} \)
\( Masse= 0.0036 \ mol \times 152.149 \frac{g}{mol} =0.55 \ g \)
Par conséquent, le taux d'avancement théorique du salicylate de méthyle est de \( 0.55 \ g \) .
| \( C_{7}H_{6}O_{3} + \ CH_{3}OH \ \leftrightarrow \ C_{8}H_{8}O_{3} + \ H_{2}O \) |
| \( t=0 \) | \( 1 \ mole \) | \( 1 \ mole \) | \( 0 \ mole \) | \( 0 \ mole \) |
| \( t=t_{f} \) | \( 0.33 \ moles \) | \( 0.33 \ moles \) | \( 0.67 \ moles \) | \( 0.67 \ moles \) |
Le taux d'avancement réel est de \( 0.67 \% \) .
Pourcentage d'erreurs
Lorsque nous réalisons une expérience, nous utilisons différents appareils pour mesurer les quantités. Par exemple, une balance ou une éprouvette graduée. Ces appareils ne sont pas tout à fait précis et présentent un pourcentage d'erreur. Lorsque nous réalisons des expériences, nous devons être capables de calculer le pourcentage d'erreur. Comment faire ?
- Tout d'abord, nous devons trouver la marge d'erreur de l'appareil et nous devons ensuite voir combien de fois nous avons utilisé l'appareil pour une seule mesure.
- Ensuite, nous devons voir quelle quantité d'une substance nous avons mesurée.
- Enfin, nous utilisons ces chiffres et les intégrons dans l'équation suivante : \( \frac{erreur \ maximal}{valeur \ mesurée} \times 100 \) .
- Une burette a une marge d'erreur de \( 0,05 \ cm^{3} \) et lorsque nous utilisons cet appareil pour enregistrer une mesure, nous l'utilisons deux fois. Nous faisons donc \( 0,05 \times 2 = 0,10 \) , c'est la marge d'erreur.
- Disons que nous avons mesuré \( 5,00 \ cm^{3} \) d'une solution. C'est la quantité de substance que nous avons mesurée.
- Maintenant, nous pouvons mettre les chiffres dans l'équation :
\( \frac{0.10}{5} \times 100 = 2 \% \)
L'erreur est donc de \( 2 \% \) .
Comment réduire l'erreur en pourcentage ?
Maintenant que nous savons comment calculer l'erreur en pourcentage, voyons comment la réduire.
- Augmenter la quantité mesurée : la marge d'erreur d'un appareil est fixée, donc le seul facteur que nous pouvons modifier est la quantité mesurée. Donc si nous l'augmentons, le pourcentage d'erreur sera plus faible.
- Utiliser un appareil avec des divisions plus petites : si un appareil a des divisions plus petites, il est moins probable que l'erreur marginale soit plus grande.
Taux d'avancement - Points clés
- Facteurs qui influent sur le taux d'avancement : les réactifs ne se transforment pas en produit, certains réactifs se perdent dans l'air, des produits indésirables se forment lors de réactions secondaires, la réaction atteint l'équilibre et des impuretés arrêtent la réaction.
- Le taux d'avancement en pourcentage mesure l'efficacité d'une réaction chimique. Il nous indique la proportion de nos réactifs (en pourcentage) qui sont transformés avec succès en un produit.
- La formule du taux d'avancement en pourcentage \( = \frac{rendement \ réel}{rendement \ théorique} \times 100 \) .
- Le taux d'avancement théorique (ou taux d'avancement prédit) est la quantité maximale de produit que tu peux obtenir d'une réaction.
- Le taux d'avancement réel est la quantité de produit que tu obtiens pratiquement d'une expérience. Il est rare d'obtenir un rendement de \( 100 \% \) dans une réaction.
- Un réactif limitant est un réactif qui est entièrement utilisé à la fin d'une réaction chimique. Une fois que le réactif limitant est épuisé, la réaction s'arrête.
- Un ou plusieurs des réactifs peuvent être en excès. Ils ne sont pas tous utilisés dans une réaction chimique. On les appelle réactifs en excès.
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