Chapitre 7 :

BILAN DE MATIERE

I. TRANSFORMATIONS CHIMIQUES :

Etude d’un exemple :

· Espèces chimiques en présence avant la transformation :

** la solution de nitrate d’argent contient des ions argent Ag⁺ et des ions nitrate NO₃^-

** le métal cuivre contient des atomes Cu

· expérience  et observations :

Conclusion : On dira qu’il s’est produit une transformation chimique.

Définitions :

Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques susceptibles de réagir entre elles et sur lesquelles porte une étude particulière.

Son état sera décrit en précisant :

· la nature et la quantité de matière des espèces chimiques présentes ;

· l’état physique : solide (s), liquide (l), gazeux (g), en solution aqueuse (AQ)

· la température T et la pression p du système

Un système chimique peut évoluer et subir une transformation chimique qui modifie son état.

Etat initial, état final :

• On appelle état initial du système chimique, l’état de ce système avant la transformation.
• On appelle état final du système chimique, l’état de ce système après la transformation.
• Les espèces introduites à l’état initial sont appelées «  réactifs », les espèces obtenues après la transformation, à l’état final sont appelés «  produits »
• La transformation chimique est le passage de son état initial à son état final.

Etat final

P = 1 bar ; q = 20°

Ag (s) : n_Ag

Ions Cu²⁺

Ions NO₃^-

Molécules d’eau H₂O

Etat initial

P = 1 bar ; q = 20°

Cu (s)

Ions Ag⁺

Ions NO₃^-

Molécules d’eau H₂O

transformation

chimique

II. MODELISATION DE LA TRANSFORMATION CHIMIQUE :

La réaction chimique :

Elle modélise la transformation chimique subie par un système. Elle ne fait intervenir que les réactifs et les produits de la transformation et pas les espèces chimiques spectatrices.

L’équation chimique d’une réaction :

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L’équation chimique décrit l’évolution d’un système dans lequel se déroule une réaction chimique. Les réactifs et les produits y sont représentés par leur formule : les réactifs à gauche de la flèche, les produits à droite. :

Réactifs Produits

Comme, nous l’avons vu précédemment, au cours d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments et de la charge électrique : il faudra donc ajuster l’équation avec des nombres placés devant les symboles, appelés nombres stoechiométriques :

2 Ag⁺ (aq) + Cu(s) 2 Ag (s) + Cu ²⁺ (aq)

Remarque : les espèces chimiques présentes dans le système, qui ne réagissent pas, n’interviennent pas dans l’écriture de l’équation. (NO₃^-)

Signification des nombres stoechiométriques :

Les nombres stoechiométriques renseignent sur les proportions, en quantité de matière, dans lesquelles les réactifs réagissent et les produits se forment.

Exemple : Cu + 2 Ag⁺ ® 2 Ag + Cu²⁺

Cette équation indique que si n mol de Cu est consommé alors 2n mol d’ions Ag⁺ sera aussi consommé et il se formera 2n mol d’argent Ag et n mol d’ions cuivre Cu²⁺.

Lorsque les réactifs sont mélangés dans les proportions indiquées par l’équation chimique, on dit que le mélange est stoechiométrique. Lorsque les réactifs ne sont pas dans les proportions stoechiométriques, la transformation a lieu tout de même et s’arrête lorsqu’un réactif est entièrement consommé : c’est le réactif limitant.

III. AVANCEMENT ET BILAN DE MATIERE :

Notion d’avancement :

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Afin de décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation chimique, on utilise un outil : l’avancement de la transformation.

L’avancement est un nombre, noté x qui s’exprime en mole et qui permet de déterminer les quantités de réactifs transformés et les quantités de produits formés.

L’avancement varie au cours de l’évolution du système chimique : il vaut zéro pour l’état initial et atteint sa valeur maximale x_max pour l’état final.

Conservation de la matière et avancement :

La conservation de la matière permet d’exprimer les quantités de matière de tous les réactifs et de tous les produits de la transformation en fonction de l’avancement au cours de la transformation.

Exemple : Cu + 2 Ag⁺ ® 2 Ag + Cu²⁺

Par définition, lorsque l’avancement est égal à x en mol alors :

• Il est apparu 2x mol d’argent et x mol d’ions cuivre
• Il a disparu x mol de cuivre et 2x mol d’ions argent 

Tableau d’avancement d’une réaction chimique :

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Il permet de visualiser l’évolution du système chimique.

1^ère ligne du tableau : on écrit l’équation chimique ajustée

2^ème ligne du tableau : on écrira ‘’état du système’’, ‘’avancement ‘’, et ’’quantités de matière ‘’.

3^ème ligne du tableau : il décrit l’état initial – l’avancement vaut 0

4^ème ligne du tableau : il donne l’état du système au cours de la transformation pour un

avancement x donné.

5^ème ligne du tableau : il décrit l’état final – l’avancement vaut x_max

exemple :

Equation chimique		CH4 + 2 O2 ® CO2 + 2 H2O
Etat du système	Avancement	Quantités de matière ( en mol )
Etat initial	x = 0	2	4	0	0
Au cours de la transformation	x	2 - x	4 - 2x	x	2x
Etat final	x = xmax	2 - xmax = 0	4 - 2xmax = 0	xmax = 2	2xmax = 4

Avancement maximal d’une réaction chimique :

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L’avancement maximal x_max permet de connaître l’état final d’un système. Il correspond à la disparition du réactif limitant.

C’est la plus petite valeur de x pour laquelle la quantité de l’un des réactifs est nulle.

Exemple : réaction entre les ions cuivre et les ions hydroxyde :

Toutes les quantités de matière du tableau sont exprimées en mole.

Equation chimique : Cu²⁺ + 2 OH^- è Cu(OH)₂

Etat du système	Avancement	Quantités de matière ( en mol )
Etat initial	x = 0	no(Cu^2+)=3.10^-3	no(OH^-)=9.10^-4	0
Au cours de la transformation	x	no (Cu^2+)-x=3.10^-3-x	no(OH^-)–2x=9.10^-4-2x	x
Etat final	x = xmax	no(Cu^2+)-xmax = 25,5x10^-4	no(OH^-)-2xmax = 0	xmax = 4,5x10^-4

Etat final , calcul de x_max :

Soit les ions Cu²⁺ sont le réactif limitant alors : n_o(Cu²⁺) – x_max = 3.10^-3- x_max = 0 soit x_max = 3.10^-3 mol

Soit les ions HO^- sont le réactif limitant alors : n_o(OH^-) – 2x_max = 9.10^-4- 2x_max = 0 soit x_max = 4,5.10^-4mol Le réactif limitant est ici les ions HO^- et x_max = 4,5.10^-4 mol

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