4.1: Stœchiométrie de réaction

Une équation chimique équilibrée fournit beaucoup d'informations dans un format très succinct. Les formules chimiques fournissent l'identité des réactifs et des produits impliqués dans la transformation chimique, permettant ainsi la classification de la réaction. Les coefficients fournissent les nombres relatifs de ces espèces chimiques, permettant une évaluation quantitative des relations entre les quantités de substances consommées et produites par la réaction. Ces relations quantitatives sont connues sous le nom de stœchiométrie de la réaction, un terme dérivé des mots grecs stoecheion (signifiant “ élément ”) et metron (signifiant “ mesure ”).  

La stœchiométrie d'une réaction permet de prédire la quantité de réactif nécessaire pour produire la quantité de produit souhaitée, ou dans certains cas, la quantité de produit qui sera formée à partir d'une quantité précise de réactif.  

Coefficients stœchiométriques

Les coefficients d'une équation chimique représentent le nombre de moles de chaque substance.  Prenons par exemple la réaction de l'azote gazeux et de l'hydrogène gazeux pour produire de l'ammoniac. La stœchiométrie indique qu'une mole d'azote et trois moles d'hydrogène réagissent pour produire deux moles d'ammoniac.

Comme une mole contient le nombre d'Avogadro de molécules, le nombre relatif de molécules est le même que le nombre relatif de moles. Une autre façon de lire l'équation est “ une molécule d'azote et trois molécules d'hydrogène réagissent pour produire deux molécules d'ammoniac ”.

Facteurs stœchiométriques  

Les équations chimiques équilibrées sont utilisées afin de déterminer la quantité d'un réactif nécessaire pour réagir avec une quantité donnée d'un autre réactif, ou pour produire une quantité donnée de produit, et ainsi de suite. Les coefficients de l'équation équilibrée sont utilisés pour déduire les facteurs stœchiométriques qui permettent de calculer la quantité souhaitée. Dans la réaction de l'hydrogène et de l'azote, les molécules d'ammoniac sont produites à partir de molécules d'hydrogène dans un rapport de 2:3. Cela signifie que du point de vue stœchiométrique, trois moles d'hydrogène sont équivalentes à deux moles d'ammoniac.

Sur la base de ceci, les facteurs stœchiométriques suivants sont déduits :

Ces facteurs stœchiométriques peuvent être utilisés pour calculer le nombre de molécules d'ammoniac produites à partir d'un nombre donné de molécules d'hydrogène, ou le nombre de molécules d'hydrogène nécessaires pour produire un nombre donné de molécules d'ammoniac. Des facteurs similaires peuvent être obtenus pour n'importe quelle paire de substances dans n'importe quelle équation chimique.

Conversions de mole à mole

Pour une réaction chimique équilibrée pour la formation d'ammoniac à partir de l'azote et de l'hydrogène, le rapport stœchiométrique de moles suivant entre N₂ et NH₃ est de 1:2. Ensuite, on obtient la quantité molaire d'ammoniac en multipliant la quantité molaire d'azote par le facteur de conversion stœchiométrique des deux substances qui nous intéressent.

Conversions de masse à masse

La conversion entre les masses de substances basée sur la stœchiométrie nécessite de connaitre les rapports de moles et les masses molaires. Par exemple, pour trouver la masse d'hydrogène nécessaire à la production de 0,170 kg d'ammoniac, la masse molaire d'ammoniac est d'abord utilisée pour convertir la masse d'ammoniac en quantité d'ammoniac (en moles). Ensuite, le facteur stœchiométrique approprié de l'équation équilibrée convertit la quantité d'ammoniac (en moles) en quantité d'hydrogène (en moles). Enfin, la masse molaire de l'hydrogène convertit la quantité d'hydrogène (en moles) en masse d'hydrogène.

De nombreuses variations concernant les étapes de calcul du début et de la fin sont possibles en fonction des quantités particulières fournies et recherchées (volumes, concentrations de solutions, etc.). Quels que soient les détails, tous ces calculs partagent une composante essentielle commune : l'utilisation de facteurs stœchiométriques déduits à partir d'équations chimiques équilibrées.

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 4.3 : Stœchiométrie d'une réaction.

Considérons une réaction chimique équilibrée, telle que la combustion d'hydrogène gazeux. Ici, la relation quantitative entre les réactifs et les produits H_2, O_2 et H_2O est que 2 molécules de H_2 réagissent avec 1 molécule de O_2 pour produire 2 molécules de H_2O. Cette relation quantitative est connue sous le nom de stoechiométrie, et elle est similaire à n'importe quelle recette.

Supposons que 2 tranches de salami, 1 tranche de fromage et 2 morceaux de pain italien soient utilisés pour faire 1 sandwich. Afin de faire trois sandwichs, les quantités d'ingrédients sont triplées. Combien de sandwichs pourraient être faits avec 10 tranches de salami?

Puisque le rapport du salami aux sandwichs est de deux à un, 5 sandwichs pourraient être faits. Ce même processus est appliqué aux réactions chimiques. Par exemple, considérons la synthèse de l'ammoniac.

Les coefficients stœchiométriques indiquent directement le nombre relatif de molécules, ce qui équivaut aux quantités relatives en moles. Une mole d'azote gazeux et trois moles d'hydrogène gazeux réagissent pour former deux moles d'ammoniac. Pour faire quatre moles d'ammoniac, les quantités de réactifs sont doublées.

Le rapport molaire de gaz d'azote de l'ammoniac est un à deux, tandis que celle de gaz d'hydrogène de l'ammoniac est de trois à deux. Si il y a 15 moles d'hydrogène, combien de moles d'ammoniac peuvent être synthétisés? En utilisant le rapport molaire comme facteur de conversion, 10 moles d'ammoniac peuvent être synthétisées.

Pour estimer la masse d'un réactif à partir de la masse du produit ou vice-versa, une voie est suivie. Contrairement aux conversions de moles, les calculs impliquant la masse ne sont pas directs. Tout d'abord, la masse connue est convertie en moles.

Ensuite, le rapport molaire est appliqué. Enfin, la quantité en moles est convertie en masse en utilisant la masse molaire du composé concerné. Par exemple, considérons la combustion d'un propulseur de fusée hydrocarboné c'est-à-dire sa réaction avec l'oxygène.

Environ combien de grammes d'oxygène liquide sont nécessaires pour chaque 5, 000 grammes de carburant? Tout d'abord, la masse molaire approximative du carburant est utilisée pour convertir 5, 000 grammes en moles. Ensuite, le rapport molaire de 35 à 2 est appliqué pour calculer la quantité nécessaire en moles d'oxygène moléculaire.

Finalement, la masse molaire de l'oxygène moléculaire est utilisée pour déterminer ce que le vaisseau spatial doit stocker environ 17, 000 grammes d'oxygène à bord pour chaque 5, 000 grammes de carburant.

Stoichiometry – Calculates reactant and product amounts in a chemical reaction using balanced equations. Stoichiometric coefficients – Numbers in a balanced equation that show mole ratios between substances. Mole-to-mole conversion – Uses mole ratios to calculate amounts of different substances in a reaction. Mass-to-mass conversion – Converts mass of one substance to another using molar mass and stoichiometry. Stoichiometric factor – A ratio from a balanced equation used to calculate quantities in reactions.

Define Stoichiometry – Describe mole relationships using balanced chemical equations (e.g., ammonia) Use Coefficients – Interpret coefficients as mole or molecule ratios in reactions (e.g., N₂ + H₂ → NH₃) Explore Conversion Types – Convert between mass and moles using ratios and molar mass (e.g., H₂ mass) Explain Mechanism or Process – Apply mole-to-mole and mass-to-mass conversions in stepwise calculations Apply in Context – Use stoichiometric factors to predict reactant or product quantities in chemical reactions

What is stoichiometry and how is it used in chemical reactions? How do stoichiometric coefficients help balance chemical equations? What is the difference between mole-to-mole and mass-to-mass conversions?

Students – Learn effective strategies for studying and memorizing complex lists Educators – Teach memory techniques with concrete and engaging examples Researchers – Explore cognitive tools used in learning and memory enhancement Science Enthusiasts – Discover fun, structured ways to remember scientific facts