Calculs chimiques | Chimie générale 2

Les calculs chimiques typiques sont étudiés dans ce chapitre : la relation entre la masse, la mole et le nombre de particules, la composition en pourcentage en masse, la stœchiométrie, le réactif limitant et le calcul du rendement.

Relation masse-mole-nombre

Nombre de moles n (en mol): 

Le nombre de moles dans un échantillon
 

n = mM

m = masse de la substance (en g)
M = masse molaire de la substance (en g.mol-1)

 

n = NNA

N = nombre de particules dans la substance
NA = nombre d'Avogadro = 6,022 x 1023 mol-1

 

 

Nombre de moles n dans 2,0 g de N2:

n = mN2MN2

mN2 = 2,0 g
MN2 = 2 x MN = 2 x 14,0 = 28,0 g.mol-1 

⇒ n = 2.028.0 = 7,1 x 10-2 mol


Nombre d'atomes d'azote NN dans 2,0 g de N2:

n = mN2MN2 = NN2NA

mN2 = 2,0 g
MN2 = 28,0 g.mol-1
NN2 = 2 x NN
NA = 6,022 x 10-23 mol-1

⇒ NN2 = NA x mN2MN2 = 4,3 x 1022 atomes

NN = 2 x NN2 = 8,6 x 1022 atomes

Composition en pourcentage en masse

La composition en pourcentage en masse est le pourcentage de la masse totale contribuée par chaque élément d'un composé. Elle est calculée comme suit :

%X = n x MXMcompound x 100%

%X = composition en pourcentage de X
n = nombre d'atomes X dans une molécule du composé
Mx = masse atomique de X (en amu or g.mol-1)
Mcompound = masse molaire du composé (en amu or g.mol-1)

 

Determine %Al in Al2(SO4)3:

%Al = n x MAlMAl2(SO4)3 x 100%

n = 2 [2 atomes d'Al dans une molécule d'Al2(SO4)3]
MAl = 26.98 g.mol-1
MAl2(SO4)3 = 2 MAl + 3 MS + 12 MO = 342.14 g.mol-1

%Al = 2 x 26.98342.14 x 100 = 15.77 %

Stoechiométrie.

Les coefficients stœchiométriques:

Les valeurs numériques écrites à gauche de chaque espèce dans une équation chimique pour équilibrer l'équation. Les coefficients stœchiométriques peuvent être interprétés comme le nombre de molécules ou le nombre de moles d'une substance produite ou consommée pendant la réaction.

3 H2 + N2 → 2 NH3

Interprétation moléculaire: 3 molécules de H2 réagissent avec 1 molécule de N2 pour former 2 molécules de NH3.

Interprétation molaire: 3 moles de H2 réagissent avec 1 mole de N2 pour former 2 moles de NH3.

Stœchiométrie:

Les calculs des masses, des moles ou des volumes des réactifs et des produits impliqués dans une réaction chimique. Les réactifs sont dits être en quantités stœchiométriques lorsqu'ils sont combinés dans les mêmes proportions que celles représentées dans l'équation chimique équilibrée.

Problèmes de stœchiométrie:

  • Combien de produit peut être formé à partir d'une certaine quantité de réactifs.
  • Combien d'un réactif est nécessaire pour réagir avec une certaine quantité d'un autre.
  • Combien de réactif est requis pour produire une quantité désirée de produit.

Comment résoudre les problèmes de stœchiométrie:

  1. Équilibrer l'équation chimique.
  2. Calculer les masses molaires des réactifs et des produits d'intérêt.
  3. Convertir toutes les masses données en moles.
  4. Utiliser l'équation équilibrée pour déterminer les rapports stœchiométriques.
  5. Calculer le nombre de moles de matériaux désirés.
  6. Calculer les masses des matériaux désirés.

Réactif Limitant

Réactif limitant:

Le réactif qui est entièrement consommé dans une réaction chimique. Le réactif limitant détermine la quantité maximale de produit qui peut être formé lors d'une réaction

Comment déterminer le réactif limitant:

a A + b B → c C

  1. Considérez l'un des réactifs de départ comme le réactif limitant (par exemple A)
  2. Calculez la quantité de moles de l'autre réactif, B, requise pour une réaction complète de A
    Assurez-vous d'utiliser les rapports stœchiométriques de l'équation équilibrée : nAa = nBb
  3. Comparez la quantité de B nécessaire pour une réaction complète avec la quantité réelle de B :
    Si la quantité de B nécessaire > quantité réelle de B, B est le réactif limitant
    Si la quantité réelle de B > quantité de B nécessaire, A est le réactif limitant

Rendement en pourcentage

Theoritical vs. actual yield:

Theoritical yield: the amount of product that will form if all the limiting reactant is consumed
Actual yield: the amount of product actually recovered​​​​​
 

Percent yield:

A measure of the efficiency of a chemical reaction. The percent yield is calculated as follows:

% yield = actual yieldtheoretical yield x 100

 

Vérifiez vos connaissances sur ce chapitre

Une mole est une unité fondamentale en chimie qui représente un nombre spécifique de particules. Elle est importante car elle permet aux chimistes de convertir entre la masse d'une substance et le nombre de particules contenues dans cette masse. Plus précisément, une mole est définie comme 6,022 x 1023 particules, ce qui est connu sous le nom de nombre d'Avogadro.

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La masse molaire d'un composé est calculée en ajoutant les masses atomiques de tous les atomes dans la formule du composé. La masse de chaque atome, prise dans le tableau périodique, est multipliée par le nombre de fois que cet atome apparaît dans la molécule.

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La relation entre la masse d'une substance et la quantité en moles est quantifiée par la masse molaire (en g/mol), qui est la masse en grammes d'une mole de substance. Pour déterminer le nombre de moles à partir de la masse, vous divisez la masse de la substance par sa masse molaire, et pour convertir les moles en masse, vous multipliez le nombre de moles par la masse molaire.

Pour convertir entre le nombre de particules (atomes, molécules) et les moles, vous utilisez le nombre d'Avogadro, qui est de 6,022 x 1023 particules par mole. Si vous connaissez le nombre de particules dans un échantillon, vous pouvez diviser par le nombre d'Avogadro pour obtenir le nombre de moles. De manière inverse, pour trouver le nombre de particules à partir du nombre de moles, vous multipliez les moles par le nombre d'Avogadro.

La composition en pourcentage en masse fait référence au pourcentage en masse de chaque élément dans un composé. Pour le calculer, il faut diviser la masse de chaque élément dans une molécule par la masse moléculaire totale, puis multiplier par 100%. Ce calcul donne la contribution de chaque élément à la masse totale de la molécule et est souvent utilisé pour déterminer la formule empirique ou évaluer la pureté d'un composé.

Les coefficients dans les équations chimiques représentent directement les rapports stoechiométriques des réactifs et des produits dans une réaction. Ils indiquent les quantités proportionnelles de substances impliquées lors de l'utilisation de l'unité de mole.

Dans l'équation chimique équilibrée : 2 H2 + O2 → 2 H2O, les coefficients suggèrent que :

2 moles de gaz d'hydrogène réagissent avec 1 mole de gaz d'oxygène pour produire 2 moles d'eau. Cela signifie que pour chaque mole d'oxygène consommée, deux fois plus de moles d'hydrogène sont nécessaires, et deux moles d'eau sont formées.

Pour effectuer un calcul stoechiométrique lors d'une réaction chimique, suivez ces étapes :

  1. Tout d'abord, écrivez l'équation chimique équilibrée pour la réaction.
  2. Calculez les masses molaires des réactifs et des produits.
  3. Convertissez les masses des substances impliquées dans la réaction en moles en utilisant leurs masses molaires.
  4. En utilisant les coefficients de l'équation équilibrée, reliez les moles d'une substance aux moles d'une autre substance.
  5. Identifiez le réactif limitant pour déterminer la quantité de produits formés.
  6. Calculez le rendement théorique en fonction des moles du réactif limitant et du rapport molaire du produit désiré au réactif limitant.
  7. Si des données expérimentales sont fournies, calculez le rendement en pourcentage en comparant le rendement réel au rendement théorique.

La stœchiométrie est utilisée pour calculer la quantité de produit formée à partir des réactifs en suivant ces étapes :

  1. Écrire l'équation chimique équilibrée pour la réaction.
  2. Convertir les quantités de substances connues (réactifs ou produits) en moles en utilisant leurs masses molaires.
  3. Utiliser le rapport molaire de l'équation équilibrée pour déterminer le nombre de moles de produit pouvant se former à partir des moles de réactif disponibles.
  4. Convertir les moles de produit en grammes (ou une autre unité de mesure) en utilisant la masse molaire du produit.

Ce processus repose sur la loi de conservation de la masse et le principe que les rapports molaires dans une équation équilibrée impliquent des relations proportionnelles entre les réactifs et les produits.

Un réactif limitant est le réactif dans une réaction chimique qui est complètement consommé en premier, limitant ainsi l'étendue de la réaction et déterminant la quantité maximale de produit qui peut être formée. La réaction s'arrête lorsque le réactif limitant est consommé, indépendamment des quantités des autres réactifs présents.

En comparant le rapport molaire des réactifs utilisés au rapport molaire des réactifs requis par l'équation chimique équilibrée, vous pouvez déterminer quel réactif est le limitant. Une fois identifié, il est ensuite utilisé pour calculer le rendement théorique du(des) produit(s), sachant qu'aucun autre produit ne peut se former une fois que le réactif limitant est épuisé.

Pour identifier le réactif limitant dans une réaction chimique, comparez les rapports molaires des réactifs utilisés avec ceux requis par l'équation chimique équilibrée:

  •  Tout d'abord, calculez les moles de chaque réactif présent.
  • Ensuite, en utilisant la stoechiométrie de l'équation équilibrée, déterminez la quantité de produit(s) que chaque réactif pourrait théoriquement produire.
  • Le réactif qui produit la plus petite quantité de produit est le réactif limitant, car il sera consommé en premier, arrêtant ainsi la réaction et déterminant ainsi la quantité maximale de produit pouvant être formée.

Le rendement en pourcentage est calculé en divisant le rendement réel (la quantité de produit obtenue expérimentalement) par le rendement théorique (la quantité maximale prévue par la stœchiométrie) et en multipliant par 100.

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Le rendement théorique est la quantité maximale de produit qui pourrait être formée lors d'une réaction dans des conditions idéales. Le rendement en pourcentage relie le rendement réel au rendement théorique, ce qui permet d'obtenir des informations sur l'efficacité de la réaction.

Les facteurs qui contribuent à un pourcentage de rendement inférieur à celui attendu comprennent des réactions incomplètes, des réactions secondaires, des pertes lors du transfert et des contaminants dans le produit.