Une équation chimique est une recette : ses coefficients disent dans quelles proportions, en moles, les réactifs se transforment en produits. La stœchiométrie consiste à utiliser ces proportions pour calculer une masse ou un volume. C'est l'exercice de calcul le plus fréquent en chimie à l'Exetat.
L'essentiel
- Équilibrer une équation, c'est placer des coefficients devant les formules pour qu'il y ait autant d'atomes de chaque élément des deux côtés (rien ne se perd, rien ne se crée). On ne change jamais les indices d'une formule.
- Les coefficients se lisent en moles : Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂ veut dire que 1 mol de zinc réagit avec 2 mol de HCl et donne 1 mol de H₂.
- Principaux types de réactions : synthèse (A + B → AB) ; décomposition (CaCO₃ → CaO + CO₂) ; substitution ou déplacement (Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂) ; double décomposition ou précipitation (BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄ + 2 NaCl) ; neutralisation, acide + base → sel + eau (HNO₃ + KOH → KNO₃ + H₂O) ; combustion (avec O₂).
- Pour un gaz dans les conditions normales (0 °C, 1 atm), une mole occupe 22,4 L : V = n × 22,4.
- Le réactif « en excès » n'est pas entièrement consommé : on fait le calcul avec l'autre réactif, celui qui est entièrement consommé (le réactif limitant).
- Rendement = quantité réellement obtenue/quantité théorique × 100. Il est toujours inférieur ou égal à 100 %.
- Un problème de proportions (recette d'une peinture ou d'une pommade) se règle par la règle de trois : on garde le même rapport entre l'ingrédient et le produit fini.
Les formules
- Quantité de matière
- n = m/M
- m en g ; M en g/mol
- Volume d'un gaz (conditions normales)
- V = n × 22,4 L
- 0 °C et 1 atm
- Proportion de l'équation
- n(A)/a = n(B)/b
- a, b : coefficients de A et de B dans l'équation équilibrée
- Rendement
- r = (obtenu/théorique) × 100
- en %
La méthode
- 1Écris et équilibre l'équation (vérifie chaque élément, puis H et O en dernier).
- 2Convertis la donnée en moles : n = m/M (ou n = V/22,4 pour un gaz).
- 3Utilise les coefficients pour passer à la substance cherchée : n(cherché) = n(donné) × coefficient cherché/coefficient donné.
- 4Reconvertis : m = n × M, ou V = n × 22,4 L.
- 5Pour un rendement, compare la masse obtenue à la masse théorique calculée ainsi.
Un exemple résolu
On prépare le chlorure d'hydrogène par action de l'acide sulfurique concentré sur le chlorure de sodium : il se forme du sulfate de sodium et du HCl gazeux. Avec 196 g d'acide sulfurique et assez de NaCl, quel volume de HCl obtient-on dans les conditions normales ? Quelle masse de NaCl faut-il ? (H₂SO₄ = 98 g/mol ; Na = 23 ; Cl = 35,5)
- 1.Équation non équilibrée : H₂SO₄ + NaCl → Na₂SO₄ + HCl.
- 2.Il faut 2 Na à droite, donc 2 NaCl ; cela donne 2 Cl, donc 2 HCl. Vérification des H : 2 à gauche, 2 à droite. Équation : H₂SO₄ + 2 NaCl → Na₂SO₄ + 2 HCl.
- 3.Moles d'acide : n = 196/98 = 2 mol.
- 4.D'après l'équation, 1 mol de H₂SO₄ donne 2 mol de HCl : n(HCl) = 2 × 2 = 4 mol.
- 5.Volume : V = 4 × 22,4 = 89,6 L.
- 6.NaCl nécessaire : 1 mol de H₂SO₄ consomme 2 mol de NaCl, donc n(NaCl) = 4 mol ; M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol ; m = 4 × 58,5 = 234 g.
Réponse : 89,6 L de HCl ; il faut 234 g de NaCl.
Les pièges à éviter
- Calculer sans équilibrer l'équation : avec H₂SO₄ + NaCl → Na₂SO₄ + HCl non équilibrée, on trouverait 44,8 L au lieu de 89,6 L.
- Oublier les coefficients en passant d'une substance à l'autre : MnO₂ + 4 HCl → MnCl₂ + 2 H₂O + Cl₂ donne 1 mol de Cl₂ pour 4 mol de HCl, mais 1 mol de Cl₂ pour 1 mol de MnO₂.
- Utiliser 22,4 L/mol hors des conditions normales : à une autre température ou pression, il faut PV = nRT.
- Faire le calcul avec le réactif en excès : on part toujours de celui qui est entièrement consommé.
- Confondre neutralisation (acide + base → sel + eau) et précipitation (deux sels qui forment un solide insoluble).
À retenir
Équilibrer d'abord, convertir en moles, passer d'une substance à l'autre par les coefficients, puis reconvertir en masse ou en volume (22,4 L/mol aux conditions normales).