Réactions chimiques et bilan de matière — exercices corrigés

Dans une équation de réaction, qu'écrit-on à gauche de la flèche $\to$ ?

Dans l'équation $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, que représente le nombre $2$ placé devant ${\text{H}}_2$ ?

Une équation de réaction est correctement ajustée lorsque :

Pour ajuster une équation de réaction, sur quoi a-t-on le droit d'agir ?

Au cours d'une transformation chimique, la masse totale du système :

L'avancement $x$ d'une réaction s'exprime dans quelle unité ?

À l'état initial d'une réaction, avant que rien n'ait réagi, l'avancement vaut :

Qu'est-ce que le réactif limitant d'une réaction chimique ?

Pour un réactif de quantité initiale $n_0$ et de nombre stœchiométrique $\nu$, à quelle valeur d'avancement ce réactif serait-il entièrement consommé ?

À l'état final d'une réaction, quelle est la quantité de matière du réactif limitant ?

Pour équilibrer une équation, on peut modifier les indices d'une formule (par exemple écrire ${\text{H}}_2{\text{O}}_2$ au lieu de ${\text{H}}_2\text{O}$).

Au cours d'une transformation chimique faisant intervenir des ions, la charge électrique totale est conservée.

La flèche $\to$ d'une équation de réaction indique le sens de la transformation, des réactifs vers les produits.

Le réactif limitant est toujours celui dont la quantité initiale (en moles) est la plus petite.

Un bilan de matière complet recense uniquement les produits formés.

On ajuste la combustion du méthane : ${\text{CH}}_4+\dots {\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}\mathrm{.}$

Quel nombre stœchiométrique faut-il placer devant ${\text{O}}_2$ pour que l'équation soit ajustée ?

On ajuste la synthèse de l'eau : $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to \dots {\text{H}}_2\text{O}\mathrm{.}$

Quel nombre stœchiométrique faut-il placer devant ${\text{H}}_2\text{O}$ ?

Pour la réaction ${\text{O}}_2+2{\text{H}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, on part de $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{1,5}$ mol de dioxygène, le dihydrogène étant en large excès. Le dioxygène est donc le réactif limitant.

Quelle est la valeur de l'avancement maximal $x_{\text{max}}$ (en mol) ?

Pour la réaction $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, l'avancement atteint $x=\mathrm{3,0}$ mol.

Quelle quantité d'eau (en mol) s'est alors formée ?

Pour un réactif de nombre stœchiométrique $\nu =2$ introduit avec $n_0=\mathrm{8,0}$ mol, calcule le rapport ${\displaystyle \frac{n_0}{\nu }}$ (en mol) qui sert à repérer le réactif limitant.

Parmi les équations suivantes, laquelle est correctement ajustée ?

Pour l'équation $\text{Cu}+2{\text{Ag}}^{+}\to {\text{Cu}}^{2+}+2\text{Ag}$, quelle est la charge électrique totale de chaque côté de la flèche ?

Pour la réaction ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on part de $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{9,0}$ mol. À un avancement $x$, quelle est la quantité de dihydrogène restante ?

Pour $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, un mélange est dit stœchiométrique lorsque :

Pour ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on introduit $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{2,0}$ mol et $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol. Quel est le réactif limitant ?

Dans un récipient fermé, on fait réagir $\mathrm{4,0}$ g de méthane avec $\mathrm{16,0}$ g de dioxygène. La réaction est totale et tout reste dans le récipient. Quelle est la masse totale des produits formés ?

Pour passer d'une quantité de matière $n$ (en mol) d'une espèce à sa masse $m$ (en g), quelle relation utilises-tu dans un bilan de matière ?

À l'état final d'une réaction, tous les réactifs ont nécessairement une quantité nulle.

Pour $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, la quantité d'eau formée à un avancement $x$ est égale à $x$.

Un réactif en excès a, à l'état final, une quantité de matière strictement positive.

Si, dans un tableau d'avancement, un élément chimique semble apparaître ou disparaître en cours de réaction, c'est le signe d'une équation mal ajustée.

On ajuste la combustion du propane : ${\text{C}}_3{\text{H}}_8+\dots {\text{O}}_2\to 3{\text{CO}}_2+4{\text{H}}_2\text{O}\mathrm{.}$

Quel nombre stœchiométrique faut-il placer devant ${\text{O}}_2$ ?

Pour ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on introduit $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{2,0}$ mol et $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol.

Quelle est la valeur de l'avancement maximal $x_{\text{max}}$ (en mol) ?

Pour ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, la réaction atteint un avancement maximal $x_{\text{max}}=\mathrm{1,0}$ mol.

Quelle quantité d'ammoniac ${\text{NH}}_3$ (en mol) a été produite ?

Pour ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$, on part de $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{2,0}$ mol et $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol. L'avancement maximal vaut $x_{\text{max}}=\mathrm{1,0}$ mol (le dihydrogène est limitant).

Quelle quantité de diazote ${\text{N}}_2$ (en mol) reste-t-il à l'état final ?

Pour $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, la réaction forme $n({\text{H}}_2\text{O})=\mathrm{2,0}$ mol d'eau. On donne $M({\text{H}}_2\text{O})=18$ g/mol.

Quelle masse d'eau (en g) a-t-on formée ?

Au laboratoire de Rabat, Yasmine introduit $m=\mathrm{11,2}$ g de fer en poudre pour une réaction. On donne $M(\text{Fe})=56$ g/mol.

Quelle est la quantité de matière initiale de fer $n_0(\text{Fe})$ (en mol) ?

Pour $\text{Fe}+2{\text{H}}^{+}\to {\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_2$, on introduit $n_0(\text{Fe})=\mathrm{0,050}$ mol et $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,060}$ mol.

Quelle est la valeur de l'avancement maximal $x_{\text{max}}$ (en mol) ?

On ajuste la formation de l'alumine : $\dots \text{Al}+3{\text{O}}_2\to 2{\text{Al}}_2{\text{O}}_3\mathrm{.}$

Quel nombre stœchiométrique faut-il placer devant $\text{Al}$ ?

Pour la réaction $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, Karim introduit $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{5,0}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{4,0}$ mol. Il affirme : « Il y a moins de dioxygène que de dihydrogène, donc le dioxygène est le réactif limitant. »

Karim a-t-il raison ? Justifie en déterminant le vrai réactif limitant.

On veut ajuster la formation de l'oxyde de fer : $\dots \text{Fe}+\dots {\text{O}}_2\to 2{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3\mathrm{.}$

Quels nombres stœchiométriques (devant $\text{Fe}$ puis devant ${\text{O}}_2$) conviennent ?

Pour $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, on part de $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{5,0}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{4,0}$ mol (donc $x_{\text{max}}=\mathrm{2,5}$ mol, ${\text{H}}_2$ limitant). Quel bilan de matière final est correct et complet ?

Salma propose l'équation ${\text{C}}_2{\text{H}}_6+{\text{O}}_2\to 2{\text{CO}}_2+3{\text{H}}_2\text{O}$ et la déclare ajustée. Quel élément n'est PAS conservé, prouvant qu'elle se trompe ?

Dans un ballon fermé, Amine fait réagir $\mathrm{4,0}$ g de dihydrogène avec $\mathrm{32,0}$ g de dioxygène selon $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$. Le dioxygène est en excès et il en reste $\mathrm{16,0}$ g à la fin. Quelle masse d'eau s'est formée ?

L'équation ${\text{C}}_2{\text{H}}_6+{\displaystyle \frac{7}{2}}{\text{O}}_2\to 2{\text{CO}}_2+3{\text{H}}_2\text{O}$ respecte la conservation des éléments.

Pour $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$ avec $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{6,0}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{3,0}$ mol, il ne reste aucun réactif à l'état final.

Karim affirme : « Quand un morceau de charbon brûle à l'air libre et qu'il ne reste qu'un peu de cendre, c'est la preuve que la masse a diminué pendant la réaction chimique. »

Pour $\text{Fe}+2{\text{H}}^{+}\to {\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_2$, Amine introduit $n_0(\text{Fe})=\mathrm{0,050}$ mol de fer et $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,080}$ mol d'ions hydrogène. On donne $M(\text{Fe})=56$ g/mol.

Quelle masse de fer (en g) reste-t-il à l'état final ?

On brûle du méthane selon ${\text{CH}}_4+2{\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$. On part de $n_0({\text{CH}}_4)=\mathrm{0,20}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{0,50}$ mol. On donne $M({\text{CO}}_2)=44$ g/mol.

Quelle masse de dioxyde de carbone (en g) se forme-t-il ?

À l'atelier de Fès, on plonge $m(\text{Fe})=\mathrm{2,8}$ g de fer dans une solution contenant $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,10}$ mol d'ions hydrogène, selon $\text{Fe}+2{\text{H}}^{+}\to {\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_2$. On donne $M(\text{Fe})=56$ g/mol et $M({\text{H}}_2)=\mathrm{2,0}$ g/mol.

Quelle masse de dihydrogène (en g) se dégage-t-il ?

Yasmine veut réaliser un mélange stœchiométrique pour la synthèse de l'ammoniac ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3$. Elle dispose déjà de $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{0,15}$ mol de diazote.

Quelle quantité de dihydrogène $n_0({\text{H}}_2)$ (en mol) doit-elle introduire pour que le mélange soit stœchiométrique ?

À Casablanca, on verse de l'acide sur du carbonate de calcium selon ${\text{CaCO}}_3+2{\text{H}}^{+}\to {\text{Ca}}^{2+}+{\text{H}}_2\text{O}+{\text{CO}}_2\mathrm{.}$ On part de $n_0({\text{CaCO}}_3)=\mathrm{0,10}$ mol et $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,30}$ mol. Le volume molaire des gaz vaut $V_m=24$ L/mol.

Quel volume de dioxyde de carbone (en L) se dégage-t-il ?

On veut produire $n({\text{H}}_2\text{O})=\mathrm{1,0}$ mol d'eau par la synthèse $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$, en partant d'un mélange stœchiométrique. On donne $M({\text{O}}_2)=32$ g/mol.

Quelle masse de dioxygène (en g) faut-il introduire ?

On ajuste la combustion du butane des bonbonnes de gaz : $2{\text{C}}_4{\text{H}}_{10}+\dots {\text{O}}_2\to 8{\text{CO}}_2+10{\text{H}}_2\text{O}\mathrm{.}$

Quel nombre stœchiométrique faut-il placer devant ${\text{O}}_2$ ?

À l'atelier de Fès, Amine plonge $m(\text{Fe})=\mathrm{2,8}$ g de fer dans une solution contenant $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,080}$ mol d'ions hydrogène, selon $\text{Fe}+2{\text{H}}^{+}\to {\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_2\mathrm{.}$ On donne $M(\text{Fe})=56$ g/mol et $M({\text{H}}_2)=\mathrm{2,0}$ g/mol.

Dresse le tableau d'avancement, détermine le réactif limitant et $x_{\text{max}}$, puis établis le bilan de matière complet et la masse de dihydrogène dégagée.

Dans un brûleur de laboratoire à Rabat, on fait réagir $n_0({\text{CH}}_4)=\mathrm{0,30}$ mol de méthane avec $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{0,50}$ mol de dioxygène, selon ${\text{CH}}_4+2{\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}\mathrm{.}$ On donne $M({\text{CO}}_2)=44$ g/mol.

Construis le tableau d'avancement, identifie le réactif limitant et $x_{\text{max}}$, puis donne le bilan complet et la masse de dioxyde de carbone formée.

Pour ajuster la combustion du carbone $\text{C}+{\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2$, Salma observe que l'oxygène est déjà équilibré, mais elle veut « réduire l'oxygène à droite » et propose d'écrire $\text{C}+{\text{O}}_2\to \text{CO}\mathrm{.}$ Elle dit : « Maintenant il n'y a plus qu'un O à droite, c'est plus simple. »

Explique pourquoi le raisonnement de Salma est faux, et donne la bonne démarche.

Dans une enceinte, Yasmine fait réagir $n_0({\text{N}}_2)=\mathrm{0,40}$ mol de diazote avec $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{0,90}$ mol de dihydrogène selon ${\text{N}}_2+3{\text{H}}_2\to 2{\text{NH}}_3\mathrm{.}$ On donne $M({\text{NH}}_3)=17$ g/mol.

Dresse le tableau d'avancement, trouve le réactif limitant et $x_{\text{max}}$, puis donne le bilan complet et la masse d'ammoniac produite.

Au lycée de Tanger, Karim attaque de l'aluminium par de l'acide selon $2\text{Al}+6{\text{H}}^{+}\to 2{\text{Al}}^{3+}+3{\text{H}}_2\mathrm{.}$ Il introduit $m(\text{Al})=\mathrm{0,54}$ g d'aluminium et $n_0({\text{H}}^{+})=\mathrm{0,090}$ mol d'ions hydrogène. On donne $M(\text{Al})=27$ g/mol.

Vérifie la conservation de la charge, dresse le tableau d'avancement, détermine le limitant et $x_{\text{max}}$, puis donne la quantité de dihydrogène formée.

Dans un réacteur fermé à Marrakech, Salma fait réagir $n_0({\text{H}}_2)=\mathrm{4,0}$ mol et $n_0({\text{O}}_2)=\mathrm{1,5}$ mol selon $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$. On donne $M({\text{H}}_2)=\mathrm{2,0}$ g/mol, $M({\text{O}}_2)=32$ g/mol et $M({\text{H}}_2\text{O})=18$ g/mol.

Détermine le limitant et $x_{\text{max}}$, dresse le bilan en moles, puis vérifie la conservation de la masse entre l'état initial et l'état final.