Chapitre 4 : Le tableau d’avancement

I. La transformation chimique

Transformation chimique :
Processus au cours duquel des espèces chimiques initiales (réactifs) sont consommées pour former des espèces nouvelles (produits).

• Observation macroscopique :

  • Quantités de matière des réactifs diminuent.
  • Quantités de matière des produits augmentent.

• Équation de réaction :
  C'est une égalité symbolique qui représente la transformation, exprimée avec les formules des réactifs et des produits ainsi que leurs coefficients stœchiométriques.
  Elle respecte :

  • La conservation des éléments chimiques (nombre identique d’atomes de chaque élément de part et d’autre de la flèche).
  • La conservation de la charge électrique totale (en particulier avec des ions).

Exemples d'équations équilibrées

II. Le tableau d’avancement

1) Notion d’avancement

Avancement de la réaction, noté [Formule] :
Grandeur exprimée en moles qui mesure l'évolution de la réaction chimique ; à l’état initial, [Formule], et augmente jusqu'à une valeur finale [Formule] lorsque la réaction est terminée.

• Il permet de calculer les quantités de matière de chaque espèce chimique à tout moment.
• Exemple : dans la combustion du méthane, si [Formule] mole de [Formule] réagit, alors :
  • [Formule] diminue de [Formule] moles,
  • [Formule] diminue de [Formule] moles,
  • [Formule] augmente de [Formule] moles,
  • [Formule] augmente de [Formule] moles.

2) Tableau d’avancement dans le cas général

On considère la réaction :

[Formule mathématique]

avec [Formule] les coefficients stœchiométriques.

Détermination de l’avancement maximal [Formule]

• Forcer la quantité de matière de chaque réactif à zéro pour trouver les [Formule] possibles :

[Formule mathématique]

• Le plus petit de ces deux [Formule] est [Formule], il correspond au réactif limitant (celui qui s’épuise en premier).

Cas particulier : mélange stœchiométrique

• Si [Formule], alors le mélange est stœchiométrique.
• Les deux réactifs sont entièrement consommés simultanément ;
• Seuls les produits sont présents à l’état final.

Remarques clés

À ne pas oublier :

• Toujours équilibrer correctement l’équation chimique.
• Les quantités initiales ne dépendent pas des coefficients stœchiométriques.
• Documenter clairement tous les calculs.
• Si un réactif est en excès, on peut indiquer « en excès » dans le tableau pour ne pas surcharger.
• Le réactif en plus faible quantité n’est pas toujours limitant si ses coefficients diffèrent.

3) Transformation totale et non totale

• Réaction totale :
  Se produit jusqu’à [Formule], tous les réactifs limitants sont consommés.

• Réaction non totale (équilibrée) :
  L’avancement final [Formule]. La réaction s’arrête avant épuisement complet des réactifs ; on parle d’équilibre chimique.

III. Exemples d’application

1) Réaction entre zinc et ions cuivre :

[Formule mathématique]

Calcul de l’avancement maximal :

• Hypothèse 1 (Cu2+ limitant) :
  [Formule] mol
• Hypothèse 2 (Zn limitant) :
  [Formule] mol

Choix de [Formule] mol (plus petit)
Le cuivre (Cu2+) est le réactif limitant.

2) Combustion du propane

Réaction :

[Formule mathématique]

Calcul de [Formule] :

• Hypothèse 1 (propane limitant) :
  [Formule] mol
• Hypothèse 2 (dioxygène limitant) :
  [Formule] mol

[Formule] mol → O2 est limitant

Quantités à l’état final :

• [Formule] : [Formule] mol (reste du réactif)
• [Formule] : [Formule] mol (épuisé)
• [Formule] : [Formule] mol (produit formé)
• [Formule] : [Formule] mol (produit formé)

3) Réaction entre ions cuivre et ions hydroxyde

[Formule mathématique]

Calcul de [Formule] :

• Cu2+ limitant : [Formule] mol
• HO− limitant : [Formule] mol

Choix : [Formule] mol (plus petit)
HO− est limitant.

Quantités à l’état final :

• [Formule] : [Formule] mol
• [Formule] : [Formule] mol (épuisé)
• [Formule] : [Formule] mol

Masse de précipité obtenue :

[Formule mathématique]

4) Réaction entre diazote et dihydrogène (synthèse de l’ammoniac)

[Formule mathématique]

• Volume molaire des gaz : [Formule]
• Données initiales :

Calcul de l’avancement maximal :

• [Formule] limitant :
  [Formule] mol
• [Formule] limitant :
  [Formule] mol

Mêmes valeurs ⇒ mélange stœchiométrique, [Formule] mol

Quantité et volume d’ammoniac formé :

• [Formule] mol
• [Formule]

Visualisation Mermaid : Processus de détermination de [Formule] et réactif limitant

[Diagramme]

Synthèse

• Le tableau d’avancement est un outil clé pour suivre l’évolution d’une réaction chimique quantitativement.
• Il permet de déterminer le réactif limitant et les quantités finales de tous les composés.
• L’avancement maximal [Formule] s’obtient en comparant les capacités maximales de consommation de chaque réactif.
• La bonne maîtrise de ce tableau s’applique à de nombreuses réactions et est fondamentale pour comprendre la chimie quantitative.