⚗ Spécialité Physique-Chimie · Chimie Première Générale · Chapitre 3

Le tableau d'avancement

Avancement d'une réaction, tableau d'avancement, avancement maximal, réactif limitant, état final et mélange stœchiométrique.

1. L'avancement

Définition

L'avancement $x$ (en mol) mesure la progression d'une transformation modélisée par une réaction $a\,\text{A} + b\,\text{B} \rightarrow c\,\text{C} + d\,\text{D}$. Quand la réaction a « avancé » de $x$ mol, il a disparu $ax$ mol de A et $bx$ mol de B, et il est apparu $cx$ mol de C et $dx$ mol de D.

Méthode · Construire un tableau d'avancement

  1. Écrire l'équation ajustée.
  2. Ligne « état initial » : les quantités $n_0$ ($x = 0$).
  3. Ligne « en cours » : $n_0(\text{A}) - ax$, $n_0(\text{B}) - bx$, $cx$, $dx$.
  4. Ligne « état final » : on remplace $x$ par $x_\text{max}$.
avancementFe2 H?Fe²?H?état initialx = 00,100,3000en coursx0,10 ? x0,30 ? 2xxxétat finalxmax = 0,1000,100,100,10
Tableau d'avancement de Fe + 2 H? ? Fe²? + H? : le fer (en rouge) est le réactif limitant.

2. Avancement maximal et réactif limitant

Propriété

Pour une transformation totale, l'avancement maximal $x_\text{max}$ est la plus petite des valeurs qui annulent la quantité d'un réactif : on résout $n_0(\text{A}) - ax = 0$ et $n_0(\text{B}) - bx = 0$. Le réactif correspondant est le réactif limitant.

Exemple

Dans le tableau ci-dessus : $0{,}10 - x = 0 \Rightarrow x = 0{,}10$ ; $0{,}30 - 2x = 0 \Rightarrow x = 0{,}15$. Donc $x_\text{max} = 0{,}10$ mol, le fer est limitant ; il reste $0{,}10$ mol d'ions $\text{H}^+$.

0,020,040,060,080,10,120,10,20,30x (mol)n (mol)xmax— H?— Fe— Fe²? et H?
Évolution des quantités de matière avec l'avancement : la transformation s'arrête quand n(Fe) atteint 0.

Propriété · Mélange stœchiométrique

Les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques si $\dfrac{n_0(\text{A})}{a} = \dfrac{n_0(\text{B})}{b}$ : ils sont alors tous épuisés en même temps.

Expérience · Magnésium et acide chlorhydrique

Matérieltubes à essai avec $10$ mL d'acide chlorhydrique à $1{,}0$ mol/L, rubans de magnésium de masses croissantes, ballons de baudruche ou seringue à gaz.
ProtocoleOn introduit dans chaque tube une masse différente de magnésium et on recueille le dihydrogène formé ($\text{Mg} + 2\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \text{H}_2$). On relève le volume de gaz final.
0,050,10,150,20,25501001500m(Mg) (g)V(H?) (mL)
Le volume de gaz augmente avec la masse de magnésium, puis plafonne.
ObservationLe volume de gaz augmente proportionnellement à la masse de magnésium jusqu'à $0{,}12$ g environ, puis reste constant ($\approx 120$ mL) ; du magnésium reste alors au fond.
InterprétationAvant le coude, le magnésium est limitant ; après, ce sont les ions $\text{H}^+$ ($0{,}010$ mol, donc $x_\text{max} = 0{,}005$ mol de $\text{H}_2$, soit $0{,}005 \times 24 = 0{,}12$ L). Le coude correspond au mélange stœchiométrique.

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Exercices corrigés

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1

Remplir un tableau

★★☆

On fait réagir $0{,}40$ mol de dihydrogène avec $0{,}15$ mol de dioxygène : $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$. Déterminer $x_\text{max}$ et l'état final.

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2

Masse de produit

★★☆

On brûle $2{,}4$ g de carbone ($M = 12$ g/mol) dans un excès de dioxygène : $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$. Quelle masse de $\text{CO}_2$ ($M = 44$ g/mol) se forme-t-il ?

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3

Taux d'avancement

★★★

Pour une estérification, $x_\text{max} = 0{,}50$ mol mais on obtient seulement $0{,}33$ mol d'ester. Calculer le taux d'avancement. La transformation est-elle totale ?

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4

Compléter un tableau

★☆☆

Pour $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$ avec $n_0(\text{N}_2) = 2{,}0$ mol et $n_0(\text{H}_2) = 4{,}5$ mol, écrire la ligne « en cours » puis trouver $x_\text{max}$.

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5

État final

★★☆

Suite : donner la composition de l'état final.

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6

Combustion du méthane

★★☆

$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ avec $0{,}30$ mol de méthane et $0{,}50$ mol de dioxygène. Déterminer $x_\text{max}$, le réactif limitant et l'état final.

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7

Avec des masses

★★☆

On fait réagir $2{,}7$ g d'aluminium ($M = 27$ g/mol) avec $0{,}20$ mol de dioxygène : $4\,\text{Al} + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{Al}_2\text{O}_3$. Masse d'oxyde formée ($M = 102$ g/mol) ?

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8

Proportions stœchiométriques

★★☆

Quelle quantité de dioxygène faut-il pour brûler exactement $0{,}40$ mol de propane : $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$ ?

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9

Volume de gaz

★★☆

$\text{Zn} + 2\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2$ avec $0{,}050$ mol de zinc et un excès d'acide. Quel volume de dihydrogène obtient-on ($V_m = 24$ L/mol) ?

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10

Concentration et quantité

★★☆

On mélange $20$ mL d'acide à $0{,}50$ mol/L (ions $\text{H}^+$) et $0{,}24$ g de magnésium ($M = 24{,}3$ g/mol). Réactif limitant ?

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11

Graphique n(x)

★★☆

Dans le graphique du cours, lire la quantité d'ions $\text{H}^+$ restante quand $x = 0{,}06$ mol.

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12

Précipité

★★★

On mélange $0{,}020$ mol d'ions $\text{Cu}^{2+}$ et $0{,}030$ mol d'ions $\text{HO}^-$ : $\text{Cu}^{2+} + 2\,\text{HO}^- \rightarrow \text{Cu(OH)}_2$. Masse de précipité ($M = 97{,}5$ g/mol) ?

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13

Réaction totale ou non

★★★

On attendait $x_\text{max} = 0{,}20$ mol mais on mesure $x_f = 0{,}13$ mol. Calculer le taux d'avancement final $\tau = \dfrac{x_f}{x_\text{max}}$ et conclure.

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14

Exploiter l'expérience

★★☆

Dans l'expérience du cours, quel volume de gaz obtient-on avec $0{,}06$ g de magnésium ($M = 24$ g/mol) ?

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15

Masse nécessaire

★★☆

Quelle masse de carbone ($M = 12$ g/mol) faut-il brûler dans un excès de dioxygène pour obtenir $22$ g de $\text{CO}_2$ ($M = 44$ g/mol) ?

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16

Tableau à trois réactifs

★★★

$2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$ : on a $1{,}0$ mol de chaque réactif. Quel est le réactif en excès et quelle quantité reste-t-il ?

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17

Airbag

★★★

Un airbag contient de l'azoture de sodium : $2\,\text{NaN}_3 \rightarrow 2\,\text{Na} + 3\,\text{N}_2$. Quelle masse de $\text{NaN}_3$ ($M = 65$ g/mol) faut-il pour produire $60$ L de diazote ($V_m = 24$ L/mol) ?

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18

Unités

★☆☆

En quelle unité s'exprime l'avancement ? Peut-il être négatif ?

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19

Retrouver une quantité initiale

★★☆

Pour $\text{A} + 2\,\text{B} \rightarrow \text{C}$, l'état final contient $0$ mol de A, $0{,}10$ mol de B et $0{,}30$ mol de C. Retrouver les quantités initiales.

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) $x_\text{max}$ est la plus grande des valeurs annulant un réactif. b) Dans un mélange stœchiométrique, il ne reste aucun réactif. c) Les produits ont une quantité nulle à l'état initial (en général).

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