Avancement de réaction

Exercice dynamique : Avancement de réaction:

Présentation de l'animation :

L'animation permet d'appliquer les notions d'avancement de réaction, à partir d'une banque d'équations chimiques en générant des données initiales aléatoires. On peut ainsi reprendre les exercices sur différents types de réactions et comprendre graphiquement les mécanismes de résolution mis en jeu.

Exercice d'appropriation :

Au départ, l'animation propose la réaction de synthèse de l'ammoniac NH₃, à partir du diazote N₂ et du dihydrogène H₂ avec plusieurs niveaux d'indices (initialement, indice = 2),
Arrêter l'animation et mettre le niveau d'indice = 1,
Les quantités de matière des réactifs de départ sont des données aléatoires sur l'axe vertical : par exemple n₀(N₂) = 2,5 mol et n₀(H₂) = 4 mol,
Déplacer le point G (vert) et observer les réactifs et les produits lors de l'avancement de la réaction ; Le point rouge sur l'axe horizontal indique l'avancement maximal, et à ce point, vous pouvez "voir" le réactif limitant. Modifiez les conditions initiales (déplacer les points) afin de changer le réactif limitant, puis revenir aux conditions initiales.
Vous pouvez déclencher l'avancement en cliquant sur "Avancement/Stop" pour voir l'évolution des quantités de matière produites ou consommées dans la réaction.
Arrêter l'animation puis passez à nouveau sur le niveau d'indice = 2 : en cliquant sur "Réactifs", vous obtenez les profils de quantités de matière consommés au cours de la réactions. Le niveau d'indice = 3 donne les profils de quantités de matière produits au cours de la réaction.
Vous êtes prêt ? Vous pouvez actualiser les données et commencer un exercice en répondant aux questions ci-dessous, très classiques sur ce type de problème.

Exercice :

1) En tenant compte des conditions initiales, quel est l'avancement maximal de la réaction ? en déduire le réactif limitant de la réaction.
2) Dans les mêmes conditions, quelles sont les quantités de matière produites à la fin de la réaction ?
3) En tenant compte de l'équation de réaction, quelles sont les conditions pour qu'il n'existe plus de réactif en excès et que les quantités de matières des réactifs s'annulent au même instant dans la réaction (conditions stœchiométriques) ?
4) On souhaite préparer dans les conditions stœchiométriques précédemment calculées, un échantillon de solution de 150 mL diluée 20 fois, des produits réalisés en fin de réaction. Calculer les concentrations molaires de chacun des produits.
5) Lorsque cela est possible, calculer dans les conditions stœchiométriques, les quantités de matière consommées et produites pour x = 0,5 mol (ou 0,25 mol...) ?

Exemple de résolution :

Supposons que nous sommes dans le cas de la réaction de synthèse de l'ammoniac NH₃ :

On a : N₂ + 3 H₂ ---> 2 NH₃

avec n₀(N₂) = 2,5 mol et n₀(H₂) = 4,0 mol,

Réponses aux questions :

1) A la fin de la réaction si on aura consommé l'un des deux réactifs en intégralité, c'est-à-dire pour le dihydrogène si n₀(H₂) - 3 xmax = 0, c'est-à-dire xmax = n₀(H₂)/3 = 1,3 mol. Pour consommer tout le diazote on doit avoir n₀(N₂) - xmax = 0, c'est-à-dire xmax = n₀(N₂) = 2,5 mol. Par conséquent, la plus petite valeur de l'avancement correspond au réactif limitant : le dihydrogène.
2) A la fin de la réaction, pour une mole de diazote consommée, on va produire n(NH₃) = 2 xmax = 2*1,3 = 2,6 mol d'ammoniac.
3) Dans les conditions stœchiométriques les deux réactifs doivent se terminer en même temps, et doivent vérifier l'égalité n₀(H₂)/3= n₀(N₂)/1. Par conséquent, il faut n₀(N₂)=n₀(H₂)/3 = 1,3 mol.
4) On produit n(NH₃) = 2.6 mol d'ammoniac pour V = 150 mL, c'est-à-dire une concentration molaire initiale [NH₃]₀ =17 mol/L. La solution diluée 20 fois aura une concentration molaire : [NH₃] = [NH₃]₀ / 20= 0,85 mol/L.
5) On peut calculer les quantités de matière consommées, dans les conditions stœchiométriques, pour x = 0,5 mol : n(N₂) = n₀(N₂) - x = 0,8 mol, et n(H₂) = n₀(H₂) - 3 x = 2,5 mol ; les quantités de matière produites pour x = 0,5 mol : n(NH₃) = 2 x = 1,0 mol.