Sciences · Chimie
Stœchiométrie
La stœchiométrie est l’étude des proportions dans lesquelles les espèces chimiques réagissent et se forment. Elle s’appuie sur les coefficients de l’équation équilibrée et sur la mole.
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Une équation chimique équilibrée n’est pas qu’un bilan d’atomes : c’est une recette de proportions. Dans 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O, il faut deux moles de dihydrogène pour une mole de dioxygène, et il se forme deux moles d’eau. La stœchiométrie (du grec stoikheion, élément, et metron, mesure) exploite ces rapports pour prévoir combien de produit on obtiendra, quel réactif s’épuisera en premier et quel est le rendement d’une synthèse. Le mot a été introduit par le chimiste allemand Jeremias Benjamin Richter à la fin du XVIIIᵉ siècle.
Des coefficients aux quantités de matière
Les coefficients se lisent en entités ou en moles, jamais en grammes. Pour une réaction a A + b B → c C + d D :
n(A) consommé / a = n(B) consommé / b = n(C) formé / c = n(D) formé / d
Pour passer des masses aux moles, on utilise n = m / M, où M est la masse molaire ; pour les gaz, n = V / Vm (Vm ≈ 24 L/mol à 20 °C et 1 atm).
Le réactif limitant
Dans la pratique, les réactifs sont rarement en proportions exactes. Le réactif limitant est celui qui est entièrement consommé le premier ; il fixe la quantité maximale de produit. L’autre est en excès et il en reste à la fin.
Pour l’identifier, on divise la quantité initiale de chaque réactif par son coefficient : le plus petit rapport désigne le limitant.
Le tableau d’avancement
Outil classique de l’enseignement français, le tableau d’avancement suit les quantités au cours de la réaction grâce à une variable, l'avancement x (en mol).
Réaction : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, avec 1,0 mol de CH₄ et 3,0 mol de O₂.
| État | Avancement | n(CH₄) | n(O₂) | n(CO₂) | n(H₂O) |
|---|---|---|---|---|---|
| Initial | 0 | 1,0 | 3,0 | 0 | 0 |
| En cours | x | 1,0 − x | 3,0 − 2x | x | 2x |
| Final | x_max | 1,0 − x_max | 3,0 − 2x_max | x_max | 2x_max |
Recherche de x_max : 1,0 − x = 0 donne x = 1,0 mol ; 3,0 − 2x = 0 donne x = 1,5 mol. On retient la plus petite valeur : x_max = 1,0 mol, le méthane est limitant.
État final : 0 mol de CH₄, 1,0 mol de O₂ restant, 1,0 mol de CO₂ et 2,0 mol d’eau.
Le rendement
La quantité obtenue réellement est souvent inférieure à la quantité théorique : réaction incomplète ou équilibrée, réactions parasites, pertes lors de la purification.
Rendement (%) = quantité obtenue / quantité théorique maximale × 100
Les lois pondérales historiques
La stœchiométrie s’est construite sur trois lois expérimentales, qui ont conduit à la théorie atomique de John Dalton (1808) :
| Loi | Auteur | Énoncé |
|---|---|---|
| Conservation de la masse | Lavoisier (fin XVIIIᵉ siècle) | la masse totale ne varie pas au cours d’une réaction |
| Proportions définies | Proust (1794–1799) | un composé pur contient toujours ses éléments dans les mêmes proportions en masse |
| Proportions multiples | Dalton (1803–1804) | quand deux éléments forment plusieurs composés, les masses de l’un qui s’unissent à une même masse de l’autre sont dans des rapports simples |
Applications
- Industrie : dimensionner les apports de matières premières, par exemple l’azote et l’hydrogène du procédé Haber-Bosch pour l'ammoniac.
- Combustion : régler le rapport air/carburant d’un moteur ; pour l’essence, environ 14,7 kg d’air par kilogramme de carburant.
- Laboratoire : préparer un titrage, dont l’équivalence correspond justement aux proportions stœchiométriques.
- Pharmacie : calculer les quantités de réactifs d’une synthèse de principe actif.
Questions fréquentes
Les coefficients d’une équation sont-ils des masses ?
Non : ce sont des nombres de moles (ou d’entités). Dans 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O, 2 mol de H₂ (4 g) réagissent avec 1 mol de O₂ (32 g).
Comment trouver le réactif limitant ?
Divisez la quantité de matière initiale de chaque réactif par son coefficient stœchiométrique. Le réactif qui donne le plus petit résultat est limitant.
Pourquoi le rendement n’atteint-il jamais 100 % ?
Certaines réactions sont limitées par un équilibre, d’autres produisent des sous-produits, et chaque étape de séparation (filtration, transvasement) fait perdre un peu de matière.