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Leçon de chimie n°1 (agrégation) :
Transformation chimique. Équation de la réaction. Avancement. Bilan de matière (1^re S).

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger la leçon manuscrite (PDF, 4 pages).

Introduction

On sait ce qu'est une transformation chimique et un système chimique, et l'on sait calculer une quantité de matière. Le but est de définir l'avancement d'une réaction pour suivre son évolution et connaître l'état initial et l'état final.

Grandeur physique et bilan de matière

Problème

Quatre équations sont proposées pour la décomposition de l'hydrogénocarbonate de sodium ; laquelle est exacte ?

1. NaHCO_3(s) → NaOH + CO_2(g)
2. 2 NaHCO_3(s) → Na₂O + 2 O₂ + H₂O_(g) + 2 C_(s)
3. 2 NaHCO_3(s) → Na₂O_(s) + 2 CO_2(g) + H₂O_(g)
4. 2 NaHCO_3(s) → Na₂CO_3(s) + CO_2(g) + H₂O_(g)

Expérience

NaHCO₃ chauffé, tube plongeant dans l'eau de chaux : un gaz se dégage et de la buée apparaît (l'équation 1 est éliminée) ; l'eau de chaux se trouble, c'est du CO₂ (l'équation 2 est éliminée). On part de 2 g de NaHCO₃, soit \(n = 2/84 \approx 2{,}4\cdot10^{-2}\) mol, et l'on chauffe jusqu'à disparition du réactif ; la masse de produit solide recueilli permet de trancher.

Bilan de matière, avancement

Tableau d'avancement : l'avancement \(x\) suit l'évolution du système de l'état initial à l'état final. Masses attendues : 0,76 g de Na₂O ou 1,3 g de Na₂CO₃ ; on pèse environ 1,24 g : c'est la réaction 4.

Étude de la précipitation du phosphate de calcium

Réactif limitant et état final

• Quand l'un des réactifs est totalement consommé (réactif limitant), l'avancement est maximal.
• Expérience : 10 mL de Na₃PO₄ à 0,1 mol/L et 30 mL de Ca(NO₃)₂ à 0,1 mol/L, filtration ; avec Ag⁺, rien (plus d'ions phosphate) ; avec CO₃²⁻, précipité : il reste des ions Ca²⁺.
• Équation : 3 Ca²⁺ + 2 PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂ ; avancement maximal fixé par le réactif en défaut (ici PO₄³⁻, \(x_{max} = 0{,}5\) mmol), représenté graphiquement.

Mélange stœchiométrique

Avec 2 mL et 3 mL des deux solutions, les deux réactifs sont consommés simultanément au même avancement maximal.

Étude des réactions produisant des gaz

Mesure de volume

Expérience : magnésium (environ 0,06 g) dans 50 mL d'acide chlorhydrique à 1 mol/L, H₂ recueilli sur cuve à eau. Mg + 2 H⁺ → Mg²⁺ + H₂ : le magnésium est le réactif limitant (\(x_{max} \approx 2{,}6\) mmol) ; volume théorique \(V = x_{max}V_m \approx 65\) mL, conforme à la mesure.

Mesure de pression

Expérience : CaCO₃ et HCl dans un ballon relié à un manomètre différentiel (\(P = P_{ballon} - P_{atm}\)) : on mesure environ 168 mbar. CaCO₃ + 2 H⁺ → CO₂ + H₂O + Ca²⁺ ; avec \(x_{max} = 8\) mmol, \(P_{th} = \dfrac{x_{max}RT}{V} \approx 185\) mbar.

Remarques

• Toujours faire les expériences avant d'annoncer les résultats, notamment le réactif limitant.
• Mesure du volume de H₂ : l'éprouvette contient aussi l'air chassé du tube ; il faut être à la pression atmosphérique, donc au même niveau d'eau dans le cristallisoir et l'éprouvette.
• Application : une coquille d'œuf dans HCl permet de remonter au pourcentage de calcaire (environ 45 %).
• La chaux : chaux vive CaO (desséchant), chaux éteinte Ca(OH)₂ ; l'eau de chaux est une solution saturée d'hydroxyde de calcium (pH environ 12, pKs = 5,3).

Bibliographie

• Manuel de 1^re S, Hachette
• Document d'accompagnement des programmes de 1^re S
• Manuel de 1^re S, Nathan