Déterminer le Réactif Limitant 🧪🔬
Comprendre le Concept de Réactif Limitant
Dans de nombreuses réactions chimiques, les réactifs ne sont pas présents dans les proportions exactes indiquées par l'équation stœchiométrique. L'un des réactifs sera alors complètement consommé avant les autres : c'est le réactif limitant. Il détermine la quantité maximale de produit qui peut être formée. Les autres réactifs sont dits en excès.
Savoir identifier le réactif limitant est crucial pour prédire le rendement d'une réaction et optimiser les procédés chimiques.
Énoncé du Problème
On fait réagir 2,00 moles de N₂ avec 3,00 moles de H₂.
Représentation des quantités initiales et du rapport stœchiométrique
Ce schéma illustre les quantités de départ des réactifs et le rapport dans lequel ils réagissent selon l'équation chimique.
- Quel est le réactif limitant ?
- Quelle est la quantité maximale d'ammoniac (NH₃) qui peut être produite (en moles) ?
- Quelle quantité (en moles) du réactif en excès reste-t-il après la réaction complète du réactif limitant ?
Visualisation Conceptuelle de la Réaction
Animation simplifiée montrant l'épuisement du réactif limitant.
Cliquez pour voir les étapes de la réaction.
Correction : Déterminer le Réactif Limitant 🧪🔬
Étape 1 : Vérifier l'équilibrage de l'équation
Principe :
Une équation chimique correctement équilibrée est essentielle pour les calculs stœchiométriques. Elle assure la conservation de la masse et des atomes.
Application :
L'équation fournie est : \( \text{N}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \Rightarrow 2\text{NH}_3\text{(g)} \)
- Azote (N) : 2 atomes à gauche (dans N₂), 2 atomes à droite (dans 2 NH₃). C'est équilibré.
- Hydrogène (H) : \(3 \times 2 = 6\) atomes à gauche (dans 3 H₂), \(2 \times 3 = 6\) atomes à droite (dans 2 NH₃). C'est équilibré.
L'équation est bien équilibrée.
Étape 2 : Convertir les quantités initiales en moles (si nécessaire)
Principe :
Les coefficients stœchiométriques dans une équation chimique représentent des rapports molaires. Il est donc impératif de travailler avec des moles.
Application :
Dans cet exercice, les quantités initiales sont déjà données en moles :
- Moles de N₂ initiales = 2,00 mol
- Moles de H₂ initiales = 3,00 mol
Aucune conversion n'est nécessaire ici. Si les quantités étaient en grammes, il faudrait utiliser les masses molaires pour les convertir en moles.
Étape 3 : Déterminer le réactif limitant
Principe :
Le réactif limitant est celui qui est entièrement consommé et qui "limite" la quantité de produit formé. Pour l'identifier, on compare le rapport des moles initiales des réactifs au rapport stœchiométrique indiqué par l'équation équilibrée.
Méthode : On calcule la quantité de produit qui pourrait être formée si chaque réactif réagissait complètement. Le réactif qui produit la plus petite quantité de produit est le réactif limitant.
Application :
D'après l'équation : 1 mole de N₂ réagit avec 3 moles de H₂ pour produire 2 moles de NH₃.
Cas 1 : Si N₂ est le réactif limitant (consommé entièrement)
On a 2,00 moles de N₂. Selon la stœchiométrie (1 N₂ \( \Rightarrow \) 2 NH₃) :
Pour consommer 2,00 moles de N₂, combien de H₂ faudrait-il (1 N₂ pour 3 H₂) ?
Nous avons seulement 3,00 moles de H₂ disponibles, ce qui est inférieur aux 6,00 moles de H₂ nécessaires. Donc, N₂ ne peut pas être le réactif limitant car il n'y a pas assez de H₂ pour réagir avec tout le N₂.
Cas 2 : Si H₂ est le réactif limitant (consommé entièrement)
On a 3,00 moles de H₂. Selon la stœchiométrie (3 H₂ \( \Rightarrow \) 2 NH₃) :
Pour consommer 3,00 moles de H₂, combien de N₂ faudrait-il (3 H₂ pour 1 N₂) ?
Nous avons 2,00 moles de N₂ disponibles, ce qui est supérieur aux 1,00 moles de N₂ nécessaires. Donc, H₂ peut être le réactif limitant.
Conclusion pour le réactif limitant :
H₂ produit la plus petite quantité de NH₃ (2,00 mol) par rapport à N₂ (qui en produirait 4,00 mol s'il y avait assez de H₂). Par conséquent, H₂ est le réactif limitant.
Quiz Intermédiaire 1 : Si 1 mole de A réagit avec 2 moles de B pour donner C (\(A + 2B \Rightarrow C\)). Si on mélange 0,5 mole de A et 0,8 mole de B, quel est le réactif limitant ?
Étape 4 : Calculer la quantité maximale de produit formé (rendement théorique)
Principe :
La quantité maximale de produit (rendement théorique) est déterminée par la quantité de réactif limitant.
Application :
Nous avons déterminé que H₂ est le réactif limitant et qu'il peut produire 2,00 moles de NH₃.
Étape 5 : Calculer la quantité de réactif en excès restante
Principe :
Une fois que le réactif limitant est entièrement consommé, la réaction s'arrête. Une partie du réactif en excès n'aura pas réagi.
Quantité restante = Quantité initiale - Quantité consommée
Application :
Le réactif en excès est N₂.
Nous avons calculé à l'étape 3 que pour consommer les 3,00 moles de H₂ (le réactif limitant), il faut 1,00 mole de N₂.
La quantité initiale de N₂ était de 2,00 moles.
$$ \text{Moles de N}_2 \text{ restantes} = \text{Moles initiales de N}_2 - \text{Moles de N}_2 \text{ consommées} $$
Quiz Récapitulatif : Testez vos Connaissances
1. Qu'est-ce qui définit le réactif limitant dans une réaction chimique ?
2. Dans l'exemple de la synthèse de l'ammoniac (N₂ + 3H₂ \( \Rightarrow \) 2NH₃), si l'on part de 2,00 mol de N₂ et 3,00 mol de H₂, quelle affirmation est correcte concernant les quantités à la fin de la réaction ?
3. Si 10,0 g de magnésium (Mg, M = 24,3 g/mol) réagissent avec un excès d'oxygène (O₂) pour former de l'oxyde de magnésium (MgO), quel est le réactif limitant ? (Équation : \(2\text{Mg(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \Rightarrow 2\text{MgO(s)}\) )
Glossaire des Termes Clés
- Réactif Limitant
- Le réactif qui est entièrement consommé lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit pouvant être formé.
- Réactif en Excès
- Un réactif présent en quantité supérieure à celle nécessaire pour réagir complètement avec le réactif limitant. Une partie de ce réactif reste non consommée à la fin de la réaction.
- Stœchiométrie
- L'étude des relations quantitatives entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique, basée sur l'équation chimique équilibrée.
- Mole (mol)
- L'unité de quantité de matière dans le Système International. Une mole contient environ \(6,022 \times 10^{23}\) entités élémentaires (atomes, molécules, ions, etc.). Ce nombre est appelé constante d'Avogadro.
- Masse Molaire (M)
- La masse d'une mole d'une substance, généralement exprimée en grammes par mole (g/mol). Elle est numériquement égale à la masse atomique ou moléculaire exprimée en unités de masse atomique (u).
- Rendement Théorique
- La quantité maximale de produit qui peut être formée à partir des quantités données de réactifs, calculée en supposant que la réaction est complète et que tout le réactif limitant est converti en produit.
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