Etude de Chimie

Synthèse de l’oxyde de sodium

Synthèse de l’Oxyde de Sodium

Synthèse de l’Oxyde de Sodium

Comprendre la Synthèse des Oxydes Métalliques

Les oxydes métalliques sont des composés formés par la réaction d'un métal avec le dioxygène. Ces réactions, souvent des combustions, sont fondamentales en chimie inorganique et ont de nombreuses applications industrielles. L'oxyde de sodium (\(Na_2O\)) est un oxyde basique typique formé par la réaction du sodium métallique avec le dioxygène. Cet exercice se concentre sur les aspects stœchiométriques de cette synthèse, permettant de calculer la quantité de produit formé à partir d'une quantité donnée de réactif.

Données de l'Expérience

On fait réagir du sodium métallique (\(Na\)) solide avec un excès de dioxygène gazeux (\(O_2\)) pour former de l'oxyde de sodium (\(Na_2O\)) solide.

L'équation chimique (non équilibrée initialement) de la réaction est :

\[Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow Na_2O(\text{s})\]

Conditions et Données :

  • Masse de sodium (\(m_{\text{Na}}\)) utilisée : \(10.0 \, \text{g}\)
  • Le dioxygène est en excès.

Masses Molaires Atomiques (en \(\text{g/mol}\)) :

  • Na : \(22.99\)
  • O : \(16.00\)
Schéma de la Synthèse
Na(s) + O₂(g) (Excès) Réaction du Sodium avec le Dioxygène

Schéma illustrant la réaction de synthèse de l'oxyde de sodium.

Na₂O(s) Produit

Questions à traiter

  1. Équilibrer l'équation chimique de la réaction de formation de l'oxyde de sodium.
  2. Calculer la masse molaire du sodium (\(M_{\text{Na}}\)). (Déjà donnée, mais pour la forme)
  3. Calculer la masse molaire de l'oxyde de sodium (\(M_{\text{Na}_2\text{O}}\)).
  4. Déterminer le nombre de moles de sodium (\(n_{\text{Na}}\)) initialement présentes.
  5. En utilisant l'équation équilibrée, déterminer le nombre de moles d'oxyde de sodium (\(n_{\text{Na}_2\text{O}}\)) qui peuvent être formées théoriquement.
  6. Calculer la masse théorique d'oxyde de sodium (\(m_{\text{Na}_2\text{O}}\)) produite.
  7. Si la réaction avait lieu avec un volume précis de dioxygène à des conditions T et P données, quelle information supplémentaire serait nécessaire pour déterminer si le sodium est le réactif limitant ?

Correction : Synthèse de l’Oxyde de Sodium

Question 1 : Équilibrage de l'Équation Chimique

Principe :

L'équation doit avoir le même nombre d'atomes de chaque élément des deux côtés de la flèche.

Équation non équilibrée : \(Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow Na_2O(\text{s})\)

Étapes d'équilibrage :
  1. Sodium (Na) : Il y a 1 Na à gauche et 2 Na à droite (dans \(Na_2O\)). On place un 2 devant Na à gauche :
    \(2Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow Na_2O(\text{s})\)
  2. Oxygène (O) : Il y a 2 O à gauche (dans \(O_2\)) et 1 O à droite (dans \(Na_2O\)). Pour équilibrer O, on pourrait mettre \(1/2\) devant \(O_2\) ou multiplier \(Na_2O\) par 2. Si on multiplie \(Na_2O\) par 2, il faut réajuster Na :
    \(2Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow 2Na_2O(\text{s})\)
    Maintenant, Na n'est plus équilibré (2 à gauche, 4 à droite). On ajuste Na à gauche :
    \(4Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow 2Na_2O(\text{s})\)
  3. Vérification : Gauche: 4 Na, 2 O. Droite: 4 Na (2x2), 2 O (2x1). L'équation est équilibrée.
Équation équilibrée : \(4Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow 2Na_2O(\text{s})\).

Question 2 : Masse Molaire du Sodium (\(M_{\text{Na}}\))

Principe :

La masse molaire d'un élément est généralement donnée dans le tableau périodique.

Donnée :

\(M_{\text{Na}} = 22.99 \, \text{g/mol}\)

Masse molaire du sodium : \(22.99 \, \text{g/mol}\).

Question 3 : Masse Molaire de l'Oxyde de Sodium (\(M_{\text{Na}_2\text{O}}\))

Formule(s) utilisée(s) :
\[M_{\text{Na}_2\text{O}} = (2 \times M_{\text{Na}}) + M_{\text{O}}\]
Données spécifiques :
  • \(M_{\text{Na}} = 22.99 \, \text{g/mol}\)
  • \(M_{\text{O}} = 16.00 \, \text{g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{Na}_2\text{O}} &= (2 \times 22.99 \, \text{g/mol}) + 16.00 \, \text{g/mol} \\ &= 45.98 \, \text{g/mol} + 16.00 \, \text{g/mol} \\ &= 61.98 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
Masse molaire de l'oxyde de sodium : \(61.98 \, \text{g/mol}\).

Question 4 : Nombre de Moles de Sodium (\(n_{\text{Na}}\))

Formule(s) utilisée(s) :
\[n_{\text{Na}} = \frac{m_{\text{Na}}}{M_{\text{Na}}}\]
Données spécifiques :
  • \(m_{\text{Na}} = 10.0 \, \text{g}\)
  • \(M_{\text{Na}} = 22.99 \, \text{g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n_{\text{Na}} &= \frac{10.0 \, \text{g}}{22.99 \, \text{g/mol}} \\ &\approx 0.43497 \, \text{mol} \end{aligned} \]
Nombre de moles de sodium : environ \(0.4350 \, \text{mol}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Un oxyde basique est généralement formé par la réaction :

Question 5 : Nombre de Moles Théorique d'Oxyde de Sodium (\(n_{\text{Na}_2\text{O}}\))

Principe :

D'après l'équation équilibrée \(4Na(\text{s}) + O_2(\text{g}) \Rightarrow 2Na_2O(\text{s})\), 4 moles de Na produisent 2 moles de \(Na_2O\). Le rapport stœchiométrique Na : \(Na_2O\) est de 4:2, soit 2:1.

Formule(s) utilisée(s) :
\[n_{\text{Na}_2\text{O}} = n_{\text{Na}} \times \frac{2 \, \text{mol Na}_2\text{O}}{4 \, \text{mol Na}} = n_{\text{Na}} \times \frac{1}{2}\]
Données spécifiques :
  • \(n_{\text{Na}} \approx 0.43497 \, \text{mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n_{\text{Na}_2\text{O}} &= 0.43497 \, \text{mol} \times \frac{1}{2} \\ &\approx 0.217485 \, \text{mol} \end{aligned} \]
Nombre de moles théorique d'oxyde de sodium : environ \(0.2175 \, \text{mol}\).

Question 6 : Masse Théorique d'Oxyde de Sodium (\(m_{\text{Na}_2\text{O}}\))

Formule(s) utilisée(s) :
\[m_{\text{Na}_2\text{O}} = n_{\text{Na}_2\text{O}} \times M_{\text{Na}_2\text{O}}\]
Données spécifiques :
  • \(n_{\text{Na}_2\text{O}} \approx 0.217485 \, \text{mol}\)
  • \(M_{\text{Na}_2\text{O}} = 61.98 \, \text{g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} m_{\text{Na}_2\text{O}} &= 0.217485 \, \text{mol} \times 61.98 \, \text{g/mol} \\ &\approx 13.4797 \, \text{g} \end{aligned} \]

En respectant les chiffres significatifs (3, basés sur \(10.0 \, \text{g}\)), on arrondit à \(13.5 \, \text{g}\).

Masse théorique d'oxyde de sodium produite : environ \(13.5 \, \text{g}\).

Question 7 : Information Supplémentaire pour Réactif Limitant

Explication :

Si la réaction avait lieu avec un volume précis de dioxygène à des conditions T et P données, pour déterminer si le sodium est toujours le réactif limitant (ou si le dioxygène le devient), il faudrait pouvoir calculer le nombre de moles de dioxygène disponibles.

L'information supplémentaire nécessaire serait :

  • Le volume de dioxygène (\(V_{O_2}\)) utilisé.
  • La température (\(T\)) et la pression (\(P\)) auxquelles ce volume de dioxygène est mesuré (si elles sont différentes des conditions standard ou si la loi des gaz parfaits doit être utilisée).

Avec ces informations, on pourrait calculer \(n_{O_2}\) (par exemple, en utilisant \(PV=nRT\) si \(O_2\) est considéré comme un gaz parfait) et le comparer au nombre de moles de \(O_2\) stœchiométriquement requis pour réagir avec les \(0.4350 \, \text{mol}\) de Na. Le réactif qui s'épuise en premier est le réactif limitant.

Pour déterminer le réactif limitant si le volume de \(O_2\) était spécifié, il faudrait connaître ce volume ainsi que la température et la pression de ce gaz pour calculer son nombre de moles.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La réaction entre le sodium et le dioxygène est une réaction de type :

2. Dans l'équation équilibrée \(4Na + O_2 \Rightarrow 2Na_2O\), si l'on utilise 2 moles de sodium, combien de moles de \(Na_2O\) seront formées (en supposant \(O_2\) en excès) ?

3. Lequel de ces oxydes est susceptible de réagir avec l'eau pour former une base ?

Glossaire

Oxyde Métallique
Composé chimique formé par la liaison d'un métal avec de l'oxygène. Beaucoup d'oxydes métalliques sont des oxydes basiques.
Oxyde de Sodium (\(Na_2O\))
Composé ionique blanc, formé par la réaction du sodium avec l'oxygène. C'est un oxyde basique puissant.
Sodium (Na)
Métal alcalin très réactif, mou et argenté.
Dioxygène (\(O_2\))
Molécule diatomique essentielle à la vie, principal comburant dans la plupart des réactions de combustion.
Stœchiométrie
Étude des relations quantitatives entre les réactifs et les produits dans les réactions chimiques.
Équation Chimique Équilibrée
Représentation d'une réaction chimique où le nombre d'atomes de chaque élément est conservé entre les réactifs et les produits.
Masse Molaire (M)
Masse d'une mole d'une substance, exprimée en \(\text{g/mol}\).
Mole (mol)
Unité de quantité de matière, équivalant au nombre d'Avogadro (\(N_A \approx 6.022 \times 10^{23}\)) d'entités élémentaires.
Réactif Limitant
Réactif qui est entièrement consommé lors d'une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit formé.
Réactif en Excès
Réactif présent en plus grande quantité que nécessaire pour réagir complètement avec le réactif limitant.
Synthèse de l’Oxyde de Sodium - Exercice d'Application

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