Transformation chimique : équation de réaction et bilan de matière

Écrire et équilibrer une équation de réaction, puis calculer les quantités de matière mises en jeu.

1 L'idée

Lors d'une transformation chimique, des espèces initiales appelées réactifs disparaissent et de nouvelles espèces appelées produits apparaissent. Les atomes sont conservés : ils se réarrangent sans être créés ni détruits — c'est la loi de Lavoisier (1789).

L'équation de réaction résume la transformation en formules chimiques. Elle doit être équilibrée : le nombre d'atomes de chaque élément est identique de part et d'autre de la flèche. Les nombres entiers placés devant les formules s'appellent coefficients stœchiométriques.

2 Relations fondamentales

Équation générale

$a\,A + b\,B \longrightarrow c\,C + d\,D$

Conservation de la masse

$m_{\text{réactifs}} = m_{\text{produits}}$

Rapport stœchiométrique

$\dfrac{n(A)}{a} = \dfrac{n(B)}{b} = \dfrac{n(C)}{c}$

3 Exemples

Exemple A — Équilibrer la combustion du méthane

Non équilibrée : $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

Équilibrer C : déjà 1 des deux côtés. Équilibrer H : mettre 2 devant $H_2O$ → $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O$ (O côté droit : 4).

Équilibrer O : mettre 2 devant $O_2$.

Résultat : $CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O$. Vérification : C : 1 = 1 ; H : 4 = 4 ; O : 4 = 4. Équation équilibrée.

Exemple B — Bilan de matière et réactif limitant

Équation : $2\,H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O$. On dispose de $n(H_2) = 4{,}0$ mol et $n(O_2) = 1{,}5$ mol.

$O_2$ nécessaire pour consommer tout $H_2$ : $n(O_2)_{\text{néc.}} = \dfrac{1}{2} \times 4{,}0 = 2{,}0$ mol.

Disponible : $1{,}5 \lt 2{,}0$ mol, donc $O_2$ est le réactif limitant. On raisonne à partir de $n(O_2)$.

Eau produite : $n(H_2O) = \dfrac{2}{1} \times 1{,}5 = 3{,}0$ mol.

Méthode en deux temps

Équilibrer : écrire les formules des réactifs (gauche) et des produits (droite), puis ajuster les coefficients stœchiométriques devant chaque formule — ne jamais modifier les indices à l'intérieur des formules.
Bilan de matière : appliquer le rapport $\dfrac{n}{\text{coeff.}} = \text{cste}$ pour calculer les quantités consommées ou produites.
Réactif limitant : pour chaque réactif, calculer la quantité de l'autre réactif qu'il consommerait entièrement. Le réactif qui nécessite le moins de l'autre est le limitant ; c'est lui qui fixe la quantité de produit formé.

Erreurs fréquentes

Modifier un indice dans une formule pour équilibrer (ex. écrire $H_3$ au lieu de mettre 2 devant $H_2$) : interdit, cela change l'espèce chimique.
Oublier de multiplier tous les atomes par le coefficient : $2\,H_2O$ contient 4 atomes H et 2 atomes O, pas 2 et 1.
Confondre coefficients stœchiométriques et rapports de masses : les coefficients concernent les moles, pas les grammes.
Oublier d'identifier le réactif limitant lorsque les deux réactifs ont des quantités données : sans cette étape, le calcul de la quantité de produit est faux.