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Identifier le réactif limitant d'une réaction chimique

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Objectifs
  • Savoir interpréter une équation chimique en termes de quantité de matière.
  • Déterminer le réactif limitant lors d’une transformation chimique totale à partir de l’identification des espèces chimiques présentes dans l’état final.
Points clés
  • Les quantités de matière des réactifs consommés et des produits formés sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques de l’équation chimique.
  • Le réactif limitant d’une réaction est le réactif qui est totalement consommé à la fin de la réaction.
Pour bien comprendre
  • Proportionnalité – Produits en croix
  • La quantité de matière
1. Coefficient stoechiométrique et proportion - Exemple

On considère ci-dessous l’équation de la réaction de combustion du méthane (gaz de ville).

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

  • D’un point de vue microscopique, cette équation signifie que lorsque 1 molécule de méthane (CH4) rencontre 2 molécules de dioxygène (O2), alors il se forme 1 molécule de dioxyde de carbone (CO2) et 2 molécules d’eau (H2O).
  • À l’échelle macroscopique, on raisonne en mole :
    1 mole de méthane réagit avec 2 moles de dioxygène pour donner 1 mole de dioxyde de carbone et 2 moles d’eau.
  • D’un point de vue pratique, on peut même dire que :
    lorsque 1 mole de méthane disparait, alors 2 moles de dioxygène disparaissent en même temps et 1 mole de dioxyde de carbone apparait avec 2 moles d’eau.
  • En allant même plus loin, puisque le chimiste ne manipule pas nécessairement un nombre entier de quantité de matière, on peut dire que :
    lorsque  moles de méthane disparaissent avec 2 moles de dioxygène, il se forme  moles de dioxyde de carbone et 2 moles d’eau.
Les quantités de matière des réactifs consommés et des produits formés sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques.

Si on fait réagir  moles de méthane et 2 moles de dioxygène, on dit que les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques, c’est-à-dire que les deux réactifs ont été introduits de manière à être totalement consommés.

Exemple
Faire réagir 0,3 mole de méthane et 0,6 mole de dioxygène, c’est réaliser la réaction chimique dans les proportions stœchiométriques car ce sont les proportions données par les coefficients stoechiométriques 1 et 2 :
          1 CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
2. Déterminer le réactif limitant
a. Le réactif limitant
Lors d’une réaction chimique, il y a au moins un des réactifs qui disparait totalement : c’est le réactif limitant.

Lorsque le réactif limitant est consommé, la réaction chimique s’arrête.

Remarque
Si les réactifs en présence sont dans des proportions stœchiométriques, alors ils sont tous limitants puisqu’ils seront tous totalement consommés à la fin de la réaction.
Les réactifs encore présents en fin de réaction sont les réactifs en excès.

Si on constate que tous les réactifs ont disparu en fin de réaction, c’est qu’ils étaient dans des proportions stœchiométriques.

b. Déterminer le réactif limitant

Lorsqu’on fait réagir des quantités de matière connues de réactifs, on doit être capable de déterminer lequel sera limitant.

On considère ici qu’il n’y a que deux réactifs.

Pour déterminer le réactif limitant, on utilise la proportionnalité.

Méthode
  1. Ne considérer qu’une seule des deux quantités de matière de réactif données par l’énoncé.
  2. Utiliser les proportions données par les coefficients stœchiométriques pour déterminer la quantité de matière de l’autre réactif nécessaire pour que les proportions stœchiométriques soient respectées.
  3. Comparer la quantité de matière obtenue pour l’autre réactif à celle fournie par l’énoncé et conclure : ce second réactif est en excès si sa quantité de matière initiale est supérieure à la valeur trouvée, et il est limitant si sa quantité de matière est inférieure.
Exemple
On utilise 3 moles d’ammoniac NH3 et 4 moles de dioxygène O2 pour réaliser la réaction d’équation :
          4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(l).
Quel est le réactif limitant ? Autrement dit, quel réactif, entre NH3 et O2, va disparaitre en premier ?
  1. On utilise 3 moles d’ammoniac NH3.
  2. On cherche la quantité de matière de dioxygène O2 qui va réagir avec les 3 moles d’ammoniac NH3 si la réaction a lieu dans les proportions stœchiométriques en utilisant un tableau de proportionnalité.
    Réactif NH3 O2
    Coefficient stœchiométrique 4 moles 5 moles
    Quantité de matière initiale 3 moles  moles
    On calcule  à l’aide des produits en croix :  moles.
  3. D’après nos calculs, pour que la réaction ait lieu dans des proportions stœchiométriques, il faut faire réagir 3 moles de NH3 avec 3,75 moles de O2.
    Or, on dispose de 4 moles de O2, ce qui est trop. Il va rester du dioxygène en fin de réaction.
    Le dioxygène est donc en excès tandis que le réactif limitant est l’ammoniac NH3.
Remarque
Dans l’exemple, on aurait pu considérer les 4 moles de O2 présentes initialement et on aurait déterminé la quantité de matière de NH3 à utiliser pour respecter les proportions stœchiométriques. On serait arrivé à la même conclusion.

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