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Le réactif limitant et l'avancement maximal

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Objectif
Lorsqu'on étudie en théorie une réaction, on doit pouvoir être capable de déterminer la quantité de chaque produit qui va être fabriquée en déterminant l'avancement dans l'état final. Comment doit-on procéder ?
1. Le réactif limitant

En classe de seconde, on considère que les réactions étudiées s'arrêtent lorsqu'au moins un réactif est consommé totalement. Ce réactif est appelé réactif limitant. Le ou les autres réactifs sont donc en excès.

Il est parfois simple de déterminer le réactif limitant sans faire de calcul.

Par exemple :
Lors de la combustion du méthane à l'air libre dans une gazinière :

Comme la réaction se fait à l'air libre, le dioxygène est en quantité infinie. Cette réaction s'arrêtera donc lorsque tout le méthane sera consommé : le méthane est donc le réactif limitant, le dioxygène de l'air étant le réactif en excès.

2. L'avancement maximal

On définit l'avancement maximal (noté xmax) comme l'avancement dans l'état final du système chimique, c'est-à-dire lorsqu'on ne constate plus d'évolution du système chimique.

On peut également dire que l'avancement maximal est directement lié à la consommation totale d'un des réactifs (ce qui signifie que xmax est une grandeur proportionnelle à la quantité de matière initiale du réactif limitant !).
Lorsqu'on calcule l'avancement maximal, on détermine le réactif limitant et si on connaît le réactif limitant, on connaît l'avancement maximal.

Reprenons l'exemple choisi en considérant 5 moles de méthane dans un espace confiné où l'on trouve 20 moles de dioxygène. A chaque instant, les quantités de matière présentes sont :

nt(CH4) = 5 - x
nt(O2) = 20 - 2x

Dans l'état final, on a donc deux choix possibles :
Si le carbone est réactif limitant, alors nf(CH4) = 0 donc 5 - xmax = 0.
Ceci conduit à xmax = 5 mol ce qui signifie que dans l'état final :
nf(C)=0 mol et nf(O2)= 20 - 2 x 5 = 10 mol.

Si le dioxygène est le réactif limitant alors nf(O2) = 0 donc 20 - 2xmax = 0.
Ceci conduit à xmax= 10 mol ce qui signifie que dans l'état final :         
nt(CH4) = 5 - 2 x 10 = - 15 mol et nt(O2) = 0.
Une quantité de matière étant nécessairement positive, on considère que cette solution est absurde.

En conclusion, on peut obtenir l'avancement maximal en choisissant comme réactif limitant celui qui conduit à une valeur d'avancement maximal la plus petite possible !

L'essentiel
Le réactif limitant est le réactif qui est totalement consommé lors d'une réaction chimique.
L'avancement maximal correspond à la quantité de matière introduite de ce réactif divisée par le nombre stoechiométrique qui lui est attribué par l'équation chimique.

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