Réaction chimique colorée : analyser réactifs et produits - Maxicours

Réaction chimique colorée : analyser réactifs et produits

Objectif(s)
Au cours d’une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent et d’autres apparaissent.
Comment décrit-on l’évolution d’un système chimique au cours de la réaction chimique ?
Qu’est-ce que le réactif limitant ?
Comment décrit-on l’état final du système ?

1. Equation de la réaction et état du système
Le système chimique évolue entre un état initial et un état final.
a. Equation de la réaction
On considère la réaction chimique entre les ions iodure et les ions peroxodisulfate.
S2O82- (aq)+ 2 I- (aq)  →  I2 (aq) + 2 SO42- (aq)

Les espèces qui disparaissent (S2O82- et 2 I-) sont les réactifs.
Les espèces qui apparaissent (I2 et SO42-) sont les produits.

Tous les ions sont incolores. Le diiode est jaune–brun.
Au début, la solution est incolore. Au cours de la réaction chimique, une coloration brune apparaît.
Cette réaction est lente, ce qui permet d’observer son évolution à l’œil nu.
b. Evolution de la couleur du mélange
La quantité de diiode qui se forme au cours de la transformation augmente au cours du temps. Plus la quantité de diiode formée est importante, et plus la concentration en diiode est élevée ; la coloration passe de l’incolore, au brun en passant par des tons de jaune :

c. Etat du système
On peut décrire l’évolution du système au cours de la transformation chimique. Le système évolue d’un état initial vers un état final, qui dépend des conditions initiales.


État initial État intermédiaire État final
S2O82- (aq)
I -
S2O82- (aq)
I -
I2 (aq)
SO42-
?


D’après l’équation de la réaction, une mole d’ions peroxodisulfate S2O82- réagit avec deux moles d’ions iodure I - pour former une mole de diiode I2 et deux moles d’ions sulfate SO42-.
2. Tableau d'évolution et avancement de la réaction
Pour décrire l’évolution du système, on utilise un outil : le tableau d’évolution du système.
a. Avancement de la réaction
L’avancement de la réaction, noté « x », est un nombre qui s’exprime en mole et qui représente la quantité de matière qui a réagi pour un état intermédiaire.

D’après l’équation de la réaction, x mole d’ions peroxodisulfate S2O82- réagit avec 2x moles d’ions iodure I- pour former x mole de diiode I2 et 2x moles d’ions sulfate SO42-.
b. Tableau d'évolution du système
On établit le tableau donnant la composition, en mole, du système, dans l’état initial, dans un état intermédiaire puis dans l’état final.
Dans chaque colonne, on donne la quantité de matière de chaque réactif et chaque produit.

Au cours de la réaction, les quantités de réactifs diminuent alors que les quantités de produits augmentent.

Les quantités qui disparaissent ou apparaissent (x, 2x, etc…) sont directement reliées aux nombres stœchiométriques.

Tableau d’évolution du système :

Équation de la réaction S2O82- (aq) + 2 I - (aq)   I2 (aq) + 2 SO42- (aq)
État du système Avancement Quantités de matière dans le système (en mol)
État initial 0 nS2O82- nI- nI2 nSO42-
État intermédiaire x nS2O82- - x nI- - 2x nI2 + x nSO42- + 2x


Les quantités de matière sont des grandeurs positives ;
nS2O82- – x > 0 et nI- - 2x > 0.
3. Etat final du système
La réaction chimique s’arrête lorsqu’un des deux réactifs a disparu.
a. Avancement maximal
Équation de la réaction S2O82- (aq) + 2 I- (aq)   I2 (aq) + 2 SO42- (aq)
État du système Avancement Quantités de matière dans le système (en mol)
État initial 0 nS2O82- nI- nI2 nSO42-
État intermédiaire x nS2O82- - x nI- - 2x nI2 + x nSO42- + 2x
État final xmax nS2O82- - xmax nI- - 2 xmax nI2 + xmax nSO42- + 2 xmax


Le réactif qui est totalement consommé en premier est appelé le réactif limitant. On est alors dans l’état final du système.
Lorsque la quantité de matière du réactif limitant est nulle, on a l’avancement maximal.
b. Etat final
Pour déterminer l’avancement final, le réactif limitant, et la composition chimique du système dans l’état final, on fait des hypothèses.

Hypothèse 1 : l’ion peroxodisulfate est le réactif limitant :
nS2O82- - xmax = 0, soit nS2O82- = xmax

Hypothèse 2 : l’ion iodure est le réactif limitant :
nI- - 2 xmax= 0, soit xmax= nI-/2.

On choisit la plus petite valeur de xmax car la réaction s’arrête dès que l’un des réactifs est consommé (quantité de matière nulle).
On en déduit le réactif limitant et l’avancement maximal xmax.
c. Influence des conditions initiales
En fonction des quantités de matière initialement introduites dans l’état initial, le réactif limitant, l’avancement maximal et l’état du système dans l’état final seront différents.

Lorsque dans l’état final les deux réactifs ont été totalement consommés on dit que les réactifs étaient introduits dans les proportions stœchiométriques.
L'essentiel
Au cours d’une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent (les réactifs) pour former de nouvelles espèces chimiques (les produits).
Le système chimique évolue d’un état initial vers un état final en passant par un état intermédiaire. L’avancement, noté x, est un outil qui permet de décrire les quantités de matière qui ont réagi et qui ont été formées dans un état intermédiaire.
On utilise un tableau d’évolution du système pour décrire l’évolution du système au cours de la transformation.

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