Réaliser une expérience en utilisant un tableau d'avancement - Maxicours

Réaliser une expérience en utilisant un tableau d'avancement

Objectif

Établir le tableau d’avancement d’une transformation chimique et déterminer la composition de l’état final d’un système et l’avancement final de la réaction à partir de l’expérience.

Points clés
  • Une expérience consistant à réaliser une réaction chimique se réalise en respectant les étapes d’un protocole.
  • À la fin de cette expérience, on en déduit la masse de produit formé.
  • Le tableau d’avancement de la réaction support de cette réaction se remplit à partir de la quantité de matière initiale des réactifs, de l’avancement maximal de la réaction et des coefficients stœchiométriques.
  • De ce tableau d’avancement, on en déduit la masse maximale de produit que l’on peut former.
Pour bien comprendre
  • Réactifs et produits
  • Équilibrer une équation chimique
  • Quantité de matière, masse, masse molaire, concentration massique et molaire pour pouvoir calculer 

Le tableau d’avancement est très utile lorsque l’on souhaite prévoir la masse d’un produit obtenu.

On s’intéresse ici à la synthèse d’un pigment organique, à l’issue de laquelle le produit formé est pesé. La masse obtenue expérimentalement est ensuite comparée à celle qui était attendue suite aux calculs du tableau d’avancement.

1. Déterminer la masse d'indigo expérimentale

L’indigo est un pigment bleu qui existe à l’état naturel. Pour répondre aux besoins de l’industrie, on peut le synthétiser en laboratoire.

a. L'indigo : naturel et synthétique

À l’état naturel, on extrait l’indigo de l’indigotier, un arbuste qui pousse dans des climats chauds de l’Afrique, l’Asie et l’Amérique.

La synthèse de l’indigo est réalisée selon un procédé proposé par Baeyer en 1882, en mélangeant du 2-nitrobenzaldéhyde avec de l’acétone.

Remarque : la structure de l’indigo (de formule C16H10N2O2) a été déterminée en 1926.


Structure de l’indigo

On réalise ici sa synthèse.

b. Matériel et solutions

La synthèse de l’indigo nécessite l’utilisation du matériel de chimie suivant.

  • Balance
  • 2 coupelles en verre
  • Spatule
  • Entonnoir + papier filtre
  • Erlenmeyer
  • 4 éprouvettes graduées de 10 mL
  • Agitateur magnétique + barreau aimanté
  • Pipette
  • Pissette d’eau distillée

Les solutions utilisées sont les suivantes.

  • Solide : le 2-nitrobenzaldehyde C7H5NO3 ;
  • Solution d’acétone C3H6O ;
  • Solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)), à la concentration CB = 5,0 mol·L–1 ;
  • Solution d’éthanol.
c. Protocole

La synthèse de l’indigo se réalise en respectant un protocole précis.

Méthode
  1. Réaliser le montage.

    On réalise le montage suivant, puis on introduit le barreau aimanté dans l’erlenmeyer.


    Schéma du montage
  2. Préparer les réactifs.

    Peser 0,50 g de 2-nitrobenzaldéhyde C7H5NO3 dans une coupelle.
    À l’aide de 4 éprouvettes graduée de 10 mL, prélever :

    • 5,0 mL d’acétone C3H6O ;
    • 10 mL d’eau distillée ;
    • 4,0 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) à la concentration CB = 5,0 mol·L–1 ;
    • 10 mL d’éthanol.
  3. Mélanger les réactifs.

    Introduire le 2-nitrobenzaldehyde C7H5NO3 dans l’erlenmeyer, puis ajouter l’acétone C3H6O et l’eau distillée.

  4. Mélanger le milieu réactionnel.

    Mettre en route l’agitateur magnétique.
    À l’aide d’une pipette simple, ajouter goutte à goutte l’hydroxyde de sodium.

    Remarque : le mélange s’échauffe et brunit ; l’indigo formé précipite.
  5. Filtrer.

    Verser le contenu de l’erlenmeyer dans un dispositif de filtration.


    Schéma de filtration du milieu réactionnel
  6. Rincer le filtrat.

    Rincer le filtrat à l’eau distillée, puis avec l’éthanol.

    Remarque : le lavage de l’indigo à l’éthanol permet d’éliminer les traces de 2-nitrobenzaldéhyde.
  7. Sécher le filtrat.

    Récupérer le solide dans une coupelle et le sécher dans une étuve à 100 °C : on obtient l’indigo pur.

  8. Peser.

    Peser l’indigo obtenu : mexp = 0,22 g.

    Remarque : cette masse obtenue va dépendre des conditions de l’expérience et de la précision des prélèvements.
2. Calculer la masse d'indigo théorique
a. Équation de la réaction

L’équation de la réaction de synthèse de l’indigo est :

On remarque que la seule espèce solide formée est l’indigo, de formule C16H10N2O2. C’est la raison pour laquelle le mélange réactionnel a été filtré, pour le récupérer.

b. Tableau d'avancement

On utilise un tableau d’avancement pour calculer la masse théorique d’indigo qu’on aurait obtenu si la réaction avait été totale.

Données

  • Masses molaires : M(C) = 12,0 g·mol–1 ; M(H) = 1,0 g·mol–1 ; M(O) = 16,0 g·mol–1 ; M(N) = 14,0 g·mol–1
  • Masse volumique : (C3H6O) = 783 g·L–1
Méthodes
  1. Lister les données.

    On liste les données de l’énoncé.

    • m(C7H5NO3) = 0,50 g
    • V(C3H6O) = 5,0 mL
    • V = 4,0 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) à la concentration CB = 5,0 mol·L–1

    On les convertit dans la bonne unité.

    • V(C3H6O) = 5,0 mL = 5,0 × 10–3 L
    • V(HO) = 4,0 mL = 4,0 × 10–3 L
  2. Calculer les quantités de matière à l’état initial.

    On calcule les quantités de matière initiales des réactifs à l’aide de l’énoncé.

    • avec :
      M(C7H5NO3) = 7 × M(C) + 5 × M(H) + 1 × M(N) + 3 × M(O)
      M(C7H5NO3) = 7 × 12,0 + 5 × 1,0 + 1 × 14,0 + 3 × 16,0
      M(C7H5NO3) = 151 g·mol–1
      Ainsi (C7H5NO3) =  = 3,3 × 10–3 mol.
    • car et avec :
      M(C3H6O) = 3 × M(C) + 6 × M(H) + 1 × M(O)
      M(C3H6O) = 3 × 12,0 + 6 × 1,0 + 1 × 16,0
      M(C3H6O) = 58 g·mol–1
      Ainsi (C3H6O) = = 6,8 × 10–2 mol.
    • (HO) = C × V(HO) = 5,0 × 4 × 10–3 = 2 × 10–2 mol

    La quantité de matière des produits est nulle puisqu’ils ne se sont pas encore formés :
    (C16H10N2O2) = 0 mol, () = 0 mol et (H2O) = 0 mol.

  3. Remplir le tableau d’avancement.

    On remplit le tableau d’avancement en tenant compte des coefficients stœchiométriques devant chaque élément chimique.

  4. Calculer .

    Pour déterminer l’avancement final , on fait 3 hypothèses car il y a 3 réactifs.

    • Hypothèse 1 : C7H5NO3 est le réactif limitant, donc 3,3 × 10–3 – 2 = 0, soit  = 1,7 × 10–3 mol.
    • Hypothèse 2 : C3H6O est le réactif limitant, donc 6,8 × 10–2 – 2 = 0, soit  = 3,4 × 10–2 mol.
    • Hypothèse 3 : HO est le réactif limitant, donc 0,02 – 2 = 0, soit  = 0,01 mol.
    On en déduit l’avancement maximal  = 1,7 × 10–3 mol car c’est la plus petite valeur. Le réactif limitant est donc le 2-nitrobenzaldéhyde C7H5NO3.
  5. Calculer la masse maximale d’indigo.

    D’après la dernière ligne du tableau d’avancement,
    (C16H10N2O2) =  = 1,7 × 10–3 mol.

    On peut donc en déduire la masse théorique de colorant indigo C16H10N2O2.
    m(C16H10N2O2)théo = (C16H10N2O2) × M(C16H10N2O2) × m(C16H10N2O2)
    m(C16H10N2O2)théo = 1,7 × 10–3 × 151
    m(C16H10N2O2)théo = 0,26 g

3. Comparaison

On peut maintenant comparer cette masse avec la masse expérimentale pesée à la fin de l’expérience.

  • m(C16H10N2O2)exp = 0,22 g
  • m(C16H10N2O2)théo = 0,26 g

Les 2 masses sont proches. Le tableau d’avancement nous a donc permis de faire une estimation de la masse d’indigo obtenue avec cette expérience.

Remarque : la différence qui existe entre ces 2 valeurs permet de calculer le rendement de la réaction

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