Comprendre les quantités de matières dans une équation chimique

1. Cas simple

Examinons l'équation chimique de combustion du carbone suivante :   C + O2 → CO2
Cette équation nous apprend qu'un atome de carbone (C) réagit chimiquement avec une molécule de dioxygène (O2), pour former une molécule de dioxyde de carbone (CO2).

Remarquons dans cet exemple qu'une espèce chimique (C) + une autre (O2), ne donne pas deux espèces chimiques, mais une seule (CO2). Une poire plus une pomme n'a jamais donné deux pommes !

Nous observons une similitude avec l'exemple suivant :   une jante + un pneu → une roue

exemple n°1

Puisqu'une voiture est équipée de 4 roues, on peut facilement imaginer que les jantes soient livrées par 4 dans un seul colis. L'exemple précédent devient alors :

exemple n°2
Ce que nous pouvons écrire par : 1 lot de jantes + 1 lot de pneus, nous donne 1 lot de roues.

De la même façon en chimie, la manipulation d'éléments par groupes est habituel en chimie à cause des dimensions minuscules des atomes et des molécules. Ainsi, l'équation chimique (C + O2 → CO2) qui nous a servi d'introduction peut être également interprétée de la façon suivante :

1 lot d'atomes de carbone + 1 lot de molécules de dioxygène, produisent 1 lot de molécules de dioxyde de carbone.

En chimie, nous utilisons le terme de "quantité de matière" pour désigner un lot d'atomes.
L'unité de quantité de matière est la "mole" (mol).

Notre garagiste utilise des lots de 4 éléments. Les atomes sont trop petits pour choisir de tels nombres. Par convention, il a été décidé qu'une quantité de matière d'une mole, représenterait un nombre de 60 200 000 000 000 000 000 000 000 entités chimique, soit encore en utilisant les puissances de dix :   6,02 × 1023 entités (une entité = 1 atome isolé, ou une molécule).

Une mole représente 6,02 × 1023 entités chimique.

Reformulons avec ce nouveau vocabulaire l'interprétation de la réaction chimique de la combustion du carbone :

1 mole de carbone + 1 mole de dioxygène, produisent 1 mole de dioxyde de carbone.

2. Cas où les coefficients stoechiométriques sont différents

Examinons maintenant l'équation chimique qui permet de tester la présence d'ion cuivre :   Cu2+ + 2HO-   →   Cu(OH)2
Le Cu(OH)2 est le fameux précipité bleu observé en classe de troisième. Nous déduisons de l'équation que :

1 mole d'ion cuivre II + 2 moles d'ion hydroxyde, produisent 1 mole d'hydroxyde de carbone.

Nous observons une similitude avec l'exemple suivant :   un cadre + deux roues permettent d'obtenir un vélo.

exemple n°3
Il faut donc deux fois plus de roues que de cadres, pour fabriquer un lot de vélo.

En ce qui concerne l'équation chimique, cette similitude nous permet aussi de comprendre qu'il nous faudra deux fois plus d'ions hydroxyde que d'ions cuivre II pour obtenir une réaction totale.
Encore une fois, nous constatons que les quantités de matières d'espèces chimiques différentes ne peuvent s'additionner ensemble.

3. La recette est pour trois, mais nous sommes cinq !

Si c'était à la maison et que ce soit une recette de gateau, je dirais à ma charmante épouse : "cuisinons pour 6 en multipliant simplement tout par 2". J'en mangerai deux !
En chimie, il est préférable d'éviter. Alors comment faire ?

En ce qui concerne la première équation étudiée, c'est très simple car tous les coeffcients sont à un.

Si je désire 253 mol de dioxyde de carbone, il me suffira de produire la combustion de 253 mol de carbone dans 253 mol de dioxygène (j'ai tout multiplié par 253). J'ai de la chance, une grande quantité d'équation chimique sont sous cette forme.

Il est d'usage d'utiliser la lettre "n" pour désigner la quantité de matière. Nous écrirons donc n(CO2) = 253 mol pour indiquer la quantité de matière de dioxyde de carbone que nous cherchons à obtenir. Il vient immédiatement les réponses :

n(C) = n(O2) = 253 mol.

Examinons maintenant le cas n°2 en rendant visible les coefficients égaux à 1.

Je voudrais 18 mol d'hydroxyde de cuivre (Cu(OH)2). Pensez au vélo ! Il vous faudrait combien de roues et de cadres pour fabriquer 18 vélo ?
Il y a autant de vélos que de cadres, et donc autant d'ion cuivre II que de molécules d'hydroxyde de cuivre (même coefficient 1 pour ces deux espèces chimiques).
Par contre il vous faudra 2 fois plus plus de roues, donc aussi 2 fois plus d'ions hydroxyde (2 × 18 = 36 mol).

Soit en résumant : Pour fabriquer n(Cu(OH)2), il nous faudra :

n(Cu2+) = 18 mol,   et   n(HO-) = 36 mol.

Essayez seul(e) maintenant !

Exercice : La réaction chimique de combustion du dihydrogène dans le dioxygène est :     O2 + 2H2   →   2H2O
On désire faire brûler 70 mol de dihydrogène.
  1. Surlignez les coefficients stoechiométriques dans l'équation.
  2. Quelle sera la quantité de matière de dioxygène nécessaire pour une combustion complète ?