Calculs stoechiométriques: en quoi ils consistent, étapes, exercices résolus

Les calculs stœchiométriques sont ceux qui sont effectués sur la base des rapports de masse des éléments ou des composés impliqués dans une réaction chimique.

La première étape pour les réaliser consiste à équilibrer la réaction chimique d’intérêt. De même, les formules correctes des composés qui interviennent dans le processus chimique doivent être connues.

Les calculs stœchiométriques sont basés sur l’application d’un ensemble de lois parmi lesquelles: la loi de conservation de la masse; la loi de proportions définies ou de composition constante; et enfin, la loi des proportions multiples.

La loi de conservation de la masse indique que dans une réaction chimique la somme des masses des réactifs est égale à la somme des masses des produits. Dans une réaction chimique, la masse totale reste constante.

La loi des proportions définies ou de la composition constante stipule que différents échantillons de tout composé pur ont les mêmes éléments dans les mêmes proportions en masse. Par exemple, l’eau pure est la même quelle que soit sa source ou son continent (ou sa planète).

Et la troisième loi, celle des proportions multiples, indique que lorsque deux éléments A et B forment plus d’un composé, la proportion de la masse de l’élément B qui se combine à une masse donnée de l’élément A, dans chacun des composés, peut être exprimé en termes de petits entiers. C'est-à-dire que pour A n B m n et m sont des entiers.

Quels sont les calculs stœchiométriques et leurs étapes?

Ce sont des calculs conçus pour résoudre les différentes questions pouvant se poser lors de l’étude d’une réaction chimique. Pour cela, il faut connaître les processus chimiques et les lois qui les régissent.

Avec le calcul stœchiométrique, on peut par exemple obtenir, à partir de la masse d’un réactif, la masse inconnue d’un autre réactif. Vous pouvez également connaître la composition en pourcentage des éléments chimiques présents dans un composé et en obtenir la formule empirique.

Par conséquent, la connaissance de la formule empirique ou minimale d'un composé permet d'établir sa formule moléculaire.

De plus, le calcul stœchiométrique permet de savoir dans une réaction chimique quel est le réactif limitant, ou s’il existe un excès de réactif, ainsi que sa masse.

Les étapes

Les étapes dépendront du type de problème posé, ainsi que de sa complexité.

Deux situations courantes sont:

-Reacciona deux éléments à l'origine d'un composé et connu que la masse de l'un des réactifs.

- On souhaite connaître la masse inconnue du deuxième élément, ainsi que la masse du composé résultant de la réaction.

En règle générale, dans la résolution de ces exercices, il convient de suivre l'ordre des étapes suivant:

-Établir l'équation de la réaction chimique.

-Équilibrer l'équation.

-La troisième étape consiste, en utilisant les poids atomiques des éléments et les coefficients stoechiométriques, à obtenir la proportion des masses des réactifs.

-Après, en utilisant la loi des proportions définies, une fois connue la masse d'un élément réactif et la proportion avec laquelle il réagit avec le deuxième élément, connaître la masse du deuxième élément.

-Et la cinquième et dernière étape, si vous connaissez les masses des éléments réactifs, leur somme vous permet de calculer la masse du composé produit dans la réaction. Dans ce cas, ces informations sont obtenues sur la base de la loi de conservation de la masse.

Exercices résolus

-Exercice 1

Quel est le réactif restant lorsque 15 g de Mg sont mis à réagir avec 15 g de S pour former du MgS? Et combien de grammes de MgS seront produits dans la réaction?

Données:

-Masse de Mg et S = 15 g

Poids atomique de Mg = 24, 3 g / mol.

Poids atomique de S = 32, 06 g / mol.

Étape 1: équation de réaction

Mg + S => MgS (déjà équilibré)

Étape 2: Déterminer le rapport entre Mg et S pour produire du MgS

Pour simplifier, le poids atomique de Mg peut être arrondi à 24 g / mol et le poids atomique de S à 32 g / mol. Ensuite, la proportion dans laquelle S et Mg sont combinés sera de 32:24, en divisant les 2 termes par 8, la proportion est réduite à 4: 3.

Sous forme réciproque, la proportion dans laquelle Mg est combiné à S est égale à 3: 4 (Mg / S)

Étape 3: discussion et calcul du réactif restant et de sa masse

La masse de Mg et de S est de 15 g pour les deux, mais la proportion dans laquelle Mg et S réagissent est de 3: 4 et non de 1: 1. Ensuite, on peut en déduire que le réactif restant est Mg, car il est dans une proportion moindre par rapport à S.

Cette conclusion peut être testée en calculant la masse de Mg qui réagit avec 15 g de S.

g de Mg = 15 g de S x (3 g de Mg) / mol) / (4 g de S / mol)

11, 25 g de Mg

Mg excès de masse = 15 g - 11, 25 g

3, 75 g.

Étape 4: Masse de MgS formée dans la réaction basée sur la loi de conservation de la masse

Masse de MgS = masse de Mg + masse de S

11, 25 g + 15 g.

26, 25 g

Un exercice à finalité didactique pourrait se faire de la manière suivante:

Calculez les grammes de S qui réagissent avec 15 g de Mg, en utilisant dans ce cas un rapport de 4: 3.

g de S = 15 g de Mg x (4 g de S / mol) / (3 g de Mg / mol)

20 g

Si la situation était présentée dans ce cas, on pourrait voir que les 15 g de S ne parviendraient pas à réagir pleinement avec les 15 g de Mg, ce qui manque 5 g. Cela confirme que le réactif restant est Mg et que S est le réactif limitant dans la formation de MgS, lorsque les deux éléments réactifs ont la même masse.

-Exercice 2

Calculez la masse de chlorure de sodium (NaCl) et des impuretés dans 52 g de NaCl avec un pourcentage de pureté de 97, 5%.

Données:

-Masse de l'échantillon: 52 g de NaCl

-Pourcentage de pureté = 97, 5%.

Étape 1: Calcul de la masse pure de NaCl

NaCl masse = 52 gx 97, 5% / 100%

50, 7 g

Étape 2: calcul de la masse d'impuretés

% d'impuretés = 100% - 97, 5%

2, 5%

Masse d'impuretés = 52 gx 2, 5% / 100%

1, 3 g

Par conséquent, parmi les 52 g de sel, 50, 7 g sont des cristaux de NaCl purs et 1, 3 g d’impuretés (telles que d’autres ions ou matières organiques).

-Exercice 3

Quelle masse d'oxygène (O) contient 40 g d'acide nitrique (HNO 3 ), sachant que son poids moléculaire est de 63 g / mol et son poids atomique de O est de 16 g / mol?

Données:

-Masse de HNO 3 = 40 g

Poids atomique de O = 16 g / mol.

Poids moléculaire de HNO 3

Étape 1: Calculez le nombre de moles de HNO 3 présentes dans une masse d'acide de 40 g.

Moles de HNO 3 = 40 g de HNO 3 x 1 mole de HNO 3/63 g de HNO 3

0, 635 moles

Étape 2: Calculez le nombre de moles de O présent

La formule de HNO 3 indique qu'il y a 3 moles de O pour chaque mole de HNO 3.

Moles de O = 0, 635 moles de HNO 3 X 3 moles de O / mole de HNO 3

1 905 moles de O

Étape 3: Calculez la masse d’O présente dans 40 g de HNO 3.

g de O = 1, 905 mole de O x 16 g de O / mole de O

30, 48 g

C'est-à-dire que sur les 40 g de HNO 3, 30, 48 g sont exclusivement dus au poids des moles d'atomes d'oxygène. Cette forte proportion d'oxygène est typique des oxoanions ou de leurs sels tertiaires (NaNO 3, par exemple).

-Exercice 4

Combien de grammes de chlorure de potassium (KCl) sont produits en décomposant 20 g de chlorate de potassium (KClO 3 )?, Sachant que le poids moléculaire de KCl est de 74, 6 g / mol et que le poids moléculaire de KClO 3 est 122, 6 g / mol

Données:

-Masse de KClO 3 = 20 g

Poids moléculaire de KCl = 74, 6 g / mol

Poids moléculaire de KClO 3 = 122, 6 g / mol

Étape 1: équation de réaction

2KClO 3 => 2KCl + 3O 2

Étape 2: Calculez la masse de KClO 3

g de KClO 3 = 2 moles x 122, 6 g / mol

245, 2 g

Étape 3: Calculez la masse de KCl

g de KCl = 2 moles x 74, 6 g / mol

149, 2 g

Étape 4: calcul de la masse de KCl produite par décomposition

245 g de KClO 3 sont produits par décomposition 149, 2 g de KCl. Ensuite, ce rapport (coefficient stœchiométrique) peut être utilisé pour trouver la masse de KCl produite à partir de 20 g de KClO 3 :

g de KCl = 20 g de KClO 3 x 149 g de KCl / 245, 2 g de KClO 3

12, 17 g

Remarquez comment se situe le rapport de masse d’O 2 dans le KClO 3 . Sur les 20 g de KClO 3, un peu moins de la moitié est due à l’oxygène qui fait partie du chlorate d’oxoanion.

-Exercice 5

Trouvez la composition en pourcentage des substances suivantes: a) dopa, C 9 H 11 NO 4 et b) vanilline, C 8 H 8 O 3 .

a) Dopa

Étape 1: Trouver le poids moléculaire de la dopa C 9 H 11 NO 4

Pour ce faire, le poids atomique des éléments présents dans le composé est initialement multiplié par le nombre de moles représentées par leurs indices. Pour trouver le poids moléculaire, ajoutez les grammes fournis par les différents éléments.

Carbone (C): 12 g / mol x 9 mol = 108 g

Hydrogène (H): 1 g / mol x 11 mol = 11 g

Azote (N): 14 g / mol x 1 mol = 14 g

Oxygène (O): 16 g / mol x 4 mol = 64 g

Poids moléculaire de la dopa = (108 g + 11 g + 14 g + 64 g)

197 g

Étape 2: Trouvez la composition en pourcentage des éléments présents dans la dopa

Pour cela, son poids moléculaire (197 g) est pris à 100%.

% de C = 108 g / 197g x 100%

54, 82%

% de H = 11 g / 197g x 100%

5, 6%

% de N = 14 g / 197 gx 100%

7, 10%

% d'O = 64 g / 197 g

32, 48%

b) vanilline

Partie 1: calcul du poids moléculaire de la vanilline C 8 H 8 O 3

Pour ce faire, le poids atomique de chaque élément est multiplié par le nombre de ses moles actuelles, en ajoutant la masse apportée par les différents éléments.

C: 12 g / mol x 8 mol = 96 g

H: 1 g / mol x 8 mol = 8 g

O: 16 g / mol x 3 mol = 48 g

Poids moléculaire = 96 g + 8 g + 48 g

152 g

Partie 2: Trouver le% des différents éléments présents dans la vanilline

On suppose que son poids moléculaire (152 g / mol) représente 100%.

% de C = 96 g / 152 gx 100%

63, 15%

% de H = 8 g / 152 gx 100%

5, 26%

% d'O = 48 g / 152 gx 100%

31 58%

-Exercice 6

La composition en pourcentage massique d'un alcool est la suivante: carbone (C) 60%, hydrogène (H) 13% et oxygène (O) 27%. Obtenez votre formule minimum ou formule empirique.

Données:

Poids atomiques: C 12 g / mol, H 1 g / mol et oxygène 16 g / mol.

Étape 1: calcul du nombre de moles des éléments présents dans l'alcool

On suppose que la masse de l'alcool est de 100g. En conséquence, la masse de C est de 60 g, la masse de H est de 13 g et la masse d’oxygène est de 27 g.

Calcul du nombre de moles:

Nombre de moles = masse de l'élément / poids atomique de l'élément

moles de C = 60 g / (12 g / mol)

5 taupes

moles de H = 13 g / (1 g / mol)

13 taupes

moles de O = 27 g / (16 g / mol)

1, 69 moles

Étape 2: Obtenir la formule minimale ou empirique

Pour ce faire, nous trouvons la proportion d’entiers entre les nombres de moles. Ceci permet d’obtenir le nombre d’atomes des éléments de la formule minimale. À cette fin, les moles des différents éléments sont divisées par le nombre de moles de l'élément en plus petite proportion.

C = 5 moles / 1, 69 mole

C = 2, 96

H = 13 moles / 1, 69 mole

H = 7, 69

O = 1, 69 mole / 1, 69 mole

O = 1

En arrondissant ces chiffres, la formule minimale est: C 3 H 8 O. Cette formule correspond à celle du propanol, CH 3 CH 2 CH 2 OH. Cependant, cette formule est également celle du composé CH 3 CH 2 OCH 3, l'éther méthylique d'éthyle.