L'équation bilan ou équation stoechiométrique.

L'équation chimique classique apporte une information à la fois :

  • qualitative (quelles sont les substances qui réagissent - les réactifs - et quelles sont celles qui se forment - les produits)

  • et quantitative (dans quelle proportion ces substances réagissent entre elles). La nature des réactifs et des produits est spécifiée par leur formule.

La proportion avec laquelle ils réagissent est spécifiée par les coefficients stoechiométriques.

Exemple

Ainsi l'équation : \(\mathbf{\textrm N_2 + 3.\textrm H_2 = 2.\textrm{NH}_3}\) indique que :

  • le diazote \(\textrm N_2\) réagit avec le dihydrogène \(\textrm H_2\) pour former de l'ammoniac \(\textrm{NH}_3\) ,

  • les proportions consommées et produites sont respectivement 1, 3 et 2, les quantités de chaque substance étant exprimées en mole

L'équation bilan n'apporte aucun renseignement sur la manière dont les substances entrent en réaction au niveau moléculaire.

Exemple

Ainsi dans l'exemple précédent, l'équation bilan \(\mathbf{\textrm N_2 + 3.\textrm H_2 = 2.\textrm{NH}_3}\) ne nous renseigne en rien sur les étapes de la réaction, le nombre de molécules qui entrent en contact dans chacune de ces étapes etc.

Pour bien marquer la distinction entre le niveau macroscopique (représenté par l'équation bilan) et le niveau microscopique, on utilisera dans l'équation bilan le signe \(=\) pour séparer les réactifs (conventionnellement écrits à gauche) des produits (écrits à droite) et on réservera la flèche \(\mathbf\longrightarrow\) pour l'écriture des réactions au niveau moléculaire.

L'équation bilan n'indique pas le nombre de moles en présence des différentes substances. Elle spécifie seulement les proportions qui existent entre les molécules qui disparaissent (réactifs) et qui apparaissent (produits) au cours de la réaction.

Écriture généralisée

L'écriture de l'équation bilan peut être généralisée :

\(\mathbf{\nu_1.\textrm A_1+\nu_2.\textrm A_2+...=\nu_3.\textrm A_3+\nu_4.\textrm A_4+...}\)

\(\textrm A_1, \textrm A_2\) sont les substances initiales (réactifs)

\(\textrm A_3, \textrm A_4\) sont les substances formées (produits)

\(\nu_1, \nu_2, \nu_3, \nu_4\) sont les coefficients stœchiométriques.

Pour la suite, il est commode d'affecter conventionnellement le signe - aux coefficients des réactifs (qui disparaissent) et le signe + à ceux des produits (qui se forment). Avec cette convention, le bilan massique de la réaction complète s'écrit :

\(\mathbf{\sum\nu_i\textrm M(\textrm A_i)=0}\)

\(\mathbf{\textrm M(\textrm A_i)}\) est la masse molaire de la substance \(\mathbf{\textrm A_i}\) , la sommation portant sur les réactifs et les produits.

Exemple

\(\mathbf{\textrm N_2+3.\textrm H_2 = 2.\textrm{NH}_3}\)

Exemple : N2 + 3.H2 = 2.NH3

N2

H2

NH3

Masse molaire M

28,0

2,0

17,0

Coefficients stoechiométriques affectés de leur signe \(\nu\)

-1

-3

2

Application de l'équation \(\sum\nu_iM(A_i) =0\)

-1x28,0 - 3x2,0 + 2x17,0 = 0

Remarque

(qui peuvent paraître évidentes mais qu'il peut être utile de rappeler...)

  • Dans l'équation bilan telle qu'elle est écrite ci-dessus on ne met pas de signe aux coefficients stœchiométriques.

  • Dans l'équation bilan le symbole = n'a pas le même sens qu'en mathématiques; il a été introduit conventionnellement pour remplacer la flèche \(\mathbf\longrightarrow\) usuellement employée dans l'écriture des réactions chimiques.

  • De même le symbole + utilisé dans les équations de réactions chimiques n'est pas l'opérateur d'addition !

  • Par contre dans l'équation du bilan massique telle qu'elle est écrite en ci-dessus, les coefficients stœchiométriques sont affectés du signe + pour les produits et du signe - pour les réactifs, la sommation est bien une sommation algébrique et le résultat est bien égal à zéro.

  • L'équation bilan n'indique pas le nombre de moles en présence des différentes substances. Elle spécifie seulement les proportions qui existent entre les molécules qui disparaissent (réactifs) et qui apparaissent (produits) au cours de la réaction.

Rappel

L'équation bilan n'apporte aucun renseignement sur la manière dont les substances entrent en réaction au niveau moléculaire. Pour bien marquer la distinction entre le niveau macroscopique (représenté par l'équation bilan) et le niveau microscopique, on utilisera dans l'équation bilan le signe = pour séparer les réactifs (conventionnellement écrits à gauche) des produits (écrits à droite) et on réservera la flèche pour l'écriture des réactions au niveau moléculaire.

Méthode

Les quantités de substances (tant réactifs que produits) mises en présence dans un système dépendent des conditions opératoires. Lorsque ces quantités sont dans les même proportions que les coefficients stœchiométriques, on dit précisément que les réactifs sont "dans les proportions stœchiométriques". Dans le cas contraire, l'un des réactifs est en excès, l'autre est en défaut.

Généralement l'opérateur peut choisir les quantités de substances qu'il met en contact pour réaliser une réaction chimique.

S'il choisit les quantités de réactifs dans le même rapport que les coefficients stœchiométriques on dit que le mélange est "en proportion stœchiométrique" ou plus simplement on parle de "mélange stœchiométrique". Dans ce cas,

  • lorsque la réaction est complète il ne restera plus de réactifs.

  • au cours de la réaction, les réactifs restent dans les mêmes proportions.

S'il choisit les quantités de réactifs dans un rapport différent il y aura un réactif en excès et un en défaut. Dans ce cas,

  • lorsque le réactif en défaut sera entièrement consommé, la réaction s'arrêtera.

  • au cours de la réaction, la proportion entre les réactifs évolue.