La réaction chimique et l'avancement

01Réactifs, produits et équation de réaction

Une transformation chimique modélise le passage d'un état initial, où sont présents les réactifs, à un état final, où sont présents les produits. Cette transformation est décrite par une réaction chimique, dont l'équation indique les espèces qui réagissent et celles qui se forment, chacune affectée d'un nombre appelé coefficient stœchiométrique. Ce coefficient traduit les proportions dans lesquelles les espèces réagissent ou se forment : par exemple, dans la combustion du méthane CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O, une mole de méthane réagit avec deux moles de dioxygène pour donner une mole de dioxyde de carbone et deux moles d'eau. L'équation doit toujours être ajustée de sorte que le nombre d'atomes de chaque élément soit le même de part et d'autre de la flèche, car la matière se conserve au cours d'une transformation chimique.

02Construire et exploiter un tableau d'avancement

Le tableau d'avancement organise le calcul des quantités de matière au cours du temps. Sur la première ligne figure l'équation de la réaction ; les lignes suivantes donnent l'état du système (initial, en cours, final) et, pour chaque espèce, la quantité de matière en fonction de l'avancement x. Pour un réactif de coefficient stœchiométrique a et de quantité initiale n0, la quantité restante à l'avancement x s'écrit n0 − a·x ; pour un produit de coefficient b, formé à partir d'une quantité initiale nulle, la quantité formée s'écrit b·x. Exemple : pour la réaction A + 2 B → C avec n0(A) = 0,10 mol et n0(B) = 0,10 mol, on a n(A) = 0,10 − x et n(B) = 0,10 − 2x. Le réactif B, consommé deux fois plus vite, sera épuisé pour x = 0,05 mol, alors qu'il faudrait x = 0,10 mol pour épuiser A seul : B est donc le réactif limitant, et l'avancement maximal vaut xmax = 0,05 mol.

03Déterminer l'avancement maximal et le réactif limitant

Pour trouver xmax, on calcule, pour chaque réactif, la valeur de x qui annulerait sa quantité de matière (n0/coefficient) : la plus petite de ces valeurs est l'avancement maximal, et le réactif correspondant est le réactif limitant. Les autres réactifs sont dits en excès : il en reste une quantité non nulle dans l'état final. Connaître xmax permet ensuite de calculer la composition exacte du système à la fin de la réaction, en reportant cette valeur dans chaque expression du tableau d'avancement, aussi bien pour les réactifs restants que pour les produits formés.

04Méthode : dresser un tableau d'avancement

1. Écris l'équation ajustée de la réaction avec ses coefficients stœchiométriques.
2. Construis le tableau avec les états initial, en cours et final, et exprime chaque quantité de matière en fonction de x.
3. Calcule l'avancement maximal en comparant les valeurs de x qui annuleraient chaque réactif, puis identifie le réactif limitant.

05Erreurs fréquentes

• ✗ Oublier de multiplier x par le coefficient stœchiométrique de chaque espèce.
• ✗ Confondre le réactif limitant avec celui dont la quantité initiale est la plus faible : seul le calcul avec les coefficients tranche.
• ✗ Croire qu'un réactif en excès disparaît complètement à l'état final.