Stœchiométrie

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En chimie, la stœchiométrie (du grec: stoicheion (« élément ») et metron (« mesure »)) est le calcul des relations quantitatives entre réactifs et produits dans une réaction chimique.

Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) fut le premier à énoncer les principes de la stœchiométrie, en 1792. Il écrivait alors:

«La stœchiométrie est la science qui mesure les proportions quantitatives ou rapports de masse dans lesquels les éléments chimiques sont impliqués.»

Sommaire

1 Principe
2 Coefficient stoechiométrique
- 2.1 Exemple de réaction stœchiométrique
3 Equilibrer une équation de réaction
4 Conditions ou proportions stœchiométriques
5 Déterminer les quantités de réactifs consommés / de produits formés

[modifier] Principe

Lors d'une réaction chimique on observe une modification des substances présentes : certaines substances sont consommées, ce sont les réactifs, d'autres substances sont formées, ce sont les produits.

A l'échelle microscopique, la réaction chimique est une modification des liaisons entre atomes, par déplacement des électros : certaines liaisons sont coupées, d'autres se forment, mais les atomes eux mêmes sont conservés.

C'est ce qu'on appelle la conservation de la matière qui se traduit par deux lois :

conservation du nombre d'atome de chaque élément chimique ;
conservation de la charge globale

Lorsqu'on écrit l'équation-bilan d'une réaction chimique, elle doit refléter ce qui se passe réellement au cours de la réaction, et donc respecter les règles de conservation.

[modifier] Coefficient stoechiométrique

Le coefficient stoechiométrique d'un réactif ou d'un produit est le coefficient dont il est doté dans l'équation chimique. Par exemple, pour la réaction de précipitation <math>Ag^++Cl^- \rightarrow AgCl_{(s)}</math>, le coefficient de <math>Ag^+</math> est égal à 1.

Lorsqu'on écrit une équation-bilan, par exemple : <math>C_{5}H_{12} + 8O_{2} \rightarrow 5CO_{2} + 6H_{2}O</math>

Cette formule se lit: 1 molécule de pentane réagit avec 8 molécules de dioxygène pour former 5 molécules de dioxyde de carbone et 6 molécules d'eau. Les nombres en gras sont appelés "coefficients stœchiométriques".

Quand tous les réactifs sont dans une proportion égale à leur coefficient stœchiométrique au début de la réaction, on dit que c'est un "mélange stœchiométrique". Un mélange stœchiométrique assure que l'ensemble des réactifs va se transformer en produits - si la réaction est totale, c'est à dire stœchiométrique.

[modifier] Exemple de réaction stœchiométrique

Équation de la combustion :

Carburant + air => gaz brûlés + Chaleur

Soit la réaction de combustion de l'octane :

C₈H₁₈ + 12,5 (O₂ + 3,76 N₂) => 8 CO₂ + 9 H₂O + 12,5 x 3,76 N₂ + Chaleur

Masse de carburant = C₈H₁₈ => 8 x 12 + 18 x 1 = 114 g (masse molaire du carbone = 12, masse molaire de l'hydrogène = 1)

Masse d'air = 12,5 (O₂ + 3,76 N₂) = 12,5 x (16 x 2 + 3,76 x 14 x 2) = 1 716 g (masse molaire de l'oxygène = 16, masse molaire de l'azote = 14)

Dosage stœchiométrique = 114 / 1 716 = 0,0664 = 1 / 15,05

On exprimera toujours le dosage sous forme de fraction pour 1 gramme de carburant, soit 1 gramme de carburant pour 15,05 grammes d'air.

[modifier] Equilibrer une équation de réaction

Lors de la combustion du méthane (CH₄), celui-ci réagit avec le dioxygène (O₂) de l'air ; au cours de cette réaction il se forme du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau (H₂O). Le «squelette» de l'équation-bilan sera donc de la forme :

CH₄ + O₂ = CO₂ + H₂O

mais en l'état cette équation n'est pas correcte puisqu'elle ne respecte pas les règles de conservation ; pour l'élément hydrogène par exemple, on trouve 4 atomes d'hydrogène dans les réactifs et 2 seulement dans les produits. On équilibre donc cette réaction chimique en introduisant devant les formules chimiques de chaque espèce un coefficient stœchiométrique.

ainsi, si on écrit :

CH₄ + O₂ = CO₂ + 2 H₂O

on respecte la conservation pour les éléments carbone (C) et hydrogène (H) mais pas pour l'oxygène (O); on corrige donc :

CH₄ + 2 O₂ = CO₂ + 2 H₂O

qui est l'équation-bilan correcte de la réaction de combustion du méthane.