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Réaction chimique colorée : analyser réactifs et produits

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Objectif(s)

Au cours d’une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent et d’autres apparaissent.
Comment décrit-on l’évolution d’un système chimique au cours de la réaction chimique ?
Qu’est-ce que le réactif limitant ?
Comment décrit-on l’état final du système ?

1. Equation de la réaction et état du système

Le système chimique évolue entre un état initial et un état final.

a. Equation de la réaction

On considère la réaction chimique entre les ions iodure et les ions peroxodisulfate.
S₂O₈^2- (aq)+ 2 I^- (aq) → I₂ (aq) + 2 SO₄^2- (aq)

Les espèces qui disparaissent (S₂O₈^2- et 2 I-) sont les réactifs.
Les espèces qui apparaissent (I₂ et SO₄^2-) sont les produits.

Tous les ions sont incolores. Le diiode est jaune–brun.
Au début, la solution est incolore. Au cours de la réaction chimique, une coloration brune apparaît.
Cette réaction est lente, ce qui permet d’observer son évolution à l’œil nu.

b. Evolution de la couleur du mélange

La quantité de diiode qui se forme au cours de la transformation augmente au cours du temps. Plus la quantité de diiode formée est importante, et plus la concentration en diiode est élevée ; la coloration passe de l’incolore, au brun en passant par des tons de jaune :

c. Etat du système

On peut décrire l’évolution du système au cours de la transformation chimique. Le système évolue d’un état initial vers un état final, qui dépend des conditions initiales.

État initial	État intermédiaire	État final
S₂O₈^2- (aq) I -	S₂O₈^2- (aq) I - I₂ (aq) SO₄^2-	?

D’après l’équation de la réaction, une mole d’ions peroxodisulfate S₂O₈^2- réagit avec deux moles d’ions iodure I - pour former une mole de diiode I₂ et deux moles d’ions sulfate SO₄^2-.

2. Tableau d'évolution et avancement de la réaction

Pour décrire l’évolution du système, on utilise un outil : le tableau d’évolution du système.

a. Avancement de la réaction

L’avancement de la réaction, noté « x », est un nombre qui s’exprime en mole et qui représente la quantité de matière qui a réagi pour un état intermédiaire.

D’après l’équation de la réaction, x mole d’ions peroxodisulfate S₂O₈^2- réagit avec 2x moles d’ions iodure I^- pour former x mole de diiode I₂ et 2x moles d’ions sulfate SO₄^2-.

b. Tableau d'évolution du système

On établit le tableau donnant la composition, en mole, du système, dans l’état initial, dans un état intermédiaire puis dans l’état final.
Dans chaque colonne, on donne la quantité de matière de chaque réactif et chaque produit.

Au cours de la réaction, les quantités de réactifs diminuent alors que les quantités de produits augmentent.

Les quantités qui disparaissent ou apparaissent (x, 2x, etc…) sont directement reliées aux nombres stœchiométriques.

Tableau d’évolution du système :

Équation de la réaction		S₂O₈^2- (aq) + 2 I - (aq) I₂ (aq) + 2 SO₄^2- (aq)
État du système	Avancement	Quantités de matière dans le système (en mol)
État initial	0	nS₂O₈^2-	nI-	nI₂	nSO₄^2-
État intermédiaire	x	nS₂O₈^2- - x	nI- - 2x	nI₂ + x	nSO₄^2- + 2x

Les quantités de matière sont des grandeurs positives ;
nS₂O₈^2- – x > 0 et nI- - 2x > 0.

3. Etat final du système

La réaction chimique s’arrête lorsqu’un des deux réactifs a disparu.

a. Avancement maximal

Équation de la réaction		S₂O₈^2- (aq) + 2 I- (aq) I₂ (aq) + 2 SO₄^2- (aq)
État du système	Avancement	Quantités de matière dans le système (en mol)
État initial	0	nS₂O₈^2-	nI-	nI₂	nSO₄^2-
État intermédiaire	x	nS₂O₈^2- - x	nI- - 2x	nI₂ + x	nSO₄^2- + 2x
État final	x_max	nS₂O₈²^- - x_max	nI- - 2 x_max	nI₂ + x_max	nSO₄^2- + 2 x_max

Le réactif qui est totalement consommé en premier est appelé le réactif limitant. On est alors dans l’état final du système.
Lorsque la quantité de matière du réactif limitant est nulle, on a l’avancement maximal.

b. Etat final

Pour déterminer l’avancement final, le réactif limitant, et la composition chimique du système dans l’état final, on fait des hypothèses.

Hypothèse 1 : l’ion peroxodisulfate est le réactif limitant :
nS₂O₈^2- - x_max = 0, soit nS₂O₈^2- = x_max

Hypothèse 2 : l’ion iodure est le réactif limitant :
nI- - 2 x_max= 0, soit x_max= nI-/2.

On choisit la plus petite valeur de xmax car la réaction s’arrête dès que l’un des réactifs est consommé (quantité de matière nulle).
On en déduit le réactif limitant et l’avancement maximal xmax.

c. Influence des conditions initiales

En fonction des quantités de matière initialement introduites dans l’état initial, le réactif limitant, l’avancement maximal et l’état du système dans l’état final seront différents.

Lorsque dans l’état final les deux réactifs ont été totalement consommés on dit que les réactifs étaient introduits dans les proportions stœchiométriques.

L'essentiel

Au cours d’une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent (les réactifs) pour former de nouvelles espèces chimiques (les produits).
Le système chimique évolue d’un état initial vers un état final en passant par un état intermédiaire. L’avancement, noté x, est un outil qui permet de décrire les quantités de matière qui ont réagi et qui ont été formées dans un état intermédiaire.
On utilise un tableau d’évolution du système pour décrire l’évolution du système au cours de la transformation.

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