Stœchiométrie

En chimie, la stœchiométrie, prononcée, est le calcul des relations quantitatives entre réactifs et produits au cours d'une réaction chimique.


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En chimie, la stœchiométrie (du grec στοιχειον stoicheion «élément» et μετρειν metrein «mesure»), prononcée [stekjometʁi], est le calcul des relations quantitatives entre réactifs et produits au cours d'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. »

Principe

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

À l'échelle microscopique, la réaction chimique est une modification des liaisons entre atomes, par déplacement des électrons : certaines liaisons sont rompues, d'autres sont constituées, mais les atomes eux-mêmes sont conservés. C'est ce qu'on nomme la conservation de la matière qui se traduit par deux lois :

Les relations stœchiométriques entre les quantités de réactifs consommés et de produits constitués découlent directement des lois de conservation. Elles sont déterminées à partir de l'équation-bilan de la réaction.

Écrire une équation de réaction équilibrée

Quand on écrit l'équation-bilan d'une réaction chimique, elle doit respecter les règles de conservation de la matière.

Pour respecter ces règles on est amené à placer devant la formule chimique de chaque espèce chimique un nombre, nommé cœfficient (ou nombre) stœchiométrique, qui indique les proportions entre les espèces engagées et entre les espèces constituées. Ce sont par conséquent des nombres sans dimension qui ne doivent pas être confondus avec une quantité de matière, n. L'équation-bilan est en effet indépendante de la quantité de matière mais elle sert à calculer les quantités de matière après réaction si on connait les quantités réelles mises en jeu au départ.

Exemple
Lors de la combustion du méthane (CH4), ce dernier 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 point de départ qualitatif de l'équation de réaction sera par conséquent de la forme :
CH4 + O2 → CO2 + H2O
mais en l'état cette équation n'est pas correcte dans la mesure où elle ne respecte pas les règles de conservation ; pour l'élément hydrogène (H) par exemple, on trouve 4 atomes d'hydrogène dans les réactifs et 2 uniquement dans les produits. On équilibre par conséquent cette réaction chimique en introduisant devant les formules chimiques de chaque espèce un cœfficient stœchiométrique.
ainsi, si on écrit :
CH4 + O2 → CO2 + 2 H2O
ce qui respecte la règle de 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.
Elle traduit le fait que le bilan de la réaction chimique est le suivant : une mole de méthane réagit avec deux moles de dioxygène pour former une mole de dioxyde de carbone et deux moles d'eau.
D'un point de vue moléculaire, le bilan est bien entendu le même : une molécule de méthane et deux molécules de dioxygène disparaissent pour former une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d'eau, mais cela ne veut pas dire que la réaction se fasse par réaction directe d'une molécule de méthane avec deux molécules de dioxygène. La réalité au niveau moléculaire est plus complexe. et fait intervenir plusieurs réactions élémentaires dont le bilan est bien celui indiqué dans l'équation.

Cœfficient stœchiométrique

Le cœfficient stœchiométrique d'une espèce chimique est le cœfficient qui lui est affecté dans l'équation chimique reconnue. Dans l'exemple précédent :

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

le cœfficient stœchiométrique du méthane est 1, celui du dioxygène est 2, celui du dioxyde de carbone est 1 et celui de l'eau est 2.

Le cœfficient stœchiométrique est habituellement un nombre entier, quoique pour alléger certaines équations on utilise quelquefois des fractions, ou alors des nombres décimaux.

Quand le cœfficient stœchiométrique est égal à 1, il n'est pas écrit, c'est pourquoi dans l'exemple CH4 et CO2 ne sont précédés d'aucun cœfficient.

Remarques :

  1. les cœfficients stœchiométriques sont des nombres sans dimension qui permettent le calcul des quantités de réactifs consommés ou de produits constitués au cours d'une réaction complète.
  2. si la réaction n'est pas complète on définit l'avancement de la réaction ξ qui est un concept inévitable en thermodynamique et cinétique chimique. Dans la définition de ξ les cœfficient stœchiométriques des réactifs sont affectés du signe «-» et ceux des produits constitués du signe «+».

Mélange / proportions / conditions stœchiométriques

Lorsque les quantités de matière de l'ensemble des réactifs sont proportionnelles à leurs cœfficients stœchiométriques au début de la réaction, on dit que

ces trois expressions ayant strictement la même signification…

Dans ces conditions, si la réaction est totale, l'ensemble des réactifs seront entièrement consommés.

Si les réactifs ne sont pas introduits originellement dans les proportions stœchiométriques, et si la réaction est totale :

Remarque : ceci est valable pour une réaction totale, sachant que certaines réactions sont limitées ou peuvent s'inverser. En fin de réaction, les réactifs ne sont pas entièrement consommés, même s'ils avaient été introduits dans les proportions stœchiométriques ! Ceci est dû au fait que les produits d'une réaction limitée peuvent eux-mêmes réagir ensemble pour redonner les réactifs de départ, ce qui n'est pas envisageable dans une réaction totale. Cette inversabilité conduit à un état d'équilibre chimique dans lequel cœxistent les réactifs et les produits dans une proportion fixée par une constante dite «constante d'équilibre» (voir équilibre chimique).

Déterminer les quantités de réactifs consommés / de produits constitués

Quelles que soient les conditions initiales, les quantités de matière de réactifs consommés et de produits constitués sont proportionnelles aux cœfficients stœchiométriques de l'équation-bilan

Exemple

Soit l'équation-bilan de la combustion du méthane : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Puisque la combustion d'une mole de méthane (CH4, cœfficient stœchiométrique : 1) produit une mole de dioxyde de carbone (CO2, cœfficient stœchiométrique : 1), les deux substances sont consommées et constituées dans les mêmes proportions.

La quantité d'eau constituée (H2O, cœfficient stœchiométrique : 2) peut être déduite de la même façon. Puisque que la combustion d'une mole de méthane produit 2 moles d'eau, le nombre de moles d'eau produit sera toujours 2 fois supérieur au nombre de moles de méthane consommé.

Il est envisageable d'utiliser les proportions avec n'importe quels réactifs ou produits de l'équation pour calculer le nombre de moles produit ou consommé.

Cette méthode est aussi effective entre réactifs (où l'un des réactifs est un réactif limitant) ainsi qu'entre produits.

Voir aussi

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