Compter les atomesen les pesant.

Qu'est-ce que la stœchiométrie

La stœchiométrie est la relation quantitative entre les substances d'une réaction chimique. Une équation équilibrée indique combien de particules réagissent avec combien d'autres ; la mole convertit ces nombres en masses que l'on peut poser sur une balance.

Une mole contient exactement 6,02214076 × 10²³ entités. On ne les compte jamais directement. On utilise la masse molaire M, en g/mol, qui relie masse m et quantité n par n = m / M. Presque tout problème de stœchiométrie est une chaîne de trois étapes : de la masse aux moles, des moles aux moles avec les coefficients, puis des moles à la masse.

Étape 1 : équilibrer l'équation et trouver les masses molaires

Prenons la synthèse classique de l'aspirine : l'acide salicylique (C7H6O3) réagit avec l'anhydride acétique (C4H6O3) pour donner l'acide acétylsalicylique (C9H8O4) et l'acide acétique (C2H4O2). L'équation est déjà équilibrée 1 : 1 → 1 : 1. Vérifiez en comptant : 11 C, 12 H et 6 O de chaque côté.

Avec les masses atomiques standard, les masses molaires valent 138,12 g/mol pour l'acide salicylique, 102,09 g/mol pour l'anhydride acétique, 180,16 g/mol pour l'aspirine et 60,05 g/mol pour l'acide acétique. L'outil gratuit de masse molaire donne les mêmes valeurs à partir d'un SMILES.

Étape 2 : trouver le réactif limitant

Supposons 2,00 g d'acide salicylique et 5,00 mL d'anhydride acétique (masse volumique 1,08 g/mL, soit 5,40 g). Convertissez les deux en moles : 2,00 / 138,12 = 0,01448 mol d'acide salicylique et 5,40 / 102,09 = 0,0529 mol d'anhydride.

Divisez chaque quantité par son coefficient. Les deux valent 1, donc le plus petit nombre, 0,01448 mol, est celui de l'acide salicylique : c'est le réactif limitant. L'anhydride est volontairement en excès, car il est bon marché et son excès se détruit facilement à l'eau en fin de réaction. Une erreur fréquente consiste à comparer des masses au lieu de moles ; 2,00 g est inférieur à 5,40 g, mais cela ne compte qu'après conversion.

Étape 3 : rendement théorique, rendement réel et économie d'atomes

Le rendement théorique découle du réactif limitant : 0,01448 mol d'acide salicylique donnent au plus 0,01448 mol d'aspirine, soit 0,01448 × 180,16 = 2,61 g.

Si vous isolez 2,10 g de produit sec, le rendement vaut 2,10 / 2,61 × 100 = 80,5 %. Le rendement ne dit rien de la pureté : un produit humide ou impur peut même dépasser 100 %, ce qui invite à le sécher ou à le contrôler, pas à se réjouir.

L'économie d'atomes pose une autre question : quelle part de la masse des réactifs peut se retrouver dans le produit ? Ici, 180,16 / (138,12 + 102,09) × 100 = 75,0 %. Le quart restant part sous forme d'acide acétique, quel que soit le déroulement de la réaction. Des indicateurs de chimie verte comme le facteur E vont plus loin et comptent aussi les solvants et les déchets de traitement.

De la composition à la formule

La stœchiométrie fonctionne aussi à rebours, de la composition mesurée à une formule. Un composé contenant en masse 40,0 % de C, 6,7 % de H et 53,3 % de O donne, pour 100 g, 3,33 mol de C, 6,65 mol de H et 3,33 mol de O. En divisant par la plus petite valeur, on obtient 1 : 2 : 1 : la formule empirique est CH2O. Seule une mesure de masse molaire indique si la molécule est CH2O lui-même ou un multiple comme C6H12O6.

Solutions et titrages

En solution, la quantité vient de la concentration et du volume : n = c × V. Pour préparer 250 mL de chlorure de sodium à 0,100 M, il faut 0,100 × 0,250 = 0,0250 mol, soit 0,0250 × 58,44 = 1,461 g, dissous puis complétés au trait de jauge dans une fiole jaugée. Une dilution conserve la quantité de soluté, d'où C₁V₁ = C₂V₂.

Les titrages appliquent la même logique à l'envers. Si 21,40 mL de NaOH à 0,1000 M neutralisent 25,00 mL d'acide chlorhydrique, l'acide contenait 0,1000 × 0,02140 = 0,002140 mol et sa concentration vaut 0,002140 / 0,02500 = 0,08560 M. Pour une réaction 1 : 1 les moles se correspondent directement ; pour l'acide sulfurique, qui consomme deux hydroxydes par molécule, il faut diviser la quantité d'acide par deux.

Une liste de contrôle qui repère la plupart des erreurs

Équilibrez d'abord l'équation. Convertissez chaque donnée en moles. Divisez par les coefficients pour trouver le réactif limitant. Gardez les unités à chaque ligne et un ou deux chiffres de plus jusqu'au résultat final. Enfin, vérifiez la vraisemblance : un rendement supérieur à 100 % ou une concentration plus élevée que la solution mère signale une erreur en amont.