Guide des Calculs Chimiques Fondamentaux

Composition Approximative et Pourcentages

Pour déterminer la composition immédiate d'un composé, comme H₂O par exemple, on commence par calculer sa masse moléculaire. Cette étape permet ensuite d'obtenir le pourcentage massique de chaque élément constitutif. On utilise pour cela des facteurs de conversion basés sur la masse molaire totale de la molécule, comme illustré ci-dessous :

Calcul de la Formule Empirique

La formule empirique représente le rapport le plus simple, en nombres entiers, des atomes des différents éléments présents dans un composé. Pour la calculer à partir de la composition centésimale (pourcentage massique) des éléments :

1. Obtenez le pourcentage massique de chaque élément dans le composé.
2. Divisez le pourcentage de chaque élément par sa masse atomique respective pour obtenir un nombre relatif de moles pour chaque élément.
3. Divisez chacun de ces résultats par la plus petite valeur obtenue à l'étape précédente.
4. Les nombres résultants, arrondis si nécessaire aux entiers les plus proches, correspondent aux indices des éléments dans la formule empirique.

Chaque élément est ensuite écrit dans la formule avec son indice numérique correspondant, obtenu à la dernière étape.

Détermination de la Formule Moléculaire

La formule moléculaire indique le nombre réel d'atomes de chaque élément dans une molécule du composé. Pour la déterminer, vous avez besoin des informations suivantes : la composition centésimale des éléments (ou directement la formule empirique), les masses atomiques des éléments, et la masse moléculaire réelle du composé.

1. Si elle n'est pas déjà connue, calculez d'abord la formule empirique du composé (voir section précédente).
2. Calculez ensuite la masse molaire de cette formule empirique.
3. Divisez la masse moléculaire réelle du composé par la masse molaire de la formule empirique. Le résultat de cette division est un nombre entier (n). L'équation pour trouver n est :

La formule moléculaire est alors obtenue en multipliant chaque indice de la formule empirique par ce nombre entier n.

Lois Pondérales et Stœchiométrie

Les lois pondérales, ou lois de la stœchiométrie, régissent les relations quantitatives (masses, volumes, moles) entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique. Prenons l'exemple de la réaction suivante :

Fe₂O₃ + 3H₂O → 2Fe(OH)₃

Supposons que nous ayons, par exemple, 60 g de Fe₂O₃ et 100 g de H₂O au départ.

Détermination du Réactif Limitant

Pour identifier le réactif limitant (celui qui sera entièrement consommé et qui dictera la quantité maximale de produit formé) :

1. Calculez la masse molaire de chaque réactif.
2. Convertissez la masse initiale de chaque réactif en nombre de moles.
3. Comparez le rapport des moles disponibles au rapport stœchiométrique indiqué par les coefficients de l'équation chimique équilibrée. Une méthode courante consiste à diviser le nombre de moles de chaque réactif par son coefficient stœchiométrique dans l'équation ; le réactif correspondant au plus petit résultat est le réactif limitant.

L'image suivante illustre une méthode de calcul pour cette détermination :

Le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier. Le réactif qui n'est pas complètement consommé est appelé le réactif en excès.

Calcul de l'Excès de Réactif

Une fois le réactif limitant identifié, on peut calculer la quantité de réactif en excès qui n'a pas réagi :

Calcul de la Quantité de Produit Formé

La quantité de produit formé est déterminée à partir de la quantité initiale du réactif limitant, en utilisant les rapports stœchiométriques de l'équation chimique équilibrée :

Note : Si les proportions des réactifs sont données directement (par exemple, en moles plutôt qu'en masses), ces proportions peuvent être utilisées pour les calculs stœchiométriques, en adaptant les étapes de division en conséquence, sans nécessairement passer par le calcul des masses molaires.

Volume Molaire des Gaz

Le volume molaire d'un gaz est le volume occupé par une mole de ce gaz dans des conditions spécifiques de température et de pression. Dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP : 0°C et 1 atm), le volume molaire d'un gaz parfait est d'environ 22,4 litres par mole (L/mol).

Pour effectuer des calculs impliquant la masse, le volume et le nombre de moles d'un gaz, on utilise sa masse molaire et le volume molaire (sous CNTP ou autres conditions spécifiées) à l'aide de facteurs de conversion. On part généralement de la donnée fournie (masse ou volume) et on utilise la masse molaire (atomique ou moléculaire) pour convertir en moles, puis le volume molaire pour convertir en volume (ou inversement). Les étapes typiques sont illustrées ci-dessous :

Calcul du Nombre de Moles

Le nombre de moles (n) est une unité de mesure essentielle en chimie. Pour le calculer à partir de la masse (m) d'une substance et de sa masse molaire (M) (qu'elle soit atomique ou moléculaire), on utilise l'équation suivante :

Inversement, si l'on vous demande de calculer la masse (en grammes) d'une substance à partir d'un nombre de moles donné, vous pouvez réarranger cette équation : m = n × M.

Calcul de la masse à partir de la densité et du volume

Si la densité (ρ) et le volume (V) d'une substance sont fournis, la masse (m) peut être calculée en premier lieu en utilisant la formule :

Une fois la masse ainsi déterminée, vous pouvez alors utiliser l'équation du nombre de moles (n = m/M) pour trouver le nombre de moles correspondant.

Nombre d'Avogadro et Particules

Le nombre d'Avogadro (N_A) est une constante fondamentale qui représente le nombre d'entités élémentaires (telles que les atomes, les molécules, les ions, etc.) contenues dans une mole de substance. Sa valeur est approximativement :

N_A ≈ 6,022 x 10²³ mol^-1

Pour calculer le nombre de particules (N) à partir du nombre de moles (n), ou inversement, on utilise le nombre d'Avogadro comme facteur de conversion :

• Nombre de particules (N) = nombre de moles (n) × N_A
• Nombre de moles (n) = Nombre de particules (N) / N_A

L'image suivante illustre un exemple de calcul utilisant ce facteur de conversion pour déterminer le nombre de molécules à partir d'une quantité donnée, en passant par la masse molaire et le nombre d'Avogadro :