Exercices: Équilibrage des équations chimiques

La synthèse industrielle de l'ammoniac s'écrit $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$, comme le représente la figure avec le modèle particulaire :

L'interpréter de deux façons :

1. a) Avec des molécules : combien de molécules de diazote et de dihydrogène réagissent et combien de molécules d'ammoniac se forment.
2. b) Avec des moles : combien de moles de chaque gaz sont consommées lorsque $2\ \text{mol}$ d'ammoniac se forment.

Compter les atomes de chaque élément de part et d'autre de l'équation $\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$, telle qu'elle est écrite. La figure la montre avec le modèle particulaire :

Justifier si elle est équilibrée ou non. Si elle ne l'est pas, indiquer quels éléments posent problème.

L'acide chlorhydrique s'obtient industriellement en faisant réagir du dihydrogène et du dichlore gazeux. Équilibrer l'équation : $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{HCl}$.

Le calcium métallique réagit avec le dioxygène de l'air et forme de l'oxyde de calcium, la chaux vive. Équilibrer l'équation : $\text{Ca} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CaO}$.

Le pot catalytique des voitures achève de brûler le monoxyde de carbone, un gaz très toxique, en le transformant en dioxyde de carbone. Équilibrer l'équation : $\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$.

Le sodium est un métal mou qui réagit violemment avec le dichlore et forme du sel de table. Équilibrer l'équation : $\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{NaCl}$.

La fine couche qui protège de l'air les pièces d'aluminium d'un avion est de l'oxyde d'aluminium. La figure montre les particules qui interviennent :

Vérifier, en comptant les atomes de chaque élément de part et d'autre, si cette équation est équilibrée : $4\ \text{Al} + 3\ \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{Al}_2\text{O}_3$.

Lors de l'électrolyse de l'eau, le courant électrique la décompose en dihydrogène et dioxygène gazeux. Équilibrer l'équation : $\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2 + \text{O}_2$.

Les bouteilles de gaz de camping contiennent du propane, $\text{C}_3\text{H}_8$, qui brûle avec le dioxygène de l'air et forme du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. La figure montre les molécules qui interviennent :

Équilibrer par tâtonnement l'équation : $\text{C}_3\text{H}_8 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Penser à laisser le dioxygène pour la fin.

Le bioéthanol mélangé à l'essence, $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$, brûle en formant du dioxyde de carbone et de l'eau. Équilibrer l'équation : $\text{C}_2\text{H}_6\text{O} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Remarquer que le combustible contient déjà de l'oxygène dans sa formule.

Le dioxyde de soufre qui sort de certaines cheminées s'oxyde dans l'atmosphère en trioxyde de soufre, étape préalable à la formation des pluies acides. Équilibrer l'équation : $\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_3$.

Au laboratoire, on peut obtenir du dioxygène en chauffant du chlorate de potassium, qui se décompose en chlorure de potassium et dioxygène. Équilibrer l'équation : $\text{KClO}_3 \rightarrow \text{KCl} + \text{O}_2$.

Lorsqu'on place un morceau d'aluminium dans un tube contenant de l'acide chlorhydrique, il se forme du chlorure d'aluminium dissous et des bulles de dihydrogène. Équilibrer l'équation : $\text{Al} + \text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + \text{H}_2$.

Les moteurs des voitures produisent du monoxyde d'azote, $\text{NO}$, qui, en sortant à l'air libre, s'oxyde et forme le dioxyde d'azote brunâtre des épisodes de pollution. Équilibrer l'équation : $\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2$.

Lors de la cuisson d'un gâteau, l'hydrogénocarbonate de sodium de la levure chimique se décompose sous l'effet de la chaleur en carbonate de sodium, eau et dioxyde de carbone, qui fait gonfler la pâte. Équilibrer l'équation : $\text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$.

Le phosphore de la tête des allumettes brûle avec le dioxygène de l'air et forme de l'oxyde de phosphore(V). Équilibrer l'équation : $\text{P} + \text{O}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5$.

L'éthane, $\text{C}_2\text{H}_6$, accompagne le méthane dans le gaz naturel.

1. a) Équilibrer sa combustion, $\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$, en gardant pour le moment le coefficient de l'éthane égal à $1$ : vous constaterez que le coefficient du dioxygène est fractionnaire.
2. b) Multiplier ensuite tous les coefficients par le nombre adéquat pour écrire l'équation avec les plus petits coefficients entiers possibles.

Vos cellules « brûlent » le glucose du sang lors de la respiration cellulaire, en obtenant de l'énergie et en libérant du dioxyde de carbone et de l'eau. Équilibrer l'équation : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Vérifier le résultat en comptant avec soin les atomes d'oxygène de part et d'autre.

Les chalumeaux oxyacétyléniques des ateliers brûlent de l'acétylène, $\text{C}_2\text{H}_2$, avec du dioxygène et atteignent environ $3\,000\ \celsius$.

1. a) Équilibrer la combustion : $\text{C}_2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$.
2. b) Si une fraction est apparue lors de l'équilibrage, expliquer comment on convertit l'équation en plus petits coefficients entiers et écrire l'équation finale.

Pour souder les rails de chemin de fer, on utilise la réaction de la thermite : de la poudre d'aluminium mélangée à de l'oxyde de fer(III) réagit en dégageant tant de chaleur que le fer formé est en fusion.

1. a) Équilibrer l'équation : $\text{Al} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Fe}$.
2. b) Expliquer pourquoi il convient d'équilibrer d'abord le fer et l'aluminium et de laisser l'oxygène pour la fin.

Lavoisier et Priestley ont étudié le dioxygène en chauffant de l'oxyde de mercure, une poudre rouge qui se décompose en mercure liquide et dioxygène gazeux. La figure montre comment sont formées les particules de chaque substance :

1. a) Équilibrer l'équation : $\text{HgO} \rightarrow \text{Hg} + \text{O}_2$.
2. b) Le mercure s'écrit $\text{Hg}$ et non $\text{Hg}_2$, alors que le dioxygène porte un indice. Expliquer, avec le modèle particulaire, la raison de cette différence.

En équilibrant la combustion du propane, un élève a écrit : $2\ \text{C}_3\text{H}_8 + 10\ \text{O}_2 \rightarrow 6\ \text{CO}_2 + 8\ \text{H}_2\text{O}$.

1. a) Vérifier, en comptant les atomes, que son équation respecte la conservation des atomes.
2. b) Pourtant, le professeur la qualifie de « perfectible ». Expliquer ce que signifie le fait que les coefficients doivent être les plus petits entiers possibles et réécrire correctement l'équation.

Lors de la combustion complète d'un hydrocarbure inconnu $\text{X}$, l'équation équilibrée est : $2\ \text{X} + 9\ \text{O}_2 \rightarrow 6\ \text{CO}_2 + 6\ \text{H}_2\text{O}$. La figure la représente avec le modèle particulaire (une molécule de chaque type) :

1. a) Déterminer, en comptant les atomes de carbone et d'hydrogène qui doivent apparaître dans les produits, la formule brute de $\text{X}$.
2. b) Écrire l'équation complète avec la formule trouvée.

La combustion complète de tout hydrocarbure $\text{C}_x\text{H}_y$ suit le même schéma.

1. a) Écrire l'équation générale équilibrée en fonction de $x$ et de $y$ : $\text{C}_x\text{H}_y + \left(x + \frac{y}{4}\right)\ \text{O}_2 \rightarrow x\ \text{CO}_2 + \frac{y}{2}\ \text{H}_2\text{O}$, et la justifier en comptant les atomes.
2. b) L'appliquer pour prévoir combien de molécules de $\text{O}_2$ sont nécessaires pour brûler une molécule d'heptane, $\text{C}_7\text{H}_{16}$, composant de l'essence, et vérifier le résultat en équilibrant son équation de combustion.