Stœchiométrie ; stœchiométrique

La stœchiométrie décrit les rapports quantitatifs entre les quantités de substances dans les réactions chimiques et repose sur la loi de conservation de la masse et la constance de la composition des composés chimiques. On parle de rapport stœchiométrique lorsque tous les réactifs sont présents exactement dans les proportions indiquées par l'équation chimique. Dans ce cas, il ne reste aucun excès de réactifs et aucun sous-produit inutile n'est généré. Cela repose sur une équation chimique équilibrée, dans laquelle le nombre d'atomes de chaque élément est identique du côté des réactifs et du côté des produits. La quantité de matière n exprimée en moles est essentielle, car elle relie le nombre de particules à des grandeurs mesurables telles que la masse et le volume.

Pour une substance, on a : m = n · M, où m est la masse en grammes, n la quantité de matière en moles et M la masse molaire en grammes par mole. Pour les gaz, on utilise souvent le volume molaire V_m. Dans des conditions normales, on a approximativement : 

V = n · V_m

À l'aide de calculs stœchiométriques, il est possible de déterminer, à partir de la masse donnée d'un réactif, la masse nécessaire d'un deuxième réactif et le rendement théorique des produits. En génie des procédés, les rapports stœchiométriques sont importants pour la conception, la sécurité et l'efficacité énergétique des processus. À l'échelle industrielle, ils influencent l'utilisation des matières premières, les émissions et les besoins en matière de traitement de l'air vicié et des eaux usées. Prenons l'exemple de la combustion complète du méthane :

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Le CH₄ (méthane) contient un atome de carbone et quatre atomes d'hydrogène, l'O₂ (molécule d'oxygène) contient deux atomes d'oxygène, le CO₂ (dioxyde de carbone) contient un atome de carbone et deux atomes d'oxygène et l'H₂O (eau) contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Les coefficients 1 : 2 : 1 : 2 indiquent le rapport stœchiométrique des quantités de matière. Du côté des réactifs et du côté des produits, on trouve respectivement un atome de carbone, quatre atomes d'hydrogène et quatre atomes d'oxygène. Si l'on dispose exactement de n(CH₄) moles de méthane et de 2 · n(CH₄) moles d'oxygène, le mélange est stœchiométrique. À partir des masses molaires, on obtient :

M(CH₄) ≈ 16 g/mol; M(O₂) ≈ 32 g/mol

Il en résulte le rapport molaire stœchiométrique suivant : 16 g de méthane réagissent avec 64 g d'oxygène, c'est-à-dire que le rapport molaire méthane/oxygène est de 1/4. 

Dosage stœchiométrique, mélange optimal : dans de nombreux processus, des proportions précises de substances sont déterminantes pour le rendement, la qualité et la sécurité des réactions chimiques. Les systèmes de mélange amixon® permettent de préparer les réactifs pesés avec précision dans les proportions stœchiométriques souhaitées.