Exercice 1 — synthèse du méthanol en phase gazeuse (4 points), dans l'esprit des sessions 2015–2020
Le méthanol est fabriqué industriellement à partir d'un « gaz de synthèse », mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène . Dans les conditions de l'expérience, toutes les espèces sont gazeuses et la réaction conduit à un équilibre chimique modélisé par l'équation :
Dans un réacteur préalablement vide, maintenu à une température et sous une pression constante, on introduit à l'instant une quantité de monoxyde de carbone et une quantité de dihydrogène. Lorsque l'équilibre chimique est atteint, la quantité de matière totale de gaz dans le réacteur est .
- Tableau d'avancement.
- Dresser le tableau descriptif d'évolution du système en avancement , en y ajoutant une colonne donnant la quantité de matière totale de gaz .
- Montrer que l'avancement final s'écrit ; calculer sa valeur.
- Caractère de la réaction.
- Montrer que le dihydrogène est le réactif limitant ; en déduire la valeur de l'avancement maximal .
- Déterminer le taux d'avancement final de la réaction. Préciser, en le justifiant, si la réaction est totale ou limitée.
- Déterminer la composition molaire du mélange à l'équilibre .
- Le mélange étant à l'équilibre , on fait varier la pression, la température restant égale à . Il s'établit un nouvel état d'équilibre dans lequel la nouvelle quantité de matière totale de gaz est .
- Préciser, en le justifiant, le sens dans lequel l'équilibre s'est déplacé.
- Préciser, en le justifiant, s'il s'agit d'une diminution ou d'une augmentation de la pression.
- Calculer le taux d'avancement final et déterminer la composition molaire du mélange à l'équilibre .
- On reprend le mélange à l'équilibre et on élève sa température à une valeur , en maintenant la pression . Dans le nouvel état d'équilibre , la quantité de dihydrogène restant est .
- Déterminer l'avancement final ; comparer, en le justifiant, le taux d'avancement final à .
- Justifier que la réaction de synthèse du méthanol (sens (1)) est exothermique.
- Déterminer la quantité de matière totale de gaz et la composition molaire du mélange à l'équilibre .
- Dans l'industrie, la synthèse du méthanol est réalisée sous une pression de 50 à 100 bar, vers 250 °C, en présence d'un catalyseur à base de cuivre.
- En faisant appel à la loi de modération, justifier que le choix d'une haute pression améliore le rendement de la synthèse.
- Une température plus basse donnerait un taux d'avancement final plus élevé. Expliquer pourquoi on n'opère pas à plus basse température, et préciser si le catalyseur modifie le taux d'avancement final.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
1.a Idée : chaque mole d'avancement consomme 1 mol de et 2 mol de et forme 1 mol de ; la quantité totale de gaz diminue donc de . Quantités en mol :
1.b Idée : écrire à l'équilibre, puis isoler . À l'équilibre : , d'où .
, soit .
2.a Idée : comparer les rapports , pas les quantités brutes. et : si la réaction était totale, le dihydrogène disparaîtrait le premier. C'est le réactif limitant, et .
2.b , soit . Comme , l'avancement final reste inférieur à l'avancement maximal : la réaction est limitée.
2.c Avec : ; ; (total , conforme à ).
3.a Idée : diminue quand augmente ; une hausse de trahit une baisse de l'avancement. donne , donc : une partie du méthanol s'est dissociée. L'équilibre s'est déplacé dans le sens (2).
3.b Idée : à température constante, la loi de modération relie le sens du déplacement à la variation de la quantité de gaz. Le sens (2) fait passer de 1 mol de gaz () à 3 mol de gaz () : il augmente la quantité de matière de gaz. Or, d'après la loi de modération, une diminution de pression à température constante déplace l'équilibre dans le sens qui augmente la quantité de matière de gaz. Il s'agit donc d'une diminution de la pression : .
3.c . Les quantités initiales n'ont pas changé, donc et , soit .
Composition de : ; ; .
4.a Idée : la quantité restante d'un réactif suffit à retrouver grâce au tableau. , d'où . Avec le même : , donc .
4.b Idée : à pression constante, une élévation de température favorise le sens endothermique. L'élévation de température a fait diminuer le taux d'avancement final : elle a favorisé le sens (2). Le sens (2) est donc endothermique, et la synthèse du méthanol, sens (1), est exothermique.
4.c , soit : ; ; .
5.a Idée : même raisonnement qu'en 3.b, dans l'autre sens. D'après la loi de modération, une augmentation de pression à température constante déplace l'équilibre dans le sens qui diminue la quantité de matière de gaz, ici le sens (1) (3 mol de gaz donnent 1 mol). Le taux d'avancement final augmente : une haute pression améliore le rendement en méthanol.
5.b Idée : distinguer ce qui déplace l'équilibre (température, pression) de ce qui accélère seulement son établissement (température, catalyseur). À plus basse température, la réaction serait trop lente : la température est aussi un facteur cinétique. On opère donc à une température de compromis, vers 250 °C, où le catalyseur rend la réaction suffisamment rapide. Le catalyseur ne modifie pas le taux d'avancement final : il permet seulement d'atteindre plus vite l'état d'équilibre.