La chimie est une science très complexe à n-corps que les mathématiques ne peuvent expliquer sans l'apport de simulations numériques sur ordinateur ou d'approximation quant à l'utilisation de la théorique quantique (voir section d'atomistique). D'ici que ces outils soient suffisamment puissants et accessibles à tout le monde, la chimie reste une science principalement expérimentale basée sur l'observation de différentes propriétés de la matière dont voici quelques définitions fortes importantes (que nous retrouvons d'ailleurs dans d'autres domaines que la chimie).

Définitions:

D1. Une "propriété subjective" est une propriété basée sur une impression, par exemple, la beauté, la sympathie, la couleur, l'utilité, etc...

D2. Une "propriété objective" est une propriété ressentie (qui ne peut être contredite), par exemple, sa masse, son volume, sa forme, etc...

D3. Une "propriété qualitative" est une propriété qui descrptive donnà l'aide de mots. Par exemple : forme ovale, magnétique, conducteur, etc...

D4. Une "propriété quantitative" est une propriété qui se chiffre. Par exemple : sa masse, son volume, sa masse volumique, etc...

D5. Une "propriété caractéristique" est une propriété exclusive qui permet d'identifier une substance pure. Elle ne change pas même si l'on transforme physiquement la matière, par exemple, sa masse volumique, son point d'ébullition, son point de fusion, etc...

D6. Un corps est dit un "corps pur" lorsque tout échantillon de ce corps présente des valeurs de constantes bien définies et identiques à celles de l'ensemble (densité, point de fusion, point d'ébullition, indice de réfaction, etc.).

Remarque: Nous en connaissons environ 2'000'000 différents à ce jour (c'est dire… qu'il y a du travail derrière).

D7. Nous nommons "corps composés" les corps purs qui, soumis à des procédés chimiques, restituent leurs composants.

D8. Si nous effectuons la séparation des mélanges et la décomposition des combinaisons, nous obtenons finalement des corps qui sont indécomposables par les méthodes chimiques classiques; nous les nommons "éléments" ou "corps simples".

Ainsi, la plus petite partie d'une combinaison chimique présentant encore toutes les propriétés de celle-ci est la "molécule" de cette combinaison. La plus petite partie d'un élément ou corps simple est "l'atome" de cet élément.

Quelques rappels d'ordre général au préalable :

R1. Un mélange est dit "hétérogène" en chimie si ces constituants sont immédiatement discernables à l'œil nu ou au microscope

R2. Une mélange est dit "homogène" en chimie si ces constituant ne sont pas discernables à l'œil nu ou au microscope.

RÉACTIONS

Puisque l'étude principale en chimie consiste à observer les résultats de mélanges de corps purs et /ou composés il convient d'abord de nous attarder sur les règles de bases qui régissent ces mélanges dans des conditions normales de pression et de température.

Il convient au préalable de préciser que nous n'allons pas étudier dans ce chapitre ce qui crée les liaisons entre les éléments car ceci est le rôle de la chimie quantique.

Considérons maintenant un système chimique fermé (sans transfert de masse donc!), nous traduisons la modification de la composition (s'il y a lieu et si elle existe) du système chimique par une équation de réaction de la forme (le système ne va pas toujours dans les deux sens!) :

  (1)

où les coefficients sont appelés "coefficients stoechiométriques" dans le sens où ils indiquent les "proportions d'or" (appelées "proportions stoechiométriques") nécessaires tel qu'à des conditions normales la réaction puisse avoir lieu et où les sont les produits réagissants (purs ou composés) et les produits formés.

Si les proportions d'or sont respectées (tels que les coefficients soient bien stoechiométriques) et existent lors de l'écriture de l'équation de rédaction, alors pour tout nous avons :

  (2)

cette proposition n'est démontrable que si les coefficients stoechiométriques d'un côté ou l'autre de la réaction varient de manière proportionnelles. L'expérience montre que dans des conditions normales de température et de pression (C.N.T.P) cela est bien le cas.

Dès lors, la stoechiométrie de la réaction impose que s'il disparaît dans le système moles de , moles de avec respectivement une variation de matière des produits …, il apparaîtra en conséquence moles de , moles de , … avec respectivement une variation de matière des produits … en respectant les proportionnalités des coefficients stoechiométriques tel que nous puissions écrire le "l'équation du bilan de matière" :

  (3)

où est appelé "avancement élémentaire de la réaction".

Ces dernière égalités indiquent simplement que si l'un des produits réactif disparaît en une quantité donnée, les autres produits réactifs voie leur quantité diminuée en rapport à leur coefficient stoechiométrique de manière à conserver la proportion d'or de la réaction.

L'écriture du bilant énergétique peut être allégé par l'introduction des coefficients stoechiométriques algébrique tels que : pour un produit formé, pour un produit réagissant.

Finalement nous pouvons écrire :

  (4)

Dès lors, avec cette convention algébrique, l'équation de réaction comme elle existe, permet d'écrire :

  (5)

ce qui signifie que la somme algébrique du nombre total de composés purs des réactifs et produits formés est toujours nulle.

Il est clair qu'à l'instant initial de la réaction nous choisissons pour l'avancement la valeur , instant auquel les quantités de matière sont .

L'intégration de l'expression différentielle du bilant de matière donne bien évidemment :

  (6)

Se pose alors la question : Quelle est la valeur maximale de l'avancement d'une réaction ? Eh bien la réponse a cette question et ma foi fort simple. La valeur maximale d'avancement d'un réaction ayant les proportions stoechiométriques (nous respectons la traditions ainsi plutôt qu'en parlant de proportions d'or…) est telle qu'elle a lieu lorsque les réactifs auront tous disparus et dès lors il est nécessairement donné par :

  (7)

pour ce que nous appelons le "réactif limitant", c'est-à-dire le produit réagissant qui disparaît (a toujours la plus petite valeur de molarité) en premier.

Il peut être utile de définir le "taux d'avancement" donné par la grandeur intensive :

  (8)

ce qui de manière formelle donne :

  (9)

Exemple:

Considérons la réaction :

  (10)

où les lettres latines représentes des corps purs (atomes) dont le nom ne nous importe pas. Les indices représentent tout simple la combinaison des atomes pour obtenir un molécule. Nous avons dans cette réaction : et .

Le lecteur remarque que nous avons bien selon notre convention pour le bilan de masse :

  (11)

Si nous considérons qu'il y a une mole de chaque corps composé, cela nous donne pour les proportions stoechiométriques (à un facteur près pour toutes les valeurs):

  (12)

Si à un moment donné, nous obtenons par mesure :

  (13)

Quel est l'avancement de la réaction ?

  (14)

Le taux de conversions de y relatif est donc :

  (15)

et quel est la valeur maximale d'avancement du réactif limitant ?

Le réactif limitant est bien évidemment de par la définition donnée par les chimistes (…) . Donc dans le cadre de l'exemple ci-dessus où nous avons alors :

  (16)