BILAN DE MATIERE Objectifs : Découvrir de façon « détournée » la notion d’avancement et de stoechiométrie Idée originale : Stéphane ABRIET Retouché par E.Victor

Analogie avec la cuisine Trois cuisiniers décident de fabriquer des sandwichs à la mortadelle. Recette d’un sandwich 1 tranche de pain (P) + 1 tranche de pain (P) + 1 tranche de mortadelle (M) 1 sandwich (P2M) Equation culinaire : 2 P + M 1 1 P2M

2 P + M 1 1 Les chiffres présents dans l’équation culinaire portent le nom de coefficients stoechiométriques. 2 P + M 1 1 P2M Ils représentent les proportions suivant lesquelles, les ingrédients sont consommés et les produits formés. Ce sont toujours des nombres entiers. Ici, pour faire 1 sandwich, il faut 2 tranches de pain et 1 tranche de mortadelle.

1. Le cuisinier A Dans sa cuisine : 1 6 P 1 2 M Et maintenant au boulot :

Plus on fabrique de sandwichs et plus le nombre de tranches de mortadelle et de pain diminue. Exemple : Si le cuisinier A a utilisé 5 tranches de mortadelle, il a dû utiliser 10 tranches de pain. Il a donc fabriqué 5 sandwichs. Il lui reste : 16-10 = 6 P 12 - 5 = 7 M

Ce tableau montre ce qui se passe au cours du travail. En chimie, on l’appellera tableau d’avancement. Equation culinaire M + 2P P2M Etat de fabrication Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat Initial (t=0) x=0 12 16 Etat intermédiaire x Etat final (travail réalisé) xmax 12-x 16 – 2x x 12-xmax 16-2xmax xmax

Quand le travail s’arrête-t-il ? 1. soit il n’y a plus de tranches de mortadelle : 2. soit il n’y a plus de tranches de pain : 3. soit toute la mortadelle et tout le pain ont été utilisés :

1ère possibilité : il ne reste plus de tranches de mortadelle a Que vaut alors l’avancement maximal xmax ? Lors de la fabrication, il reste 12-x tranches de mortadelle. A la fin on doit avoir : 12-xmax=0 c xmax=12

M + 2P P2M x=0 12 16 x xmax=12 12-x 16 – 2x x xmax I M P O S S I B L E Equation culinaire M + 2P P2M Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat Initial (t=0) x=0 12 16 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) xmax=12 12-x 16 – 2x x 12-12= 16-2X12 xmax =-8 I M P O S S I B L E

2ème possibilité : il ne reste plus de tranches de pain Que vaut alors xmax ? En cours de transformation, il reste 16-2.x tranches de pain A la fin on doit avoir : 16-2.xmax=0 c xmax=8

M + 2P P2M x=0 12 16 x 12-x 16 – 2x x xmax=8 xmax=8 Equation culinaire Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat initial (t=0) x=0 12 16 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) 12-x 16 – 2x x xmax=8 16-16 =0 12-8 xmax=8 =4

x = 5 4 6 1 8 2 3 7 max Etat initial : 12 -x= 1 9 4 2 1 7 5 8 6 16 5 8 6 16 -2.x= 1 6 4 6 2 4 2 8 Le pain est ici l’ingrédient qui limite la fabrication de sandwichs bien qu’il y ait plus de pain que de mortadelle ! Transformation… 8 x = 5 4 6 1 8 2 3 7 max Etat final :

2. Le cuisinier B M + 2P P2M x=0 7 18 x xmax 7-x 18 – 2.x x xmax Equation culinaire M + 2P P2M Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat initial (t=0) x=0 7 18 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) xmax 7-x 18 – 2.x x xmax 7-xmax 18–2.xmax

Qu’a-t-on à l’état final ? Calcul de l’avancement maximal xmax S’il ne reste plus de mortadelle alors : 7-xmax=0 soit : xmax=7 18-2.xmax=0 S’il ne reste plus de pain alors : soit : xmax=9 On retient toujours la plus petite valeur de xmax. Ici xmax=7 : le mortadelle est donc l’ingrédient limitant.

M + 2P P2M x=0 7 18 x xmax=7 7-x 18 – 2.x x xmax 7-xmax 18–2.xmax Equation culinaire M + 2P P2M Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat initial (t=0) x=0 7 18 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) xmax=7 7-x 18 – 2.x x xmax 7-xmax 18–2.xmax ingrédient limitant ingrédient en excès

2. Le cuisinier C M + 2P P2M x=0 15 30 x xmax 15-x 30 – 2.x x Equation culinaire M + 2P P2M Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat initial (t=0) x=0 15 30 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) xmax 15-x 30 – 2.x x 30–2.xmax 15-xmax xmax

Calcul de l’avancement maximal xm Si la mortadelle est l’ingrédient limitant alors : 15-xmax=0 soit : xmax=15 Si le pain est l’ingrédient limitant alors : 30-2.xmax=0 soit : xmax=15 Les deux ingrédients sont dans ce cas totalement consommés.

M + 2P P2M x=0 15 30 x 15-x 30 – 2.x x 15-xmax 30–2.xmax xmax xmax=15 Equation culinaire M + 2P P2M Etat du système Avancement Nombre de tranches de mortadelle Nombre de tranches de pain Nombre de sandwichs Etat initial (t=0) x=0 15 30 En cours de transformation x Etat final (travail réalisé) xmax=15 15-x 30 – 2.x x 15-xmax 30–2.xmax xmax Ici, à l’état initial, les nombres de tranches de mortadelle et de pain suivent les proportions stoechiométriques.

On peut vérifier à partir de l’équation culinaire que les nombres de tranches de pain (np) et de tranches mortadelle (nM) présents dans l’état initial vérifient : np nM 30 15 proportions stoechiométriques = = c Equation culinaire : 1 1 J + P 2 2 1 P2J