Chimie — Formules

Une formule de chimie sert soit à décrire une espèce, comme $H_2O$ ou $CO_2$, soit à relier des grandeurs, comme $n = \frac{m}{M}$. Si vous séparez ces deux sens dès le départ, vous comprenez plus vite ce que l'exercice attend.

La bonne question est simple : faut-il lire une composition, ou calculer une grandeur ?

Formule chimique ou formule de calcul ?

Une formule chimique indique quels éléments sont présents dans une espèce et dans quelle proportion. Par exemple, $H_2O$ signifie qu'une molécule d'eau contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. De la même façon, $CO_2$ indique un atome de carbone et deux atomes d'oxygène.

Une formule de calcul relie, elle, des grandeurs mesurables. En début de chimie, la plus courante est :

$$n = \frac{m}{M}$$

Ici, $n$ est la quantité de matière, $m$ la masse et $M$ la masse molaire.

Autrement dit, certaines formules servent à identifier une substance, et d'autres servent à faire un calcul. Confondre les deux est l'erreur la plus fréquente au début.

Comment choisir la bonne formule de chimie

Avant d'écrire une relation, repérez ce que vous avez et ce que vous cherchez. C'est ce tri qui permet de choisir la bonne formule, pas le hasard ni la mémoire pure.

• Si une masse est donnée et qu'une quantité de matière est demandée, on utilise souvent :

$$n = \frac{m}{M}$$

• Si une quantité de matière et un volume de solution sont donnés, on pense souvent à la concentration molaire :

$$c = \frac{n}{V}$$

• Si l'on travaille sur un gaz, on peut rencontrer :

$$pV = nRT$$

mais seulement si le modèle du gaz parfait est valable, avec une température exprimée en kelvins.

Le point important n'est pas de retenir une longue liste. Il faut surtout lire les données, vérifier les unités et nommer clairement la grandeur cherchée.

Exemple résolu : $18$ g d'eau correspondent à combien de moles ?

Ici, on connaît une masse et on cherche une quantité de matière. La bonne relation est donc :

$$n = \frac{m}{M}$$

On commence par calculer la masse molaire de l'eau :

$$M(H_2O) = 2 \times 1 + 16 = 18\ \mathrm{g/mol}$$

On remplace ensuite dans la formule :

$$n = \frac{18\ \mathrm{g}}{18\ \mathrm{g/mol}} = 1\ \mathrm{mol}$$

Ce qui compte n'est pas seulement le résultat. Il faut surtout voir pourquoi cette relation était la bonne : masse donnée, moles demandées, donc $n = \frac{m}{M}$.

Erreurs courantes avec les formules chimiques

Confondre indice et coefficient

Dans $H_2O$, l'indice 2 fait partie de la formule de l'eau. Dans $2H_2O$, le coefficient 2 compte deux molécules d'eau. Ce n'est pas la même information.

Choisir une relation avant de lire les données

Beaucoup d'erreurs viennent d'un réflexe trop rapide. Il vaut mieux lister les données, leurs unités et la grandeur cherchée avant d'écrire une relation.

Oublier une condition d'application

$pV = nRT$ ne s'utilise pas sans condition. Il faut un modèle de gaz parfait, et la température doit être en kelvins. De même, dans $c = \frac{n}{V}$, le volume est souvent attendu en litres.

Bien lire la formule chimique

Une formule comme $CO$ n'a pas le même sens que $CO_2$. Un petit indice change l'identité de l'espèce, pas seulement un détail d'écriture.

Quand on utilise les formules de chimie

On les utilise pour lire la composition d'une espèce, interpréter une équation chimique, calculer une quantité de matière, préparer une solution ou traiter des exercices sur les gaz. Elles apparaissent donc très vite, puis reviennent dans presque tous les chapitres de chimie.

C'est pour cela qu'il vaut mieux viser une compréhension stable plutôt qu'une liste apprise par cœur. Une formule est utile seulement si vous savez dans quelle situation elle s'applique.

À retenir rapidement

Si vous voyez le mot formule en chimie, commencez par séparer deux cas :

1. Une formule chimique, qui décrit une espèce comme $NaCl$ ou $CO_2$.
2. Une formule de calcul, qui relie des grandeurs comme $n$, $m$, $M$, $c$ ou $V$.

Ce simple tri évite déjà une grande partie des erreurs de débutant.

Essayez un cas similaire

Essayez maintenant votre propre version avec $36$ g d'eau. Demandez-vous d'abord quelle grandeur est donnée, puis quelle grandeur est cherchée, avant d'écrire la moindre formule. Si vous trouvez $2\ \mathrm{mol}$ en expliquant votre choix, le principe est en place.