■ Dans un système chimique siège d'une transformation, les changements observés sont modélisés par une réaction chimique, elle-même décrite par une équation de réaction.
Une flèche symbolise que le système passe d'un état à un autre.
À gauche sont écrites les formules des espèces chimiques qui réagissent entre elles et qui sont appelées les réactifs de la transformation.
À droite sont écrites les formules des espèces chimiques qui sont obtenues et qui sont appelées les produits de la transformation.
Les symboles s, 𝓁, g ou aq placés entre parenthèses à droite de la formule d'une espèce chimique indiquent son état physique dans le système.
Des coefficients, appelés coefficients stoechiométriques, sont écrits à gauche des formules des espèces chimiques et indiquent dans quelles proportions ces espèces sont engagées dans la transformation.

Une équation de réaction doit être équilibrée. Cela signifie qu'il doit y avoir conservation des entités chimiques (autant de carbones à droite qu'à gauche, autant d'hydrogènes à droite qu'à gauche, etc.) et conservation de la charge électrique (même charge globale à gauche et à droite).
■ Lors d'une transformation chimique, les réactifs sont consommés ; il s'en trouve de moins en moins dans le système à mesure que la transformations s'opère.
Les produits sont fabriqués ; il s'en trouve de plus en plus dans le système à mesure que la transformation s'opère.
■ Le réactif limitant d'une transformation est le réactif qui est totalement consommé par la transformation en premier. C'est à cause de cette consommation totale (et donc l'absence du réactif) que la transformation ne peut plus avoir lieu et s'arrête.

Soit un système chimique dans lequel l'expérimentateur a choisi d'introduire des espèces chimiques dans les quantités qu'il a voulues. Si le système est le siège d'une transformation, certaines de ces espèces, les réactifs, vont être peu à peu consommées et des produits seront peut à peu formés.
Comment évoluent les quantités de matière de ces espèces à mesure que la transformation s'opère ?
L'avancement x d'une transformation chimique est une grandeur, homogène à une quantité de matière, qui mesure jusqu'à quel stade la transformation s'est opérée.
Ainsi, l'avancement x vaut 0 mol avant que la transformation ne démarre, puis augmente petit à petit à mesure qu'elle a lieu.
L'avancement x mesure également la quantité de matière d'un produit de la transformation, produite à un stade donné et pour lequel le coefficient stoechiométrique vaut 1.

Ex. : un opticien possède 8 moles de montures et 14 moles de verres. Il les assemble pour fabriquer des lunettes et la transformation est modélisée par une réaction dont l'équation est : 1 monture + 2 verres → 1 paire.
Le tableau ci-dessous dresse l'évolution des quantités de montures, de verres et de paires de lunettes à mesure que l'opticien les assemble, c'est-à-dire à mesure que l'avancement augmente.

Il faut observer ici que l'opticien consomme 2 verres à chaque fois qu'il consomme 1 monture pour produire 1 paire. Ainsi, si l'avancement progresse d'1 mol, l'opticien produit 1 mol de paire, consomme 1 mol de monture, mais consomme 2 mol de verre, c'est-à-dire deux fois plus.

De la même manière, on construit en chimie un tableau qui permet de réaliser, à un stade quelconque de la transformation, le bilan de matière, c'est-à-dire de donner la quantité de matière présente dans le système pour chaque réactif et chaque produit.
Un tel tableau, appelé tableau d'avancement, indique l'équation de la réaction étudiée puis l'avancement et les quantités de matière à trois stades de la transformation : l'état initial, un état intermédiaire quelconque et à l'état final.

D'une manière générale, à un avancement quelconque x, la quantité de matière n_R d'un réactif R vaut :

À un avancement quelconque x, la quantité de matière n_P d'un produit P vaut :

Le signe moins traduit le fait que la quantité de matière en réactif diminue à mesure que la transformation s'opère, car le réactif est consommé.
Le signe plus traduit le fait que la quantité de matière en produit augmente à mesure que la transformation s'opère, car le produit est fabriqué.

■ Dans cette partie, on étudie le cas des transformations totales. Il s'agit de transformations chimiques qui s'opèrent tant que tous les réactifs sont présents dans le système, et cela jusqu'à ce que l'un d'entre eux soit épuisé, c'est-à-dire totalement consommé. Comment identifier ce réactif limitant ?
Attention ⚠️, il ne s'agit pas forcément du réactif introduit en plus petite quantité ! Il faut en plus tenir compte des proportions avec lesquelles les réactifs sont consommés, c'est-à-dire les coefficients stoechiométriques.

Ex. : l'opticien possède 8 moles de montures et 14 moles de verres. Bien que les montures soient présentes initialement en moindre quantité (8 est inférieur à 14), ce sont les verres qui sont réactifs limitants car ils sont au nombre de 14 moles et ils sont consommés deux par deux, ce qui ne permettra de produire que 7 moles de paires seulement.
En chimie comme chez l'opticien, une quantité de matière possède obligatoirement une valeur de signe positif. Celles des réactifs diminuent à mesure que la réaction s'opère, et certaines diminuent plus rapidement que d'autres. Pour identifier celle qui s'annulera la première, il faut étudier l'inégalité suivante pour chaque réactif :

Chaque inégalité conduira une valeur possible de l'avancement maximal x_max, or cette grandeur est unique au système, il ne faudra retenir qu'une seule des valeurs trouvées, et notamment la plus petite d'entre elles.
Ex. chez l'opticien :
n_monture ≥ 0 équivaut à 8 mol - x ≥ 0 donc x ≤ 8 mol.
et
n_verre ≥ 0 équivaut à 14 mol - 2x ≥ 0 donc x ≤ 7 mol.
Des deux valeurs maximales, 7 et 8 moles, il faut retenir x_max = 7 mol. En effet, à cette valeur de l'avancement, la quantité de matière en verre s'annule, la transformation s'arrête et il n'est donc pas possible que l'avancement atteigne 8 mol.

Si l'opticien veut éviter de gaspiller de la marchandise, il doit s'équiper autrement en montures et en verres. Par exemple, il peut choisir de s'équiper initialement de 8 mol de monture et 16 mol de verres. Dans ce cas, la dernière monture consommée correspond aux deux derniers verres et à la fin, il ne lui reste plus ni monture, ni verre. Une telle composition initiale du système est appelé un mélange stoechiométrique, il s'agit d'un mélange pour lequel tous les réactifs seront totalement consommés à l'état final.

■ L'étude expérimentale des transformations chimiques montre que certaines d'entre elles ne sont pas totales. Lorsque le système atteint son état final et que sa composition n'évolue plus, il est encore possible de trouver de tous les réactifs dans le système. La transformation, dite alors transformation non totale, n'a pas consommé autant de réactifs qu'il aurait été possible de le faire, son avancement n'a pas atteint la valeur maximale à laquelle il était possible de s'attendre :

Il est possible de modéliser numériquement l'évolution des quantités de matière en espèces chimiques dans un système siège d'une transformation totale. C'est le cas du code Python ci-dessous. Il demande à l'utilisateur d'indiquer les valeurs des coefficients stoechiométriques, les valeurs des quantités de matière initialement introduites dans le système puis fait évoluer pas à pas l'avancement, retire en quantité de réactifs, ajoute en quantité de produits, et cela tant qu'il reste des réactifs dans le système. Il affiche un graphique représentant les quantités de matière en fonction de l'avancement de la transformation.