Sommaire
ILes notions de système chimique et de transformation chimiqueALe système chimiqueBLes transformations chimiques1L'état initial et l'état final2La conservation de la masseIILa réaction chimiqueADéfinitionsBLes lois de conservationCLes correspondances en moles - bilan de matièreIIILes effets thermiques d'une transformationIVLes applicationsAAu thème de la santé : la synthèse de principes actifsBAu thème du sport : effort physique et énergieLa réaction chimique est la modélisation d'une transformation chimique qui se déroule dans un système. Elle obéit à des lois de conservation (de la masse, des éléments et de la charge électrique) que son écriture symbolique, l'équation chimique, doit respecter. Le bilan de matière que l'on peut déduire de cette équation permet d'optimiser le mélange réactionnel, en vue d'une synthèse par exemple. De plus, certaines transformations libèrent de la chaleur alors que d'autres en absorbent : ceci permet de comprendre les effets thermiques mis en jeu lors d'un effort physique.
Les notions de système chimique et de transformation chimique
Le système chimique
Pour décrire l'état d'un système chimique, il faut indiquer :
- la nature de toutes les espèces chimiques présentes et leur état physique (solide (s), liquide (l), gazeux (g) ou en solution aqueuse (aq))
- la pression du système
- la température du système
Système chimique
Le système chimique est l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse.
Les transformations chimiques
L'état initial et l'état final
L'état final est atteint lorsque l'un au moins des réactifs est totalement consommé, alors la transformation chimique s'arrête.
La combustion du carbone dans le dioxygène continue tant qu'il reste du carbone et du dioxygène dans le système.
Transformation chimique
Une transformation chimique est la modification d'un système chimique, évoluant d'un état initial à un état final.
Lors de la combustion du carbone en présence d'un excès de dioxygène, le système chimique est modifié : c'est une transformation chimique.
| Système chimique | État initial | État final |
|---|---|---|
| Espèces chimiques |
|
|
| Pression | Atmosphérique | Atmosphérique |
| Température | Température : 20°C | Température > 20°C |
Réactif
Un réactif est une espèce chimique consommée lors d'une transformation chimique.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, le carbone et le dioxygène sont des réactifs.
Produit
Un produit est une espèce chimique formée lors d'une transformation chimique.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, le dioxyde de carbone est un produit.
La conservation de la masse
Un principe fondamental de toute transformation chimique est la conservation de la masse, ou principe de Lavoisier (qui a énoncé "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme").
Conservation de la masse
Au cours d'une transformation chimique, la masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui se forment : la masse se conserve.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, si 11 g de carbone C et 8 g de dioxygène \ce{O2} sont consommés, il se forme alors 19 g de dioxyde de carbone \ce{CO2}.
La réaction chimique
Définitions
Réaction chimique
La réaction chimique est la modélisation, à l'échelle macroscopique, d'une transformation chimique en un processus unique : "réactifs \ce{->[]} produits".
À l'échelle microscopique, une transformation chimique est très complexe, car constituée de plusieurs étapes.
Équation de la réaction chimique
L'équation de la réaction chimique est l'écriture symbolique de la réaction. Les espèces chimiques sont représentées par leurs formules chimiques brutes, les réactifs placés à gauche et les produits à droite d'une flèche qui représente le sens d'évolution du système.
L'équation chimique de la combustion du carbone est :
\ce{C_{(s)}} + \ce{O2_{(g)}} \ce{->[]} \ce{CO2_{(g)}}
Dans l'équation de la réaction chimique, la flèche se lit "donne".
Les lois de conservation
L'équation de la réaction chimique doit traduire la conservation de la matière et de la charge électrique.
Coefficients stœchiométriques
Les coefficients stœchiométriques sont les nombres placés devant les espèces chimiques dans une équation chimique. Le nombre "1" n'est pas écrit.
Dans l'équation de la combustion du glucose :
\ce{C6H12O6_{ (aq)}} + 6 \ce{O2_{ (g)}} \ce{->} 6 \ce{CO2_{ (g)}} + 6 \ce{H2O_{ (l)}}
Les coefficients stœchiométriques sont 1 pour le glucose \ce{C6H12O6} et 6 pour le dioxygène \ce{O2}, le dioxyde carbone \ce{CO2} et l'eau \ce{H2O}.
Pour que l'équation d'une réaction chimique respecte ces lois de conservation, on ajuste (ou équilibre) les coefficients stœchiométriques.
Conservation des éléments et de la charge électrique
Dans une équation chimique, il doit y avoir conservation de tous les éléments chimiques mis en jeu et de la charge électrique.
L'équation de la réaction de combustion de l'éthanol s'écrit :
\ce{C2H6O_{(l)}} + 3\ce{O2_{(g)}} \ce{->[]} 2 \ce{CO2_{(g)}} + 3\ce{H2O_{(l)}}
- Les éléments chimiques (carbone C, hydrogène \ce{H} et oxygène O ) sont conservés : on les trouve en même quantité du côté des réactifs et des produits.
- La charge électrique est conservée : elle est nulle du côté des réactifs et des produits.
L'équation de la réaction de l'oxydation du zinc par une solution acide s'écrit :
\ce{Zn_{(s)}} + 2\ce{H_{(aq)}^{+}} \ce{->[]} \ce{Zn_{(aq)}^{2+}} + \ce{H2_{(g)}}
- Les éléments chimiques (zinc Zn, et hydrogène \ce{H} ) sont conservés : on les trouve en même quantité du côté des réactifs et des produits.
- La charge électrique est conservée : elle est égale à " 2+ " du côté des réactifs et des produits.
Les correspondances en moles - bilan de matière
L’équation d'une réaction chimique indique, au niveau macroscopique, les proportions en moles dans lesquelles les réactifs disparaissent et les produits se forment.
L'équation de la réaction de la combustion de l'éthanol :
\ce{C2H6O_{(l)}} + 3\ce{O2_{(g)}} \ce{->[]} 2 \ce{CO2_{(g)}} + 3\ce{H2O_{(l)}}
indique que pour chaque mole d'éthanol \ce{C2H6O} consommée, 3 moles de dioxygène \ce{O2} sont aussi consommées et 2 moles de dioxyde de carbone \ce{CO2} ainsi que 3 moles d'eau \ce{H2O} sont formées.
Les effets thermiques d'une transformation
Les transformations chimiques ou physiques (comme les changements d'état) sont des processus qui affectent l'énergie que possède un système chimique et qui peuvent donc engendrer des variations de température.
Transformation exothermique
Une transformation exothermique est une transformation qui libère de la chaleur.
Les combustions du carbone et de l'éthanol dégagent de la chaleur, ce sont donc des transformations exothermiques.
Transformation endothermique
Une transformation endothermique est une transformation qui absorbe de la chaleur.
La dissolution du sel dans l'eau est un processus endothermique : si on transfère de la chaleur au système, la dissolution est favorisée.
Les applications
Au thème de la santé : la synthèse de principes actifs
Afin de limiter les pertes de matière et donc d'optimiser le rendement d'une synthèse, il est nécessaire de connaître l'équation chimique de la réaction qui la modélise. La connaissance de son caractère endothermique ou exothermique permet d'adapter les conditions de la synthèse.
L'équation de la réaction de la synthèse de l'aspirine \ce{C9H8O4_{(aq)}} :
\ce{C7H6O3_{(aq)}} + \ce{C4H6O3_{(aq)}} \ce{->[]} \ce{C9H8O4_{(aq)}} + \ce{C2H4O2_{(aq)}}
permet de déterminer la composition optimale du système chimique.
Au thème du sport : effort physique et énergie
Lors d'un effort physique, le corps du sportif nécessite un apport d'énergie : cette énergie est libérée au cours de transformations chimiques exothermiques se produisant dans l'organisme et dont les réactifs de base se trouvent dans les aliments.
Durant l'effort physique, le rythme respiratoire s'accélère pour fournir davantage de dioxygène \ce{O2} aux cellules. En effet, celui-ci réagit avec le glucose \ce{C6H12O6} selon l'équation de réaction suivante :
\ce{C6H12O6_{ (aq)}} + 6 \ce{O2_{ (g)}} \ce{->} 6 \ce{CO2_{ (g)}} + 6 \ce{H2O_{ (l)}}
Cette réaction libère beaucoup d'énergie, nécessaire au fonctionnement de la cellule.
L'activité physique va avoir pour effet d'augmenter la température du corps et de déclencher un mécanisme réflexe de sudation, dans lequel l'évaporation endothermique de l'eau expulsée rafraîchit le corps, atténuant cette augmentation de température.