Les transformations chimiquesCours

I

La modélisation d'une transformation chimique

A

Le rôle des espèces chimiques dans une transformation chimique

Transformation chimique

Une transformation chimique est la modification d'un système chimique évoluant d'un état initial à un état final.

Système chimique

Le système chimique est défini par l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse et celles-ci peuvent avoir plusieurs rôles :

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Réactif limitant

Le réactif limitant est celui qui est complètement consommé par la transformation. Il n'est donc plus présent dans l'état final et c'est à cause de son absence que la transformation chimique cesse. Les autres réactifs, encore présents à l'état final, ont été introduits en excès.

Lorsque l'on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur, celui-ci brûle vivement, jusqu'à sa disparition complète. Des tests d'identification permettent de mettre en évidence dans l'état final la présence de dioxygène et de dioxyde de carbone.

-
  • Le carbone et le dioxygène sont consommés : ce sont les réactifs.
  • À l'état final, il reste du dioxygène mais pas de carbone : le carbone est le réactif limitant.
  • Le dioxyde de carbone est formé : c'est le produit.

 

Il n'y a pas d'espèces spectatrices.

B

L'écriture symbolique d'une réaction chimique

Réaction chimique

La réaction chimique est la modélisation, à l'échelle macroscopique, d'une transformation chimique en un processus unique, illustrée par son équation de réaction. Les espèces chimiques y sont représentées par leurs formules chimiques (brutes, généralement).

Réactifs  \longrightarrow  Produits

Loi de conservation

Lois de conservation

L'équation de la réaction chimique doit respecter les lois de conservation :

  • des éléments chimiques ;
  • de la charge électrique.

 

Il peut être alors nécessaire d'ajuster les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques, qui précèdent leurs formules et indiquent leurs proportions.

Aussi, lors d'une transformation chimique, la masse est conservée.

 

Le bilan de la combustion du méthane est :

méthane + dioxygène  \longrightarrow  dioxyde de carbone + eau

 

L'équation de cette réaction chimique est :

-

Le bilan de l'action de l'ion hydrogène sur du fer est :

 

fer + ion hydrogène  \longrightarrow  ion fer II dihydrogène

 

L'équation de cette réaction chimique est :

-
II

L'énergie dégagée par une transformation chimique

Endothermique/exothermique

Une transformation chimique peut être :

-

On peut retenir qu'une transformation EXothermique transfère de la chaleur au milieu EXtérieur.

La chaleur absorbée ou dégagée augmente avec la masse (et donc aussi la quantité de matière) du réactif limitant.

La chaleur dégagée par la réaction entre des solutions acide et basique augmente avec leur concentration.

III

Les réactions de combustion du carbone et du méthane

Combustion

Une combustion est la réaction exothermique qui se déroule entre un combustible et un comburant (généralement le dioxygène \text{O}_2 ).

Lors de la combustion complète (c'est-à-dire avec assez de dioxygène) d'un hydrocarbure (molécule composée uniquement des éléments chimiques carbone et hydrogène) les produits sont toujours le dioxyde de carbone  \bf{\textcolor{purple}{\ce{CO2}}}  et l'eau  \bf{\textcolor{#66CCFF}{\ce{H2O}}}.

A

La combustion du carbone

Carbone

Le carbone, de formule brute \ce{C}, est un solide gris ou noir qui est le composant principal du charbon, du fusain ou du graphite des mines de crayon.

Dans du dioxygène pur, le carbone brûle vivement et il se forme du dioxyde de carbone, mis en évidence par le test à l'eau de chaux.

-
-

 

Le produit formé est le dioxyde de carbone.

Le bilan de cette combustion est donc :

 

carbone + dioxygène  \longrightarrow  dioxyde de carbone

 

L'équation de la réaction de la combustion du carbone est alors :

\bf{\textcolor{grey}{\ce{C_{(s)}}} + \textcolor{black}{\ce{O2_{(g)}}} \longrightarrow \textcolor{purple}{\ce{CO2_{(g)}}}}

B

La combustion du méthane

Le méthane, de formule brute \bf{\textcolor{grey}{\ce{CH4}}}, est un gaz incolore que l'on peut trouver dans des bonbonnes de gaz ou dans le gaz de ville.

Au contact d'une flamme ou d'une étincelle, un mélange de méthane et dioxygène brûle en donnant une flamme bleue assez chaude et il se forme de l'eau et du dioxyde de carbone.

-

Le bilan de cette combustion est donc :

méthane + dioxygène  \longrightarrow  dioxyde de carbone + eau

L'équation de la réaction de la combustion du méthane est alors :

\bf{\textcolor{grey}{\ce{CH4_{(g)}}} +\textcolor{black}{2} \textcolor{black}{ \ce{O2_{(g)}}} \longrightarrow \textcolor{purple}{\ce{CO2_{(g)}}} + \textcolor{#66CCFF}{\ce{H2O_{(l)}}}}

IV

L'action des solutions acides sur un métal ou le calcaire

Solution acide

Une solution acide est une solution dont le pH est inférieur à 7 et qui contient des ions hydrogène H+ (notation simplifiée des ions oxonium \ce{H3O+} ).

A

L'action d'une solution acide sur le calcaire

Le calcaire est un solide blanc qui est, par exemple, le composant principal des craies. Sa formule brute est  \bf{\textcolor{grey}{\ce{CaCO3}}}, il est donc composé d'ions calcium \bf{\textcolor{magenta}{\ce{Ca^{2}+}}}  et d'ions carbonate \ce{CO_3^{2}-}.

Les ions calcium \bf{\textcolor{magenta}{\ce{Ca^{2}+}}}  peuvent être mis en évidence par l'ajout d'une solution contenant des ions oxalate \bf{\textcolor{#FF3366}{\ce{C2O_4^{2-}}}}  avec lesquels ils forment un précipité blanc :

-

Lors de la réaction entre une solution acide et du calcaire :

  • Le calcaire est dissous en ion calcium et en dioxyde de carbone.
  • Il se forme de l'eau (conformément à la loi de conservation des éléments chimiques).
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Le bilan de l'action d'une solution acide sur le calcaire est alors :

calcaire + ion hydrogène  \longrightarrow  calcium  + dioxyde de carbone +  eau

L'équation de cette réaction chimique est :

\bf{\textcolor{lightslategrey}{\ce{CaCO3_{(s)}}} +\textcolor{black}{2}\textcolor{dodgerblue}{\ce{H+_{(aq)}}} → \textcolor{red}{\ce{Ca^{2+}_{(aq)}}} +\textcolor{purple}{ \ce{CO2_{(g)}}} + \textcolor{black}{\ce{H2O_{(l)}}}}

B

L'action d'une solution acide sur un métal

La majorité des éléments chimiques sont des métaux. La plupart d'entre eux sont des solides qui réfléchissent la lumière et conduisent efficacement le courant électrique et la chaleur. Ils forment des cations que l'on peut mettre en évidence à l'aide de tests caractéristiques.

-

L'ajout d'une solution contenant l'ion hydroxyde \textcolor{#FF3366}{\ce{OH-}} , comme la soude, à une autre solution peut mettre en évidence la présence d'un cation métallique dans celle-ci. La nature du cation est alors donnée par la couleur du précipité :

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Lors de la réaction entre une solution acide et du fer :

  • L'ion hydrogène est transformé en dihydrogène.
  • Le fer est transformé en ion fer II.
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Le bilan de l'action d'une solution acide sur un métal est alors :

fer +  ion hydrogène  \longrightarrow  ion fer II + dihydrogène

L'équation de cette réaction chimique est :

\bf{\textcolor{grey}{\ce{Fe_{(s)}}} + \textcolor{black}{2} \textcolor{dodgerblue}{\ce{H+_{(aq)}}} → \textcolor{magenta}{\ce{Fe^{2+}_{(aq)}}} + \textcolor{deepskyblue}{\ce{H2_{(g)}}}}

Généralisation

Lors de la réaction entre une solution acide et un métal :

  • L' ion hydrogène \bf{\textcolor{deepskyblue}{\ce{H+ }}} est transformé en dihydrogène.
  • Le métal X est transformé en  cation \bf{\textcolor{#990099}{\ce{X^{n}+}}} , dont la charge dépend de la nature du métal.

 

Le bilan de l'action d'une solution acide sur un métal est alors :

métal + ion hydrogène  \longrightarrow  cation \bf{\textcolor{#990099}{\ce{X^{n}+}}}  + dihydrogène

L'équation de cette réaction chimique est : 

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