◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- identifier les réactifs, les produits et les espèces spectatrices d'une transformation ;
- écrire et ajuster une équation de réaction (conservation des éléments et des charges) ;
- interpréter les coefficients stœchiométriques ;
- déterminer le réactif limitant et l'état final ;
- distinguer transformation exothermique et endothermique ;
- décrire la synthèse d'une espèce chimique présente dans la nature et le rôle d'un montage à reflux.
Ce que je dois déjà savoir
- (collège) tests de reconnaissance : eau de chaux, sulfate de cuivre anhydre… ;
- (chapitre 6) formules des molécules et des ions ;
- (chapitre 8) quantité de matière \(n\) en mol ;
- (chapitre 10) différence entre transformation physique et chimique.
?Point de départ : la mousse qui s'arrête
Dans un verre de vinaigre, on ajoute une petite cuillère de bicarbonate de soude : une forte effervescence se produit, puis s'arrête. On rajoute du bicarbonate : la mousse repart. On en rajoute encore et encore… jusqu'à ce que plus rien ne se passe, et que du bicarbonate reste au fond.
Qu'est-ce qui produit le gaz ? Pourquoi la transformation s'arrête-t-elle d'abord à cause du bicarbonate, puis à cause du vinaigre ? Ce chapitre donne les outils pour le prévoir : l'équation de réaction et la notion de réactif limitant.
1Qu'est-ce qu'une transformation chimique ?
- Au cours d'une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent (au moins en partie) et de nouvelles espèces apparaissent. On décrit le système dans son état initial et son état final.
- Les réactifs sont les espèces consommées ; les produits sont les espèces formées.
- Une espèce présente mais qui n'est ni consommée ni formée est spectatrice (par exemple le diazote de l'air lors d'une combustion).
| Espèce | Test | Résultat positif |
|---|---|---|
| Dioxyde de carbone CO₂ | eau de chaux | l'eau de chaux se trouble |
| Eau H₂O | sulfate de cuivre anhydre (blanc) | il devient bleu |
| Dihydrogène H₂ | flamme approchée | légère détonation (« aboiement ») |
| Dioxygène O₂ | bûchette incandescente | elle se rallume |
État initial : méthane \(\text{CH}_4\) et air (dioxygène \(\text{O}_2\), diazote \(\text{N}_2\)). État final : dioxyde de carbone (l'eau de chaux se trouble), eau (buée qui bleuit le sulfate de cuivre anhydre), diazote inchangé. Réactifs : \(\text{CH}_4\) et \(\text{O}_2\) ; produits : \(\text{CO}_2\) et \(\text{H}_2\text{O}\) ; espèce spectatrice : \(\text{N}_2\).
2La réaction chimique et son équation
Une transformation chimique est modélisée par une réaction chimique, représentée par une équation de réaction : les réactifs à gauche de la flèche, les produits à droite. Les espèces spectatrices n'y figurent pas.
Au cours d'une réaction chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils se réarrangent. Une équation doit donc être ajustée :
- conservation des éléments : autant d'atomes de chaque élément de chaque côté ;
- conservation des charges : même charge électrique totale de chaque côté.
On ajuste en plaçant des nombres devant les formules : les coefficients stœchiométriques (on n'écrit pas le 1). On ne modifie jamais les formules.
Vérification : C : 1 = 1 ; H : 4 = 2 × 2 ; O : 2 × 2 = 2 + 2 × 1.
L'équation se lit à l'échelle des entités : « 1 molécule de méthane réagit avec 2 molécules de dioxygène pour former 1 molécule de dioxyde de carbone et 2 molécules d'eau ». Et donc aussi à l'échelle des moles : « 1 mol de \(\text{CH}_4\) réagit avec 2 mol de \(\text{O}_2\)… ». Les coefficients donnent les proportions dans lesquelles les réactifs sont consommés et les produits formés.
Simulation — Ajuster une équation de réaction
Choisis une réaction, puis règle les coefficients. Le tableau compte les atomes de chaque élément (et les charges) de chaque côté : tout doit passer au vert.
Les coefficients vont de 1 à 9. Une équation ajustée utilise les plus petits coefficients entiers possibles.
3Stœchiométrie et réactif limitant
- Le réactif limitant est le réactif entièrement consommé à la fin de la transformation : c'est lui qui l'arrête. L'autre réactif est en excès : il en reste dans l'état final.
- Les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques s'ils sont tous entièrement consommés en même temps (aucun excès).
Pour une réaction \(a\,\text{A} + b\,\text{B} \rightarrow \dots\), on compare les quotients des quantités initiales par les coefficients :
Le réactif limitant est celui dont le quotient est le plus petit. Si les deux quotients sont égaux, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques.
Un sandwich = 2 tranches de pain + 1 tranche de jambon. Avec 10 tranches de pain et 4 tranches de jambon, on fait \(10/2 = 5\) sandwichs avec le pain, mais seulement \(4/1 = 4\) avec le jambon : on en fait 4, le jambon est « limitant », il reste 2 tranches de pain.
Simulation — Le réactif limitant, molécule par molécule
Réaction : \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\). Choisis le nombre de molécules de chaque réactif et observe l'état final.
Boules blanches : atomes H ; boules rouges : atomes O. Le nombre d'atomes de chaque sorte est le même avant et après.
4Effets thermiques d'une transformation chimique
La transformation cède de l'énergie au milieu extérieur : la température du milieu augmente. Exemples : combustions (gaz, bois, bougie), réaction entre un acide et une base, chaufferettes « à fer ».
La transformation reçoit de l'énergie du milieu extérieur : la température du milieu diminue (si on ne chauffe pas). Exemples : réaction entre l'acide citrique et l'hydrogénocarbonate de sodium, cuisson d'un aliment (il faut chauffer en continu).
On le vérifie avec un thermomètre plongé dans le milieu réactionnel : la température monte (exothermique) ou baisse (endothermique) pendant la transformation.
5Synthétiser une espèce chimique présente dans la nature
Réaliser la synthèse d'une espèce chimique, c'est la fabriquer par une transformation chimique à partir d'autres espèces. Une espèce de synthèse est identique à l'espèce naturelle : même formule, mêmes propriétés. Exemple : l'acétate d'isoamyle, responsable de l'odeur de la banane, se synthétise à partir d'alcool isoamylique et d'acide acétique.
Beaucoup de synthèses sont lentes à température ambiante : on chauffe pour accélérer la transformation. Le montage à reflux permet de chauffer longtemps sans perte de matière : les vapeurs montent dans le réfrigérant (un tube refroidi par une circulation d'eau), s'y condensent et retombent dans le ballon.
Lunettes, gants et blouse : l'acide acétique pur est corrosif. On chauffe avec un chauffe-ballon, jamais avec une flamme, et on ne ferme jamais un montage chauffé (risque de surpression).
✎Méthode : de l'équation à l'état final
Énoncé. On fait brûler 0,20 mol de méthane avec 0,30 mol de dioxygène. Déterminer le réactif limitant et décrire l'état final.
!Erreurs fréquentes
Écrire \(\text{H}_2\text{O}_2\) au lieu de \(2\,\text{H}_2\text{O}\) change l'espèce (c'est l'eau oxygénée !). On n'ajuste qu'avec les coefficients.
Il faut tenir compte des coefficients : avec 0,20 mol de \(\text{CH}_4\) et 0,30 mol de \(\text{O}_2\), c'est \(\text{O}_2\), pourtant plus abondant, qui est limitant.
\(\text{Cu}^{2+} + \text{HO}^- \rightarrow \text{Cu(OH)}_2\) n'est pas ajustée : il faut 2 ions hydroxyde pour compenser la charge 2+.
Le diazote de l'air ne réagit pas lors d'une combustion : il n'apparaît pas dans l'équation.
Si du gaz s'échappe (\(\text{CO}_2\)), la balance indique une perte, mais la masse totale se conserve dans un récipient fermé : les atomes ne disparaissent pas.
★L'essentiel
Transformation chimique
Réactifs consommés, produits formés, espèces spectatrices inchangées. État initial → état final.
Équation ajustée
Conservation des éléments et des charges ; on ne touche qu'aux coefficients.
Réactif limitant
Plus petit quotient \(n_{\text{i}}/\text{coefficient}\). Entièrement consommé ; l'autre réactif est en excès.
Effets thermiques
Exothermique : cède de l'énergie (température ↑). Endothermique : en reçoit (température ↓).
Synthèse
Espèce de synthèse identique à l'espèce naturelle. Reflux : chauffer sans perte de matière. Transformation, isolement, identification (CCM).
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. Quelle équation est correctement ajustée ?
2. Lors de la combustion du charbon dans l'air, le diazote est :
3. Pour \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\), avec 3 mol de H₂ et 2 mol de O₂, le réactif limitant est :
4. L'eau de chaux se trouble : il s'est formé :
5. Pendant une transformation, la température du mélange baisse. Elle est :
6. Dans \(\text{Cu}^{2+} + 2\,\text{HO}^- \rightarrow \text{Cu(OH)}_2\), la charge totale à gauche vaut :
→S'entraîner et expérimenter
Parties 1 et 2 du cours → exercices 1 à 4 → parties 3 et 4 → exercices 5 à 8 → TP vinaigre et bicarbonate → partie 5 → TP synthèse → exercices 9 et 10 → quiz.