Décrire et expliquer des transformations chimiques : réactions acide-bases et acides-métaux

I. Composition de l'acide chlorhydrique

1. Tests de reconnaissance des principaux ions (rappels)

Les principaux tests de reconnaissance des ions ont été introduits dans la fiche de cours suivante :

Les ions et leur identification

2. Protocole expérimental

$\textcolor{purple}{\text{a. Expérience 1}}$

• Description : on verse de l'acide chlorhydrique dans un bécher et on mesure son pH

• Observation : la valeur du $pH$ est égale à $1$.

• Interprétation : le $pH$ de cette solution est acide, cela signifie donc que l'acide chlorhydrique contient des ions $H^+$.

$\textcolor{purple}{\text{b. Expérience 2}}$

• Description : on verse quelques gouttes de solution de nitrate d'argent dans de l'acide chlorhydrique.

• Observation : on observe la formation d'un précipité blanc qui noircit à la lumière.

• Interprétation : ce précipité prouve la présence d'ions chlorure $Cl^-$ dans l'acide chlorhydrique.

$\textcolor{purple}{\text{c. Conclusion}}$

• L'acide chlorhydrique contient des ions hydrogène $H^+$ et des ions chlorure $Cl^-$ en solution dans l'eau.

• La formule ionique de la solution d'acide chlorhydrique est $(H^+ + Cl^-)$.

II. Réactions entre solutions acides et basiques

• Une réaction entre une solution acide et une solution basique est appelée réaction de neutralisation.

• Lors de cette réaction, les ions hydrogène $H^+$ de l'acide réagissent avec les ions hydroxyde $OH^-$ de la base pour former de l'eau.

• L'équation de réaction chimique générale pour une réaction de neutralisation est :

  $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$

• Exemple d'application :

  Si on mélange une solution d'acide chlorhydrique $(H^+$, $Cl^-)$ avec une solution d'hydroxyde de sodium $(Na^+$, $OH^-)$, la réaction de neutralisation produit de l'eau et du chlorure de sodium (les ions $Na^+$ et $Cl^-$ n'intervenant pas dans la transformation).

III. Réactions entre solutions acides et métaux

1. Protocole expérimental

• Mode opératoire :

  $\circ\quad$ Dans un tube à essais grand modèle, mettre environ $2$ pointes de spatule de fer $(Fe)$ en poudre ; puis ajouter d'acide chlorhydrique (environ $5~cm$) et boucher.

  $\circ\quad$ Quand la pression est forte (le bouchon a tendance à remonter), approcher une flamme du tube débouché.

• Observations :

  $\circ\quad$ Pendant la transformation chimique, on observe une vive effervescence.

  $\circ\quad$ En présentant la flamme, on entend « un pop » qui caractérise la présence du gaz dihydrogène.

  $\circ\quad$ On observe aussi la disparition d'une partie du fer et que le $pH$ augmente au cours de cette réaction.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ Une transformation (ou réaction chimique) a eu lieu : le fer est un réactif alors que le dihydrogène est un produit.

2.Analyse de la solution après la réaction

• On récupère la solution après filtration et on réalise deux tests :

  $\circ\quad$ Test à la soude (solution d'hydroxyde de sodium) : il se forme un précipité vert qui caractérise la présence d'ions fer (II) ($Fe^{2+}$).

  $\circ\quad$ Test au nitrate d'argent : il se forme un précipité blanc qui caractérise la présence d'ions chlorure ($Cl^-$).

• Interprétation : la solution obtenue qui contient des ions chlorure et des ions fer II est une solution de chlorure de fer (II).

• Conclusion : on peut écrire le bilan suivant :

  Fer + acide chlorhydrique $\rightarrow$ dihydrogène + chlorure de fer (II)

• Remarques :

  $\circ\quad$ Les ions chlorures sont présents en même quantité avant et après la réaction, donc ils ne participent pas à la transformation : ce sont des ions spectateurs.

  $\circ\quad$ Le $pH$ a augmenté donc ce sont les ions $H^+$ qui ont disparu et réagi avec le fer.

  $\circ\quad$ On en déduit que les réactifs de cette transformation sont le fer et les ions hydrogène alors que les produits sont le dihydrogène et les ions fer (II).

  $\circ\quad$ On peut donc écrire un nouveau bilan :

  Fer + ions hydrogène $\rightarrow$ dihydrogène + ions fer (II)

  $\circ\quad$ L'équation-bilan de la réaction du fer avec l'acide chlorhydrique s'écrit :

  $Fe + 2H^+ \rightarrow H_2 + Fe^{2+}$

IV. Distinction entre transformation chimique, mélange et transformation physique

• Une transformation (ou réaction) chimique est un processus au cours duquel les substances initiales (réactifs) sont converties en nouvelles substances (produits) avec des propriétés différentes.

• Un mélange est une combinaison de substances où chaque substance conserve ses propriétés chimiques.

• Une transformation physique est un processus au cours duquel la matière change d'état ou de forme sans que sa composition chimique ne soit modifiée.

• Exemples :

  $\circ\quad$ L'action de l'acide chlorhydrique sur un métal - tel que le fer - conduit à une transformation chimique comme on l'a vu précédemment ;

  $\circ\quad$ La dissolution du sucre dans l'eau est un exemple de mélange, car le sucre et l'eau conservent leurs propriétés chimiques ;

  $\circ\quad$ La fusion de la glace est un exemple de transformation physique, car l'eau passe de l'état solide à l'état liquide sans changement de composition chimique.