Décrire et expliquer des transformations chimiques : généralisation

I. Notion d'évolution d'un système chimique

1. Système chimique

Un système chimique (ou milieu réactionnel) est un mélange d'espèces chimiques qui sont susceptibles de réagir entre elles.

2. La transformation chimique, une évolution d'un système chimique

• La transformation (ou réaction) chimique est une évolution d'un système chimique au cours de laquelle des espèces chimiques disparaissent tout en laissant apparaître de nouvelles espèces chimiques ;

• Cette caractérisation de l'évolution est permise par la comparaison d'un état initial (i.e. à $t_0 = 0s$) avec un état dit final lorsqu'il n'y a plus de réaction :

  $\circ\quad$ Les espèces chimiques présentes à l'état initial sont appelées réactifs ;

  $\circ\quad$ Les espèces chimiques présentes à l'état final sont appelées produits ;

  $\circ\quad$ Les espèces chimiques présentes dans le système mais n'étant pas affectées par la transformation sont dites spectatrices.

II. Caractérisation d'une transformation chimique

1. Propriété d'une réaction chimique

• Citation : "Rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme" (Antoine LAVOISIER, 1743-1794)

  Par ces mots, le père de la chimie moderne s'est inspiré du philosophe grec Anaxagore ("Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau"). A ceci près que, grâce à ses travaux expérimentaux, celle-ci passe du statut de maxime philosophique à celle de principe physico-chimique.

• Propriété :

  Une transformation (ou réaction) chimique est caractérisée par une conservation de la matière. Elle se traduit de deux manières :

  $\circ\quad$ Conservation de la masse totale du système (autrement dit, conservation du nombre d'atomes des éléments chimiques constituant le système) ;

  $\circ\quad$ Conservation de la charge globale du système.

• Aspects énergétiques :

  $\circ\quad$ Une réaction endothermique est une transformation au cours de laquelle le système chimique (ou milieu réactionnel) absorbe de l'énergie. Généralement, cela se traduit par une diminution de sa température ;

  $\circ\quad$ Une réaction exothermique est une transformation au cours de laquelle le système chimique (ou milieu réactionnel) libère de l'énergie. Généralement, cela se traduit par une augmentation de sa température.

2. L'équation d'une réaction chimique : écriture et signification

• Définition :

  $\circ\quad$ L'équation d'une réaction chimique permet d'établir le bilan des réactifs intervenant dans cette transformation et les produits formés par cette réaction, par le biais de leur formules chimiques ;

  $\circ\quad$ Elle indique également les proportions des quantités qui interviennent mais pas les conditions de pression et de température dans lesquelles se déroule la réaction.

• Exemple : $C + O_2 \rightarrow CO_2$.

• Remarque importante : les espèces spectatrices, qui n'interviennent pas dans la réaction (c'est-à-dire ne réagissent pas) ne doivent pas apparaître dans l'équation-bilan.

• Signification :

  $\circ\quad$ Soit l'équation générale d'une réaction chimique :

  $\alpha A + \beta B \rightarrow \gamma C + \delta D$

  $\circ\quad$ A l'échelle microscopique : $\alpha$ espèce(s) chimique(s) $A$ (atome(s), molécule(s) ou ion(s)) réagissent avec $\beta$ espèce(s) chimique(s) $B$ pour former $\gamma$ espèce(s) chimique(s) $C$ et $\delta$ espèce(s) chimique(s) $D$.

3. Propriété d'une équation-bilan

• L'équation-bilan étant représentative de la transformation étudiée, la propriété de conservation de la matière (en masse et en charge) vue au §II.1 doit donc être respectée.

• En conséquence, il est nécessaire d'introduire devant chaque espèce chimique intervenante un nombre qu'on peut ajuster pour traduire cette conservation : on l'appelle le coefficient stœchiométrique.

• L'analyse des proportions entre les espèces engagées (= réactifs) et les espèces formées (= produits) est la stœchiométrie.

III. Méthode d'équilibrage d'une équation-bilan

1.Rappel

Lors d'une transformation chimique, il y a conservation de la matière (principe de Lavoisier). Cela signifie qu'il doit y avoir autant d'éléments chimiques (C, O, H ...) à gauche (côté réactifs) et à droite (côté produits) de la flèche traduisant l'évolution de la transformation.

2. Exemples d'application

• Exemple 1 : combustion du charbon ($C$) avec le dioxygène ($O_2$) de l'air. Le test à l'eau de chaux permet de dire que le produit est le dioxyde de carbone ($CO_2$).

  $\circ\quad$ Dans un premier temps, écrivons cette équation-bilan sans se soucier des équilibres, c'est-à-dire en écrivant uniquement les formules chimiques de chaque réactif et de chaque produit :

  $...C + ...O_2 \rightarrow ...CO_2$

  $\circ\quad$ Côté réactifs, il y a :

  $\Longrightarrow$ $1$ atome de carbone $C$ ;

  $\Longrightarrow$ $2$ atomes d'oxygène $O$.

  $\circ\quad$ Côté produits, il y a :

  $\Longrightarrow$ $1$ atome $C$ ;

  $\Longrightarrow$ $2$ atomes $O$.

  $\circ\quad$ L'équation-bilan est donc déjà équilibrée : $\boxed{C + O_2 \rightarrow CO_2}$

• Remarque importante : lorsqu'on a qu'une seule espèce chimique dans la réaction, on ne met pas le coefficient stœchiométrique "1" devant l'espèce chimique considérée.

• Exemple 2 : combustion du propane

  $\circ\quad$ En général, l'énoncé donne les formules chimiques de chaque réactif et de chaque produit.

  $\circ\quad$ Tout comme l'exemple 1, on écrit l'équation-bilan sans se soucier des coefficients stœchiométriques :

  $...C_3H_8 + ...O_2 \rightarrow ...CO_2 + ...H_2O$

  $\circ\quad$ Côté réactifs, il y a :

  $\Longrightarrow$ $3$ atomes de carbone $C$ (avec le $C_3$) ;

  $\Longrightarrow$ $8$ atomes d'hydrogène $H$ (avec le $H_8$) ;

  $\Longrightarrow$ $2$ atomes d'oxygène $O$ (avec le $O_2$).

  $\circ\quad$ Côté produits, il y a :

  $\Longrightarrow$ $1$ atome de $C$ provenant du $CO_2$ ;

  $\Longrightarrow$ $2$ atomes de $H$ provenant du $H_2O$ ;

  $\Longrightarrow$ $2 + 1 = 3$ atomes de $O$ provenant du $CO_2$ et du $H_2O$.

  $\circ\quad$ Il n'y a pas autant d'éléments $C$, $H$, $O$ de chaque côté de la flèche : l'équation n'est donc pas équilibrée...

  $\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{Étape 1}}$ - Équilibrons d'abord les atomes de carbone $C$ :

  Pour en avoir 3 pour les réactifs et 3 pour les produits (à la place d'un seul comme on l'a vu précédemment), on multiplie $CO_2$ par 3 (car 1*3 = 3) :

  $...C_3H_8 + ...O_2 \rightarrow \textcolor{red}{3}CO_2 + ...H_2O$

  $\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{Étape 2}}$ - Équilibrons ensuite les atomes d'hydrogène $H$ :

  Pour en avoir $8$ pour les réactifs et $8$ pour les produits (à la place de $2$ comme on l'a vu précédemment), on multiplie $H_2O$ par $4$ (car $4 \times 2 = 8$) :

  $...C_3H_8 + ...O_2 \rightarrow 3CO_2 + \textcolor{red}{4}H_2O$

  $\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{Étape 3}}$ - Il ne reste plus qu'à équilibrer les atomes d'oxygène $O$. Pour cela, il faut regarder de nouveau l'équation :

  $...C_3H_8 + ...O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

  Il y en a :

  $\Longrightarrow$ $2$ pour les réactifs ;

  $\Longrightarrow$ $3 \times 2 = 6$ (pour les $CO_2$) et $4 \times 1 = 4$ (pour les $H_2O$), c'est-à-dire $6+4 = 10$ pour les produits.

  Il suffit donc de multiplier $O_2$ par $5$ car $5 \times 2 = 10$.

• Finalement, l'équation-bilan équilibrée devient :

  $\boxed{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$

• Remarque importante : quand des ions interviennent dans une équation-bilan, il faut également regarder si le nombre de charges côté réactifs et côté produits est identique. Sinon, il faut procéder à l'équilibrage des charges avec le même raisonnement fait précédemment pour équilibrer en masse. Pourquoi ne pas s'entraîner en cherchant à appliquer cette méthode d'équilibrage sur la réaction de l'acide chlorhydrique sur le fer ?

_{= Merci à gbm pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}