Transformations de la matière/La réaction chimique et son équation

Qu’est ce qu'une transformation chimique ?

Exemple

On introduit dans une solution incolore de nitrate d'argent, un fil de cuivre.

Au bout de quelques minutes, on observe la formation sur le fil de cuivre, d'un solide gris à l'éclat métallique. La solution initialement incolore se tinte progressivement en bleu : de l’argent métallique et des ions Cu²⁺ se sont formés.

Notion de système chimique

Définition

Un système chimique est un mélange d'espèces chimiques. Pour décrire l'état d'un système chimique, il convient de préciser : la nature (le nom ou la formule), la quantité de matière et l'état physique (solide, liquide ou gazeux), la pression et la température.

Exemple : dans l'état initial, le système chimique est décrit comme suit :

Ag⁺(aq) ; n_i( Ag⁺ )
NO₃⁻(aq) ; n_i( NO₃⁻ )
Cu(s) ; n_i( Cu )
H₂O(l) en excès
T = 20° C
p = 1015 hPa

Définition

Un système chimique évolue au cours du temps en passant d'un état initial (qui correspond à l'instant de sa création) à un état final (qui correspond à l'instant où il cesse d'évoluer).

La transformation chimique

Il y a transformation chimique lorsqu'un système chimique évolue d'un état initial vers un état final.

Au cours d'une transformation chimique, la nature des espèces chimiques présentes dans le système change :

des espèces chimiques présentes dans l'état initial disparaissent (Ag⁺ et Cu). Elles sont consommées pendant la transformation : ce sont les réactifs
de nouvelles espèces présentes dans l'état final apparaissent (Ag et Cu²⁺). Elles se forment pendant la transformation chimique : ce sont les produits.

Modéliser une transformation chimique

La réaction chimique

Définition

Une transformation dans laquelle un corps pur (ou plusieurs corps purs) consommé donne naissance à d'autres corps purs est une réaction chimique.

L'équation de la réaction

Écriture d'une équation

On écrit les formules brutes des réactifs et des produits ( on précise en indice leur état physique ) : les réactifs sont à gauche de l'équation, les produits à droite.
Entre les réactifs et les produits, une flèche indique le sens d'évolution du système chimique si l'on est en présence d'une étape élémentaire ou bien un signe = indique le sens d'évolution du système chimique si l'on est en présence d'un bilan de réaction.

exemple

H• + Cl• → HCl

un atome d'hydrogène rentre en collision avec un atome de chlore pour donner une molécule d'acide chlorhydrique HCl. C'est une étape élémentaire qui existe réellement.

CH₄ + 2 O₂ =

{\ce {CO2}}

+ 2 H₂O

c'est la combustion du méthane par l'oxygène. Ici, c'est un bilan de plusieurs réactions élémentaires.

On exprime la conservation des éléments au cours d'une réaction chimique :

Au cours d'une réaction chimique, le nombre d'atomes formant les réactifs est identique au nombre d'atomes formant les produits.

ν_a A + ν_b B → ν_c C + ν_d D

ν_a, ν_b, ν_c et ν_d sont les coefficients stœchiométriques de la réaction. En ajustant ces coefficients, on équilibrera l’équation pour respecter la conservation des éléments .

Exemple: Combustion de l'Octane

octane + dioxygène = gaz carbonique + eau

si on écrit:

C₈H₁₈ + O₂ = CO₂ + H₂O

alors, cette réaction ne respecte pas la conservation des atomes car elle n’est pas équilibrée: il n'y a pas le même nombre d’atomes dans les réactifs et les produits ! En effet:

- Dans les réactifs, il y a 8 atomes de carbone, et seulement 1 dans les produits.

- Dans les réactifs, il y a 18 atomes d'hydrogène, et seulement 2 dans les produits.

- Dans les réactifs, il y a 2 atomes d'oxygène, et 3 dans les produits.

→ Il faut l'équilibrer en ajustant les coefficients. On obtient:

C₈ H₁₈ +

{\frac {25}{2}}

O₂ = 8 CO₂ + 9 H₂O

NB: Le coefficient

{\frac {25}{2}}

est ajouté devant le dioxygène O₂ dans les réactifs car il y a, en tout, 25 atomes d'oxygène dans les produits (8 O₂ + 9 O). Soit

{\frac {25}{2}}

O₂, dans les réactif, ce qui correspond à 25 atomes d'oxygène.

On peut également, pour raisons d'esthétique, éliminer la fraction, en multipliant tous les coefficients par deux:

2 C₈ H₁₈ + 25 O₂ = 16 CO₂ + 18 H₂O

Extension 1: La masse moléculaire molaire se conserve-t-elle toujours lors d'une réaction chimique ?

Nous allons voir qu'oui. Reprenons l'exemple de la combustion de l'Octane: basons nous sur l'équation équilibrée (et donc en tenant compte des coefficients stœchiométriques).

• Masse molaire de C₈H₁₈ : (8 x 12 g) + (18 x 1 g) = 114 g

• Masse molaire de O₂ : 2 x 16 g = 32 g

♦ Masse de réactifs = 114 + ( ${\frac {25}{2}}$ x 32 g) = 1 028 g

• Masse molaire de ${\ce {CO2}}$ : (1 x 12 g) + (2 x 16 g) = 44 g

• Masse molaire de H₂O : (2 x 1 g) + (1 x 16 g) : 18 g

♦ Masse de produits = (8 x 44 g) + (9 x 18 g) = 1 028 g

→ La masse moléculaire se conserve bien pendant une réaction chimique

Extension 2: Le nombre de mole se conserve-t-il toujours pendant une réaction chimique ?

Là, nous allons voir que ce n’est pas toujours le cas. Prenons cette équation:

N₂ + 3H₂ = 2 N₍₁₎H₃

→ Le nombre de mole ne se conserve pas nécessairement pendant une réaction chimique

On exprime la conservation des charges électriques au cours d'une réaction chimique :

La somme des charges positives et négatives de chaque membre doit être la même.

Exemple:

Cu + Ag⁺ → Cu ²⁺ + Ag

Charges électriques:

+1 → +2

Pas équilibrée électriquement → équilibrage de l'équation, via les coefficients stœchiométriques, en respectant la conservation des éléments et des charges !

Cu + 2 Ag⁺ → Cu ²⁺ + 2 Ag

Charges électriques:

+2 → +2

>> Dans une équation de réaction les deux principes de conservation doivent être simultanément respectés.

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