Les réactions chimiques

1.Introduction : Compter! (1/2)

Dans cette partie, nous allons apprendre à compter le nombre d'atomes et la charge électrique.

La matière est composée, entre autre, de molécules, d'atomes et d'ions.

On connaît plus d'une centaines d'atomes

Les atomes les plus courants:
  • Carbone → symbole: C
  • Oxygène → symbole: O
  • Hydrogène → symbole: H
  • Azote → symbole: N

Les symboles d'atomes peuvent aussi avoir 2 lettres, comme le cuivre → Cu , la 2ème lettre est toujours en minuscule.

Les ions proviennent d'atomes qui ons gagnés ou perdus un ou plusieurs électrons

Comme un électron possède une chage négative, un ion possède forcément une charge électrique, contrairement à un atome qui à une charge électrique égale à 0.

Des exemples d'ions:
  • ion cuivre → Cu2+
  • ion hydroxyde → OH-

Les atomes peuvent se lier entre eux grâce à des liaison "covalentes" et ainsi former des molécules

Comme les atomes sont électriquement neutre, les molécules aussi.

Des exemples de molécules (formules brutes):
  • eau → H2O
  • dioxygène → O2

De la même façon, un ion formé à partir d'un atome est dit "ion monoatomique" comme l'ion sodium : Na+ ou l'ion chlorure: Cl-.

Si l'ion est formé à partir de plusieurs atomes c'est un ion polyatomique, comme l'ion hydroxyde: OH-

un électron possède une charge négative, souvent notée "-e"

Remarque: "une charge élémentaire" notée e vaut 1,6x10-19C , C est le symbole de l'unité de la charge électrique: Coulomb,
mais ce n'est pas l'objet d'étude de cette partie 🌝, il faut juste retenir que la valeur de la charge ne change pas.

Par exemple:
  • Cu2+ (ion cuivre(II)) porte 2 charges positives
  • Cl- (ion chlorure) possède une charge négative

Introduction : Compter! (2/2)

Dans la suite, j'utiliserai uniquement des formules brute ainsi qu'une simplification d'écriture du genre 3O au lieu de 3 atomes d'oxygènes.

Dans la formule brutes du propanol C3H8O, On dénombre 3C, 8H et 1O car:

  • Les chiffres en indices indique uniquement le nombre d'atomes de l'élément juste à gauche de ce chiffre.
  • → Dans CO2(dioxyde de Carbone) "le 2" ne concerne que O et pas C, donc il y a 1C et 2O
  • De manière générale, on indique pas la quantité 1.
  • → On écrit pas C1O2 mais CO2, même si C1O2 n'est pas faux

Passons aux charges électriques avec les ions.

La charge électrique est indiquée en haut à droite de la formule brute, pas compliqué 🌝.

  • ion Fer(II) → Fe 2+ : 1Fe, 2 charges +
  • ion Fer(III) → Fe 3+ : 1Fe, 3 charges +
  • ion permanganate → MnO2-4 : 1Mn, 4O et 2 charges -

Pour la suite, je vous propose une activité du genre:

J'ai 4MnO2-4, à vous de compter les éléments et les charges.

  • Si 1MnO2-4 donne 1Mn, 4O et 2 charges -
  • Alors 4MnO2-4 donne 4x(1Mn, 4O et 2 charges -)
  • Soit : 4Mn, 16O et 8 charges -

Le but de l'activité1 est d'apprendre à compter les éléments chimiques et les charges

Trouvez les charge électrique et les nombres d'éléments:
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2.Equilibrer une équation bilan : introduction

a) La méthode du sandwich


Disons que pour faire un sandwich (S), il me faut:
  • 1 pain (P)
  • 2 tranches de jambons (Tj)
  • 3 feuilles de salades (Fs)

Si je veux mettre ma super recette 😎 en équation, ça pourrait donner quelque chose comme:

  1 pain + 2 tranches de jambons + 3 feuilles de salades → 1 sandwich


Comme un bon scientifique est un scientifique paresseux, je vais plutôt utiliser les symboles dans mon équation:

   1 P + 2 Tj + 3 Fs→ 1 S.

Maintenant, je peux faire le lien entre ma recette et une véritable équation de réaction chimique:

  • Les ingrédients sont appelés Réactifs, ils sont consommés (pas forcément entièrement) au cours de la réaction.
  • Ce que l'on obtient, ici le sandwich est appelé produit.
  • La flèche de réaction → sépare les réactifs des produits.
  • les chiffres sont appelés coefficients stoechiométriques ils donnent la proportion de disparition des réactifs et la proportion de création de produit.

b) Passons à une "vrai" équation de réaction de réation avec la combustion du méthane (CH4) dans le dioxygène(O2).

Au cours de la combustion le méthane (CH4) et le dioxygène(O2) sont consommés, ce sont donc des réactifs.

Cette réaction produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O).

On a donc : CH4 + O2 → CO2 + H2O

Malheureusement, c'est faux! 😱 Pourquoi?

Avec l'activité1, on sait compter les atomes. On voit qu'il y a 4H dans les réactifs et 2H dans les produits, ce qui implique que 2H ont été créés à partir de rien ... C'est impossible.

Il faut respecter la conservation de la matière : dans une réaction chimique les éléments chimiques et les charges se conservent.

Il faut donc ajouter des coefficients stoechiométriques pour avoir autant d'atomes dans les réactifs que dans les produits:

On a donc : CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

(g) précise l'état physique: gaz. On peut trouver aussi (s):solide, (l):liquide et (aq): dissout dans l'eau

On a bien le même nombre d'atomes de chaque côté (réactifs/produits), l'équation de réaction est équilibrée


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⬇️ glisser-déposer pour ajuster les coefficients stoechiométriques ⬇️

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Réactifs

Equilibrée ?

Produits

3.Interpréter une équation de réaction : introduction

a) La mole

Une goutte d'eau contient des milliards de milliards ... de molécules d'eau

Pour exprimer la quantité de matière en chimie, on utilise une grandeur qui contient beaucoup d'éléments:

  • En chimie on compte les élément en mole (mol en abrégé)
  • 1 mole contient 6,02x1023 entités
  • La quantité de matière s'exprime en mole avec le symbole n

Exemple : n(H2O) = 1 mole correspond à 6,02x1023 molécules d'eau


b) interpréter une équation de réaction

Considérons l'équation de réaction équilibrée : CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g).

Cette équation dit :

  • 1 CH4 et 2 O2 disparaissent.
  • 1 CO2 et 2H2O sont formés.

Ce qu'il faut bien comprendre, c'est qu'il s'agit d'une proportion.

Si 100 molécules CH4 disparaissent:

  • 1x100 CH4 et 2x100 O2 disparaissent.
  • → 100 CH4 et 200 O2 disparaissent.
  • 1x100 CO2 et 2x100 H2O sont formées.
  • → 100 CO2 et 200 H2O sont formées.

Si 5 moles de CH4 disparaissent:

  • 5 mole de CH4 et 10 moles de O2 disparaissent.
  • 5 moles de CO2 et 10 moles de H2O sont formés.

Dans l'activité 3, vous allez vérifier si vous avez êtes capable d'interpréter une équation de réaction.

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4.Etat final d'une réaction totale : introduction

a) On se limite aux réactions totales et rapides

Une réaction totale est une réaction qui se termine lorsqu'au moins l'un des réactifs est épuisé.

Dans ce cas , ces réactifs sont appelés réactifs limitants. A la fin de la réaction leur quantité de matière est égale à 0 mol.

La fin de la réaction est appelée état finale, Si les quantités de matière de tous les réactifs à l'état final sont à 0, on dit que les réactifs ont été introduits dans des proportions stoechiométriques.

Remarques:

  • Si la réaction n'est pas totale, elle est limitée, dans ce cas les produits se recombinent pour former des réactifs et l'état final est un état d'équilibre ou les quantités de matières se stabilisent.
  • Dans l'équation de réaction, la flèche de réaction → ne doit être utilisée que pour les réactions totales.

b) L'avancement(X) d'une réaction

L'avancement (noté X) d'une réaction correspondrait à un produit qui a un coefficient stoechiométrique = 1, X s'exprime en mol.

Il faut bien comprendre que c'est une grandeur fictive, il faut la voir comme un outil de calcul pour étudier l'évolution des quantités de matières.

Reprenons l'exemple de la combustion du méthane: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

  • A l'état initial X = 0, à l'état final X = Xmax
  • Si X = 1 mol : CH4 perd 1 mol et O2 perd 2 mol, CO2 gagne 1 mol et 2H2O gagne 2mol, conformément aux coefficients stoéchiométriques de l'équation.
  • Si X = 3 mol : CH4 perd 3 mol et O2 perd 6 mol, CO2 gagne 3 mol et 2H2O gagne 6mol, ect ...

c) Trouver Trouver l'avancement maximal (Xmax) et Le(s) réactif(s) limitant(s)

La quantité de matière initiale est notée ni(...) et la quantité de matière finale nf(...).

Plus le coefficient stoechiométrique est grand, plus le réactif est consommé rapidement , donc pour trouver le réactif limitant il faut:

  • Calculer pour tous les réactifs :ni(r)/c : quantité de matière initiale du réactif divisée par son coefficient stoechiométrique.
  • La plus petite des valeurs correspond à la fois à Xmax et au réactif limitant. (Si égalité des valeurs → proportion stoechiométrique)

Pour l'exemple de la combustion du méthane : il faut calculer ni(CH4)/1 et ni(O2)/2 puis choisir la plus petite valeur.

Si on obtient par exemple 0,4 mol et 0,5 mol, Xmax= 0,4 mol et CH4 est le réactif limitant.


d) Etat final

Reprenons l'exemple de la combustion du méthane: 1CH4(g) + 2O2(g) → 1CO2(g) + 2H2O(g) (le coefficient stoechiométrique 1 est écrit uniquement pour illustrer la suite)

En fin de la réaction pour les réactifs:

  • CH4 perd 1 x Xmax = Xmax, il reste en fin de réaction : nf(CH4) = ni(CH4) - Xmax
  • O2 perd 2 x Xmax = 2Xmax, il reste en fin de réaction : nf(O2) = ni(O2) - 2Xmax

En fin de la réaction pour les produits:

  • CO2 gagne 1 x Xmax = Xmax, en fin de réaction : nf(CO2) = ni(CO2) + Xmax
  • H2O gagne 2 x Xmax = 2Xmax, en fin de réaction : nf(H2O) = ni(H2O) + 2Xmax

Dans l'activité 4, Trouvez Xmax, le(s) réactif(s) limitant(s) et l'état final, c'est à vous de jouer! 🌝

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