Modélisation des Transformations Chimiques

Cours complet · chimie (seconde), chapitre 4 · seconde générale, physique-chimie

Travailler ce chapitre sur Adloun Exercices corrigés de ce chapitre

Une transformation chimique se produit lorsque des substances chimiques réagissent entre elles pour en former de nouvelles. Ce chapitre présente la distinction entre transformation, réaction et équation chimique, montre comment ajuster les coefficients stœchiométriques, et explique comment se servir des proportions qu'ils imposent pour identifier le réactif limitant et prévoir la composition du système à la fin de la transformation.

4.1 La Transformation Chimique et sa Modélisation

4.1.1 Transformation physique, chimique ou nucléaire

Avant même de modéliser une transformation, il faut savoir de quel type elle relève. Toutes les transformations de la matière ne se valent pas : certaines conservent les molécules, d'autres les réorganisent, d'autres enfin bouleversent les noyaux des atomes.

Définition 4.1Trois types de transformations

Transformation physique : les espèces chimiques sont conservées ; seul l'état physique (solide, liquide, gaz) ou la forme change. Les molécules restent identiques.
Exemple : la fusion de la glace $H X_{2} O (s) H X_{2} O (l)$ .
Transformation chimique : certaines espèces disparaissent (les réactifs) et de nouvelles apparaissent (les produits). Les molécules sont réorganisées, mais les éléments chimiques (les noyaux) sont conservés.
Exemple : la combustion du carbone $C (s) + O X_{2} (g) CO X_{2} (g)$ .
Transformation nucléaire : le noyau des atomes lui-même est modifié : les éléments chimiques ne sont pas conservés (de nouveaux éléments apparaissent).
Exemple : la fission de l'uranium 235 dans le cœur d'une centrale nucléaire, $X_{0}^{1} X_{20}^{21} n + X_{92}^{235} X_{292}^{2235} U X_{38}^{94} X_{238}^{294} Sr + X_{54}^{140} X_{254}^{2140} Xe + 2 X_{0}^{1} X_{20}^{21} n$ . C'est cette réaction qui fournit la chaleur d'une centrale. Au cœur du Soleil, c'est au contraire une fusion, $4 X_{1}^{1} X_{21}^{21} H X_{2}^{4} X_{22}^{24} He + 2 X_{+ 1}^{0} X_{2 + 1}^{20} e$ , qui convertit l'énergie rayonnée.

Trois niveaux de bouleversement : on conserve les molécules (physique), on conserve seulement les atomes (chimique), on ne conserve même plus les éléments (nucléaire).

Méthode : Distinguer transformation physique, chimique et nucléaire

Face à une transformation, on se pose les questions dans l'ordre :

Les espèces chimiques (les formules des molécules) sont-elles les mêmes avant et après ? \ Si oui : la transformation est physique (seul l'état change).
Sinon, les noyaux (donc les éléments) sont-ils conservés ? De nouvelles molécules apparaissent mais elles sont bâties avec les mêmes éléments : la transformation est chimique.
Si les noyaux eux-mêmes changent (apparition de nouveaux éléments) : la transformation est nucléaire.

iRemarque

Un changement d'état (fusion, ébullition, solidification, sublimation) n'est jamais une transformation chimique : l'eau qui bout reste de l'eau. À l'inverse, un dégagement gazeux, un changement de couleur, la formation d'un solide (précipité) ou un dégagement de chaleur sont des indices d'une transformation chimique.

Une transformation chimique fait toujours passer un ensemble de réactifs à un ensemble de produits, comme le résume le schéma suivant :

4.1.2 Transformation chimique contre réaction chimique

Il convient de distinguer trois niveaux de description d'un phénomène chimique :

La transformation chimique est le phénomène macroscopique observé. Elle décrit le passage d'un état initial à un état final.
La réaction chimique est le modèle microscopique qui explique la transformation par des réarrangements d'atomes.
L'équation de réaction est l'écriture symbolique qui traduit cette réaction à l'aide de formules chimiques et de coefficients numériques.

Définition 4.2Vocabulaire des transformations

L'état initial décrit le système chimique avant la transformation (espèces présentes, température, pression, quantités de matière initiales).
L'état final décrit le système chimique après la transformation (lorsque l'évolution est terminée et que les quantités de matière ne varient plus).
Les réactifs sont les espèces chimiques consommées au cours de la transformation (leurs quantités diminuent).
Les produits sont les espèces chimiques formées au cours de la transformation (leurs quantités augmentent).
Les espèces chimiques présentes mais qui ne participent pas à la réaction sont appelées des espèces spectatrices.

4.1.3 L'équation de réaction et ses coefficients

◆Théorème 4.3Lois de conservation

Au cours d'une réaction chimique, il y a conservation rigoureuse :

Des éléments chimiques (les atomes des réactifs se réorganisent mais aucun ne disparaît ou ne se crée).
De la charge électrique totale.

Pour traduire ces conservations, on place des nombres appelés coefficients stœchiométriques devant les formules chimiques des réactifs et des produits.

Méthode : Ajuster une équation de réaction

Pour équilibrer une équation chimique :

Commencer par ajuster les atomes d'éléments autres que l'hydrogène et l'oxygène (comme le carbone, l'azote, le fer).
Ajuster ensuite les atomes d'hydrogène ( $H$ ).
Terminer par les atomes d'oxygène ( $O$ ).
Vérifier enfin la conservation des charges si des ions sont présents.

Exemple 4.4

Équilibrons la combustion du propane ( $C X_{3} H X_{8}$ ) dans le dioxygène ( $O X_{2}$ ) qui produit du dioxyde de carbone ( $CO X_{2}$ ) et de l'eau ( $H X_{2} O$ ) :

Équation non équilibrée : $C X_{3} H X_{8} + O X_{2} CO X_{2} + H X_{2} O$ .
Carbone ( $C$ ) : il y a 3 carbones à gauche (dans $C X_{3} H X_{8}$ ), on écrit donc $3$ devant $CO X_{2}$ : $C X_{3} H X_{8} + O X_{2} 3 CO X_{2} + H X_{2} O$ .
Hydrogène ( $H$ ) : il y a 8 hydrogènes à gauche, on écrit donc $4$ devant $H X_{2} O$ ( $4 \times 2 = 8$ ) : $C X_{3} H X_{8} + O X_{2} 3 CO X_{2} + 4 H X_{2} O$ .
Oxygène ( $O$ ) : il y a $3 \times 2 + 4 \times 1 = 10$ atomes d'oxygène à droite. On doit donc écrire $5$ devant $O X_{2}$ ( $5 \times 2 = 10$ ) :

$C X_{3} H X_{8} (g) + 5 O X_{2} (g) 3 CO X_{2} (g) + 4 H X_{2} O (g)$

L'équation est maintenant parfaitement équilibrée.

Ajuster une équation, c'est rendre les trois comptes égaux. Aucun atome n'est créé ni détruit : les coefficients ne font que dire combien de molécules il faut de chaque espèce pour que les inventaires se correspondent.

Méthode : Identifier les réactifs et les produits

Dans une équation de réaction, la flèche $⟶$ sépare deux camps :

les réactifs sont écrits à gauche de la flèche : ce sont les espèces consommées, leur quantité de matière diminue au cours de la transformation ;
les produits sont écrits à droite de la flèche : ce sont les espèces formées, leur quantité de matière augmente.

Les états physiques peuvent être précisés entre parenthèses : $(s)$ solide, $(ℓ)$ liquide, $(g)$ gaz, $(aq)$ en solution aqueuse.

iRemarqueDeux pièges à éviter absolument

On n'ajuste JAMAIS une équation en modifiant les formules chimiques (c'est-à-dire les indices). On place uniquement des coefficients stœchiométriques devant les formules. Pour équilibrer l'oxygène de l'eau, on n'écrit pas $H X_{2} O X_{2}$ (qui est l'eau oxygénée, une autre espèce !) : on met un coefficient devant $H X_{2} O$ .
La masse se conserve (loi de Lavoisier) : la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés. Si la masse « change », c'est qu'un réactif ou un produit gazeux a été oublié dans le bilan.

Exemple 4.5Ajustement et conservation de la charge

Lorsqu'on plonge une lame de cuivre dans une solution de nitrate d'argent, le cuivre se dissout et un dépôt d'argent apparaît. L'équation ionique met en jeu des ions ; il faut alors conserver à la fois les éléments et la charge :

Équation non ajustée : $Cu (s) + Ag X^{+} (aq) Cu X^{2 +} (aq) + Ag (s)$ .
Charge : à droite, $Cu X^{2 +}$ porte $+ 2$ . À gauche, un seul $Ag X^{+}$ porte $+ 1$ . On place donc $2$ devant $Ag X^{+}$ , et $2$ devant $Ag$ pour conserver l'élément argent :

$Cu (s) + 2 Ag X^{+} (aq) Cu X^{2 +} (aq) + 2 Ag (s)$

Vérification : cuivre $1 = 1$ , argent $2 = 2$ ; charge totale $2 \times (+ 1) = + 2$ à gauche $= + 2$ à droite. L'équation est ajustée.

4.2 Bilan de Matière et Réactif Limitant

4.2.1 Les coefficients imposent des proportions

Les coefficients stœchiométriques ne servent pas seulement à équilibrer les atomes : ils fixent les proportions dans lesquelles les espèces sont consommées et formées. Pour l'équation $2 H X_{2} + O X_{2} 2 H X_{2} O$ , chaque fois qu'une mole de $O X_{2}$ disparaît, deux moles de $H X_{2}$ disparaissent aussi et deux moles de $H X_{2} O$ apparaissent. Aucune autre répartition n'est possible.

Définition 4.6Proportions stœchiométriques

Au cours d'une transformation chimique, les quantités de matière consommées (pour les réactifs) et formées (pour les produits) sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques de l'équation de réaction. Autrement dit, le quotient

$\frac{quantit e ˊ de mati e ˋ re consomm e ˊ e ou form e ˊ e}{coefficient st œ chiom e ˊ trique de l’esp e ˋ ce}$

prend la même valeur pour toutes les espèces qui figurent dans l'équation.

Le tableau ci-dessous illustre cette proportionnalité pour la synthèse de l'eau :

Équation : $2 H X_{2} + O X_{2} 2 H X_{2} O$	Quantités de matière (en $m o l$ )
Dioxygène $O X_{2}$ consommé (coefficient $1$ )	$0, 10$	$0, 20$	$0, 30$
Dihydrogène $H X_{2}$ consommé (coefficient $2$ )	$0, 20$	$0, 40$	$0, 60$
Eau $H X_{2} O$ formée (coefficient $2$ )	$0, 20$	$0, 40$	$0, 60$

Méthode : Exploiter la proportionnalité d'une équation de réaction

Pour déduire la quantité de matière d'une espèce de celle d'une autre :

Écrire l'équation ajustée et relever les coefficients des deux espèces concernées.
Diviser la quantité de matière connue par le coefficient de son espèce.
Multiplier le résultat par le coefficient de l'espèce cherchée.
Contrôler : le rapport des deux quantités de matière doit être égal au rapport des deux coefficients.

Exemple 4.7

Pour la synthèse de l'ammoniac $N X_{2} + 3 H X_{2} 2 NH X_{3}$ , on constate que $0, 60 mol$ de dihydrogène ont été consommées. Le coefficient de $H X_{2}$ vaut $3$ et celui de $NH X_{3}$ vaut $2$ :

$\frac{0 , 60}{3} = 0, 20, puis 0, 20 \times 2 = 0, 40 mol de NH X_{3} form e ˊ es.$

Au passage, le coefficient de $N X_{2}$ valant $1$ , le diazote consommé est $0, 20 \times 1 = 0, 20 mol$ . Contrôle : $\frac{0 , 60}{0 , 40} = 1, 5 = \frac{3}{2}$ , le rapport des coefficients.

4.2.2 Le réactif limitant

La réaction chimique s'arrête lorsque l'un au moins des réactifs a été totalement consommé.

Définition 4.8Réactif limitant

Le réactif limitant est celui des réactifs qui disparaît le premier. C'est lui qui impose la fin de la transformation et qui fixe donc les quantités de produits formés. Les réactifs dont il subsiste une part au terme de la transformation sont dits en excès.

Méthode : Déterminer le réactif limitant

Pour trouver le réactif limitant d'une transformation :

Écrire l'équation ajustée et relever la quantité de matière initiale $n_{i}$ de chaque réactif.
Pour chaque réactif, calculer le quotient $\frac{n _{i}}{coefficient}$ de sa quantité initiale par son coefficient stœchiométrique.
Le réactif limitant est celui qui donne le plus petit quotient.
Si tous les quotients sont égaux, le mélange est dit stœchiométrique : tous les réactifs s'épuisent en même temps.

Ce n'est jamais $n_{i}$ que l'on compare directement, mais $n_{i}$ divisé par le coefficient.

Méthode : Établir la composition finale du système

Une fois le réactif limitant identifié :

Sa quantité finale est nulle : il a entièrement disparu.
Pour toute autre espèce, on utilise la proportionnalité : la quantité consommée (ou formée) est celle du limitant, divisée par le coefficient du limitant, puis multipliée par le coefficient de l'espèce considérée.
Pour un réactif en excès, la quantité finale est $n_{f} = n_{i} - (quantit e ˊ consomm e ˊ e)$ ; pour un produit initialement absent, $n_{f} = (quantit e ˊ form e ˊ e)$ .

Chaque molécule dessinée représente $0, 10 m o l$ . La réaction consomme les réactifs par paquets imposés par les coefficients : $2 H X_{2}$ pour $1 O X_{2}$ . Elle s'arrête au deuxième tour, faute de dihydrogène : $H X_{2}$ est le réactif limitant, et il reste du $O X_{2}$ en excès.

iRemarqueLe réactif limitant n'est pas toujours le moins abondant

On ne compare jamais directement les quantités de matière initiales des réactifs pour trouver le limitant : il faut d'abord diviser chaque quantité par son coefficient stœchiométrique. Ainsi, dans la réaction $N X_{2} + 3 H X_{2} 2 NH X_{3}$ avec $n_{i} (N X_{2}) = 1, 0 m o l$ et $n_{i} (H X_{2}) = 2, 4 m o l$ , le dihydrogène est pourtant le plus abondant, mais $\frac{n _{i} ( H X _{2} )}{3} = 0, 80$ est plus petit que $\frac{n _{i} ( N X _{2} )}{1} = 1, 0$ : c'est donc $H X_{2}$ le réactif limitant.

Pour $N X_{2} + 3 H X_{2} 2 NH X_{3}$ : le dihydrogène est 2,4 fois plus abondant, et c'est pourtant lui qui manque le premier, parce que chaque tour de réaction en consomme trois fois plus. Ce n'est jamais $n_{i}$ que l'on compare, mais $n_{i}$ divisé par le coefficient stœchiométrique.

Exemple 4.9Un mélange stœchiométrique

Lorsque les réactifs sont introduits dans des proportions exactement égales aux coefficients de l'équation (proportions stœchiométriques), ils sont tous entièrement consommés en même temps : il n'y a alors aucun réactif en excès et aucun réactif limitant à proprement parler. Par exemple, pour $2 H X_{2} + O X_{2} 2 H X_{2} O$ , un mélange de $0, 20 m o l$ de $H X_{2}$ et $0, 10 m o l$ de $O X_{2}$ (rapport $2 : 1$ ) est stœchiométrique.

4.2.3 Proportionnalité entre réactif limitant et produit formé

Puisque les quantités consommées et formées sont proportionnelles aux coefficients stœchiométriques, la quantité de produit obtenue est elle-même proportionnelle à la quantité de réactif limitant engagée. On peut le vérifier expérimentalement en répétant la même transformation avec des masses croissantes du réactif limitant, l'autre réactif étant maintenu en large excès : la représentation graphique est alors une droite passant par l'origine.

Le graphique ci-dessous correspond à la synthèse de l'ammoniac $N X_{2} + 3 H X_{2} 2 NH X_{3}$ conduite avec du dihydrogène toujours en excès : c'est donc le diazote qui limite la réaction.

Doubler la quantité de réactif limitant double la quantité de produit : les points sont alignés avec l'origine. Le coefficient directeur de la droite, $2$ , est exactement le rapport des coefficients stœchiométriques de $NH X_{3}$ et de $N X_{2}$ . La droite ne vaut que tant que le dihydrogène reste en excès ; dès qu'il vient à manquer, c'est lui qui devient limitant et la proportionnalité cesse.

4.2.4 Transformation endothermique ou exothermique

Toute transformation chimique s'accompagne d'un échange d'énergie avec le milieu extérieur. Cet échange se repère très simplement, au thermomètre.

Définition 4.10Exothermique ou endothermique

Selon le sens de l'échange d'énergie entre le système chimique et son environnement, on distingue deux cas :

Une transformation est exothermique lorsqu'elle libère de l'énergie vers l'extérieur : la température du milieu augmente.
Une transformation est endothermique lorsqu'elle prélève de l'énergie à l'extérieur : la température du milieu diminue.

Exemple 4.11

Les combustions sont fortement exothermiques. Brûler du méthane, selon

$CH X_{4} (g) + 2 O X_{2} (g) CO X_{2} (g) + 2 H X_{2} O (g),$

dégage la chaleur qui chauffe une maison. À l'inverse, la dissolution du nitrate d'ammonium $NH X_{4} NO X_{3}$ dans l'eau est endothermique : le bécher devient froid au toucher, ce qui est mis à profit dans les compresses de froid instantané.

iRemarque

Les transformations nucléaires libèrent des énergies sans commune mesure avec celles des transformations chimiques : c'est la fusion de l'hydrogène qui alimente le rayonnement du Soleil, et la fission de l'uranium 235 qui fournit la chaleur d'une centrale nucléaire.

Continuer sur Adloun : animation, QCM, fiches, exercices