3ᵉ · Physique-Chimie · Constitution & transformations de la matière
Une réaction chimique transforme des réactifs (espèces de départ, à gauche) en produits (espèces formées, à droite). On la résume par une équation de réaction, écrite avec les formules des espèces et une flèche.
Au cours d'une réaction, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils sont seulement réarrangés. Il doit donc y avoir autant d'atomes de chaque sorte à gauche et à droite. Pour cela on place des nombres stœchiométriques devant les formules : on ajuste l'équation. On ne modifie jamais les formules, seulement les nombres devant.
Comme les atomes sont conservés, la masse totale se conserve (loi de Lavoisier) : m(réactifs) = m(produits).
Un acide attaque certains métaux (fer, zinc, aluminium) : il se forme un dégagement de dihydrogène H₂. Exemple, l'acide chlorhydrique sur le fer :
Le dihydrogène formé fait un petit bruit sec, une détonation (« aboiement »), quand on approche une flamme.
Une combustion est une réaction entre un combustible et le dioxygène O₂. Combustion du carbone : C + O₂ → CO₂. Combustion du méthane : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O.
• Dioxygène O₂ : ravive une bûchette incandescente (elle se rallume).
• Dihydrogène H₂ : détonne (petit « pop ») à l'approche d'une flamme.
• Dioxyde de carbone CO₂ : trouble l'eau de chaux (elle devient blanche laiteuse).
Une réaction exothermique libère de l'énergie (elle chauffe le milieu) : combustion, réaction acide-métal. Une réaction endothermique absorbe de l'énergie (elle refroidit le milieu).
La matière stocke de l'énergie chimique. On l'exploite dans les piles (énergie chimique → énergie électrique) et dans les combustibles (essence, gaz, bois → énergie thermique).
Avant la théorie, voyons à quoi sert ce chapitre. Une réaction chimique transforme des espèces en d'autres espèces, et très souvent elle échange de l'énergie. Tu t'en sers tous les jours.
La pile de ta manette ou de ta télécommande transforme de l'énergie chimique en énergie électrique. Le carburant d'une voiture, le gaz de la cuisinière, le bois d'une cheminée libèrent de l'énergie thermique en brûlant : ce sont des combustibles. La corrosion, quand un objet en fer rouille, est aussi une réaction chimique lente, entre le métal, l'air et l'humidité.
Et dans un airbag de voiture, une réaction chimique très rapide produit d'un coup un grand volume de gaz pour gonfler le coussin en quelques millièmes de seconde. Réactions et énergie : c'est ce qui fait fonctionner une grande partie de notre quotidien.
Commençons par écrire proprement une réaction. Les espèces présentes au départ, consommées, sont les réactifs : on les écrit à gauche. Les espèces formées sont les produits : on les écrit à droite.
On les sépare par une flèche, qui se lit donne. On utilise les formules des espèces. Par exemple, le carbone plus le dioxygène donnent le dioxyde de carbone : C plus O deux donne C O deux.
À gauche les réactifs, à droite les produits : c'est l'équation de réaction.
Voici la règle d'or : au cours d'une réaction, les atomes ne sont ni créés ni détruits, seulement réarrangés, comme des briques qu'on démonte et qu'on remonte autrement. Il doit donc y avoir exactement le même nombre d'atomes de chaque sorte à gauche et à droite. Pour y arriver, on place des nombres devant les formules : ce sont les nombres stœchiométriques, et on dit qu'on ajuste l'équation.
Attention : on ne change jamais les formules elles-mêmes, on ne joue que sur les nombres devant. Par exemple, pour la combustion du dihydrogène, on écrit deux H deux plus O deux donne deux H deux O. On compte : quatre hydrogènes à gauche, quatre à droite ; deux oxygènes à gauche, deux à droite.
Comme les atomes sont conservés, la masse totale l'est aussi : c'est la loi de Lavoisier.
Voyons une réaction très classique du collège : l'action d'un acide sur un métal. Quand on verse un acide, comme l'acide chlorhydrique, sur un métal comme le fer, le zinc ou l'aluminium, le métal est attaqué : il se dissout peu à peu et un gaz se dégage sous forme de petites bulles. Ce gaz est le dihydrogène.
Pour le prouver, on approche une flamme du gaz recueilli : on entend un petit bruit sec, une détonation, une sorte de pop. C'est le test caractéristique du dihydrogène. Cette réaction dégage aussi de la chaleur : le tube tiédit.
C'est donc une réaction exothermique.
Comment savoir de quel gaz il s'agit ? On dispose de trois tests simples. Pour le dioxygène : on approche une bûchette incandescente, c'est-à-dire un bout de bois rougeoyant sans flamme ; en présence de dioxygène, elle se rallume, elle se ravive.
Pour le dihydrogène : on approche une flamme et on entend une petite détonation, ce fameux pop. Pour le dioxyde de carbone : on le fait barboter dans de l'eau de chaux, un liquide transparent ; il la trouble, elle devient blanche laiteuse. Retiens ces trois signatures : bûchette qui se rallume pour le dioxygène, pop pour le dihydrogène, eau de chaux troublée pour le dioxyde de carbone.
Terminons par l'énergie. Toute réaction chimique échange de l'énergie avec ce qui l'entoure. Si la réaction libère de l'énergie, elle chauffe le milieu : on dit qu'elle est exothermique.
C'est le cas des combustions et de la réaction acide-métal. Au contraire, si la réaction absorbe de l'énergie, elle refroidit le milieu : on dit qu'elle est endothermique ; certaines poches de froid instantané fonctionnent ainsi. Cette énergie vient de l'énergie chimique stockée dans la matière.
On l'exploite de deux grandes façons : dans les piles, l'énergie chimique se transforme en énergie électrique ; dans les combustibles, comme l'essence, le gaz ou le bois, elle se transforme en énergie thermique. Retiens la règle simple : exothermique, ça chauffe ; endothermique, ça refroidit.
12 des 31 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.