Produits d'une transformation chimique

Cours de chimie niveau seconde –2. Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergie– B) Transformations chimiques

Définition
Repérer les produits dans un système chimique
Produits et conservation des éléments chimiques
Quantité de produit formé
Masse de produit formé
Sous-produit
Produits d’une combustion

Définition

Dans la vie courante le terme de “produit” désigne une substance quelconque cependant la chimie lui attribue un sens bien précis qu’il faut veiller à respecter:

Un produit est une espèce chimique qui se forme au cours d’une transformation chimique.

Dans un système chimique un produits est donc soit:

Une espèce chimique nouvelle (absente de l’état initial du système chimique mais présente dans son état final)
Une espèce chimique dont la quantité augmente (il y en a davantage à l’état final qu’à l’état initial)

Repérer les produits dans un système chimique

Si l’on exploite la définition donnée dans le paragraphe précédent alors il est possible de démontrer qu’une espèce chimique est le produit d’une transformation chimique de deux manières:

en vérifiant qu’il s’agit d’une espèce chimique nouvelle présente dans l’état final mais pas dans l’état initial, pour cela on peut faire appel à des tests de reconnaissances (test à l’eau de chaux, test d’identification d’ion) ou à des techniques d’analyses (telles que la chromatographie, la spectroscopie, mesure de température de changement d’état etc).
en vérifiant que l’une des espèces chimiques présente dans l’état initial a vu sa quantité ou sa masse croître, ce qui peut être fait en réalisant par exemple une pesée ou un dosage.

Produits et conservation des éléments chimiques

Toute transformation chimique respecte un principe simple qui est la conservation des éléments: toute les éléments présents dans les réactifs se retrouvent dans les produit. Par conséquent, si les réactifs sont connus il est possible:

d’en déduire les éléments chimiques nécessairement présents dans les produits
d’exclure de la liste des possibles produits d’une transformation ceux dont au moins un élément ne figure pas dans les réactifs.

Exemples:

Si du fer métallique réagit avec un acide (ions hydrogène H⁺) alors on peut prévoir que le ou les produits comporteront exclusivement l’élément hydrogène et l’élément fer (en pratique il se forme des ions fer III et du dihydrogène).
Si une combustion produit uniquement du dioxyde de carbone (CO₂) et de l’eau (H₂O) alors on peut exclure de la liste des réactifs toute espèce chimique contenant un élément autre que le carbone, l’oxygène ou l’hydrogène.

Quantité de produit formé

La quantité d’un produit obtenu par une transformation chimique peut être déterminée de deux manières différentes:

Expérimentalement

s’il est possible de mesurer la masse de produit formée (par pesée directe directe d’un solide, à partir du volume d’un liquide et de sa masse volumique). La masse (m) et la masse molaire (M) permettent alors de calculer la quantité de matière n: n = m/M

En exploitant l’équation de réaction et la masse des réactifs

Les coefficient stoechiométriques de l’équation de réaction équilibrée indique les proportions de produits formés à partir des réactifs

Exemple
L’équation CH₄ + 2O₂ → 2H₂O + CO₂ indique que:

la quantité d’eau formée correspond à deux fois la quantité de méthane consommé
la quantité d’eau formée est égale à la quantité de dioxygène consommé
la quantité de dioxyde de carbone formé correspond à la quantité de méthane consommé
la quantité de dioxyde de carbone formé correspond à la moitié de la quantité de dioxygène consommé.

Pour trouver la quantité de produit formé il suffit donc de:

choisir un réactif
de déterminer la quantité de matière consommée (on peut d’abord déterminer la masse consommé puis en déduire la quantité)
en déduire la quantité de produit formé grâce aux proportions indiquées par les coefficient stoechiométrique

Remarque
A condition que la réaction soit totale on peut considérer que la masse de réactif consommée correspond à la masse du réactif limitant introduit dans le système chimique (ou de n’importe quel réactifs s’ils sont introduits en proportions stoechiométriques)

Masse de produit formé

La masse d’un produit formé par transformation chimique peut être déterminée de plusieurs manières

Expérimentalement, en pesant la masse de produit.(ou en la déduisant du volume)
En déduisant la masse de la quantité de matière que l’on est censé obtenir grâce à ma relation m = M.n (voir paragraphe précédent)
En appliquant le principe de conservation de la masse (ce qui implique que la masse des autres produits ainsi que celles de tous les réactifs consommées soient connues)

Sous-produit

Pour quelle raison une espèce chimique pourrait-elle se voir dégrader au rang de sous-produit ? Ce n’est qu’une question d’appréciation de la part du chimiste (ou plus souvent de l’industriel) car chimiquement rien ne permet de distinguer un”sous-produit” de toute autre espèce chimique formée au cours d’une transformation chimique si ce n’est l’utilisation qui en est prévue. En général une espèce chimique est qualifiée de sous-produit lorsqu’elle se forme en même temps qu’un autre produit que l’on souhaite synthétiser, tous les autres produits qui l’accompagne sont alors considérés comme des sous-produits.

Produits d’une combustion

On peut s’intéresser au cas particulier des combustions car il s’agit d’une des catégories de transformation chimique pour laquelle il souvent possible de prévoir les produits formés en fonction de la nature des réactifs.

Combustion d’un métal

Sous forme divisée (poudre, fibre) les métaux peuvent brûler avec le dioxygène et forment alors souvent un seul et unique produit qui est un oxyde métalique (une espèce chimique qui associe l’élément métallique et l’oxygène).
Ainsi la combustion:

du fer forme de l’oxyde de fer (Fe₃O₄)
du cuivre donne de l’oxyde de cuivre (CuO)
La combustion du zinc donne de l’oxyde de zinc (ZnO)

etc

Combustion complète d’une substance organique

Une espèce chimique est dit organique si est elle composée d’une chaîne carbonée associée à des hydrogène et éventuellement à des d’autres atomes (oxygène, azote, soufre…). Les hydrocarbures (pétrole, essence, gaz naturels), les huiles végétales, le papier, le bois, l’éthanol sont par exemple des espèces chimiques organiques.
Lorsqu’elles participent à une combustion complète (en présence d’une quantité suffisante de dioxygène) elles forment toujours au moins deux espèce chimiques dans lesquelles on retrouvent le carbone et le dioxygène du combustible ainsi que l’oxygène (présent dans le dioxygène): le dioxyde de carbone (CO₂) et l’eau (H₂O).
Une espèce chimique organique qui ne contient que du carbone, de l’hydrogène et éventuellement de l’oxygène ne formera que ces produits.
Une espèce organique comportant d’autres éléments formera des produits supplémentaires qui seront souvent des oxydes ( de l’oxyde d’azote en cas de présence d’azote, de l’oxyde de soufre en cas de présence de soufre etc…)

Combustion incomplète d’une substance organique

En présence d’une quantité insuffisante de dioxygène, la combustion est dite incomplète, et la liste des produits est modifiée: on retrouve les produits de la combustion complète auxquels s’ajoutent du carbone (C) et du monoxyde de carbone.