Cours de chimie niveau seconde –2. Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergie– B) Transformations chimiques
- Définition
- Trouver les réactifs d’une transformation chimique
- Espèces chimiques spectatrices
- Nombres de réactifs d’une transformation chimique
- Réactifs en proportions stoechiométriques
- Réactif limitant
- Réactif en excès
- Réactifs d’une combustion
- Réactifs d’une transformation modifiant le pH
- Réactifs et test de reconnaissance
Définition
Une espèce chimique est qualifiée de “réactif” si, lors d’une transformation chimique, elle est consommée partiellement ou entièrement.
Remarque
“consommée” signifie ici que la quantité de matière de l’espèce chimique diminue mais cette diminution:
- n’est pas liée à une perte de matière (comme un liquide qui s’évapore et s’échappe du milieu réactionnel)
- est causée par une modification de cette espèce chimique (modification des liaisons, échange d’électrons, association ou perte d’éléments)
Trouver les réactifs d’une transformation chimique
Analyser l’évolution de la composition du système chimique
Pour trouver les réactifs d’une transformation chimique il suffit d’exploiter la définition d’un réactif, à savoir qu’il s’agit d’une espèce chimique totalement ou partiellement consommée par conséquent une espèce chimique est un réactif:
- si dans un système chimique fermé (qui n’échange pas de matière) sa quantité de matière (le nombre de mole) ou la masse diminue. Ce critère ne peut être exploité que si la composition du milieu réactionnel est connue à au moins deux stades de la transformation (par exemple grâce à un dosage)
- si l’on peut affirmer qu’elle est absente de l’état final du système. Cette absente peut être démontrée grâce à une test d’identification négatif.
Analyser les changements apparents du système chimique
Il est par ailleurs aussi parfois possible d’identifier l’un des réactif lorsque ce dernier possède une caractéristique observable qui subit des modifications visibles lors de la transformation chimique par exemple:
- si une solution colorée prend une teinte plus claire ou se décolore alors l’espèce à l’origine de cette coloration est un réactif
- si le système chimique ne comporte qu’une seule espèce chimique gazeuse et que son volume diminue alors elle est un réactif (à condition que l’on puisse exclure une simple dissolution)
- si une solution comporte une phase insoluble (une poudre par exemple) et que cette dernière disparaît entièrement ou partiellement alors cette dernière est un réactif (à condition que l’on puisse exclure que la transformation rende cette espèce chimique soluble)
Analyser les réactifs
On peut aussi, dans certains cas, identifier les réactifs en analysant la composition des produits de la réaction. En effet, les éléments se conservent par conséquent tout élément présent dans un réactif provient d’un produit, par exemple:
- Si le dioxyde de carbone (CO2) est un produit alors au moins un réactif comporte du carbone et au moins a de l’oxygène.
- S’il se forme de l’eau (H2O) alors au moins un réactif contient de l’hydrogène et au moins un comporte de l’oxygène
etc
Les espèces chimiques spectatrices
Un système chimique peut être constitué d’un certain nombre d’espèces présentes lors de la transformation mais qui n’interviennent pas: elles sont dites spectatrices. Toute espèce qui n’est pas un réactif est spectatrice et inversement.
Il est parfois possible de les repérer afin de déterminer, par élimination quels sont les réactifs, ainsi, par exemple:
- Un gaz rare hélium, argon, néon, krypton, xénon, radon présente une inertie chimique exceptionnelle et ne réagit jamais.
- Lorsque la transformation chimique se fait à l’air libre il est exceptionnel que le diazote réagisse.
Il par ailleurs possible d’identifier les réactifs dans quelques cas particulier de Transformations chimiques tels que les combustions, les précipitations, les réactions acide-base.
Nombres de réactifs d’une transformation chimique
Une transformation chimique résulte toujours de la rencontre (ou plutôt de la collision) entre molécules (ou ions) de réactifs par conséquent le nombre d’espèces chimiques jouant le rôle de réactif est nécessairement limité:
- La plupart des transformations impliquent deux sortes de réactifs
- Celles qui en font intervenir trois sont également courantes
- Celles qui en nécessitent davantage sont beaucoup plus rares
- Certaines réaction dites de décomposition ou de dissociation ne nécessitent qu’un seul réactif
Réactifs en proportions stoechiométriques
Des réactifs sont en proportions dites “stoechiométriques” si ces proportions coïncident avec celles des coefficients stoechiométriques utilisés pour équilibrer l’équation de réaction.
Par exemple l’équation de réaction de combustion du méthane est CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 où le méthane (CH4) n’a pas de coefficient ce qui équivaut à un coefficient “1” et le dioxygène à un coefficient “2” par conséquent les proportions sont stoechiométriques si le système chimique contient deux fois plus de dioxygène que de méthane soit par exemple:
- 1 mole de méthane pour deux moles de dioxygène
- 0,5 mole de méthane pour une mole de dioxygène
- 2 mole de méthane pour 4 moles de dioxygène
- etc.
Dans ces proportions une transformation chimique complète conduit à un état final dans lequel tous les réactifs ont été entièrement consommés
Réactif limitant
Lors d’une transformation chimique, si les proportions stoechiométriques ne sont pas respectées alors l’un des réactif est dit limitant: il s’agit du réactif qui s’épuise en premier et empêche alors transformation de se poursuivre (il la limite) alors même que subsistent les autres réactifs.
Si l’on reprend l’exemple de la combustion du méthane évoqué dans le paragraphe précédent alors:
- si la quantité de méthane est inférieure à la moitié de la quantité de dioxygène, le méthane est le réactif limitant, c’est le cas par exemple pour un mélange de 2 moles de dioxygène et de 0,5 mole de méthane.
- Si la quantité de dioxygène est inférieure au double de la quantité de méthane alors le dioxygène alors le méthane est le réactif limitant, c’est la cas par exemple dans un mélange d’une mole de méthane et de d’une mole et demi de dioxygène.
Réactif en excès
Un réactif est en excès si sa proportion par rapport à au moins l’un des autres réactifs est suppérieure à la proportion stoechiométrique.
Si les conditions stoechiométriques ne sont pas respectées alors tout réactifs non limitant est nécessairement en excès: il ne dispraitra pas entièrement lors de la transformation chimique et sera donc encore présent dans l’état final du système chimique.
Si l’on reprend l’exemple de la combustion de du méthane d’équation de réaction CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 alors:
- Si la quantité de dioxygène est plus de deux fois supérieure à celle de méthane alors le dioxygène est un réactif en excès
- Si la quantité de méthane correspond à plus de la moitié de la quantité de dioxygène alors le méthane un réactif en excès.
Réactifs d’une combustion
Une combustion est une transformation chimique particulière qui fait toujours intervenir deux catégories de réactifs:
- Un combustible
- Un comburant
Lorsque la combustion se fait à l’air libre, et dans la majorité des cas, le comburant est le dioxygène. Si celui-ci est absent du système chimique alors on envisager la possibilité que d’autres espèces puissent jouer ce rôle (c’est en particulier le cas des dihalogènes gazeux tels que le difluor et le dichlore).
La combustible est souvent une matière organique solide, liquide ou gazeuse (comportant au minimum du carbone et de l’hydrogène) mais il peut aussi s’agir de métaux comme le fer, zinc,cuivre, etc en particulier s’ils sont sous forme divisée (poudre ou fibre), ce sont par exemple des métaux qui brûlent en émettant de une lumière colorée dans les feux d’artifice.
Réactifs d’une transformation modifiant le pH
Le pH d’une solution traduit l’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse.
L’acidité est liée à la présence d’ions hydrogène H+, plus ces derniers sont nombreux plus la solution est acide et plus le pH est bas.
La basicité est liée à la présence des ions hydroxyde, plus ils sont nombreux, plus la solution est basique et le pH est élevé.
Si une transformation chimique s’accompagne d’une variation de pH alors en déduire l’intervention des ions hydroxyde ou hydrogène comme réactifs:
- Si le pH d’une solution acide (pH<7) augmente c’est le signe l’acidité diminue et donc que des ions hydrogènes sont consommés et font partie des réactifs.
- Si le pH d’une solution basique (pH>7) diminue c’est le signe que la basicité diminue et donc que des ions hydroxyde sont consommés et font partie des réactifs.
Réactifs et tests de reconnaissance
La plupart de tests de reconnaissance (aussi appelés tests d’identification) font appel à une espèce chimique qualifiée de “réactif”. Celle-ci est en effet censée réagir avec l’espèce chimique testée (qui est donc alors aussi un réactif) en donnant un produit facilement observable.
Ainsi, par exemple:
- L’eau de chaux (solution d’hydroxyde de calcium) est le réactif utilisé pour le test de reconnaissance du dioxyde de carbone (elle forme avec de dernier du carbonate de calcium)
- Le nitrate d’argent est le réactif utilisé pour le test de reconnaissance de l’ion chlorure (les ions argent précipitent avec les ions chlorure pour former un précipité de chlorure d’argent)
- etc