Les transformations chimiques

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

1. Qu’est-ce qu’une transformation physique ?
2. Qu’est ce q’une transformation chimique ?
3. Comment prouver qu’il se produit une transformation chimique ?
4. Conservation des éléments chimiques
5. Conservation de la masse
6. Conservation de la charge électrique
7. Modéliser une transformation chimique par une réaction chimique
8. Modéliser une transformation chimique par une équation de réaction
9. Pourquoi une transformation chimique s’arrête-t-elle ?
10. Les différentes sorte de transformation chimique
11. Le vocabulaire des transformations chimiques

Qu’est-ce qu’une transformation physique ?

Une transformation peut être soit de nature physique, soit de nature chimique. Une transformation physique modifie des paramètre physiques telles que la forme, le volume, ma la pression, la température etc.

Qu’est ce q’une transformation chimique ?

Une transformation est dite chimique si elle modifie la composition d’un système chimique:
une ou plusieurs espèce chimiques sont consommées pour former une ou plusieurs autres espèces chimique.

Par conséquent lors de toute transformation chimique:

• Une ou plusieurs espèces chimiques (appelées réactifs) sont consommées en partie ou en totalité.
• Une ou plusieurs espèces chimiques sont produites (appelées produits), c’est à dire que leur quantité de matière augmente.

Comment prouver qu’il se produit une transformation chimique ?

• On peut au choix montrer que dans un système chimique fermé (sans échange de matière avec l’extérieur):
• une espèce chimique a disparue (n’est plus présente et donc a été entièrement consommée)
• la quantité de matière d’une espèce chimique a diminué (elle a été en partie consommée)
• une nouvelle espèce chimique est présente
• la quantité de matière d’une espèce chimique a augmenté

Remarques

• Il est possible de prouver la présence ou l’absence d’une espèce chimique en réalisant un test d’identification
• Il est possible de montrer qu’une quantité de matière a varié (augmenté ou diminué) en réalisant, un dosage ou éventuellement une pesée (si l’espèce chimique peut être isolée) ou une mesure de volume.
• Il n’est pas nécessaire de démontrer à la fois qu’une espèce chimique a été consommé et qu’une autre a été produite puisque, d’après le principe de conservation des éléments chimiques, l’un implique l’autre (si une espèce chimique disparaît alors simultanément il s’en forme une autre et inversement…)

Conservation des éléments chimiques

Lors d’une transformations chimique les noyaux atomiques ne sont pas affectés, tous les noyaux présents dans l’état initial d’un système chimique font aussi partie de son état final: c’est cette permanence des noyaux qui implique la conservation des éléments chimiques.

Cette conservation des éléments pourraient être formulée de la manière suivante:
Lors d’une transformation chimique, un système chimique conserve chaque éléments en même quantité dans l’état initial et l’état final.

On pourrait aussi le formuler ainsi:
La quantité totale de chaque élément présent dans les produits consommés lors d’une transformation chimique correspond à la quantité de totale de ce même élément présent dans les produits formés 

Cependant un élément peut se présenter sous différentes forme, il peut s’agir d’un corps simple monoatomique, d’ion monoatomique ou il peut faire partir d’un composé moléculaire ou d’un ion polyatomique et ces dernières ne se conservent pas nécessairement.

Conservation de la masse

Au cours d’une transformation chimique un élément conserve le même noyau, il peut échanger des électrons (en perdre ou en gagner) mais le nombre de ces derniers reste globalement constant (leur masse peut de toutes manière être négligée lors de l’expression de la masse d’un élément). Par conséquent, puisque les éléments sont conservés lors d’une transformation chimique, la masse l’est aussi.

Il est possible de formuler la conservation de la masse de la manière suivante:
La masse totale d’un système chimique fermé (qui n’échange pas de matière avec l’extérieur) reste constante au cours d’une transformation chimique et plus particulièrement la masse de l’état initial est égale à la masse de l’état final.

D’un point de vue pratique la formulation suivante est plus facilement exploitable:
Lors d’une transformation chimique la masse totale de réactifs consommés correspond à la masse totale des produits formés.

Le principe de conservation de la masse peut être exploité pour prévoir la masse de réactifs consommés ou de produits formés dans des cas simples (lorsqu’il n’y a par exemple qu’un produit ou qu’un seul réactif) mais dans la majorité des situation il est nécessaire de faire appel à la conservation des éléments et à l’équation de réaction pour d’abord prévoir des quantité de matière puis en déduire les masse correspondante (en faisant appel à la masse molaire).

Conservation de la charge électrique

Lors d’une transformation chimique les éléments sont conservés, les noyaux ne sont modifiés: ils gardent le même nombre de neutrons et surtout de protons par conséquent le nombre total de charges positives (portées par les protons) reste le même. Par ailleurs les électrons (négatifs) sont des particules élémentaires qui ne peuvent ni être détruites ni créés pendant une transformation chimique, ils peuvent seulemenent être échangés entre les espèces du système chimique par conséquent la charge négative ne varie pas non plus. Puisque le nombre de charges positives et le nombre de charge négative ne varient alors la charge totale ne change pas non plus plus: on dit qu’il y a conservation de la charge électrique totale pendant une transformation chimique.

On peut formuler le principe de conservation de la charge de la manière suivante:

La charge totale du système reste constante lors d’une transformation chimique

En général la matière est globalement neutre par conséquent la charge totale reste nulle…Le principe de conservation de la charge présente plus d’intérêt (en particulier pour l’équilibrage des équations de réactions) lorsqu’il est formulé de la manière suivante:

La charge totale de réactifs est égale à la charge totale des produits

Modéliser une transformation chimique par une réaction chimique

La transformation chimique peut être modélisée (décrite de manière simplifiée) par une réaction chimique que l’on appelle aussi parfois “bilan de la transformation” ou “bilan de la réaction”
La réaction chimique se limite à un rôle qualitatif, elle indique le noms des réactifs et et des produits.
La réaction se note indiquant:

• à gauche la liste des noms des réactifs (séparés par un signe “+” s’il y en a plusieurs)
• au centre une flèche orientée vers la droite symbolisant la transformation des réactifs en produit

à droite la liste des noms des produits (séparés par un symbole “+” s’il y en a plusieurs)

Elle se notera donc sous une forme du type:

réactifs 1 + réactif 2 → produit 1 + produit 2

(avec éventuellement un réactif 3, un réactif 4, un produit 3, un produit 4 …)

Exemple
Lors de la combustion du fer avec le dioxygène il se forme de l’oxyde de fer, on peut donc écrire la réaction de la manière suivante:
Fer + dioxygène → oxyde de fer
Lors en présence d’ions chlorure les ions argent forme un précipité de chlorure d’argent, la réaction est donc:
ion chlorure + ion argent → chlorure d’argent

Modéliser une transformation chimique par une équation de réaction (ou équation bilan)

C’est une modélisation plus détaillée que la simple réaction chimique, elle apporte des informations sur les proportions des réactifs consommés et des produits formés. Elle reprend en partie les codes d’écritures de la réaction mais en remplaçant le nom de chaque espèce chimique par sa formule et en lui associant un coefficient stoechiométrique qui traduit la conservation des éléments. Ce sont ces coefficients qui renseignent sur les proportions.

Exemple
Le dyhydrogène brûle avec le dioxygène pour former de l’eau selon l’équation de réaction suivante:
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
On peut vérifier que cette équation est bien équilibrée puisque la partie gauche (les réactifs) ainsi que la partie droite (les produit) comportent un total de 4 hydrogène et 2 oxygène.
Les coefficients stoechiométriques permettent de déduire que:

• la quantité de dihydrogène consommée est deux fois supérieure à celle de dioxygène
• La quantité d’eau formée est égale à la quantité de dihydrogène consommée

Pourquoi une transformation chimique s’arrête-t-elle ?

Une transformation chimique est considérée comme “finie” lorsque l’état final du système chimique est atteint c’est à dire lorsque sa composition chimique n’évolue plus: les réactifs cessent d’être consommés et les produits cessent de se former.
Les principales raisons qui peuvent interrompre la transformation chimique sont donc:

• La disparition totale de l’un des réactifs
• L’épuisement total et simultané de tous les réactifs (possible si dans l’état initial les réactifs sont présents en des proportion particulière dites stoechiométriques telles qu’indiquées par l’équation de réaction)

Remarques

Une transformation chimique peut également prendre fin en raison de modifications de paramètres physiques tels que la température ou la pression. Ces modifications peuvent:

• provoquer un changement de phase (une solidification ou une vaporisation de solution par exemple) qui empêche le contact des réactifs et donc la transformation.
•  rendre le bilan énergétique de la transformation défavorable à cette dernière ce qui peut la bloquer ou en favoriser une autre.
• Certaines transformations peuvent conduire à un état final dit “d’équilibre” où coexistent au sein d’un système les produits et les réactifs.

Les différentes sortes de transformations chimiques

Selon la nature des réactifs, le type de produits obtenu ou les condition de réalisations, il est possible distinguer différentes sorte de transformations chimiques, on peut citer par exemple:

Les réactions de combustion

Ce sont des réactions exothermiques (qui dégage de la chaleur) qui font toujours intervenir deux sorte de réactifs: un comburant (dioxygène, dichlore etc) et un combustible (essence, bois, huile etc)
Exemple: combustion du carbone dans le dioxygène

Les réactions acide-base

Ces transformation font toujour intrevenir un réactif de nature acide et un réacif de nature basique, elles sont aussi exothermiques.
Exemple: la réaction de l’acide chlorhydrique avec la soude

Les réaction de précipitation

Elles se caractérisent par la formation d’un produit solide à partir de réactifs dissous en solution.
Exemple: la réaction entre les ions hydroxyde et les ions cuivre forment un précipité de bleu d’hydroxyde de cuivre.

Les réactions exothermiques

Ce sont des transformations au cours desquelles les réactifs libèrent de la chaleur.
Exemples: toute les combustions sont exothermiques.

Les réactions endothermiques

Ce sont des transformations lors desquelle de la chaleur est absorbées, elles sont beaucoup plus rares que les réaction exothermiques

Les réactions de décompositions

La plupart des transformations chimiques font intervenir plusieurs réactifs mais il en existe aussi qui se réalisent à partir d’un seul et unique réactif: on dit qu’il s’agit de réaction de décomposition. Il existe deux sorte de réaction de décomposition:
Celles où Ldes molécules d’une même espèce chimique réagissent entre elles pour former un ou plusieurs réactifs.
Celles où une rupture de liaison conduit à la formation deux fragments qui constituent les réactifs

Exemples
L’eau peut se décomposer en ions hydrogène et en ions hydroxyde
H₂O → H⁺ + OH^–
L’eau oxygénéé peut se décomposer en dioxygène et en eau:
2 H₂O₂ → O₂ + 2H₂O

Vocabulaire des transformations chimiques

Voici une liste des termes associés à la notion de transformation chimique qui sont à connaître, à savoir définir et utiliser (au niveau seconde)

• Transformation chimique: il s’agit du phénomène réel qui modifie les espèces chimiques
• Réaction chimique: il s’agit d’une modélisation de la transformation chimique elle peut se traduire par une notation du type nom du réactif 1 + nom du réactif 2 → produit 1 + produit 2 . Par abus de langage on confond parfois le phénomène réel (la transformation chimique) et sa modélisation (la réaction)
• réactif: c’est une espèce chimique consommée
• produit: c’est une espèce chimique produite
• Le système chimique: ensemble des espèces chimiques présentes dans le milieu ou la transformation survient.
• L’état initial: c’est le système chimique avant que sa composition ne commence à évoluer
• L’état final: c’est le système chimique lorsque sa composition n’évolue plus.
• Espèce spectatrice: espèce chimique présente en quantité égale dans l’état final et l’état initial.
• réactif limitant: c’est le réactif qui est épuisé en premier
• L’équation de réaction: c’est une autre modélisation de la transformation chimique qui indique la proportion des réactifs et de produits. Elle s’écrit sous la forme: coeff1.formule1 + coeff2.formule2 → coeff3.formule3 + coeff4.formule4
• Coefficient stoechiométrique: nombre utilisé dans les équations de réaction, placé devant une formule chimique afin d’indiquer le nombre d’espèce chimique intervenant.