Les propriétés chimiques des gaz

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1 CHAPITRE.1 L étincelle d une bougie d allumage. Les propriétés chimiques des gaz Un moteur à combustion interne, comme celui d une automobile, fonctionne à l aide d un mélange gazeux qui s enflamme grâce à des bougies d allumage. Comment une simple étincelle peut-elle entraîner le démarrage d un moteur? Quelles sont les propriétés chimiques des gaz qui permettent cette réaction? Est-ce que tous les gaz possèdent la même réactivité chimique? 129

2 DDans ce chapitre, nous étudierons les propriétés chimiques de quelques gaz ou groupes de gaz. Leur étude nous permettra de mieux comprendre comment ces propriétés ont pu mener à des applications technologiques. Nous verrons aussi comment planifier une réaction qui fait intervenir des gaz en effectuant des calculs stœchiométriques..1 La réactivité chimique des gaz Le comportement des gaz (voir le chapitre 2) et quelques-unes de leurs propriétés physiques (voir le chapitre 1) peuvent être généralisés à l ensemble des substances gazeuses. En revanche, les propriétés chimiques sont caractéristiques d un seul gaz ou d un seul groupe de gaz. La réactivité chimique d un gaz, c est-à-dire sa façon de réagir chimiquement dans certaines conditions, constitue ainsi l une des propriétés qui servent à distinguer ce gaz d un autre. DÉFINITION La réactivité chimique d une substance est sa capacité à réagir sous l effet de la chaleur, de la lumière ou du contact avec d autres substances. Certains gaz participent à plusieurs réactions chimiques: par exemple, le dioxy - gène joue un rôle important dans la respiration cellulaire et dans l oxydation (la corrosion) du fer. D autres gaz, comme le difluor, sont réactifs à un point tel qu ils sont très difficiles à conserver sous forme gazeuse. D autres, comme le diazote, sont relativement stables et ne réagissent que dans des conditions particulières. Qu est-ce qui fait qu un gaz est plus ou moins réactif, ou plus ou moins stable? Comme une réaction chimique est une question de changement de liaisons entre les atomes, la réactivité chimique dépend d abord de la force d attraction qui existe entre le noyau des atomes et leurs électrons de valence. Elle dépend ensuite de la tendance des atomes à gagner ou à perdre des électrons (voir la section sur les molécules, dans l introduction de cet ouvrage). Par ailleurs, comme une réaction chimique est aussi une question d énergie, la réactivité d une substance dépend également du bilan énergétique de la réaction à laquelle elle serait susceptible de prendre part. Ce bilan énergétique correspond à la différence entre l énergie absorbée lors du bris de liaisons et l énergie dégagée lors de la formation de nouveaux liens. (Voir la section sur le bilan énergétique, dans le chapitre 4.) Nous expliquerons plus en détail la réactivité chimique de certains groupes de gaz dans les pages qui suivent. Mais d abord, la page suivante présente un résumé de la façon d exploiter les connaissances relatives à cette réactivité. CONCEPTS DÉJÀ VUS o Propriétés caracté - ristiques chimiques o Propriétés caracté - ristiques physiques o Transformations chimiques o Modèle atomique simplifié o Tableau périodique o Effet de serre LABO 8. LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES GAZ Matières comburantes Matières inflammables et combustibles Gaz comprimés Matières toxiques.2 Quelques symboles de danger qu il est important de reconnaître lorsqu on manipule des gaz au laboratoire ou à la Matières maison. dangereusement réactives 10 PARTIE I LES GAZ THÉORIE

3 L IDENTIFICATION D UN GAZ L UTILISATION D UN GAZ Dans certains cas, il est possible de reconnaître un gaz à sa façon de réagir chimiquement. Par exemple, si un gaz brouille l eau de chaux, il est fort pro bable qu il s agit de dioxyde de car - bone. L annexe, Les propriétés de quelques sub stances cou rantes, présente différentes proprié tés chi miques qui peuvent aider à identifier un gaz. On exploite les propriétés chimiques des gaz dans plusieurs applications (voir l annexe ). Par exemple, le méthane, principal constituant du gaz naturel, est un excellent combustible. Il constitue la plus propre des sources d énergie fossile, même si, en brûlant, il dégage une certaine quantité de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.. La formation d un précipité blanc dans l eau de chaux indique la présence de dioxyde de carbone..4 Le gaz naturel que certains utilisent comme combustible contient du méthane dans une proportion d au moins 90 %. LA MANIPULATION D UN GAZ LA PROTECTION CONTRE LA TOXICITÉ D UN GAZ La prudence est de mise lorsqu on manipule des gaz. D abord, sous l effet de la chaleur, la pression des gaz augmente. Lorsqu ils sont confinés dans un espace clos, il arrive que leur contenant ne puisse supporter l augmentation de la pression interne et qu une explosion sur - vienne. De plus, outre ce phénomène phy sique, il peut y avoir risque d incendie selon l inflam - mabilité du gaz (sa capacité à brûler). Les conte - nants de gaz comprimés portent généralement des symboles qui mettent en garde les utilisateurs. Fait important à retenir: tous les gaz inhalés, qu ils soient toxiques ou non, peuvent causer la suffocation et l asphyxie lors qu ils prennent la place du dio xy gène dans l orga nisme. Cer - tains gaz, comme le monoxyde de carbone, sont de véritables poisons. Même à de faibles concen trations, ces gaz peuvent causer une intoxication, et parfois la mort. Il faut donc se prémunir des risques liés à la toxicité des gaz en utilisant des détecteurs ou des masques de protection, par exemple. CHIMIE C H A P I T R E.5 Un gaz renfermé dans un contenant représente un risque d explosion lorsqu il est exposé à la chaleur. Il y a aussi risque d incendie si le gaz est inflammable..6 Il est recommandé d installer un détecteur de monoxyde de carbone dans les domiciles dotés d un foyer au gaz ou au bois. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z THÉORIE 11

4 Les gaz nobles À cause de leur configuration électronique, les gaz nobles (voir la dernière colonne du tableau périodique) sont des éléments très stables chimiquement. Comme leur dernière couche électronique est saturée (voir l exemple du néon à la FIGURE.7), ils n ont pas tendance à perdre ou à gagner des électrons pour former un lien chi mique avec d autres atomes. C est pour cette raison qu on les trouve sous forme d éléments simples dans la nature. Le plus abondant des gaz nobles est l argon. Il constitue environ 1 % de l air. Quant à l hélium, comme il est très léger, il a tendance à s élever dans l atmosphère et à s en échapper. Les autres gaz nobles ne se trouvent qu à de très faibles concentrations dans l air, d où leur surnom de «gaz rares». Dans certaines applications, comme les tubes fluorescents, les ampoules incandescentes ou la soudure à l arc ÉTYMOLOGIE «Inerte» vient du mot latin iners, qui signifie «inactif, sans énergie». (voir la FIGURE.8), les gaz nobles peuvent constituer un milieu inerte en remplacement de l air. Un milieu inerte est un milieu qui ne contient aucune substance susceptible de réagir chimiquement avec la ou les substances en cause dans l application. CONCEPT DÉJÀ VU o Air (composition) 10 p + 10 n.7 Néon La dernière couche électronique des gaz nobles comme le néon est saturée, puisqu elle comporte le maximum d électrons de valence..8 L argon sert de gaz de protection pour la soudure à l arc. Les gaz comburants Un comburant est une substance qui cause la combustion. Plusieurs comburants sont gazeux aux conditions ambiantes. Le comburant le plus répandu sur la Terre est le dioxygène gazeux (O 2 ). Il constitue environ 21 % de l atmosphère terrestre. Il favorise le maintien de la vie en participant à la respiration cellulaire. Il permet aussi le fonctionnement de plusieurs applications, comme les automobiles ou certains systèmes de chauffage, en y assurant une combustion contrôlée. La FIGURE.9 montre une chambre de combustion d un moteur à essence dans laquelle le dioxygène de l air réagit avec le carburant, ce qui entraîne le mouvement du piston dans le cylindre. CONCEPTS DÉJÀ VUS o Combustion o Couches de l atmosphère o Contamination (atmosphère) 12 PARTIE I L E S G A Z THÉORIE

5 .9 Une chambre de combustion d un moteur à essence. Bougie d allumage Soupape Mélange air-carburant Cylindre Piston L ozone (O ), qui constitue une forme très réactive de l oxygène, est aussi un comburant, mais il est très toxique. C est un gaz bleu pâle à l odeur légèrement piquante, qui est à l origine du smog lorsqu il se forme dans la troposphère. Le difluor et le dichlore sont des comburants de la famille des halogènes (voir l avant-dernière colonne du tableau périodique). Le fluor est l élément chimique le plus réactif. En effet, il ne manque qu un électron à l atome de fluor pour remplir sa dernière couche électronique. De plus, le noyau de cet atome exerce une grande force d attraction, étant donné la courte distance qui le sépare de sa der - nière couche d électrons (voir la FIGURE.10). Le fluor se conserve donc très difficilement, il possède même la capacité d attaquer le verre et plusieurs métaux. Ce gaz a peu d applications. On utilise plutôt les composés du fluor, comme les fluorures (sels de fluor) qu on trouve dans le dentifrice, ou le polytétrafluoroéthylène, un polymère contenant du fluor et qui compose le téflon. Le dichlore est un gaz jaune-vert très toxique, ayant une odeur suffocante. Il est très réactif, comme le montre la FIGURE.11. C est pourquoi on le trouve principalement sous forme de composés, comme le chlorure de sodium (sel de table). Il arrive parfois qu en mélangeant certains produits de nettoyage, comme l eau de Javel (hypo - chlorite de sodium, NaOCl), avec un acide ou un nettoyant à base d ammoniac, il y ait dégagement de dichlore gazeux, ce qui peut s avérer très dangereux. 9 p + 10 n CHIMIE C H A P I T R E.10 Fluor Le fluor n a que deux couches électroniques et il ne lui manque qu un électron pour combler sa dernière couche..11 Le dichlore réagit vivement avec le sodium pour former du chlorure de sodium. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z THÉORIE 1

6 Les gaz combustibles Un combustible est une substance inflammable qui a la capacité de brûler en présence d un comburant tout en dégageant une grande quantité d énergie. Une combustion nécessite donc la présence d un comburant, d un combustible et une certaine température d ignition, comme le montre la FIGURE.12. Certaines substances dérivées des organismes vivants, comme le méthane (CH 4 ), le propane (C H 8 ) ou le butane (C 4 H 10 ), sont des combustibles. On appelle «hydro carbures» celles qui ne contiennent que des atomes d hydrogène et de carbone. Cepen dant, seuls les hydrocarbures à faible masse molaire (méthane, propane et butane) sont gazeux aux conditions ambiantes. En brûlant, ces substances produisent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre. Par exemple: CONCEPT DÉJÀ VU o Ressources énergétiques Combustion du méthane: CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (l) Comburant Combustible.12 Le triangle du feu illustre la relation qui existe entre les trois éléments nécessaires à une combustion. Le dihydrogène est aussi un excellent combustible. Toutefois, on ne le trouve presque pas à l état gazeux dans l atmosphère terrestre. En effet, il s en échappe facilement, car il est très léger (c est le gaz qui a la plus petite masse molaire, soit 2,02 g/mol). De plus, il est très réactif: il a la capacité de réagir autant avec les métaux qu avec les non-métaux, mais il réagit particulièrement en présence de dioxygène. Pour qu il soit disponible, il faut donc l extraire à l aide de moyens chimiques. Le dihydrogène est utilisé notamment comme carburant pour alimenter les moteurs des fusées. On fonde beaucoup d espoir sur l utilisation du dihydrogène comme combustible propre de l avenir, car il a l avantage de ne produire que de l eau lors de sa combustion: Température d ignition.1 Le butane peut servir de combustible pour les réchauds portatifs, comme ceux qu on emploie en camping. ÉTYMOLOGIE «Hydrogène» vient des mots grecs hûdor, qui signifie «eau», et gennân, qui signifie «engendrer». Combustion du dihydrogène: 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) 14 PARTIE I L E S G A Z THÉORIE

7 ENRICHISSEMENT E Les gaz à effet de serre, tels que la vapeur d eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l oxyde nitreux (N 2 O), se trouvent naturellement en suspension dans l atmosphère. Ils forment une sorte de bouclier qui retient sur la Terre une partie de l énergie transmise par le Soleil. Sans l effet de serre, la température moyenne terrestre ne serait que de 18 C. Néanmoins, au cours du dernier siècle, l indus tria - lisation, l exploitation massive des combustibles fossiles et le déboisement des forêts au profit des terres agricoles ont contribué à l augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l atmo sphère. Ce surplus occasionne un réchauffement planétaire qui entraîne différents changements climatiques: la fonte des glaciers et des banquises, la montée graduelle du niveau des océans, une modification du régime des précipitations, etc. Atmosphère.14 L effet de serre. Soleil Gaz à effet de serre ARTICLE TIRÉ D INTERNET Les défis de l hydrogène À l heure du réchauffement climatique et de la fin annon cée des ressources pétrolières, l hydrogène, un vecteur d énergie propre et inépuisable, fait rêver les ingénieurs. Surpuissant (1 kg d hydrogène = kg d essence), il peut être utilisé pour faire fonctionner nos appareils et nos usines et, surtout, pour propulser nos véhicules. Qu est-ce qu on attend pour s y mettre? Plusieurs défis technologiques doivent encore être surmontés D abord, le stockage: 1 L d essence équivaut en volume à 1500 L d hydrogène. Pour alimenter nos appareils, il faut absolument comprimer le gaz. Les chercheurs tentent de mettre au point un matériau composite fiable, léger et résistant afin de stocker le carburant comprimé hautement explosif. La conception des piles à combustible, essentielles à la conversion de l hydrogène en énergie, représente aussi un défi. Leur membrane électrolyte doit contenir du platine, un métal aussi onéreux que fragile. Pour que les coûts soient compatibles avec le marché, il faut réduire la quantité de platine par 10, voire par 50, ce qu on ne sait pas faire aujourd hui. Autre casse-tête: la production de l hydrogène. Il faut de l énergie pour l extraire des molécules d eau. Actuellement, les 20 milliards de mètres cubes d hydrogène produits dans le monde sont à 90 % issus des hydrocarbures! Adapté de : L Express, Hydrogène : en route vers le futur [en ligne]. (Consulté le 28 novembre 2008.) Une pile à combustible fournit de l énergie grâce à la combustion du dihydrogène. CHIMIE C H A P I T R E CHAPITRE LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES GAZ THÉORIE 15

8 Quelques autres gaz LE DIAZOTE L azote est un élément essentiel à la vie, car il entre dans la fabrication de l ADN et des protéines. Tou te fois, la majorité des organismes vivants ne peuvent l absorber directement du diazote de l air. Le diazote est une molé - cule très stable, constituée de deux atomes d azote, dont la liaison triple est très diffi - cile à briser. ÉTYMOLOGIE «Azote» vient des mots grecs a et zôê, qui signifient «sans vie». Pour que les plantes puissent l assimiler, l azote doit d abord être lié à d autres éléments, par exemple à l hydro - gène sous forme de NH ou de NH 4 +. Certaines bactéries, notamment celles qui vivent dans les racines des légumineuses (voir la FIGURE.15), possèdent les mécanismes néces saires pour fixer l azote et pour le rendre disponible aux autres organismes de la chaîne alimentaire. La grande stabilité chimique du diazote peut être exploitée dans les applications qui nécessitent un milieu inerte. Par exemple, pour empêcher l oxydation des aliments, on les entrepose dans des contenants remplis uniquement de diazote..15 Ces racines de fèves montrent des nodosités dans lesquelles vivent des bactéries fixatrices d azote. LES GAZ RÉFRIGÉRANTS Théoriquement, tous les gaz pourraient servir de gaz réfrigérants. En effet, le prin - cipe de fonctionnement d un appareil de réfrigération comporte un passage de la phase gazeuse à la phase liquide, et vice versa. Cependant, certains gaz sont plus efficaces pour cette application. Les premiers gaz utilisés à cette fin, comme le dioxyde de soufre (SO 2 ), l ammoniac (NH ) ou le chlorure de méthyle (CH Cl), étaient toxiques ou inflammables. On a cru par la suite que la découverte des chlorofluorocarbures, les CFC, aussi connus sous le nom de «fréon», était la solution. En plus d être très efficaces, les CFC avaient l avantage de ne pas être toxiques et d être peu réactifs. De fait, lorsqu ils parviennent à s échapper, ces gaz peuvent atteindre la stratosphère sans causer de problèmes. Malheureusement, une fois dans la stratosphère, ils détrui - sent la couche d ozone. Pour cette raison, depuis 1987, des recommandations proposées dans le «Protocole de Montréal» ont amené plusieurs pays à interdire ou à limiter l utilisation des CFC..16 On récupère les CFC que contiennent les appareils réfrigérants avant de les détruire, pour éviter la contamination de l environnement. 16 PARTIE I L E S G A Z THÉORIE

9 Nom : Groupe : Date : Exercices.1 La réactivité chimique des gaz 1. Afin d assurer la sécurité des gens qui manipulent des bouteilles de gaz, on appose sur les contenants des symboles qui indiquent les précautions à prendre selon la nature de la substance. Précisez ce que signifie chacun des symboles suivants et les précautions à prendre dans chaque cas. a) Matières comburantes. Il faut éviter de mettre ces substances en présence de combustibles pour éviter la combustion. b) Matières inflammables et combustibles. Il faut éviter de mettre ces substances en présence d un comburant pour éviter la combustion. c) Gaz comprimés. Il faut éviter de soumettre ces gaz à la chaleur, car leur pression augmenterait et il pourrait en résulter une explosion. 2. L hélium est un gaz inerte. Même s il n est pas toxique pour l être humain, il peut causer sa mort. Expliquez pourquoi. En prenant la place du dioxygène dans l organisme, l hélium inhalé peut causer la suffocation et l asphyxie.. Une bouteille contenant du diazote gazeux est exposée à une source de chaleur intense. Y a-t-il un risque que le gaz s enflamme? Expliquez votre réponse. Non, il n y a pas de risque que le gaz s enflamme, puisque le diazote n est pas un gaz inflammable. 4. Lorsqu on brûle des substances provenant des organismes vivants, quels sont les effets sur l environnement? Expliquez votre réponse. Lorsqu on brûle des substances provenant des organismes vivants, il y a production de dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre. CHIMIE C H A P I T R E 5. Pourquoi le dihydrogène est-il considéré comme un combustible propre? Parce que la combustion du dihydrogène ne produit que de l eau. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 17

10 Nom : Groupe : Date : 6. Pour chacune des propriétés énumérées ci-dessous, indiquez s il s agit d une propriété physique ou d une propriété chimique des gaz et expliquez pourquoi. a) L ammoniac forme une fumée blanche en présence de chlorure d hydrogène. C est une propriété chimique, puisque la présence d une fumée blanche indique la formation d un précipité, donc une transformation chimique. b) Le point d ébullition du diazote est de 196 C. C est une propriété physique, puisque l ébullition est un changement physique. c) Le dichlore rallume un tison incandescent. C est une propriété chimique, puisque le dégagement de lumière indique qu il y a une transformation chimique. d) Une bouteille qui contient de l hélium peut exploser sous l effet de la chaleur. C est une propriété physique, puisque l hélium ne réagit pas. e) Le dichlore a une odeur suffocante. C est une propriété physique, puisqu elle ne suppose pas de transformation de la matière. f) Le contact du méthane avec une flamme peut provoquer une explosion. C est une propriété chimique, puisque le méthane est un combustible, donc l explosion indiquerait qu il brûle. 7. Pour chacun des énoncés suivants, indiquez un gaz qui pourrait être approprié. Réponses variables. Exemples. a) On cherche un combustible qui pourrait alimenter un appareil portatif. Butane, propane, méthane. b) On cherche un gaz qui peut assurer une combustion. Dioxygène, dichlore. c) On cherche un gaz qui offre un milieu neutre. Diazote, argon, hélium. d) On cherche un combustible qui ne produit pas de gaz à effet de serre. Dihydrogène. e) On cherche un gaz qui entre dans la fabrication de l ADN, mais que seules quelques bactéries peuvent fixer. Diazote. Consulter le Compagnon Web pour d autres exercices en lien avec la section PARTIE I L E S G A Z EXERCICES

11 .2 Les calculs stœchiométriques Les calculs stœchiométriques permettent d établir précisément les quantités de réactifs nécessaires pour entraîner une réaction et de prédire les quantités de produits qui seront formés. C est l équation chimique d une réaction qui nous informe des proportions de chacune des substances en jeu. Grâce à la loi des combinaisons volumétriques de Louis Joseph Gay-Lussac et à la connais sance du volume molaire des gaz (voir le chapitre 2), d autres renseignements sont aussi à notre disposition dans le cas des gaz. Examinons l exemple de la synthèse de l ammoniac, à l aide du TABLEAU.17. D après ce tableau, on peut dire qu un volume de diazote réagit avec trois volumes de dihydrogène pour former deux volumes d ammoniac, aux mêmes conditions de température et de pression. Le rapport des volumes gazeux est donc le même que celui du nombre de molécules des substances en jeu dans la réaction. C est pourquoi, dans certains calculs, on utilise les coefficients sans unité de mesure. Ils représentent alors un rapport et non un volume. Toutefois, on ne peut appliquer cette méthode que lorsqu on compare deux volumes de gaz entre eux, aux mêmes conditions de température et de pression..17 DIFFÉRENTS RENSEIGNEMENTS PROVENANT DE L ÉQUATION CHIMIQUE DE LA SYNTHÈSE DE L AMMONIAC CONCEPTS DÉJÀ VUS o Masse o Volume o Balancement d équa tions chimiques o Loi de la conser - vation de la masse o Stœchiométrie o Masse atomique relative o Notion de mole LABO 9. LA COMPARAISON ENTRE LE VOLUME DE GAZ RECUEILLI ET CELUI DÉTERMINÉ PAR CALCULS STŒCHIOMÉTRIQUES Équation chimique N 2(g) + H 2(g) 2 NH (g) Nombre de moles Une mole trois moles deux moles de molécules réagit avec de molécules de pour former de molécules de diazote dihydrogène d ammoniac Masse 28,02 g/mol 2,02 g/mol 17,04 g/mol 1 mol réagissent avec mol pour former 2 mol = 28,02 g = 6,06 g = 4,08 g Volume à TPN 1 22,4 L réagissent avec 67,2 L pour former 44,8 L Volume à TAPN 2 24,5 L réagissent avec 7,5 L pour former 49,0 L 1 TPN : conditions de température et de pression normales (0 C et 101, kpa). 2 TAPN : conditions de température ambiante et de pression normale (25 C et 101, kpa). Les volumes de gaz, contrairement aux masses, ne sont pas conservés au cours de la réaction. Ils ne s additionnent donc pas. En effet, comme le volume occupé par un gaz dépend de son nombre de particules et non de sa masse, le volume occupé par les réactifs n est pas nécessairement le même que celui occupé par les produits. Il en va de même lorsqu une réaction comporte plusieurs phases à la fois. La FIGURE.18 montre un exemple de cette différence de volumes. La réaction illustrée produit un gaz qui fait gonfler le ballon. Le volume de gaz augmente au fur et à mesure de la réaction. CO 2.18 La réaction entre le bicarbonate de sodium (NaHCO ) solide et le vinaigre (CH COOH) en solution aqueuse produit du dioxyde de carbone gazeux. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z THÉORIE 19 O 2 N 2 Mélange de bicarbonate de sodium (NaHCO ), de vinaigre (CH COOH) et d'indicateur ANIMATION CHIMIE C H A P I T R E

12 Voyons maintenant un exemple de calculs stœchiométriques que l on peut effec - tuer lorsqu une réaction fait intervenir des gaz. Quel sera le volume d ammoniac produit si on fait réagir complètement 0 ml de dihydrogène gazeux avec une quantité suffisante de diazote? Les volumes sont mesurés aux mêmes conditions de température et de pression. N 2(g) + H 2(g) 2 NH (g) 0 ml? ml 2 0 ml 2 = 20 ml Il y a production de 20 ml d ammoniac. Dans l exemple précédent, on compare deux volumes gazeux, aux mêmes conditions de température et de pression. On peut par conséquent utiliser le rapport des coefficients sans unité de mesure. Voyons un autre exemple qui montre comment effectuer les calculs stœchio mé - triques lorsqu on compare un gaz avec une autre phase de la matière. Quel sera le volume de dihydrogène produit si on fait réagir complètement 20,00 g de magnésium solide en présence d acide chlorhydrique, à TPN? Équation 1 Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) MÉTHO, p. 440 Correspondances 2 Données du problème 4 5 Calculs 6 Réponse 7 1 mol 2 mol 1 mol 1 mol 24,1 g 72,92 g 95,21 g 2,02 g 22,4 L à TPN 20,00 g? L 24,1 g 22,4 L 20,00 g 22,4 L = 18,4 L 24,1 g La réaction de 20,00 g de magnésium produit 18,4 L de dihydrogène. Pour résoudre le problème précédent, nous avons utilisé le volume molaire des gaz. Lorsque les conditions de température et de pression ne correspondront pas aux conditions normalisées de TPN ou de TAPN, il faudra alors calculer le nombre de moles du gaz, et ensuite le convertir en L ou en kpa, selon l énoncé du problème, avec la formule des gaz parfaits. 140 PARTIE I L E S G A Z THÉORIE

13 Nom : Groupe : Date : Exercices.2 Les calculs stœchiométriques 1. Soit la réaction suivante : 2 P (g) + Cl 2(g) 2 PCl (g) Laquelle des affirmations suivantes est vraie? Encerclez la bonne réponse. a) 20 ml de P réagissent avec 20 ml de Cl 2 pour former 20 ml de PCl. b) 10 ml de P réagissent avec 20 ml de Cl 2 pour former 0 ml de PCl. c) 20 ml de P réagissent avec 0 ml de Cl 2 pour former 20 ml de PCl. d) 20 ml de P réagissent avec 0 ml de Cl 2 pour former 50 ml de PCl. 2. Le gaz propane (C H 8 ), que l on utilise dans les barbecues, brûle selon l équation suivante : C H 8(g) + 5 O 2(g) CO 2(g) + 4 H 2 O (g) Quel volume de dioxyde de carbone sera produit par la réaction de,2 L de dioxygène? C H 8(g) + 5 O 2(g) CO 2(g) + 4 H 2 O (g),2 L 5 = 1,92 L,2 L? L 5 Un volume de 1,9 L de dioxyde de carbone sera produit.. Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez l équation chimique correspondante. a) 50 ml d un gaz A réagissent avec 75 ml d un gaz B pour former 25 ml d un gaz C. 2 A (g) + B (g) C (g) CHIMIE C H A P I T R E b) 100 ml d un gaz X se décomposent pour former 400 ml d un gaz Y et 200 ml d un gaz Z. X (g) 4 Y (g) + 2 Z (g) c) 2,5 L d un gaz A réagissent avec 1,25 L d un gaz B pour produire 1,25 L d un gaz C et,75 L d un gaz D. 2 A (g) + B (g) C (g) + D (g) CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 141

14 Nom : Groupe : Date : 4. L acide chlorhydrique réagit en présence d ammoniac pour former un solide blanc, selon l équation chimique suivante : HCl (g) + NH (g) NH 4 Cl (s) Quel volume d acide chlorhydrique gazeux sera nécessaire pour obtenir 20,00 g de chlorure d ammonium à TPN? HCl (g) + NH (g) NH 4 Cl (s) 1 mol 1 mol 1 mol 6,46 g 17,04 g 5,50 g 22,4 L à TPN 22,4 L à TPN? L 20,00 g 22,4 L 5,50 g 6. 22,4 L 20,00 g 5,50 g = 8,7 L 7. Un volume de 8,7 L d acide chlorhydrique sera nécessaire. 5. Soit la réaction suivante : CO (g) + 7 H 2(g) C H 8(g) + H 2 O (l) Quel volume de dihydrogène réagira avec 800,0 ml de monoxyde de carbone, à une pression de 00,0 kpa et à une température de 150,0 C? CO (g) + 7 H 2(g) C H 8(g) + H 2 O (l) 800,0 ml? ml 7 800,0 ml 7 = 1866,7 ml Un volume de 1867 ml de dihydrogène réagira avec 800,0 ml de monoxyde de carbone. 142 PARTIE I L E S G A Z EXERCICES

15 Nom : Groupe : Date : 6. Le chlorate de potassium se décompose selon l équation chimique suivante : 2 KClO (s) O 2(g) + 2 KCl (s) Quel volume de dioxygène sera produit lors de la décomposition de 50,00 g de chlorate de potassium, à TPN? KClO (s) O 2(g) + 2 KCl (s) 2 mol mol 245,10 g 96,00 g 67,2 L 50,00 g? L 245,10 g 67,2 L 50,00 g 67,2 L 245,10 g = 1,7 L 7. Il y aura production de 1,7 L de dioxygène. 7. Lors de l oxydation d un morceau de fer en présence de dioxygène, on remarque que sa masse diminue graduellement. Si le morceau de fer pesait initialement 100,00 g, quelle sera sa nouvelle masse lorsque 1,2 L de dioxygène aura réagi aux conditions ambiantes? 4 Fe (s) + O 2(g) 2 Fe 2 O (s) Fe (s) + O 2(g) 2 Fe 2 O (s) 4 mol mol 2 mol 22,40 g 96,00 g 19,4 g 7,5 L à TAPN? g 1,2 L 22,40 g 7,5 L 22,40 g 1,2 L 7,5 L =,6 g 7. Il y aura une diminution de masse de,6 g. 100,00 g,6 g = 96,4 g CHIMIE C H A P I T R E La nouvelle masse sera de 96,4 g. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 14

16 Nom : Groupe : Date : 8. La plupart des métaux réagissent en présence d un acide. Cette réaction produit un sel ainsi qu un dégagement de dihydrogène. Par exemple, la réaction du zinc avec de l acide sulfurique produit du sulfate de zinc selon l équation suivante : Zn (s) + H 2 SO 4(aq) ZnSO 4(aq) + H 2(g) Quel sera le volume de gaz obtenu si on fait réagir complètement un morceau de 7,50 g de zinc avec une quantité suffisante d acide sulfurique, aux conditions ambiantes? Zn (s) + H 2 SO 4(aq) ZnSO 4(aq) + H 2(g) 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 65,8 g 98,09 g 161,45 g 2,02 g 24,5 L à TAPN 7,50 g? L 65,8 g 24,5 L 6. 7,50 g 24,5 L 65,8 g = 2,81 L 7. Le volume de gaz obtenu sera de 2,81 L. 9. Pour synthétiser le méthanol, on fait réagir du monoxyde de carbone avec du dihydrogène, selon l équation suivante : CO (g) + 2 H 2(g) CH OH (l) Quel volume de dihydrogène gazeux sera nécessaire à une température de 0 C et une pression de 101, kpa pour produire 45,00 g de méthanol? 1. CO (g) + 2 H 2(g) CH OH (l) mol 2 mol 1 mol 28,01 g 4,04 g 2,05 g 22,4 L à TPN 44,8 L à TPN? L 45,00 g 44,8 L 2,05 g 6. 44,8 L 45,00 g 2,05 g = 62,9 L 7. Un volume de 62,9 L de dihydrogène gazeux sera nécessaire. Consulter le Compagnon Web pour d autres exercices en lien avec la section PARTIE I L E S G A Z EXERCICES

17 Résumé Les propriétés chimiques des gaz CHAPITRE.1 LA RÉACTIVITÉ CHIMIQUE DES GAZ La réactivité chimique d une substance est sa capacité à réagir sous l effet de la chaleur, de la lumière ou du contact avec d autres substances. La réactivité chimique d un gaz dépend: de la force d attraction qui existe entre le noyau des atomes qui le cons ti - tuent et leurs électrons de valence; de la tendance de ces atomes à gagner ou à perdre des électrons; du bilan énergétique de la réaction à laquelle le gaz serait susceptible de prendre part. Les connaissances relatives à la réactivité chimique d un gaz peuvent servir à son identification, à son utilisation, à sa manipulation ou à la protection contre sa toxicité. À cause de leur configuration électronique, les gaz nobles (néon, argon, hélium, etc.) sont des éléments très stables chimiquement. Un comburant est une substance qui cause la combustion. Le dioxygène, l ozone, le difluor et le dichlore sont des comburants gazeux. Un combustible est une substance inflammable qui a la capacité de brûler en présence d un comburant tout en dégageant une grande quantité d énergie. Le méthane, le propane et le butane sont des hydrocarbures gazeux. Le dihydro - gène est un excellent combustible, mais il est très réactif et peu présent dans l atmosphère. Le diazote présent dans l air est une molécule très stable à cause de la liaison triple qui relie ses deux atomes d azote. Seules certaines bactéries peuvent fixer l azote, indispensable à la vie, en le liant à d autres éléments, par exemple à l hydrogène sous forme de NH ou de NH 4 +. Tous les gaz pourraient servir de gaz réfrigérants, mais certains sont plus efficaces..2 LES CALCULS STŒCHIOMÉTRIQUES Les calculs stœchiométriques permettent d établir précisément les quantités de réactifs nécessaires pour entraîner une réaction et de prédire les quantités de produits qui seront formés. Dans les mêmes conditions de température et de pression, le rapport des volumes gazeux en jeu dans une réaction est le même que celui du nombre de molécules des substances. C est pourquoi, dans certains calculs, on utilise les coefficients sans unité de mesure. Comme le volume occupé par un gaz dépend de son nombre de particules et non de sa masse, le volume occupé par les réactifs n est pas nécessairement le même que celui occupé par les produits. CHIMIE C H A P I T R E CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z THÉORIE 145

18 Autres informations importantes 146 PARTIE I L E S G A Z THÉORIE

19 Nom : Groupe : Date : Exercices sur l ensemble du chapitre 1. La production d ammoniac s effectue selon l équation suivante : N 2(g) + H 2(g) 2 NH (g) a) Si la réaction s effectue dans un milieu clos, à température et volume constants, qu arrive-t-il à la pression au fur et à mesure de la réaction? Expliquez votre réponse. Au fur et à mesure de la réaction, la pression diminue puisqu il y a moins de molécules du côté des produits que du côté des réactifs (quatre molécules de réactifs se transforment en deux molécules de produits). En effet, la pression dépend du nombre de particules de gaz. b) Si la pression initiale est de 240 kpa et que tous les réactifs se sont transformés en produits, quelle sera la pression finale du système? Expliquez votre réponse. Comme le nombre de particules de gaz diminue de moitié, la pression diminue de moitié. Donc, la pression finale sera de 120 kpa. 2. Pour assurer sa propulsion, une fusée doit transporter deux réservoirs, l un contenant du dioxygène et l autre, du dihydrogène. a) Quel est le rôle chimique de chacun des gaz transportés? Le dioxygène est un comburant, c est-à-dire qu il assure la combustion, tandis que le dihydrogène est un combustible, c est-à-dire qu il a la capacité de brûler afin de fournir l énergie nécessaire à la fusée pour décoller et se déplacer. CHIMIE C H A P I T R E b) Écrivez l équation chimique qui décrit la réaction entre le dihydrogène et le dioxygène. 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 147

20 Nom : Groupe : Date : c) Si 1200 L de dioxygène sont transformés, quel volume de dihydrogène a réagi, dans les mêmes conditions de température et de pression? 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l)? L 1200 L L 1 = 2400 L Un volume de 2400 L de dihydrogène a réagi.. Le sulfure de dihydrogène (H 2 S) est un gaz incolore, qui possède une odeur caractéristique d œuf pourri. Il est naturellement présent dans le pétrole et le gaz naturel. Il est aussi possible de le trouver dissous dans l eau en petite quantité. Il cause la corrosion de plusieurs métaux. Par exemple, des objets en argent noircissent en sa présence à cause de la production d un solide noir, le sulfure d argent. C est un gaz inflammable, qui, en brûlant, produit un gaz responsable des pluies acides. Nommez les propriétés physiques et chimiques du sulfure de dihydrogène indiquées dans le texte ci-dessus. Propriétés physiques Gaz incolore. Odeur caractéristique d œuf pourri. Peu soluble dans l eau. Propriétés chimiques Cause la corrosion des métaux. Réagit avec l argent. Cause le noircissement de l argent. Gaz inflammable. 4. À cause des propriétés chimiques particulières de l azote, le dioxygène et le diazote peuvent se combiner dans différentes proportions. Il en résulte des composés de formules chimiques différentes, dont le NO, le N 2 O ou le NO 2. Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez l équation chimique et la formule chimique de la molécule obtenue, parmi celles ci-dessus. On suppose qu il y a réaction complète de chacun des réactifs. a) 20 ml de diazote réagissent avec 20 ml de dioxygène. N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) b) 40 ml de diazote réagissent avec 20 ml de dioxygène. 2 N 2(g) + O 2(g) 2 N 2 O (g) c) 40 ml de diazote réagissent avec 80 ml de dioxygène. N 2(g) + 2 O 2(g) 2 NO 2(g) 148 PARTIE I L E S G A Z EXERCICES

21 Nom : Groupe : Date : 5. L aluminium est un métal qui a la propriété de résister à la corrosion. En contact avec le dioxygène de l air, il s oxyde pour former une mince couche de trioxyde de dialuminium solide. C est ce solide imperméable qui protège le reste du métal de la corrosion. a) Écrivez l équation qui décrit la synthèse du trioxyde de dialuminium à partir de ses éléments. 4 Al (s) + O 2(g) 2 Al 2 O (s) b) Quel volume de dioxygène est nécessaire, aux conditions ambiantes, pour produire 50,00 g de trioxyde de dialuminium? Al (s) + O 2(g) 2 Al 2 O (s) 4 mol mol 2 mol 107,92 g 96,00 g 20,92 g 7,5 L à TAPN? L 50,00 g 7,5 L 20,92 g 7,5 L 50,00 g 20,92 g = 18,0 L 7. Il faut 18,0 L de dioxygène pour produire 50,00 g de Al 2 O. 6. Les coussins gonflables sont des dispositifs de sécurité dont l utilisation est de plus en plus répandue dans les automobiles. C est la décomposition rapide du trinitrure de sodium solide qui permet de gonfler en une fraction de seconde le sac du coussin. a) Écrivez l équation de décomposition du trinitrure de sodium en ses éléments. 2 NaN (s) 2 Na (s) + N 2(g) b) Quelle est la masse de trinitrure de sodium qui doit réagir pour que le gaz produit puisse remplir un coussin de 15,0 L, à 102,0 kpa et 20,0 C? PV = nrt D où n = PV RT 102,0 kpa 15,0 L n = 8,14 kpa L/mol K 29,0 K = 0,628 mol NaN (s) 2 Na (s) + N 2(g) 2 mol 2 mol mol 10,04 g 45,98 g 84,06 g? g 0,628 mol 10,04 g mol 10,04 g 0,628 mol mol = 27,2 g CHIMIE C H A P I T R E 7. Il faut 27,2 g de trinitrure de sodium pour remplir un coussin de 15,0 L. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 149

22 Nom : Groupe : Date : 7. L utilisation de l automobile a contribué au réchauffement climatique parce qu elle dégage un gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, produit lors de la combustion de l essence. Sachant que l essence est principalement constituée d octane (C 8 H 18 ) et que la masse volumique de cette substance est de 0,69 g/ml, calculez le volume de dioxyde de carbone produit dans une année aux conditions ambiantes par une automobile qui consomme en moyenne 8,5 L/100 km et qui parcourt km annuellement. Calcul du volume d essence 1.? L km 2. 8,5 L 100 km 8,5 L. 100 km =? L km 8,5 L km km = 850 L 5. L automobile consomme environ 850 L d essence par année. Calcul de la masse d essence 1. m =? 2. V = ml ρ = 0,69 g/ml m. ρ = V D où m = ρv 4. m = 0,69 g/ml x ml = g Calcul du volume de dioxyde de carbone L automobile consomme environ g d essence par année. 2 C 8 H 18(l) + 25 O 2(g) 16 CO 2(g) + 18 H 2 O (g) mol 25 mol 16 mol 18 mol 228,52 g 800,00 g 704,16 g 24,6 g 612,5 L à TAPN 92 L à TAPN 441 L à TAPN g? L 228,52 g 92 L g 92 L 228,52 g = 1, L 7. L automobile produit 1, L de dioxyde de carbone par année. Consulter le Compagnon Web pour d autres exercices sur l ensemble du chapitre. 150 PARTIE I L E S G A Z EXERCICES

23 Nom : Groupe : Date : Défis 1. À l aide de la théorie cinétique des gaz, expliquez pourquoi il y a danger d explosion lorsqu un gaz, confiné dans un contenant, est exposé à la chaleur. Lorsque la température augmente, l énergie cinétique des particules augmente, ce qui occasionne une augmentation du nombre de collisions, donc une augmentation de la pression dans le contenant. À un certain moment, la pression interne devient trop élevée, ce qui cause l explosion du contenant. 2. La nitroglycérine est une molécule très instable qui se décompose selon l équation suivante : 4 C H 5 N O 9(s) 6 N 2(g) + 12 CO 2(g) + 10 H 2 O (g) + O 2(g) La formation soudaine de tous ces gaz, accompagnée d une grande quantité de chaleur, cause une explosion foudroyante. Si la réaction provoque une augmentation de pression de kpa, quelle est la pression partielle de chacun des gaz produits par la décomposition d une certaine quantité de nitroglycérine? n N2 n T kpa 6 mol P pn2 = P T = = kpa 29 mol n CO2 n T kpa 12 mol P pco2 = P T = = kpa 29 mol n H2 O n T P ph2 O = P kpa 10 mol T = = kpa 29 mol n O2 n T kpa 1 mol P po2 = P T = = 1724 kpa 29 mol. Au laboratoire, Michelle fait réagir 4,08 g d ammoniac (NH ) gazeux en présence de 56,0 L de dioxygène, à 0 C et à 101, kpa. Elle note que les réactifs se sont complètement transformés en produits. Dans quelle proportion molaire l ammoniac réagit-il avec le dioxygène? M = m n D où n = m M 4,08 g n = 17,04 g/mol = 2,0 mol? mol 56,0 L 1 mol 22,4 L à TPN 1 mol 56,0 L 22,4 L = 2,5 mol CHIMIE C H A P I T R E L ammoniac réagit en présence de dioxygène selon un rapport de 2 : 2,5 ou de 4 : 5. CHAPITRE L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z EXERCICES 151

24 Nom : Groupe : Date : 4. Le tricarbonate de dialuminium (Al 2 (CO ) ) se décompose selon l équation chimique suivante : Al 2 (CO ) (s) Al 2 O (s) + CO 2(g) Une quantité de 20,00 g de cette substance se décompose dans un contenant scellé de 4,500 L, à une température de 120,0 C et une pression de 105,0 kpa. Quelle sera la pression finale dans le contenant lorsque tout le solide se sera décomposé? Calcul du nombre de moles de CO 2 1. Al 2 (CO ) (s) Al 2 O (s) + CO 2(g) mol 1 mol mol 2,99 g 101,96 g 12,0 g 20,00 g? mol 2,99 g mol 20,00 g mol 2,99 g = 0,2564 mol Il y aura 0,2564 mol de CO 2 dans le contenant. Calcul de la pression partielle du CO 2 1. P =? Calcul de la pression totale 1. P T =? 2. V = 4,500 L n = 0,2564 mol R = 8,14 kpa L/mol K T = 120,0 C +27 = 9,0 K. PV = nrt D où P = nrt V 0,2564 mol 8,14 kpa L/mol K 9,0 K 4. P = 4,500 L = 186,2 kpa 5. La pression partielle du CO 2 sera de 186,2 kpa. 2. P pair = 105,0 kpa P pco2 = 186,2 kpa. P T = P pair + P pco2 4. P T = 105,0 kpa + 186,2 kpa = 291,2 kpa La pression finale sera de 291,2 kpa. 152 PARTIE I L E S G A Z EXERCICES