Hygiène et Sécurité HS 2

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1 Hygiène et Sécurité HS 2 Leçon N 5 : Les Réactions chimiques Introduction Apres avoir évoqué la mole et les masses molaires, nous allons, avant de nous intéresser aux solutions aqueuses, évoquer brièvement la réaction chimique en en donnant quelques exemples précis puis en évoquant les grands principes fondamentaux qui régissent le fonctionnement des équations bilans ainsi que les règles d établissement de ces équations. Les objectifs sont ici : - comment décrire un système chimique et son évolution au cours du temps? - Comment écrire l équation d une réaction chimique avec des nombres stoechiométriques corrects? Les pré-requis sont les suivants : - test de connaissance de quelques ions et de quelques molécules. - Réactions de combustions des gaz dans l air. - Symboles des éléments et formule de quelques molécules. 1. Exemples de Réactions chimiques 1.1- Réaction du cuivre avec les ions argent Combustion du méthane Réaction de la craie dans l acide Réaction chimique. 2. Les Equations bilans des réactions chimiques 2.1- Définition Ajustement des coefficients stoechiométriques Exemples. Synthèse : La réaction chimique COURS 1-6

2 1. Exemples de Réactions chimiques 1.1- Réaction du cuivre avec les ions argent. Expérience: On plonge un fil de cuivre Cu, fixé sur une tige de verre, dans une solution aqueuse de nitrate d argent Ag + -, NO 3 Au bout de quelques instants, on constate que : - des filaments gris clairs, présentant un éclat métallique, apparaissent sur le fil de cuivre, ce sont des filaments d argent Ag. - La solution initialement incolore est devenue bleue ce qui traduit l apparition d ions cuivre (II). Cu 2+. Interprétation: Lors de la réaction, les atomes de métal cuivre Cu perdent des électrons pour donner des ions cuivre (II) Cu 2+.alors que les ions argent Ag + captent des électrons pour donner des atomes d argent Ag. Le métal cuivre et les ions argent constituent les réactifs de cette réaction dont le métal argent et les ions cuivre (II) constituent les produits. Les ions NO - 3 ne participent pas à la réaction, on dit qu ils sont spectateurs. Important : Au cours d une réaction chimique, les réactifs peuvent échanger des électrons pour donner de nouvelles espèces, les produits. On parlera dans ce cas de réaction d oxydoréduction. Réaction : CH O 2 CO H 2 O Ne pas donner cette équation! 1.2- Combustion du méthane. Le méthane CH 4 brûle si l arrivée d air et donc de dioxygène est suffisante avec une flamme bleue pâle. C est une réaction de combustion. Lorsque cette réaction de combustion est complète, il se forme de l eau H 2O et du dioxyde de carbone CO 2. Lors de la réaction de combustion des espèces chimiques ont disparu : le méthane et le dioxygène, d autres espèces sont apparues, l eau et le dioxyde de carbone. La combustion est donc une réaction chimique. Le dioxygène et le méthane sont les réactifs et le dioxyde de carbone et l eau sont les produits de la réaction. Important : Au cours d une réaction chimique, les atomes constituant les réactifs peuvent s associer différemment pour donner d autres espèces chimiques : les produits. Réaction : 2(Ag +,NO 3 - ) + Cu Cu Ag + 2 NO Réaction de la craie dans l acide. Expérience : Objectif : Le but de cette troisième manipulation est de déterminer si oui on non il y a disparition ou apparition de matière au cours d une réaction chimique ou si globalement il y a conservation de la masse au cours d une réaction chimique Mode opératoire : On réalise sur le plateau d'une balance électronique une réaction chimique : l'action de l'acide chlorhydrique HCl sur du carbonate de calcium CaCO 3 (craie). Réactifs à utiliser : 0,5 cm 3 de calcium 4 cm 3 d'acide chlorhydrique fourni Décrire le résultat de l'observation : : La réaction chimique COURS 2-6

3 Observations : La craie se dissout dans l acide et le ballon (le gant se gonfle La masse indiquée par la balance n a pas variée au cours de l expérience. Identification des produits obtenus à l'issue de la réaction chimique Identification du gaz obtenu Le gaz qui se dégage est du dioxyde de carbone CO 2, on le met en évidence en approchant une bougie qui normalement s éteint le CO 2 replaçant l oxygène et empêchant la réaction de combustion Identification des ions de la solution aqueuse La solution obtenue contient des ions calcium Ca 2+ et des ions chlorure Cl -. Conclusions : Au cours de cette réaction chimique la masse totale de notre ensemble «clos» (il n échange pas de matière avec l extérieur) n a pas variée : ceci porte le nom de principe de Lavoisier. Réaction : CaCO HCl CO 2 + H 2 O + 2 Cl - + Ca 2+ Sachant que parmi les produits formés il y a aussi de l'eau, nous allons maintenant écrire l équation bilan de cette réaction chimique 1.4- Réaction chimique. Définitions importantes et principe : Définition : La réaction chimique Une réaction chimique est la transformation chimique d un système qui passe d un état initial, constitué des réactifs, à un état final qui contient les nouvelles espèces : les produits. REACTIFS PRODUITS FORMES Une réaction chimique obéit à deux lois fondamentales : - Conservation de la matière. - Conservation de la masse. Cela signifie simplement que : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme." (Lavoisier ) Culture : Lavoisier, Antoine Laurent de ( ), chimiste français, considéré comme le fondateur de la chimie moderne. Lavoisier naquit à Paris et fit ses études au collège Mazarin. Il fut élu membre de l'académie des sciences en Il occupa de nombreux postes, y compris celui de directeur des Poudreries nationales en 1776, de membre de la Commission pour l'établissement du nouveau système de poids et mesures en 1790 et de secrétaire de la Trésorerie en Il tenta d'introduire des réformes dans le système monétaire et fiscal français, ainsi que dans le système agricole. Sa fonction de fermier général lui valut d'être arrêté en 1793 sur ordre de la Convention. Il fut alors jugé, condamné, puis guillotiné le 8 mai Lavoisier fut l'un des premiers à réaliser des expériences chimiques réellement quantitatives. Il montra qu'en dépit du changement d'état de la matière au cours d'une réaction chimique, la quantité de matière restait constante entre le début et la fin de chaque réaction. Ces expérimentations ont fourni des preuves en faveur de la loi de la conservation de la matière. Lavoisier fit également des recherches sur la composition de l'eau, dont il appela les composants oxygène et hydrogène. L'une des plus importantes expériences de Lavoisier concerna la nature de la combustion (ou brûlage). Il démontra ainsi que le processus de combustion implique la présence d'oxygène. Il démontra également le rôle de l'oxygène dans la respiration chez les animaux et chez les végétaux. Les explications de Lavoisier sur la combustion remplacèrent la doctrine du phlogistique. Celle-ci postulait en effet qu'une substance se dégageait, le phlogiston, lorsque la matière se consumait. Dans Traité élémentaire de chimie (1789), Lavoisier clarifia son concept d'élément chimique, défini comme substance simple n'étant susceptible d'être divisée par aucune méthode connue d'analyse chimique. Il élabora ainsi une théorie sur la formation des composés chimiques à partir d'éléments chimiques. Les autres traités de Lavoisier sont : Sur la combustion en général (1777) et Considérations sur la nature des acides (1778). Equation-bilan de la réaction chimique Connaissant les noms et les formules des réactifs et des produits, on est en mesure d'écrire l'équation-bilan de la réaction chimique observée : La réaction chimique COURS 3-6

4 2. Les Equations bilans des réactions chimiques 2.1- Définition. La réaction de combustion du méthane peut être schématiquement représentée par l écriture suivante : méthane + dioxygène dioxyde de carbone + eau Cette écriture indique la nature des réactifs et des produits, mais ne précise pas, par exemple, dans quelles proportions les réactifs interagissent. C est pour préciser ces proportions que les chimistes ont créées et utilisent les équations. Définition : L équation bilan Une équation chimique décrit l évolution du système dans lequel se déroule une réaction chimique. Les réactifs et les produits y sont représentés par leur formule. Par convention, les réactifs sont placés à gauche et les produits sont placés à droite d une flèche orientée de droite à gauche afin de préciser le sens d évolution du système. Des coefficients, appelés coefficients stoechiométriques, placés devant la formule de chaque espèce mise en jeu, permettent de traduire la conservation des éléments chimiques lors de la réaction. Ainsi l équation chimique de la combustion du méthane s écrit, lorsque les réactifs et le dioxyde de carbone sont gazeux (g) et l eau est liquide (l) : CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) 2.2- Ajustement des coefficients stoechiométriques. Dans ce cas, une molécule est composée de plusieurs atomes dont le nombre est déterminé précisément. Exemple : H 2O cette molécule d eau contient 2 atome d hydrogène pour un atome d oxygène. HCl l acide chlorhydrique contient un atome d hydrogène et un atome de chlore. Connaissant le nombre précis d atomes présent dans chaque molécule de matière on peut alors facilement déterminer la masse molaire de la molécule entière ce qui nous permet par exemple en connaissant la masse d une quantité d eau par exemple de déterminer le nombre de mole que cet ensemble contient. Important : L écriture d une équation chimique repose sur deux principes : - dans une réaction chimique, les éléments se conservent. - dans une réaction chimique, la masse des réactifs disparus est égale à la masse des produits formés (loi de LAVOISIER). Exercice 1 : équilibre d une équation bilan 1- Recopier et compléter : La combustion du butane C 4H 10 dans le dioxygène fournit de l eau liquide et du dioxyde de carbone gazeux. Pour écrire l équation bilan correspondant à la réaction chimique il faut procéder en plusieurs étapes : - écrire les différentes formules chimiques des produit et réactifs, les quatre composés auxquels nous sommes confronté sont :.... Ecrire l équation bilan présentant les différentes espèces (sans les coefficients stoechiométriques) Ajuster maintenant le nombre de mole de carbone. 3- Ajuster le nombre de moles d hydrogène. 4- Combien y a-t-il de mole d oxygène formé dans le dioxyde de carbone et dans l eau? 5- Ajuster alors le nombre de moles de dioxygène. Ecrire l équation bilan présentant la réaction chimique (avec les coefficients stoechiométriques) Si on ne souhaite utiliser que des coefficients stoechiométriques entiers, cette dernière équation peut se réécrire en multipliant tous les coefficients par 2, ce qui donne alors : : La réaction chimique COURS 4-6

5 2.2- Exemples. Exercice N 1: En présence de soleil, les plantes fabriquent le glucose C 6H 12O 2 et le dioxygène à partir du dioxyde de carbone et de l eau : c est la photosynthèse. Donner le nom et la formule des réactifs et des produits de cette réaction. Exercice N 2 : On considère la réaction de combustion du gaz butane d équation bilan : C 4H 10 + O 2 CO H 20 Recopier l équation bilan de cette réaction chimique en l équilibrant (utilisation des coefficients stoechiométriques. Exercice N 3: On fait la réduction (opération qui consiste pour certains corps à retirer l oxygène) de l oxyde de cuivre CuO par le dihydrogène H 2. Les produits obtenus sont de l eau H 2O et du cuivre Cu. Ecrire l équation bilan équilibrée de cette réaction chimique. Exercice N 4: La combustion du fer dans le dioxygène donne de l oxyde de fer Fe 2O 4. Ecrire l équation bilan équilibrée de cette réaction chimique. Exercice N 5: La combustion du fer dans le dioxygène donne de l oxyde de fer Fe 2O 4. Ecrire l équation bilan équilibrée de cette réaction chimique. Exercice N 6: Les feux d artifices. Le chlorate de potassium KClO 3 est utilisé dans les feux d artifices. Sa réaction avec de l aluminium donne de l alumine Al 2O 3 et du chlorure de potassium KCl, on obtient alors des gerbes d étincelles blanches. a) Ecrire l équation bilan de cette réaction chimique. Sa réaction avec du carbone donne du dioxyde de carbone et du chlorure de potassium KCl, on obtient alors des gerbes violettes. b) Ecrire l équation bilan de cette réaction chimique. Exercice N 7: L airbag. Lors d un choc, il se produit deux réactions chimiques qui produisent un gaz, le di azote N 2 assurant en une durée très brève (40 ms) le gonflage de l airbag. a) Lors de la première réaction chimique, l azoture de sodium NAN 3 se décompose en métal sodium et en di azote gazeux. Ecrire l équation bilan de cette réaction chimique. b) Au cours de la seconde réaction chimique, le sodium formé réagit avec le nitrate de potassium KNO 3 en produisant du di azote, de l oxyde de sodium Na 2O et de l oxyde de potassium K 2O. Ecrire l équation bilan de cette réaction chimique. Synthèse Définition : La réaction chimique Une réaction chimique est la transformation chimique d un système qui passe d un état initial, constitué des réactifs, à un état final qui contient les nouvelles espèces : les produits. REACTIFS PRODUITS FORMES Une réaction chimique obéit à deux lois fondamentales : - Conservation de la matière. - Conservation de la masse. Définition : L équation bilan Une équation chimique décrit l évolution du système dans lequel se déroule une réaction chimique. Les réactifs et les produits y sont représentés par leur formule. Par convention, les réactifs sont placés à gauche et les produits sont placés à droite d une flèche orientée de droite à gauche afin de préciser le sens d évolution du système. Des coefficients, appelés coefficients stoechiométriques, placés devant la formule de chaque espèce mise en jeu, permettent de traduire la conservation des éléments chimiques lors de la réaction : La réaction chimique COURS 5-6

6 : La réaction chimique COURS 6-6

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