La réaction chimique

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1 Chapitre 3 Sciences Physiques - BTS La réaction chimique 1. Les équations bilans 1.1. Noms et symboles Une réaction chimique peut être considérée comme une réorganisation de la matière. On distingue les «réactifs» des «produits de la réaction» On écrit l équation bilan qui ne donne aucune information sur la façon dont se déroule la réaction. Réactif 1 + Réactif 2 + Réactif 3 +. = Produit 1 + Produit 2 + produit 3 ou Réactif 1 + Réactif 2 + Réactif 3 +. Produit 1 + Produit 2 + produit Equilibrer une équation bilan Equilibrer une équation bilan demande l application successive de deux lois de conservations : La loi de conservation des éléments chimiques : chaque élément chimique doit se trouver en nombre identique des 2 côtés de l équation. «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme» La loi de conservation de la charge électrique Antoine Laurent de Lavoisier ( ) 1.3. Exemples Le propane gazeux régit avec le dioxygène de l air pour donner du gaz carbonique et de l eau L ion Fe 2+ réagit avec l élément Aluminium pour donner l élément Fer et des ions Aluminium La réaction entre le permanganate de potassium et une solution de fer MnO H + + Fe 2+ Mn 2+ + H 2 O + Fe 3+ Enveloppe du Bâtiment Page 1

2 2. Quelques familles de réactions 2.1. Les réactions de combustion La combustion est une réaction chimique exothermique qui ne peut se produire que si l on réunit trois éléments : un combustible, un comburant et une énergie d activation en proportion suffisante. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu. Le combustible peut être un gaz ( butane, propane, gaz de ville, dihydrogène ), un liquide (essence, gasoil, huile, kérosène ), un solide (bois, papier ) Le comburant est l autre réactif de la réaction chimique. La plupart du temps, il s agit de l air ambiant et plus particulièrement le dioxygène mais il peut s agir d autre composés comme le dichlore Cl 2 Combustion complète du méthane dans le dioxygène : Combustion du fer dans le dichlore : Fe (s) + Cl 2(g) = FeCl 3(s) 2.2. Les réactions d addition L addition est une réaction au cours de laquelle plusieurs molécules «fusionnent» pour n en donner qu une seule. Ces réactions ont lieu en particulier sur les alcènes comportant des doubles liaisons carbone et on parle de «l ouverture de la double liaison» addition du dihydrogène sur l éthène (l éthylène) : C 2 H 4(g) + H 2 = C 2 H 6 Réaction d hydrogénation : Enveloppe du Bâtiment Page 2

3 addition du dichlore sur l ethylène : C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 (dichloro -1, 2éthane) addition de l eau sur l ethylène : C 2 H 4 + H 2 O C 2 H 6 O (éthanol) Réaction d hydratation : Enveloppe du Bâtiment Page 3

4 2.3. Les réactions d élimination On peut considérer que l élimination est une réaction au cours de laquelle une double liaison carbone : C=C est formée tandis qu une petite molécule est libérée. élimination d eau d une molécule de butanol C 4 H 10 O : réaction de déshydratation. C 4 H 10 O (l) H 2 O (l) + C 4 H 8(l) 2.4. Les réactions de substitution La substitution est une réaction au cours de laquelle un élément d une molécule est remplacé par une autre. substitution du brome par de l iode sur le bromobutane C 4 H 9 Br C 4 H 9 Br + HI HBr + C 4 H 9 I Chloration du méthane : à chaud, entre 350 et 600 C, ou en présence de lumière, on obtient un mélange de CH 3 Cl, CH 2 Cl 2, CHCl 3 et CCl Les réactions de polyaddition Les polyadditions sont des réactions au cours desquelles un grand nombre de molécules identiques s additionnent les unes aux autres (l addition a lieu à chaque fois sur une double liaison). L unique réactif s appelle le monomère tandis que le seul produit s appelle le polymère. Les polymères sont des macromolécules. (pollus=plusieurs meros = partie) Exemples : polychlorure de vinyle (PVC) ; polyamides, polyuréthanes, silicones, caoutchouc Polymérisation par addition : Enveloppe du Bâtiment Page 4

5 Le caoutchouc naturel : un polymère de l isoprène : 2.6. Les réactions de polycondensation Les polycondensations sont des réactions d additions suivies d élimination de petites molécules (comme de l eau) Les réactions de précipitation La précipitation est une réaction au cours de laquelle des anions et des cations s agglomèrent pour former un solide ionique que l on appelle précipité. Les réactions de précipitation sont utilisée dans la mise en évidence de certains ions : ions sulfates, ions chlorures, ions metalliques Mise en évidence des ions ferriques Fe 3+ : test à la soude concentrée. Quelques gouttes de soude concentrée NaOH dans une solution contenant des ions Fe 3+ fait apparaitre un précipité de couleur rouille caractérisant l ion ferrique : Fe 3+ (aq) + 3OH - (aq) = Fe(OH) 3(s) Mise en évidence des ions chlorures Cl - : test au nitrate d argent. Quelques gouttes de nitrate d argent dans une solution contenant des ions chlorures fait apparaitre un précipité blanc de chlorure d argent : 2.8. Les réactions acido-basiques Ag + (aq) + Cl - (aq) = AgCl (s) Les réactions acido-basiques sont des réactions au cours desquelles il y a échange de prorons H +. Ces réactions feront l objet d une étude ultérieure Les réactions d oxydoréduction Ces réactions sont caractérisées par un transfert d électrons. Ces réactions feront l objet d une étude ultérieure. Enveloppe du Bâtiment Page 5

6 3. Bilan de matière d une réaction 3.1. Oxydation du fer en Fe 2 O 3 par le dioxygène. Exemple : Une mole de Fe réagit avec 0,5 mol de dioxygène Tableau d avancement : Etat du système avancement n Fe [mol] n O2 [mol] n Fe2O4 [mol] Etat initial Etat intermédiaire Etat final Quel est le réactif limitant? 3.2. Exemple d une réaction totale dans les proportions stochiométriques. La réaction est totale quand au moins l un des réactifs disparait totalement. Elle est de plus dans les condiditons stochiométriques quand tous les réactifs disparaissent totalement. Exemple : combustion d 1 mole de méthane dans 2 moles de dioxygènes : CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O Etat du système avancement n 1 [mol] n 2 [mol] n 3 [mol] n 4 [mol] Etat initial Etat intermédiaire Etat final L avancement final satisfait 4 équations : Donc : 3.3. Exemple d une réaction totale avec un réactif limitant. Une réaction totale n est pas nécessairement dans les conditions stochiométriques. Il existe alors un réactif limitant qui sera seul totalement consommé. Les autres réactifs sont en excés, donc il en restera dans l état final. Exemple : Oxydation du fer Fe 3 O 4 par le dioxygène avec n 1 = 3 mol et n 2 = 4 mol Enveloppe du Bâtiment Page 6

7 Tableau d avancement : Etat du système avancement n Fe [mol] n O2 [mol] n Fe3O4 [mol] Etat initial Etat intermédiaire Etat final = Le réactif limitant est le fer, le dioxygène est en excès Conservation de la masse lors d une réaction. La loi de conservation de la masse découle directement de la loi de conservation des éléments : 3.5. Les catalyseurs de réaction. Un catalyseur est une substance qui accroit la cinétique d une réaction. Il ne fait pas partie ni des réactifs, ni des produits, il n apparaît donc pas dans l équation bilan. Il participe à la réaction puis est régénéré. Exemple : le pot catalytique contient une chambre d acier inoxydable recouvert d alumine, de cérine de platine, de palladium ou de rhodium. Ces éléments déclenchent ou accentuent les réactions chimiques qui tendent à transformer les constituants les plus toxiques (monoxyde de carbone, hydrocarbure imbrûlés, oxyde d azote), en éléments moins toxiques (eau et CO 2 ) Rendement d une réaction. Le rendement est défini comme le rapport de la quantité de matière reéllement obtenue [mol] par la quantité de matière calculée. Enveloppe du Bâtiment Page 7

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9 Exercice 3 Exercice 4 Enveloppe du Bâtiment Page 9