A2 : Phénomènes associés aux risques chimiques

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1 A2 : Phénomènes associés aux risques chimiques 1. Réactions chimiques On appelle réaction ou transformation physicochimique le processus par lequel une ou plusieurs substances se transforment en une ou plusieurs autres substances. L équation-bilan de la réaction représente la transformation des réactifs en produits. Il existe des règles pour représenter par une formule les différentes espèces que l on rencontre en chimie. Le tableau ci-après résume les notions : Espèce chimique Représentation Exemples Espèce à structure atomique : Gaz rares Non-métaux A l état solide métaux Espèce à structure moléculaire : Gaz Liquides moléculaires Solides moléculaires Le symbole de l élément formant l espèce La formule des molécules constituant l espèce Gaz : He, Ne Non-métaux : C (graphite), S Métaux : Na, Fe, Cu Gaz : O 2, CH 4 Liquide : H 2 O, CH 4 Solide : H 2 O (glace), CO 2 Espèce à structure ionique: Solides ioniques La formule statistique NaCl, NA 2 SO 4 Ions en solution La formule de l ion Na + + Cl - ; Cu Cl - ; Fe Cl - L équation-bilan n est qu un bilan. Elle présente un bilan entre l état initial (réactifs) et l état final (produits). Mais elle n indique rien sur les conditions dans lesquelles la réaction a lieu. Elle ne précise pas : La température ou la pression auxquelles la réaction s effectue ; La concentration des réactifs que l on met en présence ; Le ph du milieu ; La vitesse de réaction ; Si la réaction est spontanée ou s il faut la déclencher. Elle ne précise pas non plus l échange d énergie. Il peut y avoir plusieurs types d échanges : Réaction exothermique : la réaction fournit de la chaleur au milieu extérieur ; Réaction endothermique : la réaction reçoit de la chaleur du milieu extérieur ; Réaction athermique : la réaction ne fournit ni ne reçoit de la chaleur. 2. Réactions acide-base Nota : Il est d usage de symboliser la concentration en mettant le corps chimique entre crochets : [H+] signifie concentration en ion H + RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 1

2 On appelle ACIDE 1 toute espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons [H + ]. On appelle BASE toute espèce chimique capable de capter un ou plusieurs protons H +. Une réaction acido-basique met en jeu 2 couples acide base : Les réactions d acide/base peuvent se faire en milieu aqueux, mais également en phase gazeuse ou avec d autres solvants que l eau. b) Mesure de l'acidité ou basicité La force d un acide ou d une base est évaluée par sa tendance à donner ou à accepter un proton : Plus un acide est fort, plus il a tendance à donner son proton (H + ), cela se traduit par la concentration en H 3 O + (H 3 O + > OH - ) ; Plus une base est forte, plus elle va avoir une affinité pour un proton (H + ), cela se traduit par la concentration en OH - (H 3 O + < OH - ). Pour connaître l acidité ou la basicité d une solution, on mesure l activité chimique des protons (H 3 o + ). Pour cela, on utilise le ph (potentiel Hydrogène). 1 Acide suivant la définition de BRÖNSTED RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 2

3 c) Les effets dangereux Les matières concernées par les réactions acide-base, sont celles qui peuvent échanger des protons H +, nous avons donc : Toute acide mélangé à une base (et vice-versa). Un acide a toujours un ou plusieurs atomes H, il peut être : Minéral (HCl, HNO 3, H 2 SO 4, ) ; Organique (CH 3 COOH acide acétique). La réaction acide-base va créer : Des corrosions ; Des réactions exothermiques (risque de projections dangereuses) ; Des brûlures ; Des gaz toxiques. 3. Réactions d'oxydoréduction On appelle OXYDATION une réaction au cours de laquelle un élément perd des électrons. On appelle REDUCTION une réaction au cours de laquelle un élément gagne des électrons. Une réaction d oxydoréduction met en jeu 2 couples oxydant/réducteur : RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 3

4 b) Mesure du potentiel d'oxydoréduction Pour perdre un électron, les atomes ont besoin d une certaine quantité d énergie : c est l énergie ou potentiel d ionisation ; Quand un atome accepte un électron supplémentaire, il libère une quantité d énergie : c est l affinité électronique. c) Les effets dangereux Les matières concernées par les réactions d oxydoréduction, sont celles qui peuvent échanger des électrons, nous avons donc : Tout oxydant fort mélangé à un réducteur fort (et vice-versa) ; L eau (H 2 O) avec certaines substances. La réaction d oxydoréduction va créer : Des corrosions ; Des réactions exothermiques ; Des gaz inflammables et/ou toxiques. 4. Réactions de combustion C est une réaction exothermique d oxydoréduction. Le réducteur est appelé COMBUSTIBLE ; L oxydant est appelé COMBURANT ; Le déclencheur est l énergie d activation (Ea). Les combustibles Les substances combustibles avant réaction peuvent être : A l état solide ; A l état liquide ; A l état gazeux On trouve notamment l hydrogène (H) et le carbone (C) ; sous forme de corps simples (H 2, charbon) ou sous forme de substances organiques (hydrocarbures, solvants, bois, ), mais également les métaux (Na, Mg, Al, Fe, ). Les comburants Le principal comburant est le dioxygène (O 2 ), mais on trouve également : L ozone (O 3 ) ; Des acides oxygénés (HNO 3, HClO 4, ) ; Les perchlorates (X ClO 4 ) ; Les halogènes (F 2, Cl 2, Br 2, ). L énergie d activation C est l énergie qui va permettre aux particules d entrer en collision : Elle va créer une rupture des liaisons des molécules ; Dans le cas des combustibles solides, elle va les vaporiser ; Si l énergie produite par la réaction est supérieure à l énergie d activation, la réaction est auto entretenue. RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 4

5 Les catalyseurs Certains composés chimiques, appelés CATALYSEURS, modifient l énergie d activation : Soit en la réduisant (favorise la réaction) ; Soit en l augmentant (rend impossible la réaction). Les catalyseurs participent à la réaction, mais ne font parties ni des produits ni des réactifs (ils n apparaissent pas dans l équation-bilan de la réaction). b) Mécanisme réactionnel La réaction de combustion peut être expliquée par le mélange méthane (CH 4 ) et dioxygène (O 2 ). L échange d énergie peut être exprimé ainsi : RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 5

6 c) La particularité de certaines substances Certaines substances vont réagir avec l eau, elles vont produire un mélange «explosif». En effet, elles vont décomposer l eau, et faire dégager du H 2. La réaction va fournir l énergie d activation entre H 2 et le dioxygène contenu dans l air : Combustible + Comburant + Énergie d activation = réaction de combustion. Il en est ainsi de la réaction du sodium avec l eau d) Les effets dangereux Les matières concernées par les réactions de combustion sont celles qui peuvent échanger des électrons, nous avons donc : Les métaux ; Les matières contenant H et C mélangées à des substances contenant de l oxygène ou des halogènes. Les réactions de combustion sont : Exothermiques ; A cinétique rapide ; Productrices de gaz inflammables et/ou toxiques. 5. Réactions de décomposition C est une réaction au cours de laquelle la molécule produit des édifices atomiques plus petits sans réaction chimique avec une autre molécule. Elle a lieu sous le seul effet d une énergie extérieure : Soit physique ; Soit chimique Il existe des données structurales qui constituent un premier indicateur d instabilité. Ce sont les groupements explosophores : ce sont des molécules comportant des groupements chimiques instables. RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 6

7 b) Les effets dangereux Les réactions de décomposition vont créer : Des réactions exothermiques, voire explosives ; Des gaz inflammables et/ou toxiques. c) Cas particuliers des polymères On appelle monomère une structure chimique qui a la particularité de s additionner les unes aux autres, en créant des chaînes moléculaires (plus ou moins longue) selon différents principes : Radicalaire ; Ionique ; Polycondensation. On appelle polymérisation la réaction chimique permettant la synthèse d un polymère à partir de monomères. Ce procédé est utilisé pour fabriquer les plastiques. Il existe plusieurs types de polymères : A base d hydrocarbure (polyéthylène, polystyrène) ; A base de chlore (polychlorure de vinyle) ; A base d azote (polyuréthane, Kevlar) ; Et selon les avancées technologiques RISQUES CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES RCH 2 7