1Système chimique et transformation
Définition. Un système chimique est l’ensemble des espèces chimiques étudiées. On le décrit par la nature et la quantité de chaque espèce, son état physique — solide , liquide , gazeux , en solution aqueuse — ainsi que la température et la pression.
Définition. Lors d’une transformation chimique, des espèces disparaissent (les réactifs) et d’autres apparaissent (les produits). Les espèces présentes qui ne sont pas transformées sont spectatrices : elles n’apparaissent pas dans l’équation.
Notation. On passe de l’état initial (avant) à l’état final (après) ; la transformation, supposée totale, s’arrête lorsqu’un réactif au moins a totalement disparu.
2Équation de réaction et ajustement
Définition. L’équation de réaction modélise la transformation : réactifs à gauche, produits à droite, séparés par une flèche.
Propriété — conservation. Une équation est ajustée (équilibrée) lorsque, de part et d’autre de la flèche, il y a le même nombre d’atomes de chaque élément et la même charge électrique totale. Les nombres placés devant les formules sont les nombres stœchiométriques (le nombre ne s’écrit pas).
Méthode — ajuster une équation. ne jamais modifier les formules chimiques : on ne change que les nombres placés devant. Commencer par l’élément le plus « rare », terminer par puis , et vérifier les charges pour les ions.
3Proportions et réactif limitant
Propriété. Les nombres stœchiométriques donnent les proportions en quantité de matière dans lesquelles les espèces sont consommées et formées. Pour la réaction , on compare les rapports
Définition. Le réactif limitant est celui dont le rapport est le plus petit : il est entièrement consommé et impose la quantité de produits formés. L’autre est en excès. Si les deux rapports sont égaux, le mélange est dans les proportions stœchiométriques : les deux réactifs disparaissent ensemble.
On fait réagir de avec de selon . On compare et : le soufre est limitant. Il se forme de et il reste de fer.
4Identifier les espèces : les tests
- : trouble l’eau de chaux. : rallume une bûchette incandescente. : détonation (« aboiement ») à l’approche d’une flamme.
- Ion chlorure : précipité blanc qui noircit à la lumière avec le nitrate d’argent. Ion : précipité bleu avec la soude ; ion : précipité vert ; ion : précipité rouille.
- Eau : le sulfate de cuivre anhydre (blanc) devient bleu.
5Aspect énergétique
Définition. Une transformation est exothermique lorsque le système cède de l’énergie au milieu extérieur : la température du mélange augmente (combustions, action d’un acide sur un métal ou sur l’hydroxyde de sodium). Elle est endothermique lorsque le système reçoit de l’énergie : la température diminue (acide citrique et hydrogénocarbonate de sodium).
Propriété. L’énergie échangée est proportionnelle à la quantité de réactif limitant consommée : doubler la masse du réactif limitant double l’énergie échangée (et, pour une même masse de mélange, la variation de température) ; ajouter du réactif en excès ne change rien.
Remarque. Une transformation chimique modifie la nature des espèces ; une transformation physique (fusion, vaporisation…) ne change que l’état physique, les molécules restent les mêmes. Les dissolutions (de l’hydroxyde de sodium, exothermique ; du nitrate d’ammonium, endothermique) sont des transformations physiques qui ont, elles aussi, des effets thermiques.
6Savoir-faire du chapitre
- Décrire l’état initial et l’état final d’un système ; distinguer réactifs, produits et espèces spectatrices.
- Écrire et ajuster l’équation d’une réaction, y compris avec des ions (conservation de la charge).
- Identifier le réactif limitant en comparant les rapports , et en déduire les quantités formées.
- Choisir et interpréter un test caractéristique pour identifier une espèce.
- Reconnaître une transformation exothermique ou endothermique à partir d’une mesure de température ; prévoir l’effet d’une modification de la quantité du réactif limitant.
7Exemples types
Combustion complète du propane . On écrit les formules, puis on ajuste : le carbone impose devant , l’hydrogène impose devant , ce qui fait atomes d’oxygène à droite, donc devant :
Une solution de sulfate de cuivre et une solution de soude sont mélangées. Les ions et sont spectateurs ; il reste
Les atomes sont conservés et la charge totale vaut de chaque côté.
On fait réagir d’aluminium et de dichlore selon . On compare et : le dichlore est limitant. Il se forme de et il reste d’aluminium.
On mélange de l’acide citrique et de l’hydrogénocarbonate de sodium dans de l’eau à : une effervescence se produit et la température descend à . Le système a reçu de l’énergie du milieu extérieur, qui s’est refroidi : la transformation est endothermique.
- Ajuster une équation en modifiant un indice dans une formule ( devenu « ») : les formules sont imposées par la nature des espèces.
- Comparer directement et pour trouver le limitant : il faut diviser par les nombres stœchiométriques.
- Confondre masse et quantité de matière : les proportions de l’équation portent sur les moles, pas sur les grammes.
- Croire qu’un mélange qui chauffe « reçoit » de l’énergie : le système en cède au milieu extérieur.