Modélisation des transformations chimiques

Au cours d'une transformation chimique, des réactifs réagissent et forment des produits : un réarrangement entre les atomes a lieu. Pour écrire l'équation de la réaction, il faut identifier les espèces mises en jeu.

Pour cela, observer expérimentalement ce qui se passe lors de la transformation est crucial. En effet, des changements peuvent être visibles : apparition d'un solide, formation de bulles donc d'un gaz, changement de couleur, etc. Il est aussi possible d'utiliser les tests chimiques d'identification des espèces.

Ces observations expérimentales macroscopiques nous permettent d'écrire l'équation de la réaction modélisant la transformation chimique microscopique en identifiant les réactifs en jeu ainsi que les produits.

Macroscopique : se voit à l'œil nu.

Microscopique : de dimension comparable à celle d'une entité chimique.

Lorsque l'on mélange de l'acide oxalique (incolore) et du permanganate de potassium (violet), on observe une disparition de la couleur avec le temps : cela signifie que le permanganate de potassium a disparu !


Retrouvez en

vidéo

la disparition du réactif.

Après avoir observé et listé les espèces présentes au cours d'une transformation, il est possible d'indiquer quels sont les réactifs et quels sont les produits de la réaction en comparant les états initial et final de la réaction.

L'équation chimique modélise la transformation chimique microscopique ayant lieu. Elle indique donc les réactifs qui se transforment en produits à l'aide d'une flèche :

Une espèce chimique qui est présente au cours de la réaction mais qui ne subit aucun changement est une espèce spectatrice.

Ainsi, cette espèce n'apparaît pas dans l'équation de la réaction chimique.

Écrire l'équation de la réaction de combustion du carbone dans l'air (doc. 2).

Attention à ne pas confondre l'apparition d'un solide avec un changement d'état. On traite dans ce chapitre de transformations chimiques.

Retrouvez l'ajustement d'une équation de réaction en

vidéo

.

La notion de stœchiométrie est indispensable pour décrire une réaction chimique qui respecte la loi de conservation de la matière. En effet, d'après le principe de Lavoisier (doc. 3), le nombre et la nature des éléments chimiques des réactifs doivent être identiques aux produits.

Ajuster une équation chimique consiste à prendre en compte la stœchiométrie de la réaction et donc à indiquer les proportions des réactifs réagissant ensemble et celles des produits formés.

On indique la stœchiométrie de la réaction en modifiant les nombres stœchiométriques.

Écrire une équation de réaction consiste à indiquer les réactifs et les produits mais aussi à l'équilibrer ! N'oubliez pas cette étape !

Écrire l'équation de la réaction de combustion du méthane.

Lorsque rien n'est écrit devant une molécule dans une équation chimique, c'est que le nombre stœchiométrique est égal à 1 !

Le nombre stœchiométrique s'applique à tous les atomes de la molécule associée. Ainsi, pour $2{\text{H}}_2\text{O},$ il y a $2\times 2=4$ atomes d'hydrogène et $2\times 1=2$ atomes d'oxygène.

Les nombres stœchiométriques nous renseignent sur les proportions de chacun des réactifs. Ces proportions ont un impact sur le déroulé de la réaction. Lorsque la réaction s'arrête, c'est qu'il n'y a plus de réactif pour réaliser la transformation. Seul un des réactifs peut être responsable de cet arrêt.

Le réactif limitant est celui qui est totalement transformé au cours de la réaction. Il est responsable de l'arrêt de la réaction.

Pour identifier le réactif limitant, il faut comparer les quantités de matière de chacun des réactifs. Cela permet ensuite de calculer les quantités de produits formés et celles des réactifs restants.

On dispose d'un tube à essai contenant 250 g de dioxygène. On y fait brûler 50 g de méthane. Identifier le réactif limitant.

Si les deux réactifs sont présents en proportions stœchiométriques, c'est qu'il n'en reste aucun à la fin de la transformation. Il n'y a donc aucun réactif limitant.

Retrouvez une explication de la notion de réactifs limitants en

vidéo

.

Une mole de méthane a une masse de 16 g ;

Une mole de dioxygène a une masse de 32 g.

Au cours d'une transformation chimique, des liaisons sont brisées lorsqu'une quantité suffisante d'énergie leur est apportée. C'est pour cette raison qu'une amorce est nécessaire pour démarrer une combustion.

À l'inverse, de nouvelles liaisons chimiques sont créées en libérant de l'énergie. Au final, la réorganisation des molécules implique de l'absorption et de l'émission d'énergie.

Pour savoir si globalement la réaction consomme de l'énergie ou si elle en libère, il faut comparer l'énergie nécessaire pour briser les liaisons des réactifs avec celle nécessaire pour former les liaisons des produits. L'énergie absorbée ou libérée est échangée avec le système sous forme d'énergie thermique.

Une réaction chimique qui nécessite une absorption d'énergie est endothermique : la température globale du système va diminuer. Une réaction chimique qui libère de l'énergie est exothermique : la température globale du système va augmenter.

Lorsqu'une allumette se consume, c'est une réaction de combustion qui produit de la chaleur : la réaction est exothermique.