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2DE : TRANSFORMATION CHIMIQUE

lundi 16 août 2021, par Oscillo&Becher


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TRANSFORMATION CHIMIQUE

Table des matières

Pour bien différencier transformation physique et transformation chimique

  • Transformer, c’est passer d’un état initial à un état final. Nous allons voir qu’une transformation chimique est plus radicale qu’une transformation physique.

Q2EtatsMicroCOR.png

Figure 1 : Lors d’une transformation physique (comme par exemple, un changement d’état), les entités chimiques (atomes, ions ou molécules) restent les mêmes avant et après.

TRANSFORMATIONS CHIMIQUES

  • Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques (susceptibles de réagir entre elles, pour certaines appelées « réactifs »).
  • Il est caractérisé par sa température T, sa pression P, la nature et l’état des espèces chimiques : (s) pour l’état solide, (\(\ell\)) pour l’état liquide, (g) pour l’état gazeux et (aq) pour une espèce dissoute (ou soluté) en solution aqueuse.
  • Lors d’une transformation chimique, le système chimique au départ (état initial EI) est différent du système à l’arrivée (état final EF) : des réactifs disparaissent alors que des produits se forment.

EIversEF.png

Exemple de la combustion du méthane :

Qu’est-ce que le gaz de ville ?

  • L’appellation « gaz de ville » désignait historiquement un gaz qui alimentait les réseaux urbains. Il était alors utilisé pour l’éclairage public, mais aussi le chauffage et la cuisson au gaz.
  • Le gaz de ville provenait de la distillation de charbons (houille), qui était effectuée dans des usines à gaz dédiées à cette activité. Il était aussi possible d’en fabriquer par craquage thermique de produits pétroliers. Il n’existe aujourd’hui plus d’usines qui fabriquent du gaz de ville en France – la dernière a fermé ses portes en 1971. Le gaz de ville a depuis été remplacé par le gaz naturel (parfois nommé lui-même « gaz de ville ».

Qu’est-ce que le gaz naturel ?

  • Le gaz naturel s’est désormais entièrement substitué au gaz de ville. Contrairement à son prédécesseur, il est naturellement présent dans les couches terrestres et n’est donc pas obtenu par fabrication. Composé essentiellement de méthane \(CH_{4}\), il est plus pur, plus propre, plus fiable et surtout 2 fois plus énergétique que le gaz de ville !
  • Le gaz naturel est un combustible fossile non renouvelable. Il représente 21,4 % de l’énergie totale consommée dans le monde. Pas de stockage, un approvisionnement facile grâce au réseau de distribution.
  • NB : Alternative au gaz naturel distribué en réseau : Stocker le « gaz » en bouteille, qui est en fait un Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL). Deux catégories de gaz bouteille existent sur le marché : le propane \(C_{3}H_{8}\) et le butane \(C_{4}H_{10}\).

Combustion du méthane \(CH_{4}\)

CombustionMethaneAir.png

Figure 2 : à gauche et au centre, combustion du méthane dans l’air à l’aide d’un bruleur d’une plaque de cuisson, à droite, cas du bec bunsen utilisable en laboratoire.

  • Le méthane \(CH_{4}\) est un bon combustible.
  • Pour brûler, il a besoin d’un comburant, espèce chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d’un combustible. Dans l’illustration précédente, c’est le dioxygène \(O_{2}\) de l’air qui est le comburant.

RÉACTIF

  • Un réactif est une espèce chimique qui disparaît progressivement au cours de la transformation chimique. Il est dit :
    • limitant s’il est absent à la fin de la réaction.
    • en excès s’il en reste à la fin.
  • Dans l’exemple de la combustion du méthane, les réactifs sont :
    • le méthane \(CH_{4}\) (combustible)
    • le dioxygène \(O_{2}\) (comburant) présent dans l’air.

PRODUIT

  • Un produit de la réaction est une espèce chimique qui se forme progressivement au cours de la transformation chimique.
  • Pour identifier les produits d’une réaction, on peut réaliser des tests chimiques. LIEN VERS TESTS D’IDENTIFICATION

EtudeCobustionMethane.png

Figure 3 : On peut ici identifier l’eau et le dioxyde de carbone qui se sont formés lors de la combustion du méthane

  • Dans l’exemple de la combustion du méthane, les produits sont donc :
    • l’eau \(H_{2}O\)
    • le dioxyde de carbone \(CO_{2}\)

- On peut en effet identifier l'eau
- On peut en effet identifier le dioxyde de carbone

ESPÈCE SPECTATRICE

  • Une espèce spectatrice est une espèce chimique présente dans le mélange réactionnel en égale quantité au début et à la fin de la réaction. Elle n’intervient pas dans la réaction, elle ne figurera donc pas dans l’équation de réaction.
  • Dans l’exemple de la combustion du méthane a lieu dans l’air. Or, l’air est un mélange essentiellement composé de diazote \(N_{2}\) et de dioxygène \(O_{2}\).
    • Nous avons déjà vu que le dioxygène \(O_{2}\) est un des deux réactifs.
    • Le diazote \(N_{2}\) n’est ni un réactif, ni un produit. Il n’intervient pas dans la combustion du méthane : \(N_{2}\) est une espèce spectatrice.

RÉACTION CHIMIQUE. ÉQUATION DE RÉACTION

  • La réaction chimique modélise le passage des réactifs aux produits.
  • Elle est symbolisée par une équation de réaction :

    Réactifs \(\to\) Produits

    • Ex : \(HCO_{3(aq)}^{-} + H^{+}_{(aq)} \to CO_{2(g)} + H_{2}O_{(l)}\)
    • Par convention, les réactifs sont placés à gauche et les produits à droite d’une flèche orientée de gauche à droite afin de préciser le sens d’évolution de la réaction.
    • Cette écriture doit respecter les lois de la conservation (éléments, charges)

      • Exemple précédent :
        • conservation de la charge : Globalement, même charge (ici nulle) avant et après.
        • conservation des éléments : 2H avant et après ; 1 C avant et après ; 3 O avant et après.
      • NB : Dans l’exemple précédent, la conservation des éléments est validée sans avoir à ajuster en remettant en cause certains nombres stoechiométriques, qui, ici, restent tous égaux à 1.

\(HCO_{3(aq)}^{-} + H^{+}_{(aq)} \to CO_{2(g)} + H_{2}O_{(l)}\) sous entend : 1 \(HCO_{3(aq)}^{-}\) + 1 \(H^{+}_{(aq)}\) \(\to\) 1 \(CO_{2(g)}\) + 1 \(H_{2}O_{(l)}\).

ÉQUATION DE RÉACTION AJUSTÉE

  • Pour illustrer l’ajustement de l’équation de combustion du méthane, on peut utiliser l’animation dont le lien est à cliquer ici :
    • Choisir le menu « Introduction »
    • Choisir le cas « Combustion du méthane »
    • Utiliser l’outil « balance » et régler convenablement les nombres stoechiométriques :

AnimationAjusterEquationRev.png

  • Ajuster l’équation en obtenant, pour chaque élément en jeu, une balance équilibrée. On peut ainsi y voir une illustration de la maxime de Lavoisier « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ?
  • On ne tarde pas à obtenir l’ajustement de l’équation :

EquationCombustionMethaneCOR.png

  • L’équation de réaction ajustée de la combustion du méthane est \(CH_{4(g)} + 2O_{2(g)} \to CO_{2(g)} + 2H_{2}O_{(g)}\)

    -Pour s’entraîner, on peut aussi ajuster les deux autres équations de réaction « Synthèse de l’ammoniac » et « Dissociation de l’eau » proposés dans l’animation.

RÉACTIF LIMITANT

  • Un réactif est une espèce chimique qui disparaît progressivement au cours de la transformation chimique. Il est dit :
    • limitant s’il est absent à la fin de la réaction.
    • en excès s’il en reste à la fin.
  • On peut identifier le réactif limitant à partir des quantités de matière initiales des réactifs et de l’équation de réaction ajustée.

Exemple de la combustion du méthane

Cas 1 : Prenons un premier mélange de réactifs constitué de 2 mol de méthane \(CH_{4}\) et 2 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • On a alors :

CopieEcran2mol2mol.png

  • On constate que :
    • 1 mol de \(CO_{2}\) se forme
    • 2 mol d’\(H_{2}O\) se forment
    • mais, du mélange de réactifs initial, il reste 1 mol de \(CH_{4}\) : ce réactif était donc en excés. le réactif limitant est donc le dioxygène \(O_{2}\). (le mélange équimolaire de réactifs, c’est à dire autant de mol de l’un que de l’autre, n’est donc pas « idéal »)

Cas 2 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 2 mol de méthane \(CH_{4}\) et 4 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • On a alors :

CopieEcran2mol4mol.png

  • On constate que :
    • 2 mol de \(CO_{2}\) se forment
    • 4 mol d’\(H_{2}O\) se forment
    • Il n’ y a aucun reste, donc aucun excés dans le mélange initial de réactifs. Le méthane \(CH_{4}\) et le dioxygène \(O_{2}\) sont tous les deux limitants. On dit plutôt que le mélange de réactifs était stoechiométrique car il respectait les proportions des nombres stoechiométriques dans l’équation de réaction ajustée.

CopieEcran2mol4molCOR.png

Cas 3 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 2 mol de méthane \(CH_{4}\) et 5 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • On a alors :

CopieEcran2mol5mol.png

  • On constate que :

    • 2 mol de \(CO_{2}\) se forment
    • 4 mol d’\(H_{2}O\) se forment
    • et, du mélange de réactifs initial, il reste 1 mol de \(O_{2}\).
  • Compléter :

- le réactif limitant est
- le mélange de réactifs

Exemple de la synthèse de l’eau

Cas 1 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 3 mol de dihydrogène \(H_{2}\) et 1 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • Compléter :

- le réactif limitant est
- le mélange de réactifs

Cas 2 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 2 mol de dihydrogène \(H_{2}\) et 3 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • Compléter :

- le réactif limitant est
- le mélange de réactifs

Cas 3 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 4 mol de dihydrogène \(H_{2}\) et 2 mol de dioxygène \(O_{2}\)

  • Compléter :

- le mélange de réactifs

Exemple de la synthèse de l’ammoniac

Cas 1 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 2 mol de diazote \(N_{2}\) et 3 mol de dihydrogène \(H_{2}\)

  • Compléter :

- le réactif limitant est
- le mélange de réactifs

Cas 2 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 1 mol de diazote \(N_{2}\) et 4 mol de dihydrogène \(H_{2}\)

  • Compléter :

- le réactif limitant est
- le mélange de réactifs

Cas 3 : Prenons un mélange de réactifs constitué de 1 mol de diazote \(N_{2}\) et 3 mol de dihydrogène \(H_{2}\)

  • Compléter :

- le mélange de réactifs

ASPECT ÉNERGÉTIQUE. TRANSFORMATION CHIMIQUE EXOTHERMIQUE, ENDOTHERMIQUE

Transformation chimique exothermique

Vapcombp.png

Figure 4 : La combustion du méthane est une transformation chimique exothermique, l’énergie qu’elle dégage est utilisée pour augmenter la température \(\theta\) de l’eau (Quand \(\theta\) atteint \(\theta_{eb}\) alors cette énergie permet la vaporisation de l’eau)

  • Une transformation chimique est dite exothermique si elle s’accompagne d’une libération d’énergie thermique (de chaleur) dans le système chimique. Cette énergie libérée peut conduire à une augmentation de la température \(\theta\).

Transformation chimique endothermique

  • Une transformation chimique est dit endothermique si le système chimique absorbe de l’énergie thermique. Cette énergie prélevée à l’environnement peut conduire à une baisse de la température \(\theta\) de cet environnement.

Created: 2021-08-17 mar. 11:51

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