Les réactions chimiques

Les réactions chimiques

1 - Systéme chimique

Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques

susceptibles de réagir entre elle et sur lesquelles porte une étude particulière.

Un système chimique peut évoluer et subir une transformation chimique qui modifie son état .

-La nature et la quantité de matière des espèces chimiques présentes -L’état physique : solide (s) , liquide (l) , gazeux (g) , en solution

aqueuse (aq) ;-La température T et la pression P du système .

On appelle état initial du système chimique, l’état de ce système avant la transformation.

2 - État initial, État final

On appelle état final du système chimique, l’état de ce système après la transformation.

Les espèces introduites à l’état initial sont appelées «réactifs» , les espèces obtenues après la transformation, à l’état final sont

appelés «produits» .

La transformation chimique est le passage de son état initial à son état final .

Son état sera décrit en précisant :

-Exemple 2 : on plonge une lame de cuivre Cu dans une solution de nitrate d'argent

le métal cuivre Cu réagit avec les ions argent pour donner des ions cuivre et de l'argent métallique Ag_(s)

ÉTAT FINAL (E.F) Température : T_f=…

Pression: P_f=…

Espèces chimiques restantes ………

Espèces chimiques formées (nom, formule, état physique) ……….

ÉTAT INITIAL (E.I) Température : T_i=…

Pression: P_i=…

Espèces chimiques présentes (nom, formule, état physique) ……….

………..

-Exemple 1 :

combustion du carbone dans le dioxygène .

Transformation chimique

Transformation chimique

ÉTAT FINAL θ = 20°C

P=1bar CO₂(s) C(g) ÉTAT INITIAL

θ = 20°C P=1bar C(s) O₂(g)

2

Cu(aq)^ Ag^(aq)

Transformation chimique

ÉTAT FINAL θ = 20°C - P=1bar

ÉTAT INITIAL

θ = 20°C - P=1bar

Cu_(s) Ag_(aq)^ Cu²_(aq)^ Ag_(s)

3 (aq)

NO^

N 3

(Ag^  O^ )

3 (aq)

NO^

Elle sera donc modélisée par une équation chimique équilibrée de la forme : aA  bB  cC dD

A et B sont les réactifs de la réaction.

C et D sont les produits de la réaction.

a,b,c et d représentent les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques en jeu

3 - La réaction chimique

A chaque transformation chimique est associée une réaction

chimique qui permet de rendre compte à l’échelle macroscopique de cette transformation. On peut donc dire que l’évolution d’un système chimique est modélisée par une réaction chimique.

Pour représenter simplement une transformation chimique, on écrit une équation chimique .

Lors d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques et de la charge électrique totale.

Les ions ne participent pas à la réaction . Ce sont des ions spectateurs ou des espèces chimiques spectatrices

3 (aq)

NO^

Équilibrer une équation chimique consiste à trouver les bons coefficients stœchiométriques.

2

(aq) (s) (s) (aq)

Ag^  Cu  Ag  Cu ^

2 3

(aq) (s) (s) (aq)

Cu ^  Al  Cu  Al ^

-Exemple :Équilibrer les équations chimiques suivantes:

4 10 2 2 2

C H  O  CO  H O

2

(aq) (s) (s) (aq)

2Ag^  Cu  2Ag  Cu ^

2 3

(aq) (s) (s) (aq)

3Cu ^  2Al  3Cu  2Al ^ 4

- Avancement et bilan

1-4-Avancement d’une réaction chimique .

4 10 2 2 2

2C H 13O  8CO 10H O -Solution:

Afin de décrire l’évolution d’un système chimique subissant une transformation chimique, on utilise un outil : l’avancement de la transformation noté x.

Lorsque l’avancement est égal à x alors :

2 3

(aq) (s) (s) (aq)

3Cu ^  2Al  3Cu  2Al ^

2-4-Bilan de matière (tableau d’avancement) .

L’étude de l’avancement d’une réaction chimique est simplifiée par l’utilisation d’un tableau d’avancement

L’avancement x s’exprime en mole ; il permet de déterminer les

quantités de réactifs transformés et les quantités de produits formés.

L’avancement x varie au cours de l’évolution du système

chimique : il vaut x = 0 mol à l’état initial et atteint sa valeur maximale x_max à l’état final.

Il a disparu 3x mole de d’ions cuivre et 2x mole d’aluminium Il est apparu 3x mole de cuivre et 2x mol d’ions aluminium

Equation chimique Etat du

système Avancement Quantités de matière ( en mol ) Etat initial x=0 (mol)

En cours de

transformation x Etat final x_max

-Exemple :

9 4 0 0

2 3

(aq) (s) (s) (aq)

3Cu ^  2Al  3Cu  2Al ^

9 3x 4 2x 3x 2x 9 3x max 4 2x _max 3x_max 2x_max a-Etat initial :

Il correspond aux quantités de matière (en mol) des réactifs introduits. En général, dans l’état initial la réaction n’a pas commencé : x=0 mol .

Dans cet exemple, on a mélangé 9 moles de Cu²⁺ avec 4 moles de Al . Il n’y a pas encore de produits formés .

b-Etat intermédiaire :

Une réaction chimique n’est pas instantanée : au cours du temps, les quantités de matières de réactifs et de produits évoluent. Celles des réactifs diminuent et celles des produits augmentent.L’avancement à un instant t, vaut x ;

-il reste 9-3x moles de Cu²⁺ et 4-2x de Al .

-il s’est formé 3x moles de Cu et 2x moles de Al³⁺ .

c-Etat final :

Il décrit l’état du système chimique lorsque la réaction

s’arrête. Un ou plusieurs réactifs ont disparu. Dans l’état final, l’avancement a sa plus grande valeur x_max .

3-4-Avancement maximal et réactif limitant .

Dans l’état final, au moins un des réactifs a disparu : sa quantité de matière est nulle. Ce réactif est appelé réactif limitant (ou réactif en défaut) car sa disparition arrête la

réaction. Les autres réactifs, dont la quantité de matière n’est pas nulle, sont dits en excès.- Pour déterminer x_max et le réactif limitant :

Soit 9-3x_max =0 pour Cu²⁺ d’où x_max = 3mol Soit 4-2x_max =0 pour Al d’où x_max = 2mol

x_max est la plus petite valeur trouvée .

Dans notre cas : x_max = 2mol et Al et le réactif limitant (disparaît avant Cula composition finale du mélange est donnée par la dernière ligne ²⁺) . du tableau d’avancement :

Les espèces chimiques ^{Cu2+ Al Cu Al3+}

quantité de matière finale (mol)

9-3x_max

=3mol

4-2x_max

=0mol

3x_max

=6mol

2x_max 4mol

5 - Applications

1-5-Attaque d’un métal par un acide

Le fer est attaqué par les acides. Lorsque l’on place un clou en fer de 1,5 g dans 50 mL d’une solution acide (ions H⁺ à 2,0 mol.L^-1), on observe un dégagement gazeux de dihydrogène (H₂) et la

formation d’ions fer II (Fe²⁺)^.

1)Écrire l’équation de la réaction.

2)Dresser un tableau d’avancement pour cette réaction.

3)Le clou a-t-il été entièrement détruit ?

4)Indiquer avec précision les quantités de matières présentent dans la solution lorsque la réaction est terminée.

5)Quel est le volume de dihydrogène dégagé par cette réaction ? On prendra un volume molaire pour les gaz de 24 L.mol^-1.

6)Quelle est la concentration en ions fer II et en ions H⁺ lorsque la réaction est terminée ?

2-5-L’Alumine

L'aluminium Al réagit avec le dioxygène de l'air et se recouvre alors d'une fine couche d'alumine de formule brute Al₂0₃.

On recueille une masse m d'alumine de 3,6 g.

a. Ecrire l'équation de la réaction.

b. Construire le tableau d'évolution.

c. Calculer l'avancement maximal x_max.

d. Déterminer les quantités de matière d'aluminium et de dioxygène consommés lors de cette réaction.

e. Déterminer les masses correspondantes.