Chapitre 5 :
Les atomes pour comprendre les transformations chimiques
I) Quelle est la structure de la matière ? 1) Les limites du modèle de la molécule :
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, les réactifs carbone et dioxygène, sont consommés tandis qu’un produit apparaît, le dioxyde de carbone.
Le Bilan de la transformation est :
Carbone + dioxygène dioxyde de carbone
La notion de molécule ne permet pas d’expliquer la formation des produits à partir des réactifs consommés. Un autre modèle est donc nécessaire pour comprendre les transformations chimiques.
2) Les atomes :
Dés 420 avant JC, des savants Grecques pensent que la matière est formée de particules infiniment petites qu’ils appellent « atomes » (du grec atomos qui veut dire « qu’on ne peut diviser ») mais qu’ils confondaient sans doute avec les molécules. (voir chapitre molécules)
En 1811, les travaux du chimiste Avogadro permettent enfin de faire la distinction entre atomes et molécules :
A retenir :
Les molécules sont elles mêmes constituées de particules beaucoup plus petites, qui sont les atomes.
Chaque atome est représenté par un symbole chimique et on peut les modéliser par une sphère de couleur et de taille qui dépend de l’atome (l’atome le plus petit étant l’atome d’hydrogène).
Il existe dans la nature plus d’une centaine d’atomes.
Exemples à connaître:
Atome Symbole Modèle
Carbone C
Hydrogène H
Oxygène O
Azote N
3) Les molécules : A retenir :
Une molécule est un assemblage d’atomes. Chaque molécule est représentée par une formule chimique.
Exemple : La molécule de dioxyde de carbone a pour formule :
CO
2Attention à ne pas écrire CO2
Exercice d’application :
Indiquer le nombre et la nature des atomes qui composent les molécules suivantes :
- l’eau : H2O 2 atomes d’hydrogène + 2 atomes d’oxygène
- le méthane CH4 4 atomes d’hydrogène + 1 atome de carbone
- le butane C4H10 10 atomes d’hydrogène + 4 atomes de carbone - le monoxyde de carbone CO 1 atome de carbone et 1 atome d’oxygène
- le dioxygène O2 2 atomes d’oxygène
- le diazote N2 2 atomes d’azote
- le dioxyde d’azote NO2 1 atome d’azote + 2 atomes d’oxygène Molécules à connaître :
Molécules Formule
chimique Modèle moléculaire
Dioxygène O
2Eau H
2O
Dioxyde de carbone CO
2Méthane CH
4Butane C
4H
10Signifie que la molécule de CO2
est composée d’un atome de carbone (la lettre C désignant le symbole de l’atome de carbone)
Signifie que la molécules de CO2 contient deux atomes de d’oxygène (la lettre O désignant un atome d’oxygène et le chiffre 2 en indice qu’il y en a 2 dans la molécule)
II) Comment interpréter une transformation chimique ?
1) Interprétation de la combustion du carbone dans le dioxygène : Transformation chimique
Quels sont les réactifs ? Carbone et dioxygène
Quels sont les produits ? Dioxyde de carbone
Bilan de la transformation Carbone + dioxygène dioxyde de carbone
Formules des espèces chimiques
C O
2CO
2Modèles des espèces chimiques
Nombre et nature des atomes 1 atome de carbone
2 atomes d’oxygène
1 atome de carbone 2 atomes d’oxygène Equation bilan de la réaction chimique
C + O
2CO
2Explication de l’équation bilan de la réaction chimique
Un atome de carbone réagit (signe « + ») avec une molécule de dioxygène pour donner (signe ) une molécule de dioxyde de carbone.
On retrouve bien les mêmes atomes, en même nombre, avant et après la réaction. On dit que l’équation est équilibrée.
2) L’interprétation de la combustion du méthane : Transformation chimique
Quels sont les réactifs ? Méthane et dioxygène
Quels sont les produits ? Dioxyde de carbone et eau
Bilan de la transformation Méthane + dioxygène dioxyde de carbone + eau
Formules des espèces chimiques
CH
4O
2CO
2H
2O
Modèles des espèces chimiques
Quel est le problème ? Quel est le principe de Lavoisier ?
On constate que si on considère qu’une seule molécule de chaque réactif, il n’y a pas conservation du nombre des atomes de chaque espèce. L’équation bilan de la réaction chimique n’est pas équilibrée, elle ne respecte pas le principe de Lavoisier (« rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ») Que peut-on faire pour résoudre le problème ?
Il faut placer des coefficients multiplicatifs devant les molécules afin d’équilibrer l’équation bilan de la réaction.
Le rôle des coefficients s’interprète de la façon suivante :
- pour retrouver les 4 atomes d’hydrogène de la molécule de méthane, il faut former deux molécules d’eau.
- 2 molécules de dioxygène (soit 4 atomes d’oxygène) sont alors nécessaires pour obtenir les produits.
Représentation de la réaction à l’aide des modèles moléculaires
Nombre et nature des atomes 1 atome de carbone 4 atomes d’hydrogène
4 atomes d’oxygène
1 atome de carbone 2 atomes d’oxygène
4 atomes d’hydrogène 2 atomes d’oxygène
Equation bilan de la réaction
chimique CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O Traduction
Une molécule de méthane réagit (+) avec deux molécules de dioxygène pour donner ( ) une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d’eau.
L’équation est équilibrée.
Voir fiche méthode pour équilibrer les équations Exercice :
Ecrire l’équation bilan de la réaction de combustion du butane dans le dioxygène.
C4H10 + O2 CO2 + H2O
A retenir :
Au cours d’une transformation chimique, les atomes présents dans les réactifs ne disparaissent pas mais s’associent différemment pour donner les produits.
Une transformation chimique conserve le nombre et la nature des atomes dans les réactifs et dans les produits.
III) La masse varie t-elle au cours d’une transformation chimique ? Expérience :
A l’aide d’une balance on mesure la masse d’une bouteille hermétiquement fermée contenant de l’acide chlorhydrique et un morceau de craie calé dans son goulot.
On mesure la masse : m1 = g
On redresse ensuite la bouteille afin de mettre en contact l’acide chlorhydrique et la craie. On mesure ensuite la masse à la fin de la réaction : m2 = g
Schéma :
Observations et résultats :
On observe un fort dégagement gazeux. Le morceau de craie disparaît.
La masse ne varie pas au cours de la manipulation.
Interprétation :
Bouteille Morceau de craie Acide chlorhydrique
balance
La disparition du morceau de craie et le dégagement gazeux montre qu’il y a eu une transformation chimique entre l’acide chlorhydrique et la craie.
Au cours de cette transformation la masse n’a pas variée.
Conclusion :
Il y a conservation de la masse au cours d’une réaction chimique.
A retenir :
Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation de la masse.
En effet, la masse des réactifs disparus est égale à la masse des produits formés.
C’est ce que l’on appelle la loi de conservation de la masse lors d’une transformation chimique.
