Collège Voltaire / e / 2016-2017Cours / 1CH / Réaction chimique / 2017-2018

AIDE-MÉMOIRE

Réactionchimique

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TABLE DES MATIÈRES

3.A. Introduction............................................................................23.B. Équation d’une réaction chimique...............................................33.C. Conservation de la matière........................................................43.D. Équation équilibrée d’une réaction..............................................43.E. Rencontre des réactifs...............................................................53.F. Dissolution...............................................................................5

3.F.1 Concentration......................................................................53.F.2 Solubilité.............................................................................6

3.G. Dissociation............................................................................63.H. Réaction de précipitation .................................................................................... 103.I. Réaction de neutralisation.......................................................13

3.I.1 Définitions d’acide et de base...............................................133.I.2 Acidité (basicité) et pH........................................................133.I.3 Mesure de l’acidité (basicité)................................................143.I.4 Équation de la réaction de neutralisation................................153.I.5 Étapes de neutralisation.......................................................15

3.J. Énergie et réaction chimique.....................................................17

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Réaction chimique

3.A. Introduction

Les séries d'exercices avec les objectifs et le laboratoire de ce chapitre sont résumés ci-dessous.

EXERCICES ET OBJECTIFS

Série 11 La réaction chimique Comprendre la signification de réactif, produit et réactionComprendre la différence entre une réaction chimique et un changement d'étatÉcrire et équilibrer une équation d'une réaction chimiqueÀ partir d'une description d'une réaction, écrire l'équation de la réaction

Série 12 La réaction chimique Comprendre la notion de solution, solvant, soluté, concentration, soluble, insoluble, solution saturée, sursaturée, dissolution et dissociationÉcrire et équilibrer une équation d'une dissociationModéliser une équation d'une dissociation avec un modèle type boule (modèle compact)

Série 13 La réaction chimique Écrire et équilibrer une équation (globale et ionique) d'une réaction de précipitationModéliser une équation de précipitation avec un modèle type boule (modèle compactIdentifier un ion avec une réaction de précipitation (réactif spécifique)

Série 14 La réaction chimique Comprendre la notion d'acide et de baseÉcrire et équilibrer une équation (globale et ionique) de neutralisationComprendre le lien entre pH et milieu acide,neutre ou basique (sans calcul)Comprendre le rôle d’un indicateur de pH

Série 15 La réaction chimique Comprendre la notion de réaction endo ou exoénergétique/thermiquesDéterminer le type de réaction : endo ou exoénergétique, spontané ou non spontanéEsquisser et expliquer le graphique de l'évolution d’énergie en fonction du temps pour des réactions endo ou exoénergétiques.

LABORATOIRES

➢ Dissolution et dissociation➢ Réaction de précipitation➢ Réaction spécifique➢ Réaction de neutralisation➢ Acidité, pH et produits courants

p.2

Réaction chimique

3.B. Équation d’une réaction chimiqueLa réaction chimique est la transformation d'une ou plusieurs substances en d'autres substances.Au cours de ce processus, des liaisons entre atomes sont rompues et d'autres se reforment.

Les réactions chimiques ne se font pas uniquement dans les laboratoires des chimistes. On peut enobserver dans la vie courante, comme par exemple la décoloration par l’eau de Javel, ledéveloppement des photos, l’apparition de la rouille, la formation de la couche d’ozone, la digestionchez les êtres vivants et la photosynthèse qui implique divers types de réactions chimiques.

Certains signes, comme l’absorption ou la production d’énergie, l’apparition d’un corps nouveau, ladisparition d’un des réactifs, un changement de couleur ou même un changement d’odeur,permettent de confirmer l’existence d’une réaction chimique.

Sur le papier, la réaction chimique est représentée par une équation chimique. La flèche signifie :

‘’ → ‘’ = ‘’ SE TRANSFORME (NT) EN ‘’

A gauche de la flèche, on indique les substances mises en présence pour effectuer la réaction.

Elles sont appelées : RÉACTIF(S)

A droite de la flèche, on indique les substances obtenues après la réaction.

On les appelle : PRODUIT(S)

En résumé :

SE TRANSFORMENT EN RÉACTIF(S) PRODUIT(S)

Autres vocabulaires utilisés :Produit ou substance de départ Produit ou substance d’arrivée

Exemple La photosynthèse est une réaction biologique qui transforme de l'eau et du gaz carbonique en du glucose et de l'oxygène.

Équation (non équilibrée) de la réaction de photosynthèse :

CO2 + H2O → C6H12O6 + O2

gaz carbonique eau glucose oxygène

p.3

Réaction chimique

3.C. Conservation de la matièreHistoire

Au 18ème siècle, Priestley et Lavoisier montrent que lors de la combustiondes métaux le gain de masse est dû à l’absorption de l’air vital (oxygène) par lemétal. À l’aide de la combustion des métaux et de la quantité d’oxygèneabsorbé, Lavoisier établit la composition de l’air (un cinquième d’oxygène (airvital) et quatre cinquième d’azote N2 (gaz irrespirable)). En 1789, Lavoisier publia le premier ouvrage de chimie moderne. Il formula demanière précise le principe de la conservation de la matière au cours desréactions chimiques. Il n’a y ni perte, ni gain de matière lors d’une réaction de chimie. C'est leprincipe de la conservation de la matière :

‘’Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme’’Pour respecter ce principe, une équation doit être équilibrée. Avant et après la réaction, ontrouve autant d'atomes de chaque élément, même si ceux-ci se trouvent dans des moléculesdifférentes.

3.D. Équation équilibrée d’une réaction

Exemple La fin de la théorie des quatre éléments (terre, eau, air et feu )

Lavoisier démontra que l’eau n’est pas un élément mais une combinaison d’hydrogène et d’oxygène,et qu’elle est susceptible d’être décomposée et recomposée. Équation de la réaction non équilibrée H2O → H2 + O2 de l’électrolyse de l’eau :

Après la réactionAvant la réaction

Equation équilibrée de la réaction : 2 H 2 O → 2 H2 + O2

Facteur IndiceAvant la réaction Après la réaction

Pour équilibrer, on modifie le nombre en facteur devant la molécule, mais il est interdit demodifier les indices. La modification des indices crée une nouvelle substance qui n’a pas été miseen évidence dans l’expérience et souvent n’existe même pas.Exemple d’erreur lors de l’équilibrage d’une réaction en formant des substances pas présentes : H2O → H2 + O

Avant la réaction Après la réaction

p.4

Antoine Laurent de Lavoisier

HHO

HHO

H HH H O

H H O O

HHO

HHO

H H

Réaction chimique

3.E. Rencontre des réactifsIl n’existe pas de réaction à distance. Il faut en conséquence que les réactifs se rencontrent pourqu’une réaction puisse avoir lieu. Les réactifs peuvent se trouver sous plusieurs formes : solide,liquide, gaz ou encore en solution (chapitre suivant). Lorsqu’on veut indiquer l'état d'une substancedans une équation chimique, on l'indique entre parenthèse et en indice après celle-ci.Exemples oxygène gazeux : O2 (g)

magnésium solide : Mg(s)

ammoniac liquide : NH3(l)

Notons par ailleurs que l'augmentation de la température provoque une plus forte agitation desparticules et augmente ainsi la probabilité de rencontre des particules. En conséquence, pour lagrande majorité des réactions, une augmentation de température augmente la vitesse de laréaction. Une réaction chimique s'effectue donc d'autant plus facilement que les substances entrentfacilement en contact les unes avec les autres. Entre deux gaz, le contact sera maximum puisqu’ilssont toujours miscibles, mais ce n’est pas toujours le cas pour deux liquides. Dans le cas de deuxsolides, pour augmenter la surface de contact au maximum, il faut broyer les deux solides. Si cen'est pas suffisant, on peut aussi dissoudre les réactifs dans un solvant.

3.F. Dissolution Le phénomène de dissolution correspond à la mise en solution du soluté. Le soluté se dissout (se disperse) dans le solvant pour former une solution.

Exemple : la dissolution du sucre C12H22O11 dans l’eau

Notation de cette dissolution : C12H22O11 (s) → C12H22O11 (aq)

Solution aqueuse

Le soluté ne se dissout pas toujours facilement et il sera seulement soluble jusqu’à une certaine concentration.

3.F.1 ConcentrationLa concentration d’un soluté dans une solution donne une indication sur la quantité de soluté dans une quantité de solution donnée. Elle se calcule de la manière suivante :

Concentration = quantité de soluté / quantité de solution Les unités peuvent être :…. g/L ,… % volumique (… L/100L), …% massique(… g/100g), mol/L , etc.

(cf. cours d’IDS)

p.5

Information de pl us en plus précise

Réaction chimique

3.F.2 SolubilitéLa solubilité indique la quantité maximale de soluté qui peut-être dissoute dans une quantité de solution donnée.

Une solution qui contient la quantité maximale de soluté dans une quantité donnée de solution à unetempérature donnée est appelée solution saturée. Une solution insaturée est une solution qui peut dissoudre encore plus de soluté.

Une solution sursaturée est une solution contenant une plus grande quantité de soluté dissous que celle qui correspond à la limite de saturation.

Cas particuliers : la cristallisationLorsqu’une solution (solvant liquide et soluté solide) est sursaturée, elle est instable et elle peut former des cristaux avec le temps. Ce processus s’appelle la cristallisation.

La solubilité dans l’eau et quelques règles de solubilité(1) Les substances contenant un ion de la première colonne du tableau périodique ou le ion NH4

+ sont solubles dans l’eau.

(2) Le tableau de solubilité des sels et des hydroxydes (p. 243 tables CRM - édition 2000-2004) répertorie quelques substances solubles dans l’eau.

Par approximation, les substances :

-non solubles (solubilité inférieur à 1 g/l) sont notées par le symbole : ▼

-solubles (solubilité supérieur à 1 g/l) sont notées par le symbole : ○

[(3) La solubilité exacte de quelques substances se trouve dans le tableau (p. 235 à p.242 (CRM).]

3.G. Dissociation

Lors de la dissoluton du soluté dans un solvant, certains solutés se dissocient en ions (ex. : NaCl) et d’autres restent sous forme moléculaire (ex. : sucre).En cas de dissociation, il y a rupture de liaison chimique et le soluté libère des ions. On peut écrire une équation de dissociation.

Lorsque l’on parle de dissociation en chimie, cela signifie dissociation d’une substance en ions (anions et cations se séparent). On n’utilise pas le mot dissociation, lorsque des molécules se séparent comme lors de la dissolution du sucre.

p.6

Réaction chimique

Expérimentalement, si le courant électrique passe, on peut déduire qu’il y a dissociation en ions de la substance en solution.

Vocabulaire : un électrolyte est une substance qui, une fois dissoute dans l’eau, forme une solutionconductrice d’électricité, tandis qu’un non-électrolyte ne conduira pas l’électricité.

Exemples : - équation de dissociation du NaCl dans l’eau

H2ONaCl → Na+ + Cl-

Le NaCl est composé de ion Na+ et de Cl-. Les ions sont maintenus ensembles, car les chargesopposées s’attirent (force électrostatique). En chauffant le NaCl, il est quasiment impossible deséparer ces ions, car ils sont très fortement attirés les un par les autres. Cependant, il est trèsfacile de les séparer en les mettant dans l’eau en raison des propriétés de celle-ci. L’eau est unemolécule polaire, le pôle positif attire les anions, et le pôle négatif attire les cations (voirmodélisation ci-dessous). Ainsi les ions du NaCl se dispersent et il y a donc dissolution etdissociation.

Modélisation des ions dispersés dans l’eau (molécule polaire) :

p.7

Réaction chimique

- équation de dissociation du Fe2(SO4)3 dans l’eau

H2OFe2(SO4)3 → 2 Fe3+ + 3 SO4

2-

Modélisation avant et après dissociationOn dispose des éléments et des ions suivants :

0 H H2O Fe3 + SO42- S

Avant dissociation : Après dissolution et dissociation :

etc.

Soluté : Fe2(SO4)3(s) Solvant : H2O eau Fer3+ : SO4

2-

Proportion 2 : 3

Solution aqueuse : Fe2(SO4)3(aq) :- Le fer III et le sulfate se dissocie.- les substances ne sont pas statiques dans les solutions aqueuses à température

ambiante (état: liquide), mais souvent dans les modèles le mouvement n’est pas indiqué par simplification.

- le sulfate ne se dissocie pas en soufre et oxygène, car le sulfate est un ion complexe.Il faut regarder la table CRM pour connaître les ions complexes les plus courants (nomenclature et tableau de solubilité), par exemple : PO4

3-, NO2-, etc.

p.8

Réaction chimique

Résumé de la dissolution et dissociationOn peut modéliser les phénomènes de dissolution et de dissociation de la manière suivante .

La dissociation du soluté dans l’eau implique la dissolution, mais la dissolution n’implique pas forcément la dissociation . Vrai (ex : sel de cuisine) Dissociation Dissolution Faux (ex : sucre)

p.9

Cu(OH)2

Réaction chimique

3.H. Réaction de précipitationLa réaction de précipitation est une réaction qui a lieu en solution aqueuse entre des substancesdissociées. Lors de la réaction, il y a recombinaison de deux ions ayant une grande affinité etformant ainsi une substance, très peu soluble, appelée précipité.

Exemple : CuSO4(aq) et NaOH(aq) précipitent ▶ ch1-precipitation.mp4• AVANT RÉACTION :

a) La première étape pour comprendre une réaction de précipitation est de trouver les ionsformant les 2 réactifs. Avant de mélanger les deux réactifs, tous deux étaient dissous etdissociés dans de l’eau :

CuSO4 → Cu 2+ + SO42- NaOH → Na+ + OH-

solution aqueuse de CuSO4 solution aqueuse de NaOH

Cu 2+ Na+ SO4

2- eau OH- eau

• MÉLANGE DES DEUX SOLUTIONS:

Cu 2+ Na+ Lorsque les solutions sont mélangées, les ions présents sont les suivants :

SO42- OH--

eau• APRÈS RÉACTION :

b) La deuxième étape consiste à écrire les nouveaux produits qui peuvent être formés à partirdes quatre ions : Cu(OH)2 Na2SO4 [ CuSO4(aq) NaOH(aq) ]

Les réactifs sont solubles

En réalité, une seule substance insoluble se forme et précipite, car l’autre substance reste ensolution aqueuse sous forme de ions.

c) La troisième étape consiste à équilibrer la réaction de précipitation.

Équation globale de la réaction : CuSO4 + 2 NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4

d) La dernière étape consiste à trouver quel produit est le précipité (solide) :- approximation : la molécule contenant un cation de la colonne IA ou du NH4

+ est soluble,donc l’autre molécule précipite.

- ou voir tableau de solubilité des sels et des hydroxydes de la page 243 des formulaires ettables CRM (édition 2000-2004) .

Cu(OH)2 Na2SO4(aq)

Insoluble soluble Le précipité se note : Cu(OH)2 ↓ ou

Équation globale de la réaction de précipitation: CuSO4(aq) + 2 NaOH(aq) → Cu(OH)2 ↓ + Na2SO4(aq)

Équation ionique de la réaction : Cu2+ + SO4

2- + 2 Na+ + 2OH- → Cu(OH)2 ↓ + 2 Na+ + SO4

2-

Ions spectateurs: Na+ et SO42-

p.10

Réaction chimique

Remarques :

L’équation globale de la réaction ne rend pas compte du caractère dissocié de certainessubstances. Toutefois, on sait que seul le précipité, insoluble, n'est pas dissocié. L’équation globaleen tenant compte du caractère dissocié des substances donne l’équation ionique de la réaction.

Les ions qui ne sont pas directement impliqués dans la réaction sont dits « spectateurs ». Dans cecas précis, il s’agit du sodium Na+ et du sulfate SO4

2- qui sont sous la même forme avant et aprèsréaction.

Il est à noter qu'il ne faut pas confondre cette réaction chimique avec le phénomène decristallisation. En effet, dans les deux cas on observe l'apparition d'un solide dans une solution.Toutefois, la précipitation est une réaction chimique puisque le composé insoluble est nouvellementcréé et elle se fait rapidement. Par contre dans le cas de la cristallisation, qui est un phénomèneplus lent, le composé insoluble existait précédemment mais sous forme solubilisée. Il n’y pasformation d’un nouveau composé.

Généralisation : A + B → C ↓ + D2 réactifs 2 produits :

en solution -un en solution (D) -l’autre solide (précipité C ↓)

Gardons toutefois en tête que d'autres réactions créent des précipités. Par exemple, on utiliseen biologie la réaction de Fehling pour mettre en évidence la présence de glucose. Lors de cetteréaction, du Cu++ est transformé en Cu+, qui précipite sous la forme d'un oxyde. Le cuivre changedans ce cas de nombre d'oxydation, ce qui n'est pas le cas dans les réactions de précipitation quenous venons de voir.

Autre exemple : Précipitation de PbI2

Pb(NO3) 2 + 2 KI → PbI2 + 2 KNO3

▶ ch1-precipitationPbI2.mp4

p.11

Réaction chimique

Résumé de la réaction de précipitation

p.12

Réaction chimique

3.I. Réaction de neutralisation

3.I.1 Définitions d’acide et de base Définitions d’Arrhenius d’un acide et d’une base

Acide : une substance qui libère des ions H+ dans l’eau. Exemple : HClte particule susceptible de céder un ou plusieurs protons (H+),.Base : Touune substance qui libère des ions OH- dans l’eau. Exemple : NaOH particule

susceptible de fixer un ou plusieurs protons (H+), en milieu s protons (H+)lieu aqueux

3.I.2 Acidité (basicité) et pH

Le pH est une échelle de mesure de la concentration des ions H + en solution aqueuse, soit unemesure de l’acidité. Elle va du plus acide au moins acide et est étalonnée de 0 à 14, le chiffre 7représentant la neutralité. Concentration des ions H + et OH - en fonction du pH

acide neutre basique

pH=

[ 0 ; 7 [ 7 ] 7 ; 14 ]

La concentration d’ions H+

est plus grande que

la concentration d’ions OH-

La concentrationd'ion H+

=

la concentrationd'ion OH-

La concentration d’ions H+

est plus petite que

la concentration d’ions OH-

Remarque : il est à noter qu'une augmentation linéaire de concentration en H+ ne fait pas varier le pH de façon linéaire, carelle implique une fonction logarithmique pH=-log(|H+| cf. cours de mathématiques 2ème année).

p.13

Réaction chimique

3.I.3 Mesure de l’acidité (basicité)Indicateurs colorés

Pour identifier les acides et les bases, on peut utiliser des indicateurs colorés. Ce sont dessubstances qui changent de couleur selon la présence d’acide ou d’hydroxyde, soit selon le pH d’unesolution. Par exemple : la phénolphtaléine est incolore en milieu acide et rose en milieu basique(zone de virage des indicateurs, voir tables CRM p.214).

Le papier pH

Le papier pH est une méthode fréquemment employée en raison de sa simplicitéd'utilisation et de son coût abordable. Il se présente sous la forme debandelettes de papier imprégnées de réactifs qui changent de couleur selon lepH de la solution. Ses inconvénients majeurs sont son inexactitude de mesuredue à l'étendue de la zone de virage, et la subjectivité d'appréciation descouleurs par l'utilisateur. De plus, les couleurs diffèrent suivant la marque du

papier et ses constituants.

pH-mètre

Le pH-mètre est un appareil de mesure qui permet de déterminer avec précision le pH d'une solution. Il est constitué généralement d'une électrode en verre reliée à un convertisseur numérique. Lorsque l'électrode en verre est immergée dans une solution de pH inconnu, il s'établit entre les parois externe et interne du verre une différence de potentiel. Celle-ci est fonction de la différence de pH entre la solution de remplissage de l'électrode et la solution de pH inconnu.

p.14

Réaction chimique

3.I.4 Équation de la réaction de neutralisation

Une neutralisation est une réaction entre un acide et une base.

Équation globale de la réaction de neutralisation

Acide + base → sel + eau

Remarques : cette réaction libère de la chaleur (réaction exothermique)

Exemple 1 Neutralisation d’une solution de HCl par une solution de NaOH Équation globale :

HCl + NaOH → NaCl + H2OH+ Na+

Cl- OH-

En réalité, seuls les ions H+ et OH- réagissent, ce qui peut être clairement être mis enévidence lorsque l’on utilise l’équation ionique.

Équation ionique :

H+ + Cl- + Na+ + OH- → Cl- + Na+ + H2O

Exemple 2

Équation globale et ionique de la réaction de neutralisation de l’acide sulfurique par l’hydroxyde de potassium.

2 KOH + H2SO4 → 2 H2O + K2SO4

2K+ + 2OH- + 2H+ + SO4

2- → 2 H2O + 2K+ + SO4

2-

3.I.5 Étapes de neutralisationReprenons le cas d’une neutralisation de l’acide chlorhydrique par l’hydroxyde de sodium. On peutobserver les différentes étapes de la neutralisation grâce à un indicateur coloré, le bleu debromothymol, qui est jaune en solution acide et bleue en solution basique.

Solution de HCl au départ Couleur : Couleur : Couleur : jaune Ajout de NaOH verte Ajout de NaOH bleue

→ → Acide Neutre Basique (excès de base)

Il est à noter qu'un milieu neutre doit contenir le même nombre d’ions H+ et OH-, il est difficile d'atteindre exactement cette proportion.

p.15

Réaction chimique

Modélisation des étapes de neutralisationSituation de départ : 3 HCl

Milieu acideexcès d’acide

Milieu aqueux

On ajoute 3 NaOH, donc il y a 3 HCl et 3 NaOH.

Milieu aqueux

Les H + et OH - se lient pour former H2O , donc :

Milieu neutre

Milieu aqueux

On ajoute encore 2 NaOH, il y a eu mélange de 3 HCl et 5 NaOH au total

Milieu basiqueexcès de base

Milieu aqueux

p.16

H+Cl-

H+

H+

Cl-

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Na+

Cl-

Cl-

H2O

H2O

H2O

Na+

Cl-

Na+

Na+

Cl-

Cl-

OH-

H+

H+

H+

OH-

OH-

Na+

Cl-

Na+

Na+

Cl-

Cl-

H2O

H2O

H2O

OH-

OH-

Na+

Na+

Réaction chimique

3.J. Énergie et réaction chimique

Réaction spontanéeUne réaction chimique qui se déclenche sans un apport d'énergie extérieur est dite spontanée. Beaucoup de réactions ont besoin, pour avoir lieu, un apport de l'énergie car il existe une barrièreénergétique, appelée énergie d'activation, qui empêche la réaction d'avoir lieu spontanément. L’énergie d’activation (Ea) est l’énergie minimale requise pour déclencher la réaction chimique. Sanscette énergie, les réactifs restent intacts et la réaction chimique n’a pas lieu.

Dégagement ou absorption d’énergieLors d’une réaction chimique, il y a la plupart du temps absorption ou dégagement d’énergie sousforme de chaleur, mais aussi sous forme d’électricité, de lumière, etc… . En fait, si les produits obtenus sont plus stables que les réactifs, la réaction libère de l'énergie,dans le cas inverse, elle en absorbe.

Vocabulaire

Exoénergétique : une réaction qui libère de l’énergie

Endoénergétique : une réaction qui absorbe de l’énergie

Exothermique : une réaction qui libère de la chaleur

Endothermique :une réaction qui absorbe de la chaleur

Une réaction endothermique est endoénergétique, mais une réaction endoénergétique n’est pas

forcément endothermique. vrai

Exo/endothermique Exo/endoénergétique faux

p.17

Réaction chimique

L’énergie lors du déroulement de la réaction Réaction exoénergétique Réaction endoénergétique

Réactifs Produits

Produits Réactifs

Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse de réaction en abaissant l’énergied’activation de la réaction. Il participe à la réaction en se liant aux réactifs mais est régénéré à lafin de la réaction. Exemple : Réaction exoénergétique Réaction exoénergétique sans catalyseur avec catalyseur

Réactifs Réactifs

Produits Produits temps de réaction temps de réaction

Remarques : -le temps de la réaction diminue avec le catalyseur

-l’énergie d’activation diminue avec le catalyseur-la vitesse de la réaction augmente avec le catalyseur-l’énergie dégagée ou absorbée reste la même

p.18

temps temps

TempsTemps

Énergie d’activation

Énergie

Énergie

Énergie dégagée

Énergie d’activation

Énergie dégagéeÉnergie absorbée

Énergie d’activation

Énergie

Énergie dégagée

Énergie