Physique-chimie Troisième · rappels de quatrième
Un mélange. L'air est un mélange de diazote \(\mathrm{N_2}\) (en bleu) et de dioxygène \(\mathrm{O_2}\) (en rouge). Les molécules se mélangent, mais chacune reste ce qu'elle est.
Une transformation physique. Quand la glace fond, les molécules d'eau \(\mathrm{H_2O}\) se déplacent davantage, mais ce sont toujours des molécules d'eau. Un changement d'état est une transformation physique.
Une transformation chimique. Quand le méthane (le gaz de la cuisinière) brûle, ses molécules et celles du dioxygène disparaissent ; de nouvelles molécules apparaissent : du dioxyde de carbone et de l'eau.
Mélange, transformation physique ou chimique ? ✏️
Un mélange : les molécules de sucre se dispersent entre les molécules d'eau, sans changer. D'ailleurs, le thé a toujours un goût sucré !
Une transformation physique : la vapeur d'eau devient de l'eau liquide (liquéfaction). Ce sont toujours des molécules \(\mathrm{H_2O}\).
Une transformation chimique : une nouvelle espèce, la rouille, apparaît (le fer réagit avec le dioxygène et l'eau de l'air).
Une combustion est une transformation chimique qui produit de l'énergie thermique (chaleur) et souvent de la lumière. Il faut trois ingrédients :
Pour éteindre un feu, on supprime un côté du triangle : on couvre une poêle qui flambe avec un couvercle (plus de dioxygène), on coupe le gaz (plus de combustible), on refroidit avec de l'eau.
Un morceau de charbon de bois (presque uniquement du carbone C) incandescent, plongé dans un flacon de dioxygène, brûle vivement. On ajoute ensuite de l'eau de chaux : elle se trouble, il s'est formé du dioxyde de carbone.
Les modèles le montrent : l'atome de carbone s'est accroché aux deux atomes d'oxygène.
Le méthane \(\mathrm{CH_4}\) est le principal constituant du gaz naturel. Au-dessus de la flamme d'une gazinière, un verre froid se couvre de buée : il se forme de l'eau. Un verre rincé à l'eau de chaux se trouble : il se forme aussi du dioxyde de carbone.
Deux tests à connaître pour identifier les produits d'une combustion :
| Produit | Test | Résultat si le produit est présent |
|---|---|---|
| dioxyde de carbone \(\mathrm{CO_2}\) | eau de chaux | l'eau de chaux se trouble (devient blanchâtre) |
| eau \(\mathrm{H_2O}\) | sulfate de cuivre anhydre (poudre blanche) | la poudre devient bleue |
Attention, danger ! Quand le dioxygène manque (pièce mal aérée, chaudière mal réglée), la combustion est incomplète : la flamme devient jaune et il se forme du monoxyde de carbone CO, un gaz toxique, inodore et invisible. D'où les consignes : aérer, faire entretenir les chaudières, installer un détecteur.
Enfin, toutes les combustions de carbone, de bois, de gaz ou de pétrole produisent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre : voir produire de l'énergie électrique.
Chaque élément a un symbole, donné par la classification périodique (elle est fournie au brevet). Ceux qui reviennent sans cesse sont en jaune :
La formule chimique d'une molécule indique ses atomes (symboles) et leur nombre (en indice, en bas à droite ; le chiffre 1 ne s'écrit pas) : voir atomes, molécules et ions.
| Nom | Formule | Constitution | Où la rencontre-t-on ? |
|---|---|---|---|
| dioxygène | \(\mathrm{O_2}\) | 2 atomes d'oxygène | 21 % de l'air, comburant |
| dihydrogène | \(\mathrm{H_2}\) | 2 atomes d'hydrogène | carburant des fusées |
| diazote | \(\mathrm{N_2}\) | 2 atomes d'azote | 78 % de l'air |
| eau | \(\mathrm{H_2O}\) | 2 atomes d'hydrogène, 1 atome d'oxygène | produit des combustions |
| dioxyde de carbone | \(\mathrm{CO_2}\) | 1 atome de carbone, 2 atomes d'oxygène | produit des combustions |
| méthane | \(\mathrm{CH_4}\) | 1 atome de carbone, 4 atomes d'hydrogène | gaz naturel |
| protoxyde d'azote | \(\mathrm{N_2O}\) | 2 atomes d'azote, 1 atome d'oxygène | engrais, gaz à effet de serre |
Dans une équation de réaction, les nombres jouent deux rôles très différents :
Une équation est ajustée quand on trouve, pour chaque élément, le même nombre d'atomes à gauche (réactifs) et à droite (produits) de la flèche. Prenons la combustion du méthane. En écrivant une molécule de chaque, les modèles montrent tout de suite que ça ne va pas :
| Étape | À gauche | À droite | Ce qu'on fait |
|---|---|---|---|
| 1. On écrit les formules | \(\mathrm{CH_4 + O_2 \longrightarrow CO_2 + H_2O}\) | on ne les changera plus | |
| 2. Le carbone C | 1 | 1 | c'est bon |
| 3. L'hydrogène H | 4 | 2 | on met un 2 devant \(\mathrm{H_2O}\) : 2 × 2 = 4 H |
| 4. L'oxygène O, en dernier | 2 | 2 + 2 × 1 = 4 | on met un 2 devant \(\mathrm{O_2}\) : 2 × 2 = 4 O |
| 5. On vérifie | 1 C, 4 H, 4 O | 1 C, 4 H, 4 O | l'équation est ajustée ✓ |
À toi d'ajuster ! Dessine les modèles si cela t'aide. 📄 ✏️
Oxygène : 2 à gauche, 1 à droite → on met un 2 devant \(\mathrm{H_2O}\). Hydrogène : il y a alors 4 H à droite, 2 à gauche → on met un 2 devant \(\mathrm{H_2}\).
Oxygène : 2 à gauche, 1 à droite → 2 devant CO. Carbone : 2 à droite → 2 devant C.
Vérification : 2 C et 2 O de chaque côté.
Puisque les atomes se conservent, et que chaque atome a sa masse, la masse totale se conserve elle aussi. Expérience : du vinaigre et du bicarbonate de soude réagissent en produisant un gaz, le dioxyde de carbone.
Dans le flacon fermé, le gaz est retenu par le ballon : la masse ne change pas. Dans le flacon ouvert, la masse diminue… seulement parce que le gaz s'échappe dans l'air.
Applique la conservation de la masse. 📄 ✏️ 🧮
\(m_{\text{produits}} = m_{\text{réactifs}} = 12 + 32 = 44\ \text{g}\) de dioxyde de carbone.
Non : le bois a réagi avec le dioxygène de l'air pour former surtout des gaz (dioxyde de carbone, vapeur d'eau) qui sont partis dans l'air. Si on pesait tous les gaz produits, on trouverait même plus de 2 kg, puisque le dioxygène consommé a aussi une masse.
L'essentiel à retenir du chapitre.
| Écriture | Molécules | Atomes H | Atomes O |
|---|---|---|---|
| 2 H₂O | |||
| 3 O₂ | |||
| CO₂ | |||
| 2 CO₂ | |||
| 2 CH₄ | |||
| 4 H₂ |
| Équation |
|---|
| C + O₂ → CO₂ |
| H₂ + O₂ → H₂O |
| CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O |
| C + O₂ → CO |
| Fe + O₂ → Fe₃O₄ |
| C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O |
| Situation | Il s'agit… |
|---|---|
| La glace fond au soleil. | |
| Une bougie brûle. | |
| On verse du sirop dans de l'eau. | |
| Du vinaigre mousse sur du bicarbonate. | |
| L'eau bout dans une casserole. | |
| Un œuf cuit dans la poêle. | |
| On dissout du sel dans l'eau. |
Un réchaud de camping brûle du butane, de formule \(\mathrm{C_4H_{10}}\). L'équation de sa combustion complète est :
Réactifs : le butane et le dioxygène. Produits : le dioxyde de carbone et l'eau.
4 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène.
À gauche : C : 2 × 4 = 8 ; H : 2 × 10 = 20 ; O : 13 × 2 = 26.
À droite : C : 8 ; H : 10 × 2 = 20 ; O : 8 × 2 + 10 × 1 = 26. Elle est ajustée.
L'eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone ; le sulfate de cuivre anhydre devient bleu en présence d'eau.
Le dioxygène s'épuise : la combustion devient incomplète et produit du monoxyde de carbone CO, un gaz toxique, inodore et invisible, qui peut être mortel.
L'ammoniac, utilisé pour fabriquer des engrais, est produit à partir du diazote de l'air et de dihydrogène. Voici les modèles moléculaires de la réaction (azote en bleu, hydrogène en blanc) :
Diazote : \(\mathrm{N_2}\) ; dihydrogène : \(\mathrm{H_2}\) ; ammoniac : \(\mathrm{NH_3}\) (1 atome d'azote, 3 atomes d'hydrogène).
À gauche : 2 N et 3 × 2 = 6 H. À droite : 2 × 1 = 2 N et 2 × 3 = 6 H. Les atomes se conservent.
Dans une gazinière, 16 g de méthane brûlent complètement avec 64 g de dioxygène. Il se forme 44 g de dioxyde de carbone et de l'eau.
La conservation de la masse : la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés.
\(m_{\text{méthane}} + m_{\text{dioxygène}} = m_{\text{dioxyde de carbone}} + m_{\text{eau}}\), donc \(m_{\text{eau}} = 16 + 64 - 44 = 36\ \text{g}\).