Transformations chimiques

Physique-chimie Troisième · rappels de quatrième

Les transformations chimiques sont le plus souvent étudiées en quatrième, mais elles reviennent dans presque tous les sujets du brevet, en particulier les combustions. Les modèles moléculaires vont nous servir de fil conducteur : avec eux, on voit ce qui se passe… et les coefficients des équations deviennent évidents.

Mélange, transformation physique ou chimique ?

Ce que montrent les modèles moléculaires

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.

diazote | dioxygènel'air : un mélange

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.

glace (solide)eau liquide

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.

CH₄méthane+2 O₂dioxygèneCO₂dioxyde de carbone+2 H₂Oeau
Au cours d'une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent : ce sont les réactifs ; de nouvelles espèces apparaissent : ce sont les produits. À l'échelle des molécules, les molécules des réactifs sont remplacées par d'autres molécules.
Dans un mélange et dans une transformation physique, les molécules restent les mêmes. Dans une transformation chimique, de nouvelles molécules se forment.

Mélange, transformation physique ou chimique ? ✏️

📖
1. Du sucre se dissout dans un thé.

Un mélange : les molécules de sucre se dispersent entre les molécules d'eau, sans changer. D'ailleurs, le thé a toujours un goût sucré !

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2. De la buée se forme sur une vitre froide.

Une transformation physique : la vapeur d'eau devient de l'eau liquide (liquéfaction). Ce sont toujours des molécules \(\mathrm{H_2O}\).

📖
3. Un clou en fer rouille.

Une transformation chimique : une nouvelle espèce, la rouille, apparaît (le fer réagit avec le dioxygène et l'eau de l'air).

Les combustions

Le triangle du feu

Une combustion est une transformation chimique qui produit de l'énergie thermique (chaleur) et souvent de la lumière. Il faut trois ingrédients :

🔥combustiblebois, méthane, butane…comburantle dioxygène de l'airénergie thermique (chaleur)flamme, étincelle… pour démarrer

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.

La combustion du carbone

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.

Ccarbone+O₂dioxygèneCO₂dioxyde de carbone
\[ \mathrm{C + O_2 \longrightarrow CO_2} \]

Les modèles le montrent : l'atome de carbone s'est accroché aux deux atomes d'oxygène.

La combustion du méthane

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.

CH₄méthane+2 O₂dioxygèneCO₂dioxyde de carbone+2 H₂Oeau
\[ \mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O} \]

Deux tests à connaître pour identifier les produits d'une combustion :

ProduitTestRésultat si le produit est présent
dioxyde de carbone \(\mathrm{CO_2}\)eau de chauxl'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.

2 CH₄+3 O₂2 CO+4 H₂O

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.

Les atomes se conservent

Symboles et formules

Chaque élément a un symbole, donné par la classification périodique (elle est fournie au brevet). Ceux qui reviennent sans cesse sont en jaune :

1
H
hydrogène
2
He
hélium
3
Li
lithium
4
Be
béryllium
5
B
bore
6
C
carbone
7
N
azote
8
O
oxygène
9
F
fluor
10
Ne
néon
11
Na
sodium
12
Mg
magnésium
13
Al
aluminium
14
Si
silicium
15
P
phosphore
16
S
soufre
17
Cl
chlore
18
Ar
argon

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.

NomFormuleConstitutionOù la rencontre-t-on ?
dioxygène\(\mathrm{O_2}\)2 atomes d'oxygène21 % de l'air, comburant
dihydrogène\(\mathrm{H_2}\)2 atomes d'hydrogènecarburant des fusées
diazote\(\mathrm{N_2}\)2 atomes d'azote78 % de l'air
eau\(\mathrm{H_2O}\)2 atomes d'hydrogène, 1 atome d'oxygèneproduit des combustions
dioxyde de carbone\(\mathrm{CO_2}\)1 atome de carbone, 2 atomes d'oxygèneproduit des combustions
méthane\(\mathrm{CH_4}\)1 atome de carbone, 4 atomes d'hydrogènegaz naturel
protoxyde d'azote\(\mathrm{N_2O}\)2 atomes d'azote, 1 atome d'oxygèneengrais, gaz à effet de serre

Une redistribution des atomes

Au cours d'une transformation chimique, les atomes des réactifs se séparent, puis se réassemblent autrement pour former les molécules des produits. Aucun atome n'apparaît, aucun ne disparaît : les atomes se conservent.

Indices et coefficients

Dans une équation de réaction, les nombres jouent deux rôles très différents :

2 H2Ocoefficient : 2 moléculesil multiplie toute la moléculeindice : 2 atomes Hdans chaque moléculeAu total : 2 × 2 = 4 atomes H et 2 × 1 = 2 atomes O.
  • L'indice (en bas à droite) fait partie de la formule : il dit comment la molécule est construite. On ne le change jamais : \(\mathrm{H_2O}\) est de l'eau, mais \(\mathrm{H_2O_2}\) est de l'eau oxygénée, une autre espèce !
  • Le coefficient (devant la formule) donne le nombre de molécules. C'est lui qu'on choisit pour ajuster l'équation. Il multiplie tous les atomes de la molécule.
  • Le coefficient 1 ne s'écrit pas.

Ajuster une équation de réaction

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 :

CH₄+O₂CO₂+H₂O
ÉtapeÀ gaucheÀ droiteCe 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 C11c'est bon
3. L'hydrogène H42on met un 2 devant \(\mathrm{H_2O}\) : 2 × 2 = 4 H
4. L'oxygène O, en dernier22 + 2 × 1 = 4on met un 2 devant \(\mathrm{O_2}\) : 2 × 2 = 4 O
5. On vérifie1 C, 4 H, 4 O1 C, 4 H, 4 Ol'équation est ajustée ✓
\[ \mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O} \]
  • On ajuste l'oxygène en dernier : il est souvent présent dans plusieurs molécules.
  • Erreur fréquente : écrire \(\mathrm{H_4O}\) ou \(\mathrm{O_4}\) pour « équilibrer ». Interdit ! On ne touche qu'aux coefficients.
  • Dans \(2\,\mathrm{H_2O}\), il y a 2 × 2 = 4 atomes H, mais aussi 2 × 1 = 2 atomes O : le coefficient multiplie aussi les atomes sans indice.

À toi d'ajuster ! Dessine les modèles si cela t'aide. 📄 ✏️

📖
1. La combustion du dihydrogène donne de l'eau : \(\mathrm{H_2 + O_2 \longrightarrow H_2O}\). Ajuste l'équation.

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 \(\mathrm{H_2}\).

2 H₂+O₂2 H₂O
\[ \mathrm{2\,H_2 + O_2 \longrightarrow 2\,H_2O} \]
📖
2. La combustion incomplète du carbone donne du monoxyde de carbone : \(\mathrm{C + O_2 \longrightarrow CO}\). Ajuste l'équation.

Oxygène : 2 à gauche, 1 à droite → 2 devant CO. Carbone : 2 à droite → 2 devant C.

\[ \mathrm{2\,C + O_2 \longrightarrow 2\,CO} \]

Vérification : 2 C et 2 O de chaque côté.

La conservation de la masse

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.

152,0 gflacon ferméavant : 152,0 g ; après : 152,0 gle gaz s'échappe151,1 gflacon ouvertavant : 152,0 g ; après : 151,1 g

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.

Au cours d'une transformation chimique, la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés. Comme l'a écrit Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »

Applique la conservation de la masse. 📄 ✏️ 🧮

📖
1. 12 g de carbone brûlent entièrement avec 32 g de dioxygène. Quelle masse de dioxyde de carbone se forme-t-il ?

\(m_{\text{produits}} = m_{\text{réactifs}} = 12 + 32 = 44\ \text{g}\) de dioxyde de carbone.

📖
2. Une bûche de 2 kg brûle complètement : il ne reste que quelques grammes de cendres. La masse a-t-elle disparu ?

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.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Transformation chimique

  • Des réactifs disparaissent, des produits apparaissent : de nouvelles molécules se forment.
  • Mélange et changement d'état : les molécules restent les mêmes.

Combustions

  • Combustible + dioxygène (+ énergie thermique pour démarrer).
  • \(\mathrm{C + O_2 \longrightarrow CO_2}\) ; \(\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O}\).
  • CO₂ : l'eau de chaux se trouble ; eau : le sulfate de cuivre anhydre bleuit.

Conservation

  • Les atomes se redistribuent et se conservent : même nombre de chaque atome de part et d'autre de la flèche.
  • On ajuste avec les coefficients, jamais avec les indices.
  • La masse totale se conserve.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur les transformations chimiques ✏️

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : compter molécules et atomes ✏️ 🧮

📝 Pour chaque écriture, indique le nombre de molécules, puis le nombre total d'atomes d'hydrogène H et d'oxygène O (écris 0 s'il n'y en a pas).
💡 Indice Le coefficient (devant) donne le nombre de molécules ; il multiplie tous les atomes de la molécule. Dessine les modèles si besoin !
ÉcritureMoléculesAtomes HAtomes O
2 H₂O
3 O₂
CO₂
2 CO₂
2 CH₄
4 H₂

Exercice 3 : ajuster des équations de réaction ✏️

📝 Écris le coefficient devant chaque formule pour ajuster l'équation (écris 1 quand il n'en faut pas).
💡 Indice Compte les atomes de chaque élément à gauche et à droite ; ajuste l'oxygène en dernier. Ne change jamais les formules !
Équation
 C +  O₂  →   CO₂
 H₂ +  O₂  →   H₂O
 CH₄ +  O₂  →   CO₂ +  H₂O
 C +  O₂  →   CO
 Fe +  O₂  →   Fe₃O₄
 C₃H₈ +  O₂  →   CO₂ +  H₂O

Exercice 4 : mélange, transformation physique ou chimique ? ✏️

📝 Classe chaque situation.
💡 Indice De nouvelles espèces apparaissent-elles ? Si oui, c'est une transformation chimique. Un changement d'état est une transformation physique.
SituationIl 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.

Exercice 5 : Vrai ou faux sur les équations de réaction ✏️

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 6 : le réchaud de camping 📄 ✏️ 🧮


Un réchaud de camping brûle du butane, de formule \(\mathrm{C_4H_{10}}\). L'équation de sa combustion complète est :

\[ \mathrm{2\,C_4H_{10} + 13\,O_2 \longrightarrow 8\,CO_2 + 10\,H_2O} \]

📖
1. Quels sont les réactifs ? les produits ?
💡 Indice Les réactifs sont à gauche de la flèche.

Réactifs : le butane et le dioxygène. Produits : le dioxyde de carbone et l'eau.

📖
2. Donne la constitution d'une molécule de butane.
💡 Indice Lis les indices de la formule.

4 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène.

📖
3. Vérifie que l'équation est ajustée.
💡 Indice Compte C, H et O de chaque côté : le coefficient multiplie tous les atomes de la molécule.

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.

📖
4. Comment montrer qu'il se forme du dioxyde de carbone ? de l'eau ?
💡 Indice Deux tests du cours.

L'eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone ; le sulfate de cuivre anhydre devient bleu en présence d'eau.

📖
5. Pourquoi ne faut-il jamais utiliser ce réchaud dans une tente fermée ?
💡 Indice Que se passe-t-il quand le dioxygène manque ?

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.

Exercice 7 : des modèles à l'équation 📄 ✏️


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) :

+

📖
1. Écris les formules du diazote, du dihydrogène et de l'ammoniac.
💡 Indice Compte les atomes de chaque couleur dans une molécule.

Diazote : \(\mathrm{N_2}\) ; dihydrogène : \(\mathrm{H_2}\) ; ammoniac : \(\mathrm{NH_3}\) (1 atome d'azote, 3 atomes d'hydrogène).

📖
2. Écris l'équation de la réaction.
💡 Indice Le nombre de molécules dessinées donne les coefficients.
\[ \mathrm{N_2 + 3\,H_2 \longrightarrow 2\,NH_3} \]
📖
3. Vérifie la conservation des atomes.
💡 Indice Compte N et H de chaque côté.

À gauche : 2 N et 3 × 2 = 6 H. À droite : 2 × 1 = 2 N et 2 × 3 = 6 H. Les atomes se conservent.

Exercice 8 : la combustion du méthane en masses 📄 ✏️ 🧮


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.


📖
1. Quelle loi permet de calculer la masse d'eau formée ? Énonce-la.
💡 Indice Pense à Lavoisier.

La conservation de la masse : la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés.

📖
2. Calcule la masse d'eau formée.
💡 Indice Écris d'abord l'égalité des masses, puis isole la masse d'eau.

\(m_{\text{méthane}} + m_{\text{dioxygène}} = m_{\text{dioxyde de carbone}} + m_{\text{eau}}\), donc \(m_{\text{eau}} = 16 + 64 - 44 = 36\ \text{g}\).