Modéliser une transformation chimique
Seconde · Physique-Chimie · Constitution et transformations de la matière
Constitution et transformations de la matière
Physique, chimique, nucléaire : reconnaître et écrire
Quand la matière change, le chimiste se pose toujours la même question : qu'est-ce qui a réellement changé ? Selon la réponse, on parle de transformation physique, chimique ou nucléaire. Ces trois modèles n'ont ni le même niveau (molécule, atome, noyau) ni les mêmes règles d'écriture. Savoir les distinguer, c'est la première chose qu'on attend de toi en seconde.
| Physique | Chimique | Nucléaire | |
|---|---|---|---|
| Ce qui change | L'état physique ou la dispersion | La nature des molécules et des ions | La nature des noyaux, donc des éléments |
| Ce qui est conservé | Les entités chimiques elles-mêmes | Les éléments chimiques et la charge | Le nombre de nucléons A et le nombre de charge Z |
| Niveau concerné | Molécule entière | Liaisons entre atomes | Noyau de l'atome |
| Énergie mise en jeu | Faible | Moyenne | Très grande (environ un million de fois plus) |
| Exemple | La glace fond : H2O (s) donne H2O (l) | Le méthane brûle : CH4 + 2 O2 donne CO2 + 2 H2O | Un noyau d'uranium se casse en deux noyaux plus petits |
Décrire une transformation chimique. Une transformation chimique se décrit par un état initial et un état final. Dans l'état initial, on précise les espèces présentes, leurs quantités de matière (en mol) et les conditions (température, pression). Dans l'état final, on précise ce qui s'est formé et ce qui reste.
Le passage de l'un à l'autre est modélisé par une réaction chimique, résumée par une équation.
Les transformations nucléaires. Un noyau se note A/Z X : A est le nombre de nucléons (protons + neutrons), Z le nombre de charge (nombre de protons), qui identifie l'élément. Dans une équation nucléaire, deux grandeurs sont conservées : A et Z. C'est tout ce dont tu as besoin pour compléter une équation nucléaire de seconde.
Exemple, une fission de l'uranium : 235/92 U + 1/0 n donne 94/38 Sr + A/Z X + 2 x 1/0 n.
Conservation de A : 235 + 1 = 94 + A + 2 x 1, donc 236 = 96 + A, donc A = 140.
Conservation de Z : 92 + 0 = 38 + Z + 2 x 0, donc Z = 54.
Le noyau X est donc 140/54 Xe, un noyau de xénon.
Constitution et transformations de la matière
Stœchiométrie, réactif limitant et tableau d'avancement
L'équation ajustée ne dit pas seulement qui réagit : elle dit dans quelles proportions. C'est la stœchiométrie. Elle permet de prévoir combien de produit on va obtenir et lequel des réactifs va s'épuiser en premier — deux questions très concrètes, aussi bien au laboratoire qu'en usine.
L'avancement x. L'avancement, noté x et exprimé en mol, mesure « jusqu'où » la réaction est allée. Quand l'avancement vaut x, chaque réactif a été consommé de son nombre stœchiométrique multiplié par x, et chaque produit a été formé de la même façon.
À l'état initial, x = 0. À l'état final, x atteint sa valeur maximale x max : c'est le moment où l'un des réactifs vient d'être totalement consommé.
Le tableau d'avancement. C'est la façon standard de présenter tout cela. Voici celui de la synthèse de l'ammoniac N2 + 3 H2 donne 2 NH3, avec 2,0 mol de N2 et 3,0 mol de H2 au départ.
| État | Avancement | n(N2) en mol | n(H2) en mol | n(NH3) en mol |
|---|---|---|---|---|
| Initial | 0 | 2,0 | 3,0 | 0 |
| En cours | x | 2,0 − x | 3,0 − 3x | 2x |
| Final | x max = 1,0 | 1,0 | 0 | 2,0 |
Exercices corrigés
Un glaçon fond dans un verre. De quel type de transformation s'agit-il ?
- A.Une transformation chimique, car l'eau change d'aspect
- B.Une transformation physique, car les molécules d'eau sont conservéesBonne réponse
- C.Une transformation nucléaire, car il y a un échange d'énergie
- D.Une transformation chimique, car il y a absorption d'énergie
Réponse : B — Une transformation physique, car les molécules d'eau sont conservées
Avant comme après, les entités présentes sont des molécules d'eau H2O : seul leur état physique change, du solide au liquide. Aucune molécule n'est détruite ni créée, donc c'est une transformation physique. Le fait qu'il y ait un changement d'aspect ou un échange d'énergie ne suffit jamais à parler de transformation chimique : le critère, c'est le changement de nature des entités.
Que conserve-t-on obligatoirement en ajustant une équation de réaction chimique ?
- A.Le nombre de molécules de chaque côté
- B.La quantité de matière totale en mol
- C.Le nombre d'atomes de chaque élément et la charge totaleBonne réponse
- D.Le nombre de nucléons A de chaque noyau
Réponse : C — Le nombre d'atomes de chaque élément et la charge totale
Dans une transformation chimique, les noyaux ne sont pas touchés : les atomes se contentent de se réorganiser. On conserve donc le nombre d'atomes de chaque élément, ainsi que la charge électrique totale. Le nombre de molécules, lui, change presque toujours : dans 2 H2 + O2 donne 2 H2O, on passe de 3 molécules à 2. La conservation de A concerne les équations nucléaires, pas chimiques.
Quelle est l'équation ajustée de la combustion complète du méthane CH4 dans le dioxygène ?
- A.CH4 + 2 O2 donne CO2 + 2 H2OBonne réponse
- B.CH4 + O2 donne CO2 + H2O
- C.CH4 + 3 O2 donne CO2 + 2 H2O
- D.CH4 + 2 O2 donne CO2 + H2O2
Réponse : A — CH4 + 2 O2 donne CO2 + 2 H2O
On compte élément par élément. Carbone : 1 à gauche, 1 dans CO2 à droite. Hydrogène : 4 dans CH4, donc il faut 2 H2O à droite (2 fois 2 = 4). Oxygène : à droite on a alors 2 (du CO2) + 2 (des deux H2O) = 4 atomes, il faut donc 2 O2 à gauche. L'option 2 n'est pas ajustée. L'option 3 met trop d'oxygène (6 à gauche contre 4 à droite). L'option 4 invente un produit : H2O2 est l'eau oxygénée, pas de l'eau — on ne modifie jamais les indices.
Qu'appelle-t-on une espèce spectatrice ?
- A.Un réactif présent en excès dont il reste à la fin
- B.Un produit formé en très faible quantité
- C.Le réactif limitant, une fois qu'il a disparu
- D.Une espèce présente dans le mélange mais ni consommée ni forméeBonne réponse
Réponse : D — Une espèce présente dans le mélange mais ni consommée ni formée
Une espèce spectatrice traverse la transformation sans rien faire : elle est là au départ, elle est encore là à l'arrivée, en même quantité. C'est typiquement le cas des ions qui accompagnent ceux qui réagissent réellement. Comme elle n'intervient pas, on ne l'écrit pas dans l'équation. Attention à ne pas la confondre avec un réactif en excès : celui-là est bel et bien consommé, simplement pas en totalité.
Qu'est-ce que le réactif limitant d'une transformation chimique ?
- A.Le réactif dont la masse initiale est la plus faible
- B.Le réactif dont le nombre stœchiométrique est le plus grand
- C.Le réactif entièrement consommé en premier, qui arrête la réactionBonne réponse
- D.Le réactif dont il reste le plus à l'état final
Réponse : C — Le réactif entièrement consommé en premier, qui arrête la réaction
Le réactif limitant est celui qui s'épuise complètement le premier : dès qu'il n'y en a plus, la réaction s'arrête, même s'il reste d'autres réactifs. C'est donc lui qui fixe la quantité maximale de produit formée. Ce n'est pas forcément celui dont la masse ou la quantité initiale est la plus petite : tout dépend aussi des nombres stœchiométriques, et c'est le rapport n divisé par le nombre stœchiométrique qu'il faut comparer.
On ajuste l'équation de formation de l'oxyde de fer : ... Fe + ... O2 donne ... Fe2O3. Quels sont les nombres stœchiométriques, dans l'ordre ?
- A.2 Fe + 3 O2 donne 1 Fe2O3
- B.1 Fe + 1 O2 donne 1 Fe2O3
- C.3 Fe + 4 O2 donne 2 Fe2O3
- D.4 Fe + 3 O2 donne 2 Fe2O3Bonne réponse
Réponse : D — 4 Fe + 3 O2 donne 2 Fe2O3
Prenons 2 Fe2O3 à droite pour avoir un nombre pair d'oxygènes : cela fait 4 atomes de fer et 6 atomes d'oxygène. Il faut donc 4 Fe à gauche et 3 O2 (car 3 fois 2 = 6). L'équation ajustée est 4 Fe + 3 O2 donne 2 Fe2O3. Vérification : Fe, 4 = 4 ; O, 6 = 6. L'option 1 déséquilibre le fer (2 à gauche, 2 à droite, mais l'oxygène donne 6 contre 3). L'option 3 déséquilibre le fer (3 contre 4).
Complète l'équation nucléaire : 235/92 U + 1/0 n donne 94/38 Sr + A/Z X + 2 x 1/0 n. Que valent A et Z ?
- A.A = 140 et Z = 54Bonne réponse
- B.A = 142 et Z = 54
- C.A = 140 et Z = 56
- D.A = 141 et Z = 52
Réponse : A — A = 140 et Z = 54
On applique les deux conservations. Nucléons : à gauche 235 + 1 = 236 ; à droite 94 + A + 2 fois 1 = 96 + A. Donc 96 + A = 236, soit A = 140. Charges : à gauche 92 + 0 = 92 ; à droite 38 + Z + 0 = 38 + Z. Donc Z = 92 − 38 = 54. Le piège classique est d'oublier les 2 neutrons émis dans le bilan des nucléons : on trouve alors 142 au lieu de 140.
Même mélange : 6,0 mol de H2 et 2,0 mol de O2, avec 2 H2 + O2 donne 2 H2O. Quelle quantité d'eau se forme ?
- A.2,0 mol
- B.6,0 mol
- C.4,0 molBonne réponse
- D.8,0 mol
Réponse : C — 4,0 mol
Le réactif limitant est O2, donc x max = 2,0/1 = 2,0 mol. Le nombre stœchiométrique de l'eau vaut 2, donc n(H2O) formée = 2 fois x max = 2 fois 2,0 = 4,0 mol. Répondre 2,0 mol, c'est oublier de multiplier x max par le nombre stœchiométrique du produit. Répondre 6,0 mol, c'est croire à tort que tout le H2 réagit.
On dissout du sucre dans de l'eau. Que peut-on affirmer ?
- A.C'est une transformation chimique : le sucre disparaît, il est donc consommé
- B.C'est une transformation chimique, car la solution obtenue est nouvelle
- C.C'est une transformation nucléaire, car les molécules se séparent
- D.C'est une transformation physique : les molécules de sucre sont intactes, seulement disperséesBonne réponse
Réponse : D — C'est une transformation physique : les molécules de sucre sont intactes, seulement dispersées
Le sucre ne se voit plus, mais il est toujours là : ses molécules sont simplement dispersées entre les molécules d'eau, intactes. La preuve, on peut le récupérer par évaporation de l'eau, et la solution a un goût sucré. Aucune entité nouvelle n'est formée, donc la transformation est physique. « Disparaître à l'œil » n'est jamais un critère chimique.
Dans le Soleil, deux noyaux d'hydrogène fusionnent pour donner un noyau d'hélium. De quel type de transformation s'agit-il et pourquoi ?
- A.Chimique, car deux entités se combinent pour en former une nouvelle
- B.Nucléaire, car les noyaux eux-mêmes sont modifiés et l'élément changeBonne réponse
- C.Physique, car il s'agit seulement d'un changement d'état à haute température
- D.Chimique, car on peut écrire une équation avec une flèche
Réponse : B — Nucléaire, car les noyaux eux-mêmes sont modifiés et l'élément change
Le critère décisif est le niveau touché. Ici les noyaux fusionnent : de l'hydrogène (Z = 1) on obtient de l'hélium (Z = 2), donc l'élément chimique lui-même change. C'est la signature d'une transformation nucléaire. Une transformation chimique, elle, réorganise les liaisons entre atomes mais laisse chaque noyau intact — un atome d'hydrogène reste un atome d'hydrogène. Le fait de pouvoir écrire une équation ne dit rien du type : les trois transformations s'écrivent avec une flèche.
Soit 3 Fe + 4 H2O donne Fe3O4 + 4 H2. On part de 0,60 mol de fer et 0,60 mol d'eau. Que vaut x max ?
- A.0,60 mol
- B.0,20 mol
- C.0,15 molBonne réponse
- D.0,30 mol
Réponse : C — 0,15 mol
On calcule les deux rapports. Pour Fe : 0,60/3 = 0,20. Pour H2O : 0,60/4 = 0,15. Le plus petit est 0,15 : l'eau est le réactif limitant et x max = 0,15 mol. Le piège ici est que les deux quantités initiales sont identiques (0,60 mol) : impossible de conclure sans passer par les nombres stœchiométriques. Répondre 0,20 mol, c'est prendre le rapport du fer, qui est en excès.
Même réaction : 3 Fe + 4 H2O donne Fe3O4 + 4 H2, avec 0,60 mol de Fe et 0,60 mol de H2O. Quelle quantité de fer reste-t-il à l'état final ?
- A.0 mol
- B.0,45 mol
- C.0,60 mol
- D.0,15 molBonne réponse
Réponse : D — 0,15 mol
On a établi que x max = 0,15 mol (l'eau est limitante). Le fer est consommé à raison de 3 fois x max, soit 3 fois 0,15 = 0,45 mol. Il en reste donc 0,60 − 0,45 = 0,15 mol. Répondre 0,45 mol, c'est donner la quantité consommée au lieu de la quantité restante. Répondre 0 mol reviendrait à croire que le fer est limitant, ce qui est faux.
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