Réactions entre métaux et acides
Troisième · Physique-Chimie · Organisation et transformations de la matière
Organisation et transformations de la matière
Acides, bases et ions en solution
Avant de faire réagir un métal avec un acide, il faut savoir ce qu'il y a dans la solution. Une solution aqueuse contient de l'eau et des ions : des atomes (ou groupes d'atomes) qui ont gagné ou perdu des électrons. Ce sont eux qui donnent à la solution sa couleur, son pH et sa réactivité.
Le pH : mesurer l'acidité.
Le pH est un nombre sans unité, compris entre 0 et 14, qui mesure l'acidité d'une solution. On le mesure avec du papier pH (rapide, peu précis) ou avec un pH-mètre (précis). Plus le pH est petit, plus la solution est acide.
| Valeur du pH | Nature de la solution | Ion majoritaire | Exemples |
|---|---|---|---|
| pH inférieur à 7 | Solution acide | Ion hydrogène H+ | Acide chlorhydrique, jus de citron, vinaigre |
| pH égal à 7 | Solution neutre | Autant de H+ que de HO− | Eau distillée, eau salée |
| pH supérieur à 7 | Solution basique | Ion hydroxyde HO− | Soude (hydroxyde de sodium), déboucheur de canalisation |
Diluer un acide.
Diluer, c'est ajouter de l'eau. Les ions H+ sont alors répartis dans un plus grand volume : la solution devient moins acide et son pH augmente, en se rapprochant de 7. Attention, une solution acide diluée reste acide : son pH ne dépassera jamais 7.
Les tests d'identification des ions.
Pour savoir quels ions contient une solution, on utilise des tests caractéristiques : on ajoute un réactif, et on observe la couleur du précipité (solide qui apparaît dans le liquide).
| Ion recherché | Réactif utilisé | Observation |
|---|---|---|
| Ion cuivre II (Cu2+) | Soude (hydroxyde de sodium) | Précipité bleu |
| Ion fer II (Fe2+) | Soude | Précipité vert |
| Ion fer III (Fe3+) | Soude | Précipité rouille (orangé) |
| Ion zinc II (Zn2+) | Soude | Précipité blanc |
| Ion chlorure (Cl−) | Nitrate d'argent | Précipité blanc qui noircit à la lumière |
Organisation et transformations de la matière
Quand un métal rencontre un acide
Plonge un clou en fer dans de l'acide chlorhydrique : ça bouillonne, le clou est peu à peu rongé, la solution devient verte et un gaz s'échappe. Une transformation chimique vient de se produire : des espèces chimiques ont disparu (les réactifs), d'autres sont apparues (les produits). Détaillons pas à pas cette expérience du fer plongé dans l'acide chlorhydrique.
- Ce qu'on observe : effervescence (bullage), le morceau de fer diminue, la solution se colore en vert pâle, le tube tiédit.
- Le gaz : recueilli dans un tube retourné, il produit une petite détonation (un « aboiement ») quand on approche une allumette enflammée. C'est du dihydrogène H2.
- La solution finale : testée à la soude, elle donne un précipité vert. Elle contient donc des ions fer II (Fe2+).
- Les ions chlorure Cl− : ils sont toujours là à la fin. Ils n'ont pas réagi, ce sont des ions spectateurs.
Tous les métaux ne réagissent pas pareil
| Métal | Réaction avec l'acide chlorhydrique | Équation | Couleur finale |
|---|---|---|---|
| Fer (Fe) | Oui, effervescence nette | Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2 | Vert pâle |
| Zinc (Zn) | Oui, effervescence vive | Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2 | Incolore |
| Aluminium (Al) | Oui, réaction très vive | 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2 | Incolore |
| Cuivre (Cu) | Non, aucune réaction | Pas d'équation : rien ne se passe | Inchangée |
La conservation de la masse.
Puisque les atomes se conservent, la masse totale du système ne change pas. En récipient fermé, la balance affiche exactement la même valeur avant et après. En récipient ouvert, elle semble diminuer... simplement parce que le dihydrogène, très léger, s'échappe dans l'air. Rien n'a disparu : c'est juste sorti du bécher.
Le réactif limitant.
Une réaction s'arrête dès qu'un des réactifs est entièrement consommé : c'est le réactif limitant. Si l'effervescence cesse alors qu'il reste du fer au fond du tube, c'est que tous les ions H+ ont réagi : l'acide était le réactif limitant. À l'inverse, si le clou disparaît complètement et qu'il reste de l'acide, c'est le fer qui limitait.
Exercices corrigés
Quel ion est présent dans toutes les solutions acides et responsable de leur acidité ?
- A.L'ion chlorure Cl−
- B.L'ion hydroxyde HO−
- C.L'ion cuivre II Cu2+
- D.L'ion hydrogène H+Bonne réponse
Réponse : D — L'ion hydrogène H+
C'est l'ion hydrogène H+ qui rend une solution acide : plus il y en a, plus le pH est petit. L'ion hydroxyde HO− est au contraire l'ion des solutions basiques. L'ion chlorure Cl− est bien présent dans l'acide chlorhydrique, mais on le retrouve aussi dans l'eau salée, qui n'est pas acide : il n'est donc pas responsable de l'acidité.
Quelle est l'équation correctement ajustée de la réaction entre le fer et les ions hydrogène ?
- A.Fe + H+ → Fe2+ + H2
- B.Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2Bonne réponse
- C.Fe + 2 H+ → Fe3+ + H2
- D.2 Fe + 2 H+ → 2 Fe2+ + H2
Réponse : B — Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2
Il faut conserver les atomes ET les charges. Avec Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2 : 1 atome de fer de chaque côté, 2 atomes d'hydrogène de chaque côté, et une charge totale de +2 à gauche (deux ions H+) comme à droite (Fe2+, car H2 est neutre). La première équation ne conserve ni les atomes d'hydrogène ni les charges. La troisième donne un ion fer III alors que le fer forme ici des ions fer II. La quatrième déséquilibre les charges : +2 à gauche contre +4 à droite.
Après la réaction entre du fer et de l'acide chlorhydrique, la solution est devenue verte. Pourquoi ?
- A.Parce qu'elle contient désormais des ions fer II Fe2+Bonne réponse
- B.Parce qu'elle contient des ions cuivre II Cu2+
- C.Parce qu'elle contient des ions fer III Fe3+
- D.Parce que le dihydrogène formé est un gaz vert
Réponse : A — Parce qu'elle contient désormais des ions fer II Fe2+
Le fer solide se transforme en ions fer II qui passent en solution : ce sont eux qui donnent la teinte vert pâle. On le confirme avec la soude, qui fait apparaître un précipité vert caractéristique des ions Fe2+. Les ions cuivre II donneraient du bleu et les ions fer III de l'orangé rouille. Enfin, le dihydrogène est un gaz incolore.
Quels ions trouve-t-on dans une solution d'acide chlorhydrique ?
- A.Des ions H+ et des ions HO−
- B.Des ions H+ et des ions Cl−Bonne réponse
- C.Des ions Na+ et des ions Cl−
- D.Des ions Na+ et des ions HO−
Réponse : B — Des ions H+ et des ions Cl−
L'acide chlorhydrique contient des ions hydrogène H+ (responsables de l'acidité) et des ions chlorure Cl−, en quantités telles que la solution reste électriquement neutre. Les ions Na+ et HO− forment la soude, qui est une base : la dernière option décrit donc l'exact contraire. Et une solution ne peut pas contenir à la fois beaucoup de H+ et beaucoup de HO−, puisque ce sont les ions caractéristiques de l'acidité et de la basicité.
On ajoute de l'eau à une solution d'acide chlorhydrique de pH = 2. Comment évolue le pH ?
- A.Il diminue, car il y a plus de liquide
- B.Il ne change pas, la dilution n'a aucun effet
- C.Il augmente et se rapproche de 7, sans jamais le dépasserBonne réponse
- D.Il devient supérieur à 7 : la solution devient basique
Réponse : C — Il augmente et se rapproche de 7, sans jamais le dépasser
Diluer, c'est répartir le même nombre d'ions H+ dans un volume plus grand : la solution devient moins acide, donc son pH augmente et tend vers 7. Mais ajouter de l'eau ne fait jamais devenir une solution basique : le pH s'approche de 7 sans le franchir. Si le pH diminuait, cela voudrait dire qu'on a rendu la solution plus acide, ce qui serait le cas en ajoutant de l'acide, pas de l'eau.
Dans l'équation Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2, quels sont les réactifs ?
- A.Le zinc Zn et les ions hydrogène H+Bonne réponse
- B.Les ions zinc Zn2+ et le dihydrogène H2
- C.Le zinc Zn et le dihydrogène H2
- D.Les ions hydrogène H+ et les ions zinc Zn2+
Réponse : A — Le zinc Zn et les ions hydrogène H+
Les réactifs sont les espèces chimiques écrites à gauche de la flèche : elles sont consommées pendant la transformation. Ici ce sont le zinc métallique Zn et les ions hydrogène H+. À droite de la flèche se trouvent les produits, formés pendant la réaction : les ions zinc Zn2+ et le dihydrogène H2. Un moyen simple de ne jamais se tromper : la flèche se lit « donne », donc ce qui est avant est consommé.
Une solution inconnue donne un précipité rouille lorsqu'on y verse quelques gouttes de soude. Quel ion contient-elle ?
- A.L'ion fer II Fe2+
- B.L'ion cuivre II Cu2+
- C.L'ion fer III Fe3+Bonne réponse
- D.L'ion zinc II Zn2+
Réponse : C — L'ion fer III Fe3+
Le précipité rouille (orangé) est caractéristique des ions fer III Fe3+. Il ne faut pas le confondre avec le précipité vert des ions fer II Fe2+ : c'est la confusion la plus fréquente, car les deux ions viennent du même élément fer, mais ils ne portent pas la même charge. Les ions cuivre II donnent un précipité bleu et les ions zinc II un précipité blanc.
Quelle est l'équation correctement ajustée de la réaction entre l'aluminium et les ions hydrogène ?
- A.Al + 3 H+ → Al3+ + 3 H2
- B.2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2Bonne réponse
- C.2 Al + 3 H+ → 2 Al3+ + 3 H2
- D.Al + 6 H+ → Al3+ + 3 H2
Réponse : B — 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2
Vérifions l'équation 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2. Aluminium : 2 atomes à gauche, 2 à droite. Hydrogène : 6 à gauche, et 3 × 2 = 6 à droite. Charges : 6 × (+1) = +6 à gauche, 2 × (+3) = +6 à droite. Tout est conservé. Les trois autres propositions échouent : la première et la troisième ont 3 H à gauche mais 6 H à droite, et la dernière a une charge de +6 à gauche pour seulement +3 à droite.
Dans un bécher ouvert posé sur une balance, on verse 100,0 g d'acide chlorhydrique sur 3,0 g de zinc. Quand tout le zinc a disparu, la balance affiche 102,9 g. Quelle masse de dihydrogène s'est échappée ?
- A.3,0 g
- B.0,1 gBonne réponse
- C.2,9 g
- D.103,0 g
Réponse : B — 0,1 g
La masse totale au départ vaut 100,0 + 3,0 = 103,0 g. À la fin, il reste 102,9 g dans le bécher. La différence 103,0 − 102,9 = 0,1 g correspond au dihydrogène parti dans l'air : c'est un gaz extrêmement léger, ce qui explique cette petite valeur. Attention, la masse ne s'est pas « perdue » : elle a simplement quitté le bécher. Répondre 3,0 g reviendrait à croire que tout le zinc s'est transformé en gaz, ce qui est faux puisque le zinc devient des ions Zn2+ restés en solution.
On verse de l'acide chlorhydrique sur de la poudre d'un métal inconnu. Le gaz recueilli détone à l'allumette et la solution finale, testée à la soude, donne un précipité blanc. Que peut-on conclure ?
- A.Il s'est formé du dioxygène et des ions zinc Zn2+
- B.Il s'est formé du dihydrogène et des ions fer II Fe2+
- C.Il s'est formé du dihydrogène et des ions zinc Zn2+ : le métal était du zincBonne réponse
- D.Il s'est formé du dihydrogène et des ions cuivre II Cu2+
Réponse : C — Il s'est formé du dihydrogène et des ions zinc Zn2+ : le métal était du zinc
Deux indices à croiser. Premier indice : la détonation à l'allumette identifie le dihydrogène (le dioxygène, lui, rallumerait une bûchette incandescente). Second indice : le précipité blanc avec la soude désigne les ions zinc II Zn2+ — les ions fer II donneraient du vert et les ions cuivre II du bleu. Le métal de départ était donc du zinc, selon l'équation Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2. Et cela reste cohérent : le cuivre est de toute façon exclu, puisqu'il ne réagit pas avec l'acide chlorhydrique.
Un ruban d'aluminium réagit avec de l'acide dans un bécher ouvert posé sur une balance : elle indique 250,00 g avant, puis 249,73 g à la fin. Un élève en conclut que la masse ne se conserve pas. Que lui répondre ?
- A.Il a raison : au cours d'une réaction chimique, des atomes disparaissent
- B.Il a tort : 0,27 g de dihydrogène s'est échappé dans l'air ; en récipient fermé, la balance n'aurait pas bougéBonne réponse
- C.Il a raison : l'aluminium a été détruit par l'acide, donc sa masse est perdue
- D.Il a tort : la balance est déréglée, car la masse aurait dû augmenter
Réponse : B — Il a tort : 0,27 g de dihydrogène s'est échappé dans l'air ; en récipient fermé, la balance n'aurait pas bougé
La masse s'est bel et bien conservée : la balance ne pèse que ce qui reste dans le bécher, or le dihydrogène formé (0,27 g ici, soit 250,00 − 249,73) s'est envolé dans l'air. Si l'on refaisait l'expérience dans un flacon bouché, l'affichage resterait à 250,00 g du début à la fin. Les atomes ne disparaissent jamais : ils se réorganisent seulement. L'aluminium n'est pas détruit non plus, il passe simplement de l'état de métal solide à celui d'ions Al3+ dissous dans la solution.
Quel gaz se dégage lorsqu'on plonge un clou en fer dans de l'acide chlorhydrique ?
- A.Du dioxygène
- B.Du dihydrogèneBonne réponse
- C.Du dioxyde de carbone
- D.Du diazote
Réponse : B — Du dihydrogène
L'effervescence observée est due au dégagement de dihydrogène H2, formé à partir des ions hydrogène H+ de l'acide : Fe + 2 H+ → Fe2+ + H2. Le dioxyde de carbone se dégage plutôt lors des réactions avec le calcaire, et ni le dioxygène ni le diazote ne sont produits ici.
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