CH06 – La transformation chimique
Fiche interactive
Classe de Seconde – Physique-Chimie
PARTIE 1 – La transformation chimique
Une transformation chimique a lieu lorsqu’une nouvelle espèce chimique apparaît ou lorsqu’une espèce chimique disparaît.
- Réactifs : espèces qui disparaissent.
- Produits : espèces qui apparaissent.
| Terme | Définition |
|---|---|
| Système chimique | Ensemble des espèces chimiques étudiées. |
| État initial (E.I.) | Situation du système avant la transformation. |
| État final (E.F.) | Situation du système après la transformation. |
| Réaction chimique | Modélisation symbolique de la transformation. |
- Conservation des éléments chimiques : les atomes présents dans les réactifs se retrouvent dans les produits.
- Conservation de la charge : la somme des charges reste identique.
- Conservation de la masse : masse des réactifs = masse des produits.
- Réactifs à gauche, produits à droite.
- Une flèche sépare les deux.
- On utilise les formules chimiques.
- On indique l’état physique : (s), (l), (g), (aq).
On choisit les nombres devant les formules pour respecter les lois de conservation.
- Le nombre stœchiométrique se place devant la formule.
- Le 1 ne s’écrit pas.
1. Combustion du butane
Équation non équilibrée :
C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O
2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O
2. Corrosion du zinc par un acide
Équation non équilibrée :
Zn + H⁺ → Zn²⁺ + H₂
Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂
3. Action d’un acide sur le calcaire
Équation non équilibrée :
CaCO₃ + H₃O⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O
CaCO₃ + 2 H₃O⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + 3 H₂O
4. Réaction acide / base
Équation non équilibrée :
H₃O⁺ + HO⁻ → H₂O
H₃O⁺ + HO⁻ → 2 H₂O
Comment reconnaître une transformation chimique ?
- Apparition d’un gaz
- Changement de couleur
- Précipité
- Chaleur dégagée ou absorbée
Ce qui se conserve
- Atomes
- Charge
- Masse
Ce qui peut changer
- Organisation des atomes
- État physique
- Énergie
Exercice 1 : Identifier réactifs et produits
On mélange du fer et du dioxygène : formation d’oxyde de fer.
Réactifs : fer (Fe), dioxygène (O₂)
Produit : oxyde de fer
Exercice 2 : Compléter l’équation
__ H₂ + __ O₂ → __ H₂O
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Exercice 3 : Espèces spectatrices
Dans la réaction acide/base entre H₃O⁺ ; Cl⁻ et Na⁺ ; HO⁻ :
H₃O⁺ + HO⁻ → 2 H₂O
Espèces spectatrices : Na⁺ et Cl⁻
Exercice 4 : Équilibrer les équations
Zn + H⁺ → Zn²⁺ + H₂
Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂
C + O₂ → CO
2 C + O₂ → 2 CO
C₆H₁₂O₆ → C₂H₆O + CO₂
C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₆O + 2 CO₂
Fe₂O₃ + CO → Fe₃O₄ + CO₂
3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂
Cu²⁺ + OH⁻ → Cu(OH)₂
Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂
Ag⁺ + Cu → Ag + Cu²⁺
2 Ag⁺ + Cu → 2 Ag + Cu²⁺
C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O
C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
PARTIE 2 – Le tableau d’avancement
L’avancement, noté x, permet de suivre l’évolution des quantités de matière au cours d’une transformation chimique.
- x s’exprime en mole.
- Il indique « combien de fois » la réaction a eu lieu.
2 H⁺ (aq) + Mg (s) → H₂ (g) + Mg²⁺ (aq)
Si la quantité de dihydrogène formée est x mol :
- Mg consommé : x
- H⁺ consommé : 2x
- Mg²⁺ formé : x
Le réactif limitant est celui qui est entièrement consommé à l’état final.
L’avancement maximal, noté xmax, est la valeur de x pour laquelle le réactif limitant est épuisé.
Le tableau d’avancement permet de suivre :
- les quantités de matière initiales
- les variations liées à l’avancement
- les quantités de matière finales
Il permet de déterminer :
- le réactif limitant
- l’avancement maximal
- les quantités finales des espèces
Considérons une réaction :
a A + b B → c C + d D
On suit l’évolution des quantités de matière :
- État initial : n0(A), n0(B)
- État intermédiaire : avancement x
- État final : x = xmax
On calcule xmax en comparant :
xmax = min(n0(A)/a ; n0(B)/b)
Le réactif limitant est celui pour lequel cette valeur est atteinte.
Exercice 1
Du plomb solide en excès réagit avec 2,5×10⁻³ mol d’ions Ag⁺ pour former des ions Pb²⁺ et de l'argent solide Ag.
Consignes : écrire l’équation‑bilan, déterminer le réactif limitant et l’avancement maximal.
Équation‑bilan :
Pb (s) + 2 Ag⁺ (aq) → Pb²⁺ (aq) + 2 Ag (s)
Données :
n₀(Pb) : excès
n₀(Ag⁺) = 2,5×10⁻³ mol
Recherche du réactif limitant :
Rapports :
- Pb : excès / 1 = très grand
- Ag⁺ : 2,5×10⁻³ / 2 = 1,25×10⁻³
Réactif limitant : Ag⁺
Avancement maximal :
x_max = 1,25×10⁻³ mol
Exercice 2
HPO₄²⁻ (0,275 mol) réagit avec HLac (0,050 mol) pour former H₂PO₄⁻ et Lac⁻.
Consignes : déterminer le réactif limitant et l’avancement maximal.
Équation‑bilan :
HPO₄²⁻ + HLac → H₂PO₄⁻ + Lac⁻
Données :
n₀(HPO₄²⁻) = 0,275 mol
n₀(HLac) = 0,050 mol
Rapports :
- HPO₄²⁻ : 0,275 / 1 = 0,275
- HLac : 0,050 / 1 = 0,050
Réactif limitant : HLac
Avancement maximal :
x_max = 0,050 mol
Exercice 3
H₂O₂ (0,010 mol) réagit avec I⁻ (0,010 mol) en milieu acide H⁺ pour former H₂O et I₂.
Équation‑bilan :
H₂O₂ + 2 I⁻ + 2 H⁺ → 2 H₂O + I₂
Données :
n₀(H₂O₂) = 0,010 mol
n₀(I⁻) = 0,010 mol
Rapports :
- H₂O₂ : 0,010 / 1 = 0,010
- I⁻ : 0,010 / 2 = 0,005
Réactif limitant : I⁻
Avancement maximal :
x_max = 0,005 mol
Exercice 4
Fe²⁺ (0,050 mol) réagit avec MnO₄⁻ (0,010 mol) en milieu acide.
MnO₄⁻ + 5 Fe²⁺ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 5 Fe³⁺ + 4 H₂O
Équation‑bilan :
MnO₄⁻ + 5 Fe²⁺ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 5 Fe³⁺ + 4 H₂O
Données :
n₀(MnO₄⁻) = 0,010 mol
n₀(Fe²⁺) = 0,050 mol
Rapports :
- MnO₄⁻ : 0,010 / 1 = 0,010
- Fe²⁺ : 0,050 / 5 = 0,010
Réactifs limitants : MnO₄⁻ et Fe²⁺ (réaction stœchiométrique parfaite)
Avancement maximal :
x_max = 0,010 mol
Exercice 5
10 mL de Pb²⁺ à 0,10 mol·L⁻¹ réagissent avec de l’étain en excès pour former Pb et Sn²⁺.
Équation‑bilan :
Pb²⁺ + Sn → Pb + Sn²⁺
Données :
V = 10 mL = 0,010 L
c = 0,10 mol·L⁻¹
n₀(Pb²⁺) = c × V = 0,10 × 0,010 = 1,0×10⁻³ mol
Réactif limitant : Pb²⁺ (Sn en excès)
Avancement maximal :
x_max = 1,0×10⁻³ mol
Exercice 6
10 mL de Fe²⁺ à 0,10 mol·L⁻¹ réagissent avec 10 mL de diiode I₂ pour former Fe³⁺ et I⁻.
Équation‑bilan :
2 Fe²⁺ + I₂ → 2 Fe³⁺ + 2 I⁻
Données :
n₀(Fe²⁺) = 1,0×10⁻³ mol
n₀(I₂) = 1,0×10⁻³ mol
Rapports :
- Fe²⁺ : 1,0×10⁻³ / 2 = 0,5×10⁻³
- I₂ : 1,0×10⁻³ / 1 = 1,0×10⁻³
Réactif limitant : Fe²⁺
Avancement maximal :
x_max = 0,5×10⁻³ mol
PARTIE 3 – Synthèse d’une espèce chimique
Une synthèse chimique est une transformation au cours de laquelle des réactifs réagissent pour former une molécule recherchée.
- La molécule est rare dans la nature.
- Elle est coûteuse à extraire.
- Elle présente des effets indésirables sous sa forme naturelle.
- On a besoin de nouvelles molécules : plastiques, médicaments, colorants…
| Secteur | Caractéristiques | Exemples |
|---|---|---|
| Chimie lourde | Très grands volumes, faible coût | Plastiques (polyéthylène) |
| Chimie fine | Molécules complexes, coûteuses | Médicaments (aspirine) |
| Chimie des spécialités | Produits courants | Parfums, colorants, lessives |
- Choisir les réactifs.
- Respecter les conditions expérimentales.
- Chauffer si nécessaire (souvent à reflux).
- Séparer et purifier le produit.
- Vérifier la molécule obtenue.
- On chauffe le mélange réactionnel.
- Le condenseur refroidit les vapeurs.
- Les vapeurs se liquéfient et retombent dans le ballon.
→ Aucun réactif ni produit ne s’échappe : pas de perte de matière.
À la fin de la synthèse, le produit obtenu est mélangé à d’autres substances. Il faut donc l’extraire puis le purifier.
| Technique | But | Exemple |
|---|---|---|
| Lavage | Éliminer les impuretés | Rinçage avec eau ou solvant |
| Décantation | Séparer deux liquides non miscibles | Eau / huile |
| Extraction par solvant | Dissoudre sélectivement le produit | Produit organique dans l’hexane |
| Hydrodistillation | Extraire des arômes | Huiles essentielles |
| Distillation | Séparer selon les températures d’ébullition | Alcool / eau |
Schéma général d’une synthèse chimique :
- 1. La distillation permet de séparer deux liquides miscibles.
- 2. L’extraction par solvant permet de dissoudre sélectivement un produit.
Lors d’une synthèse, un élève chauffe un mélange réactionnel dans un ballon sans utiliser de condenseur. Expliquer pourquoi cette méthode est incorrecte.
Correction :
Sans condenseur, les vapeurs formées s’échappent du ballon. On perd donc des réactifs et des produits, ce qui fausse le rendement et peut empêcher la réaction d’aller à son terme.
Le chauffage à reflux permet de recycler les vapeurs : elles se condensent et retombent dans le ballon → aucune perte de matière.
Exercice 1 – Identifier le secteur industriel
Pour chaque produit, indique s’il relève de la chimie lourde, fine ou des spécialités :
- Fabrication du polyéthylène
- Synthèse du paracétamol
- Production d’un parfum
- Fabrication de colorants alimentaires
- Production de lessive liquide
Réponses :
- 1. Chimie lourde
- 2. Chimie fine
- 3. Chimie des spécialités
- 4. Chimie des spécialités
- 5. Chimie des spécialités
Exercice 2 – Analyser un protocole
Protocole :
• Mélanger 10 mL du réactif R1 et 5 mL du réactif R2
• Chauffer 20 minutes à reflux
• Laisser refroidir
• Filtrer pour isoler le produit
• Vérifier la pureté par mesure du pH
- Pourquoi chauffe‑t‑on à reflux ?
- Quelle étape permet d’isoler le produit ?
- Quelle étape permet de vérifier la nature du produit ?
- Que se passerait‑il si on chauffait sans condenseur ?
Réponses :
- 1. Pour accélérer la réaction sans perte de matière
- 2. La filtration
- 3. La mesure du pH
- 4. Des vapeurs s’échapperaient → perte de matière
Exercice 3 – Compléter un schéma de synthèse
Compléter les étapes suivantes :
- Choisir les ______
- Respecter les conditions ______
- Chauffer si nécessaire (montage à ______)
- ______ et purifier
- ______ la molécule obtenue
Réponses : réactifs / expérimentales / reflux / séparer / vérifier
Exercice 4 – Vrai / Faux
- Le chauffage à reflux permet d’éviter la perte de réactifs.
- La chimie fine produit des molécules simples et peu coûteuses.
- Une synthèse peut servir à fabriquer une molécule naturelle rare.
- Le protocole opératoire est optionnel.
Réponses : Vrai / Faux / Vrai / Faux
Exercice 5 – Associer la technique au bon usage
Associe chaque situation à la technique d’extraction adaptée :
- Séparer un mélange d’eau et d’huile →
- Extraire une huile essentielle de lavande →
- Éliminer les impuretés solubles dans l’eau →
- Séparer l’alcool de l’eau dans une solution →
- Dissoudre un produit organique dans un solvant non miscible à l’eau →
Réponses :
- 1. Décantation
- 2. Hydrodistillation
- 3. Lavage
- 4. Distillation
- 5. Extraction par solvant
Exercice 6 – Vrai / Faux
- Le lavage permet de séparer deux liquides non miscibles.
- La distillation repose sur la différence de température d’ébullition.
- L’hydrodistillation est utilisée pour extraire des parfums naturels.
- L’extraction par solvant est inutile si le produit est déjà pur.
- La décantation est une méthode chimique.
Réponses : Faux / Vrai / Vrai / Vrai / Faux
Exercice 7 – Compléter les phrases
- Lors d’une hydrodistillation, les vapeurs sont ______ puis ______.
- Le lavage permet d’________ les ________ solubles.
- La distillation sépare les substances selon leur ________ d’________.
- L’extraction par solvant utilise un liquide qui ________ uniquement le ________.
Réponses :
- condensées / récupérées
- éliminer / impuretés
- température / ébullition
- dissout / produit