Activité n°1 : Transformation, réaction et équation chimiques

Titre de l'activité : Activité n°1 : Transformation, réaction et équation chimiques - [Chap. La transformation chimique]

Durée : 2h

Compétences

ANA - Exploiter ses connaissances, les informations extraites ou les résultats obtenus
APP - Rechercher et extraire l'information
APP - Connaître le vocabulaire, les symboles et les unités mise en œuvre
APP - Mobiliser les connaissances en rapport avec le problème
RÉA - Équilibrer une équation de réaction
RCO - Restituer des connaissances

Notions

Distinguer les termes : transformation chimique, réaction chimique, équation chimique.
Dans le cas où une transformation chimique peut être modélisée par une seule réaction chimique :
- écrire l'équation de réaction associée avec les nombres stoechiométriques corrects ;

🚩 Définitions et rappels ⚓

Question⚓

Q1. Qu’est-ce qu’un système chimique ? Écrire la réponse dans la zone de définition ci-dessous.

Solution ⚓

A1-Q1. (Définition à savoir)

C'est un ensemble de substance mises en présence les unes avec les autres dans des conditions bien précises.

Définition :

Question⚓

Q2. Quel est le système chimique dans l’exemple suivant : un clou dans l'eau salée à l'air libre ?

Solution ⚓

A1-Q2.

Espèces en présence : fer, eau, ions \(\ce{Na+}\) et \(\mathrm{C\ell}^-\) dissous dans l'eau, dioxygène et diazote et autres molécules composant l'air.

Question⚓

Q3. Qu’est-ce qu’une transformation chimique ? Écrire la réponse dans la zone de définition ci-dessous.

Solution ⚓

A1-Q3. (Définition à savoir)

C'est l’évolution d'un système chimique, d'un état initial à un état final.

Définition :

Question⚓

Q4. On reprend l’exemple du clou. Quelle transformation chimique va-t-il subir ? La décrire.

Solution ⚓

A1-Q4. (Définition à savoir)

Le clou va rouiller. Au niveau microscopique les atomes de fer se transforment en ion \(\ce{Fe^2+}\).

Question⚓

Q5. Dans le cas de la combustion du gaz de ville, décrire ce qu’il se passe.

Solution ⚓

A1-Q5.

Deux sortes de molécules sont consommées, le méthane et le dioxygène, et deux sortes de molécules sont produites, le dioxyde de carbone et l'eau.

Définition :

Une transformation chimique est donc représentée par un état initial et un état final.

Il est nécessaire d’utiliser deux mots de vocabulaire spécifique aux transformations chimiques.

Vocabulaire spécifique aux transformations chimiques

Question⚓

Q6. Quels sont-ils ? Donner leur définition. Écrire la réponse dans la zone ci-dessous.

Solution ⚓

A1-Q6. (Définition à savoir)

Réactif : substance présente à l'état initial et participant à la transformation, elle est consommée (donc disparait) au cours de la transformation chimique.
Produit : substance fabriquée pendant la transformation, elle est formée (donc apparait) donc au cours de la transformation.

Définition :

Question⚓

Q7. Que se passe-t-il au cours d’une transformation chimique ?

Solution ⚓

A1-Q7.

Les atomes des réactifs s’organisent autrement afin de former les produits.

Question⚓

Q8. Quelles sont les trois choses qui se conservent au cours d’une transformation chimique ?

Solution ⚓

A1-Q8.

Lors d'une transformation chimique, les substances changent mais trois choses ne changent pas : la masse totale, les atomes présents, et les charges électriques (le nombre total d'électrons).

Question⚓

Q9. Qu’est-ce qu’une réaction chimique ? Écrire la réponse dans la zone ci-dessous.

Solution ⚓

A1-Q9. (Définition à savoir)

C'est l'ensemble des phénomènes qui surviennent au cours de la transformation chimique.

Définition :

Question⚓

Q10. Que faut-il au minimum fournir pour décrire une réaction chimique ?

Solution ⚓

A1-Q10.

Au minimum, il faut fournir deux informations :

Les noms des réactifs et des produits ;
Les proportions dans lesquelles ils sont utilisés ou formés.

Question⚓

Q11. Qu’est-ce qui nous permet d’écrire une réaction chimique ? Écrire la réponse dans la zone ci-dessous.

Solution ⚓

A1-Q11. (Définition à savoir)

Le moyen d’exprimer et d’écrire une réaction chimique, c’est l’équation de la réaction que l’on appelle également équation chimique.

Définition :

Question⚓

Q12. Comment écrit-on une équation chimique ?

Solution ⚓

A1-Q12.

La syntaxe est : RÉACTIFS ⟶ PRODUITS

Il faut représenter chaque substance par sa formule. Il faut aussi indiquer le nombre de molécules mis en jeux en écrivant des nombres stœchiométriques devant chaque formule.

👨‍🎓 L’équation de réaction ou « équation chimique »⚓

Sebastian Vettel, quadruple champion du monde en 2010, 2011, 2012 et 2013. La Formule 1, communément abrégée F1, est une discipline de sport automobile considérée comme la catégorie reine de ce sport. Elle a pris au fil des ans une dimension mondiale et est, avec les Jeux olympiques et la Coupe du monde de football, l'un des événements sportifs les plus médiatisés.

Le carburant utilisé en F1 est une essence sans plomb proche de celle que l'on trouve dans le commerce. D'ailleurs, une F1 qui ferait son plein dans une station-service pourrait rouler, mais ses performances seraient moins bonnes qu'avec le carburant de course. En pleine accélération, une F1 peut atteindre une consommation de \(80\ \mathrm{L}\) au \(100\ \mathrm{km}\).

L’essence utilisée est issue de la distillation du pétrole et est composée d’un mélange complexe d’hydrocarbures dans lequel certains additifs sont ajoutés. On retrouve essentiellement des molécules de la famille des :

alcanes comme l’octane \(\large \mathrm{\left(C_8H_{18\ \left(\ell\right)}\right)}\) et l’heptane \(\large \mathrm{\left(C_7H_{16\ \left(\ell\right)}\right)}\)
d’alcène comme le pentène \(\large \mathrm{\left(C_5H_{10\ \left(\ell\right)}\right)}\)
d’hydrocarbures aromatiques comme le benzène \(\large \mathrm{\left(C_6H_{6\ \left(\ell\right)}\right)}\).

Dans une F1 (ou tout autre voiture), la combustion de l’essence est une réaction chimique qui libère beaucoup d’énergie. Cette combustion est l’action du dioxygène \(\large \mathrm{\left(O_{2\ \left(g\right)}\right)}\) de l’air (le comburant) avec les différentes molécules présentes dans l’essence (le combustible). Il se forme alors de l’eau \(\large \mathrm{\left(H_2O_{\left(g\right)}\right)}\) et du dioxyde de carbone \(\large \mathrm{\left(CO_{2\ \left(g\right)}\right)}\).

En plus du dioxyde de carbone produit, gaz à effet de serre, la combustion de l’essence, souvent incomplète, produit des polluants dangereux comme le monoxyde de carbone ou des particules fines cancérigènes. Il est aujourd’hui d’une importance capitale de trouver une autre source d’énergie plus respectueuse de l’environnement.

Définition :

Une transformation chimique (comme une combustion) est modélisée par une équation chimique.

L’équation chimique obéit à des règles qu’il faut scrupuleusement respecter :

les espèces chimiques sont représentées par leurs formules brutes qui ne peuvent en aucun cas être modifiées.
Les réactifs sont placés à gauche, les produits à droite. Au centre, une flèche représente le sens d’évolution de la transformation.
L’équation chimique doit être équilibrée et respecter la conservation des éléments : le nombre d’atomes de même nature doit être identique avant et après la réaction. Il en va de même pour la charge électrique. Pour cela, il faut modifier les coefficients devant les formules (nombres stœchiométriques^[*]).

Question⚓

Q13. Quels sont les différents réactifs rencontrés dans le texte lors de la combustion de l’essence ?

Solution ⚓

A1-Q13.

Les réactifs sont les alcanes, les alcènes, des hydrocarbures aromatiques, et le dioxygène.

Question⚓

Q14. Quels sont les différents produits rencontrés dans le texte créés lors de la combustion de l’essence ?

Solution ⚓

A1-Q14.

Les produits sont l’eau et le dioxyde de carbone.

Question⚓

Q15. Écrire les équations bilans de la combustion des 4 molécules présentes dans l’essence et rencontrées dans le texte.

Solution ⚓

A1-Q15.

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}2}\ C_8H_{18\ (\ell)}+\mathbf{\color{red}25}\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}16}\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}18}\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{C_7H_{16\ (\ell)}+\mathbf{\color{red}11}\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}7}\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}8}\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}2}\ C_5H_{10\ (g)}+\mathbf{\color{red}15}\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}10}\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}10}\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}2}\ C_6H_{6\ (g)}+\mathbf{\color{red}15}\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}12}\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}6}\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

Question⚓

Q16. Pour s’entrainer, équilibrer les équations suivantes :

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ CH_{4\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_2H_{6\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_3H_{8\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_6H_{12}O_{6\ (s)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_4H_{10\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ Fe_{\ (s)}+\mathbf{\color{red}\ }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ Fe_3O_{4\ (s)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ Cu^{2+}_{\ (aq)}+\mathbf{\color{red}\ }\ HO^-_{\ (aq)}\ce{->} \mathbf{\color{red}}\ \ Cu\left(OH\right)_{2\ (s)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ Fe_3O_{4\ (s)}+\mathbf{\color{red}\ }\ CO_{\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}\ }\ Fe_{\ (s)}}\]

Solution ⚓

A1-Q16.

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ CH_{4\ (g)}+\mathbf{\color{red}2 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}2 }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}2}\ C_2H_{6\ (g)}+\mathbf{\color{red}7 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}4 }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}6 }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_3H_{8\ (g)}+\mathbf{\color{red}5 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}3 }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}4 }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ C_6H_{12}O_{6\ (s)}+\mathbf{\color{red}6 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}6 }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}6 }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}2}\ C_4H_{10\ (g)}+\mathbf{\color{red}13 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}8 }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}10 }\ H_2O_{\ (\ell)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}3}\ Fe_{\ (s)}+\mathbf{\color{red}2 }\ O_{2\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}\ }\ Fe_3O_{4\ (s)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ Cu^{2+}_{\ (aq)}+\mathbf{\color{red}2 }\ HO^-_{\ (aq)}\ce{->} \mathbf{\color{red}}\ \ Cu\left(OH\right)_{2\ (s)}}\]

\[\large \mathrm{\mathbf{\color{red}}\ Fe_3O_{4\ (s)}+\mathbf{\color{red}4 }\ CO_{\ (g)}\ce{->} \mathbf{\color{red}4 }\ CO_{2\ (g)}+\mathbf{\color{red}3 }\ Fe_{\ (s)}}\]