Présentation de la transformation chimique (1)

Présentation de la transformation chimique (1)
Après la présentation des outils de description d’un système, l’enseignant présente la transformation chimique
en lui associant une réaction chimique donnant lieu à une écriture symbolique.
L’enseignant relira utilement les objectifs annoncés dans le BO et rappelés au début de la partie III de ce
document d’accompagnement des programmes.
L’objectif est avant tout de permettre à l’élève, le plus possible par une approche expérimentale, de
comprendre qu’une transformation chimique ne nécessite pas que les réactifs soient dans des proportions
particulières au début de l’expérience.
Le cours encadre donc le TP 3.
L’enseignant prend appui sur les connaissances acquises par l’élève au collège et veille à une utilisation
rigoureuse du vocabulaire : élaboration d’un glossaire, précisions et justifications des points sur lesquels
portent les modifications par rapport au vocabulaire utilisé au collège (« réaction chimique », « équation
bilan », voir acquis du collège en début de partie).
D’une manière générale, l’enseignant gagnera à se référer à l’article proposé par des membres du GTD et du
CNP paru dans le BUP (1999), n° 817, vol 93, p. 3-35. Nous en donnons ci-dessous un extrait (p. 10 à 15 de
l’article) :
L’ESPRIT DU PROGRAMME
Dans le cadre de la réforme du programme de Seconde, l’objectif essentiel est de distinguer la
transformation chimique d’un système de la ou des réaction(s) chimique(s) dont il est l’objet. Ceci amène à
adopter une approche thermodynamique pour suivre l’évolution du système.
Méthodologie d’analyse de l’évolution d’un système : système, transformation chimique d’un
système, réaction chimique
On introduit la notion de système constitué d’espèces chimiques. Un état de ce système est caractérisé par sa
température, sa pression, la nature et l’état physico-chimique de ses espèces (solide, liquide, gaz, ou soluté),
son étendue, sa composition... La réaction chimique est introduite comme un modèle rendant compte de la
stœchiométrie selon laquelle se forment ou se consomment les constituants lors de la transformation chimique
du système. Le bilan de la transformation du système se manifeste au travers de la comparaison des états,
initial et final, du système. Dans le cadre du cours de Seconde, on ne s’intéresse qu’à des transformations
cessant lorsqu’un des réactifs du système a disparu ; le réactif correspondant est alors qualifié de limitant.
Proposition d’exercice – bilan de matière
Un récipient contient initialement 35 moles d’air (7 moles de dioxygène et 28 moles de diazote) et 5 moles de
dihydrogène* à la température T et le pression P. A l’approche d’une flamme, il y a explosion et apparition de
gouttelettes que l’on peut identifier comme de l’eau liquide. Analyser l’évolution de ce système.
*Ces valeurs élevées ont été choisies par souci de travailler en moles et avec des nombres entiers.
1. Le système chimique dans son état initial
C’est le système avant transformation. L’état du système est défini par l’ensemble des espèces
chimiques ici, O2(g), N2(g) et H2(g), par leur quantité de matière ainsi que par T et P.
EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)
Ce système pris dans un état initial (EI) est susceptible d’évoluer vers un état final (EF) dépendant des
conditions expérimentales imposées.
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2. La transformation chimique
Le passage du système de l’état initial à l’état final est appelé transformation chimique.
EI (P , T , ni)
Espèces chimiques
introduites
Transformation chimique
EF (P , T , n’i)
Espèces chimiques
(nouvelles et restantes)
Cette transformation chimique peut être mise en évidence par la modification d’un paramètre physique
comme, par exemple, la couleur, la pression, le pH… C’est à ce niveau que l’on peut formuler des
hypothèses sur les espèces nouvelles formées, hypothèses que l’on cherchera à valider, si possible, par
des tests analytiques. Dans notre exemple, à l’approche d’une flamme, il y a eu explosion et apparition de
gouttelettes. Il y a donc eu transformation du système. Mais quelles espèces chimiques nouvelles ont été
formées ?
EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)
EF (P,T)
?
Transformation chimique
La production d’eau liquide est mise en évidence expérimentalement. A ce niveau, on ne peut montrer aux
élèves qu’il ne se forme pas de façon prépondérante NO, NO2, NH3, N2H4,, H2O2… Comment H2O s’est elle
formée ?
3. Le modèle de la réaction chimique
La formation de H2O a nécessité de transformer des espèces chimiques présentes dans l’état initial et
contenant les éléments H et O. Dans notre exemple, il s’agit de H2 et O2. Il faut modéliser le passage des
réactifs, H2 et O2, au produit H2O. Le modèle est la réaction chimique. Les espèces affectées par la
transformation, ici H2 et O2, sont appelées les réactifs. La (ou les) nouvelle(s) espèce(s) formée(s), ici H2O, est
(sont) appelée(s) produit(s).
Réactifs
Produits
H2O (l)
H2 (g) et O2 (g)
La réaction chimique rend compte de la stœchiométrie avec laquelle disparaissent les réactifs et se
forment les produits au cours de l’évolution du système. Son écriture symbolique est appelée équation
chimique :
2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) → 2 H 2 O( l )
Cette équation respecte les lois de conservation (éléments et charges) et nécessite l’ajustement des nombres
précédant les symboles chimiques appelés nombres stœchiométriques.
Récapitulation
Schématisation de la transformation chimique
EI (P, T)
7 moles de O2(g)
5 moles de H2(g)
28 moles de N2(g)
Transformation chimique
EF (P, T)
n moles de H2O(l)
28 moles de N2(g)
autres espèces restantes
Ecriture symbolique de la réaction chimique : l’équation chimique
2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) → 2 H 2 O( l )
4. L’état du système chimique au cours de la transformation
On propose un outil appelé avancement (noté x et exprimé en mol) pour décrire l’état du système au
cours de la transformation chimique. La production de deux moles d’eau s’accompagne de la consommation
d’une mole de dioxygène et de deux moles de dihydrogène. Ainsi, si on suppose qu’une quantité de matière x
de dioxygène a été consommée au cours de la transformation jusqu’à l’instant considéré, on déduira que dans
le même intervalle de temps une quantité 2x de dihydrogène a été consommée et que 2x d’eau a été formée. Si
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l’on préfère partir de l’interprétation de l’avancement x (voir glossaire article BUP (1999), n° 817, vol 93, p.
32-35.), on dira que lorsque l’avancement est égal à x, il y a eu consommation d’une quantité de matière x de
dioxygène et 2x de dihydrogène et production d’une quantité 2x d’eau. Dans l’état initial, l’avancement x = 0
mol. On peut résumer l’ensemble des informations précédentes sous la forme d’un tableau comme celui
présenté ci-dessous :
→
Equation de la réaction
O2 (g)
Quantité de matière dans l’état
initial (mol)
7
5
0
Quantité de matière au cours de
la transformation (mol)
7-x
5 - 2x
2x
+
2H2 (g)
2H2O (l)
5. L’état final du système chimique
L’état final du système d’avancement xfinal est atteint lorsque la transformation chimique arrive à son
terme, c’est-à-dire lorsque le système n’évolue macroscopiquement plus. En classe de Seconde, on ne choisit
que des transformations qui s’achèvent lorsque l’on a consommation totale d’un des réactifs. Ce réactif est
appelé réactif limitant. Dans ces conditions, l’avancement final xfinal est toujours égal à l’avancement maximal
xmax. Ultérieurement en classe de Terminale, on étudiera des exemples de transformations pour lesquelles
l’avancement final n’est pas l’avancement maximal (estérification, acide faible dans l’eau...).
Comment déterminer l’état final ?
Au cours de la transformation chimique, x augmente de sorte que les quantités de matière des réactifs
diminuent jusqu’à ce que l’une d’elles s’annule. On détermine alors la valeur maximale que peut atteindre x,
qui caractérise l’état final, x final.
Dans notre exemple :
- si O2 disparaît le premier alors 7 – x = 0 , ce qui imposerait x = 7 mol,
- si H2 disparaît le premier alors 5 – 2x = 0 , ce qui imposerait x = 2,5 mol.
Ainsi H2 disparaît le premier et la valeur maximale que peut atteindre x est : xfinal = 2,5 mol. On peut alors en
déduire très simplement l’état final du système chimique après transformation et compléter le tableau comme
suit :
→
Equation de la réaction
O2 (g)
Quantité de matière dans l’état
initial (mol
7
5
0
Quantité de matière au cours de
la transformation (mol)
7-x
5 – 2x
2x
Quantité de matière dans l’état
final (mol)
4,5
0
5
+
2H2 (g)
2H2O (l)
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On peut aussi visualiser graphiquement l’évolution des quantités de matière du système en fonction de
l’avancement :
n (mol)
8 --
7 -n(O2)
6 --
pente (-1)
5 -4,5
.
4 --
n(H2)
3 -2 -pente (-2)
1 -0
I
I
I
I
I
I
I
I
I
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x (mol)
x final = 2,5 mol
6. Remarque : cas d’un mélange particulier
Supposons que dans l’état initial, on ait à présent 6 moles de H2 et 15 moles d’air, soient 3 moles de
O2. Le tableau est le suivant :
→
Equation de la réaction
O2 (g)
Quantité de matière dans l’état
initial (mol)
3
6
0
Quantité de matière au cours de
la transformation (mol)
3-x
6 – 2x
2x
Quantité de matière dans l’état
final (mol)
0
0
6
+
2H2 (g)
2H2O (l)
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Le graphe correspondant est alors :
n (mol)
8 -7 -6 -5 -4 --
n(H2)
3 -n(O2)
pente (-1)
2 -pente (-2)
1 -0
I
I
I
I
I
I
I
I
I
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
x (mol)
x final = 3 mol
Cette illustration graphique permet de mieux comprendre le cas particulier du mélange stœchiométrique.
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