CHAPITRE 4 Science et technologie de l'e nvironnement CHAPITRE 4 LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE 1 QU'EST-CE QU'UNE TRANSFORMATION DE LA MATIÈRE? Une transformation physique ne change pas la nature ni les propriétés caractéristiques de la matière. Les atomes et les molécules ne changent pas! Les déformations les changements de phases Les dissolutions Une transformation chimique change la nature et les propriétés caractéristiques de la matière. Les atomes ne changent pas mais sont réassemblés en de nouvelles molécules! Les synthèses Les décompositions Les oxydations Les précipitations Une transformation nucléaire implique la réorganisation du noyau atomique (neutrons et protons). Les atomes eux-mêmes changent. 2 La fusion nucléaire La fission nucléaire LES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES. CERTAINS INDICES PERMETTENT DE RECONNAÎTRE UN CHANGEMENT CHIMIQUE: rbreton-ST-STE Le dégagement d'un gaz Le dégagement ou l'absorption de chaleur Le dégagement de lumière Le changement de couleur La formation d'un précipité 1 CHAPITRE 4 6CO2 + 12H2O + énergie → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6 moles de gaz carbonique réagissent avec 12 moles d'eau pour produire, avec l'énergie lumineuse, 1 mole de sucre, 6 moles de dioxygène et 6 moles d'eau. C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + énergie 1 mole de sucre réagit avec 6 moles de dioxygène pour produire 6 moles de gaz carbonique et 6 moles d'eau, avec une production d'énergie. 2.1 LA LOI DE LA CONSERVATION DE LA MASSE. Quelque soit la nature du changement chimique, la RIEN NE SE PERD quantité de matière (la masse) demeure toujours RIEN NE SE CRÉE constante! TOUT SE TRANSFORME Les atomes se réorganisent ou non pour former de nouvelles molécules, mais les atomes eux-mêmes ne sont jamais modifiés. LA MASSE DES RÉACTIFS = LA MASSE DES PRODUITS -(s) = solide -(l) = liquide -(g) = gaz -(ppt) = précipité -(aq) = aqueux 2.2 LE BALANCEMENT DES ÉQUATIONS CHIMIQUES. Pour qu’une réaction chimique soit équilibrée, il faut qu’elle respecte la loi de la conservation de la masse. On retrouvera le même nombre d’atomes de chaque élément de chaque côté (réactifs et produits) de la réaction. rbreton-ST-STE 2 CHAPITRE 4 Voici la réaction suivante : CH4(g) + O2(g)→ CO2(g) + H2O(g) Vérifier si l’équation est équilibrée en vérifiant le nombre d’atomes des réactifs et des produits. La méthode la plus utilisée est la méthode par essai et erreur ou par tâtonnement. «élément» en grec ancien 2.3 LA STOECHIOMÉTRIE. C'est l'étude des quantités de réactifs nécessaires pour réaliser une réaction chimique avec la formation d'une quantité de produits. Dans le tableau périodique, la masse atomique de chaque élément correspond à une mole de substance. Exemples : 1g d’hydrogène = 1 mole d’hydrogène ou 1 mole d’atome d’hydrogène 16g d’oxygène = 1 mole d’oxygène ou 1 mole d’atome d’oxygène 1 mole de carbone = 6,02 x 1023 atomes de C 1 mole de NaCl = 6,02 x 1023 molécule de NaCl rbreton-ST-STE 3 CHAPITRE 4 La masse du CaCl2 est Ca = 40,08g/mol + Cl=35,45g/mol DIFFÉRENTES UTILISATIONS: 2 H2 + O2 2 H 2O 2 molécules de dihydrogène avec 1 molécules de dioxygène forment 2 molécules d'eau 2 moles de dihydrogène avec 1 mole de dioxygène forment 2 moles d'eau 4 g de dihydrogène avec 32 g de dioxygène forment 36 g d'eau 1 g de dihydrogène avec 8 g de dioxygène forment 9 g d'eau EXEMPLE DE RÉSOLUTION DE PROBLÈME: Combien de moles de H2 faut-il pour produire 122g d'eau? 2 H2 + O2 2 H 2O 2 mol de H2 produisent 36,04 g d'eau; alors combien de g d'H2 pour obtenir 122g d'eau: 2 mol ?g 2 mol X 122g = 36.04 g rbreton-ST-STE = 6,77 mol de H2 122 g 36,04 g 4 CHAPITRE 4 2.4 LES RÉACTIONS EXOTHERMIQUES ET ENDOTHERMIQUES. Une réaction EXOTHERMIQUE est une transformation chimique qui dégage (produit) de l'énergie. Certaines réactions dégagent de l’énergie sous forme de chaleur. On parle de réaction exothermique. L’énergie est un produit de la réaction et elle apparaît du côté des produits dans l'équation. Réactions exothermiques : KOH(s)+ H2O(l)→ KOH(aq) + H2O(l) + énergie H2(g) + ½ O2(g)→H2O(l) + 285,8kJ Le terme «énergie ou sa valeur (285,8kJ)» est placé du côté des produits dans une réaction exothermique. Une réaction ENDOTHERMIQUE est une transformation chimique qui absorbe (demande) de l'énergie. Lorsque l’on a une absorption d’énergie qui se manifeste par un refroidissement d’une substance, on a une réaction endothermique. On doit apporter de l'énergie aux réactifs pour que la réaction se produise. Vue que l'énergie est nécessaire comme réactif, on l'ajoute avec les réactifs dans l'équation. Réactions endothermiques : NH4Cl(s) + H2O(l) + énergie→ NH4OH(aq) + HCl(aq) MgCO3(s) + 117,3kJ →MgO(s)+ CO2(g) Le terme «énergie ou sa valeur (117,3kJ)» est placé du côté des réactifs dans une réaction endothermique. Pour qu'il y ait réaction chimique, il doit y avoir collisions efficaces entre les molécules de réactifs. Un complexe activé est une grosse molécule instable, pleine d'énergie, résultant d'une collision efficace entre les réactifs. L'énergie d'activation est l'énergie nécessaire aux molécules de réactifs pour pouvoir faire une collision efficace et former un complexe activé. • Le delta H est la différence d'enthalpie entre les produits résultants et les réactifs. rbreton-ST-STE 5 CHAPITRE 4 On a établit l'énergie nécessaire pour briser ou former certaines liaisons chimiques. Voir les 2 tableaux, 4.12 et 4.13 à la page 115 du manuel. En relevant systématiquement l'énergie contenu dans tous les liens des réactifs, on obtient l'énergie nécessaire à la formation d'un complexe activé (énergie d'activation). On peut calculer l'énergie qui sera nécessaire ou libérée dans la formation des produits. Pour l'équation H2 + 1/2O2 --> H2O, les réactifs doivent s'atomiser en brisant un lien H-H (436 kJ) et un "demi lien" O=O (438 kJ ÷ 2). On doit donc fournir 685 kJ pour amorcer la réaction. De même, la réaction entraînera la formation de 2 liens H-O (922 kJ). La valeur de l'énergie d'activation de la réaction directe (de gauche à droite) est de 80 kJ. La valeur du delta H de la réaction directe est de - 40 kJ. La réaction est exothermique. rbreton-ST-STE 6 CHAPITRE 4 La valeur de l'énergie d'activation de la réaction directe (gauche à droite) est de 980 kJ. La valeur du delta H de la réaction directe est de + 280 kJ. La réaction est endothermique. 2.5 QUELQUES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES. LES SYNTHÈSES LES DÉCOMPOSITIONS A + B → AB AB → A + B La formation d’une molécule complexe à partir d’éléments ou de molécules plus simples. La transformation d’une molécule complexe en éléments ou en molécules plus simples. 6CO2 + 12H2O + lumière → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + É rbreton-ST-STE 7 CHAPITRE 4 LES OXYDATIONS LES COMBUSTIONS A + O2 → AO2 Changement chimique qui implique l’oxygène comme réactif (ou autre substance similaire) Le comburant est la substance qui fait réagir le combusstible; exemple: oxygène Le combustible est la substance qui s'oxyde, avec libération d'É; exemple: le bois 4Fe(s) + 3 O2(g)→ Fe2O3(s) La T° d'ignition est la T° qui permet de fournir l'É pour amorcer la combustion LA PRÉCIPITATION LA NEUTRALISATION Na+Cl-(aq) + Ag+NO3-(aq) → Ag+Cl-(s)+ Na+NO 3-(aq) acide(aq) + base(aq) → sel(s)+ eau(l) Le mélange de 2 solutions aqueuses peuvent former des solutions solubles ou non solubles (précipités). Le mélange d'un acide (H+) avec une base (OH-) qui donne un sel (métalnon métal) et de l'eau HCl(aq) + NaOH(aq) ⎯ ⎯→ NaCl(aq) + H 2 O(l) H + (aq) + Cl − (aq) + Na + (aq) + OH − (aq) ⎯ ⎯→ Na + (aq) + Cl − (aq) + H 2 O(l) H + (aq) + OH − (aq) ⎯ ⎯→ H 2 O(l) rbreton-ST-STE 8 CHAPITRE 4 3. LES TRANSFORMATIONS NUCLÉAIRES. 3.1 LA STABILITÉ NUCLÉAIRE. Ce sont des réactions qui se font dans le noyau de l'atome, en changeant le nombre de protons et de neutrons (la masse atomique) et de ce fait, en changeant la nature de l'élément atomique. Les neutrons empêchent les protons (P+) de se repousser (force nucléaire vs force électrique), mais cette force nucléaire diminue avec l'augmentation de la taille du noyau; plus la masse atomique est grande, plus le noyau est instable. 3.2 LA RADIOACTIVITÉ. C'est un processus naturel au cours duquel un atome instable tend à se transformer en un atome plus stable en émettant de l'É rayonnante. Par exemple, l'uranium à tendance à se transformer en plomb. On peut prévoir le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux d'une matière radioactive: c'est la demi-vie. 3.3 LES TYPES DE TRANSFORMATIONS NUCLÉAIRES. LA FISSION NUCLÉAIRE: C'est une réaction nucléaire qui consiste à briser le noyau d'un gros atome pour former plusieurs noyaux d'atomes légers. rbreton-ST-STE 9 CHAPITRE 4 LA FUSION NUCLÉAIRE: C'est une réaction nucléaire qui consiste à fusionner 2 petits noyaux d'atomes pour former un noyau plus lourd. CEA - Jeunes - Médiathèque - Animations - Les fondamentaux rbreton-ST-STE 10