cHaPitre Transformations chimiques et activité physique 12 Le programme Notions et contenus Compétences attendues – Système chimique. – Réaction chimique. – Écriture symbolique de la réaction chimique : équation de la réaction chimique. – Décrire un système chimique et son évolution. – Écrire l’équation de la réaction chimique avec les nombres stœchiométriques corrects. Exemple d’une combustion. – Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence l’effet thermique d’une transformation chimique ou physique. – Étudier l’évolution d’un système chimique par la caractérisation des espèces chimiques présentes à l’état initial et à l’état final. Les compétences à acquérir du chapitre 11 1. Savoir décrire un système chimique et son évolution. 2. Savoir écrire l’équation chimique d’une transformation. 3. Connaître les effets thermiques d’une transformation. Évaluation diagnostique p. 174 SITUATION 1 L’amidon contenu dans le pain est « hydrolysé » (découpé en molécules plus petites grâce à une réaction avec l’eau). Cette hydrolyse conduit à la formation de sucres, d’où la sensation sucrée ressentie. La digestion est un ensemble de transformations chimiques de dégradation des aliments se produisant à plusieurs niveaux de notre appareil digestif. L’activité 1 est un exemple d’hydrolyse de l’amidon au laboratoire. SITUATION 2 Aux transformations chimiques est souvent associé un dégagement de chaleur (transfert thermique). Ces transformations produisent de l’énergie : au quotidien, nous connaissons nombre de ces transformations appelées « combustions ». Cependant, des transformations chimiques « qui font du froid » parce qu’elles ont besoin d’énergie existent. L’activité 3 met en évidence quelques transformations chimiques ou physiques et leur bilan énergétique. L’activité 4 permet d’établir le bilan énergétique de certaines transformations se déroulant dans notre organisme. SITUATION 3 Pour modéliser correctement une réaction, l’écriture proposée doit utiliser les symboles exacts et non modifiables des espèces chimiques qui interviennent et doit aussi respecter la conservation des atomes au cours de la transformation. Ici, l’écriture proposée n’est pas correcte : il n’y a pas conservation des atomes de carbone et d’hydrogène. Au cours des différentes activités, l’apprentissage de l’écriture correcte et ajustée d’une équation de réaction sera systématiquement repris. activités Activité 1 Des réactions dans notre corps p. 176 1. Dans le tube 1, on observe une coloration noire (ou bleu très foncé). Dans le tube 2, on observe l’apparition d’un précipité rouge d’oxyde de cuivre (I) Cu2O. 2. et 3. Les tests effectués permettent de parvenir aux résultats suivants : Test Eau iodée Liqueur de Fehling Tube 3 Coloration noire : il reste de l’amidon Incolore : l’amidon a totalement disparu Tube 4 Précipité rouge : il y a apparition de glucose Précipité rouge : il y a apparition de glucose 1 ture du système augmente : l’eau reçoit de l’énergie et cette énergie est libérée lors de la dissolution du solide. Expérience 4 : la température augmente, la cire reçoit de l’énergie et fond. 2. Un réactif (respectivement un produit) est une espèce chimique dont la quantité de matière diminue (respectivement augmente) au cours de la transformation chimique. 3. Une transformation exothermique est une transformation qui libère de l’énergie par transfert thermique et la cède à ce qui se trouve dans son environnement. Une transformation endothermique est une transformation qui absorbe de l’énergie par transfert thermique. Elle prend cette énergie à son environnement. 3. La masse d’un système chimique reste constante au cours d’une transformation chimique. 4. Les transformations exothermiques sont les expériences 1 et 2 et la dissolution de l’hydroxyde de sodium. Les transformations endothermiques sont la dissolution du chlorure d’ammonium et l’expérience 4. 2. augmente. 2 1. différente 3. diminue. 4. reste constante. 3 Transformations physiques : a et c. Transformations chimiques : b, d et e. Activité 4 Le sportif : une usine à transformations chimiques 4. Une transformation chimique s’arrête dès lors qu’un des réactifs a été totalement consommé. p. 179 1. Un processus aérobie est un processus se produisant en présence de dioxygène, contrairement au processus anaérobie qui s’effectue, quant à lui, en l’absence totale de dioxygène. 2. a. La transformation se produisant lors d’un processus aérobie peut être considérée comme une combustion complète. b. C6H12O6 + 6 O2 Æ 6 CO2 + 6 H2O. 3. a. Énergie musculaire = 2 800 ¥ 25 % = 700,0 kJ. 11 500 = 16,42 mol. b. n(glucose) = 700, 0 mglucose = 2,96 ¥ 103 g ª 3 kg. Ce résultat, important, montre que d’autres sources d’énergie sont mises à contribution dans l’organisme. 4. a. Les autres sources énergétiques sont les lipides et les protides. b. 2 C15H26O6 + 37 O2 Æ 30 CO2 + 26 H2O. 4 Système A. Réactifs : C et O2 ; réactif limitant : O2 ; produit : CO2 ; espèce spectatrice : N2. Système B. Réactifs : Cu2+ et Zn ; réactifs limitants : Zn et Cu2+ ; produits : Cu et Zn2+ ; espèces spectatrices : H2O et SO42-. 5 1. Butane, dioxygène et diazote. 2. a. Le butane, car sa quantité diminue visiblement. b. Les réactifs sont le butane et le dioxygène de l’air. c. Le réactif limitant est le butane. 3. a. Le test à l’eau de chaux met en évidence le dioxyde de carbone. b. Le sulfate de cuivre anhydre met en évidence la présence d’eau. 4. Le diazote est une espèce spectatrice. 5. État initial • Butane • Dioxygène • Diazote 5. C6H12O6 Æ 2 C3H6O3. 6. Une combustion complète. 7. Les réactifs d’une combustion complète d’une espèce chimique donnée sont l’espèce chimique elle-même (le combustible) et le dioxygène en excès (le comburant). Les produits de la réaction sont du dioxyde de carbone et de l’eau. Cette transformation est toujours exothermique. Æ • • • • État final Dioxygène Diazote Dioxyde de carbone Eau 6 1. Dioxygène O2 (g) et fer Fe (s). 2. C’est une transformation chimique, car il y a formation d’une nouvelle espèce chimique qui s’accompagne de la production de lumière et d’un transfert thermique (libération de chaleur). 3. Le fer et le dioxygène sont consommés : ce sont les réactifs. exercices OBJECTIF 1: Décrire un système chimique est son évolution. 4. L’oxyde de fer est formé, c’est un produit. 5. Oxyde de fer Fe2O3 (s) et Fe (s). 1 1. Un système est le siège d’une transformation chimique lorsque la nature chimique de ses constituants change. Chapitre 12 État initial • Dioxygène • Fer Æ • Fer État final • Oxyde de fer Transformations chimiques et activité physique 2 OBJECTIF 2: Modéliser une transformation chimique par une équation. 7 a. Correct. b. Faux : 3 Fe (s) + 2 O2 (g) Æ Fe3O4 (s). c. Correct. d. Faux : CaCO3 (s) + 2 H+ (aq) Æ H2O (ℓ) + Ca2+ (aq) + CO2 (g). 9 1. N2 (g) + 2 H2 (g) Æ N2H4 (g). 2. 2 C2H6 (g) + 7 O2 (g) Æ 6 H2O (ℓ) + 4 CO2 (g). 3. CuO (s) + 2 H+ (aq) Æ Cu2+ (aq) + H2O (ℓ). 4. 11 H2O (ℓ) + 6 CO2 (g) Æ C12H22O11 (s) + 6 O2 (g). 5. CH4 (g) + 2 Cℓ2 (g) Æ C (s) + 4 HCℓ (g). 6. C2H6O (ℓ) + 3 O2 (g) Æ 3 H2O (ℓ) + 2 CO2 (g). 7. Zn (s) + 2 H+ (aq) Æ Zn2+ (aq) + H2 (g). 10 L’airbag L’airbag est un coussin frontal qui se gonfle très rapidement lors d’une collision, de façon à éviter tout contact entre le conducteur et le volant, par exemple. Au moment du choc, une étincelle active la décomposition thermique de l’azoture de sodium solide (NaN3). Il se forme du métal sodium (Na) et il y a libération de diazote moléculaire (N2). 1. Identifier le(s) réactif(s) et le(s) produit(s) de la réaction chimique. L’azoture de sodium NaN3 solide est le réactif, le sodium métal Na et le diazote N2 gazeux sont les produits. 2. Écrire l’équation chimique équilibrée en ajustant les nombres stœchiométriques. 2 NaN3 (s) Æ 2 Na (s) + 3 N2 (g). 14 a. Transformation chimique exothermique. b. Transformation chimique exothermique. c. Transformation physique exothermique. d. Transformation physique endothermique. 15 1. a. Non, la solidification de l’eau est une transformation physique. b. De la glace qui fond reçoit de l’énergie, le processus inverse absorbe donc de l’énergie et est donc endothermique. 2. La dissolution du nitrate d’ammonium est donc endothermique, elle reçoit l’énergie de l’eau, qui voit son stock d’énergie diminuer suffisamment ici pour voir son état physique changer. 16 1. (NH4)2Cr2O7 (s) Æ Cr2O3 (s) + 4 H2O (ℓ) + N2 (g). 2. La transformation est exothermique, l’énergie libérée lui permet de s’auto-entretenir. ExErCICEsdEsynThèsE 18 1. Conservation des atomes (éléments) et conservation de la charge. 2. aCr2O72- (aq)+bH3O+(aq)+cC2H6O (aq) Æ d Cr3+ (aq) + e C2H4O2 (aq) + f H2O (ℓ). Conservation Relations chrome 2a = d oxygène 7a + b + c = 2e + f hydrogène 3b + 6c = 2e + 2f carbone 2c = 2e charge – 2a + b = 3d 3. Pourquoi l’airbag gonfle-t-il lors du choc ? Au cours de la transformation, il y a libération d’un gaz, qui occupe un volume supérieur au solide. Si a = 2, alors d = 4, b = 16, f = 27, c = e = 3, soit : 2 Cr2O72- (aq) + 16 H3O+ (aq) + 3 C2H6O (aq) Æ 4 Cr3+ (aq)+ 3 C2H4O2 (aq) + 27 H2O (ℓ). 11 1. C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) Æ 6 CO2 (g) + 6 H2O (ℓ). 2. 2 C15H26O6 (s) + 37 O2 (g) Æ 30 CO2 (g) + 26 H2O (ℓ). 19 1. L’état initial est constitué d’ions Cu2+ (couleur bleue), des ions SO42- et du zinc Zn. 12 1. C5H10O3N2 + H2O Æ C3H7O2N + C2H5O2N. 2. La coloration bleue disparaît : les ions du cuivre sont les réactifs, de surcroît limitants. 2. 4 C3H7O2N (ℓ) + 15 O2 (g) Æ 12 CO2 (g) + 14 H2O (ℓ) + 2 N2 (g). OBJECTIF 3: Comprendre les effets thermiques d’une transformation. 13 1. a. Transformation exothermique. b. Augmentation de la température, certains changements d’état (fusion, ébullition, sublimation) dans le système et aux alentours du système. 3. Du métal cuivre Cu. 4. Mise en évidence des ions Zn2+. 5. Oui, si le réactif limitant est Cu2+ et que le mélange initial est non stœchiométrique. 6. L’état final contient des ions Zn2+, des ions SO42-, du zinc métal (Zn) et du cuivre métal (Cu). 7. Cu2+ (aq) + Zn (s) Æ Cu (s) + Zn2+ (aq). 2. a. Transformation endothermique. 20 1. L’état initial est constitué d’eau liquide et de sodium métal. b. Diminution de température, certains changements d’état (solidification, condensation, liquéfaction) dans le système et aux alentours du système (voir exercice 15). 2. La phénolphtaléine met en évidence les ions OH-. Le test à la flamme met en évidence les ions Na+. Le gaz détonant à la flamme est du dihydrogène. 3 3. Il reste de l’eau (s’il n’y en avait pas, il ne resterait ni solide ni liquide, ce qui n’est pas le cas ici), qui est donc le réactif en excès. 4. Na (s) + H2O (ℓ) Æ Na+ (aq) + OH- (aq) + H2 (g). 21 1. a. C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) Æ 6 CO2 (g) + 6 H2O (ℓ). b. n(glucose) = 3 ¥ 10-2 mol. L’énergie libérée est E = 3 ¥ 10-2 ¥ 2 800 = 84 kJ. Avec le calcul direct, on obtient E = 93 kJ. 2. a. 2 C18H34O2 (s) + 51 O2 (g) Æ 36 CO2 (g) + 34 H2O (ℓ). b. n(acide oléique) = 2 ¥ 10-2 mol. L’énergie libérée est E= 2 ¥ 10-2 ¥ 11 120 = 2 ¥ 102 kJ. 22 1. Le gaz formé est du dioxyde de carbone CO2. 2. HCO3- (s) + H+ (aq) Æ CO2 (g) + H2O (ℓ). 3. et 4. mCO m1 - m2 . 2 mCO Expérience 1 2 0,22 g Réactif limitant Acide chlorhydrique Expérience 2 0,44 g Les deux simultanément Expérience 3 0,44 g Hydrogénocarbonate de sodium 5. La quantité de matière de produit formé dépend de celle du réactif limitant. EnrOuTEvErslaPrEmIèrE 23 1. On peut éliminer la proposition a , qui ne respecte pas la conservation de l’atome de carbone. 2. Les produits détectés sont l’eau et le dioxyde de carbone : on peut éliminer la proposition b . 3. a. n(solide) = n(NaHCO3)/2. b. M(NaHCO3) = 84 g · mol-1 ; M(Na2O) = 62 g · mol-1 ; M(Na2CO3) = 106 g · mol-1. c. n(NaHCO3) = 2,4 ¥ 10-2 g. d. n(solide) = 1,2 ¥ 10-2 mol. Si le solide formé est du Na2O, la masse sera : msolide = 0,7 g. Si le solide formé est du Na2CO3 la masse sera : msolide = 1,3 g. e. On déduit des résultats précédents que la bonne proposition est la d . 24 1. Chaque fois que deux molécules de monoxyde de carbone rencontrent une molécule de dioxygène, il se forme deux molécules de dioxyde de carbone. 2. a. Il va se former 4 CO2. b. Le réactif limitant est CO, puisqu’il reste du dioxygène. c. 4 molécules de CO2, 3 molécules d‘O2 et 1 molécule de CO. 3. Au niveau macroscopique, à chaque fois que 2 moles de CO sont simultanément consommées avec une mole de O2, il se forme 2 moles de CO2. 4. Mélange 1 : 1 mole de O2 et 4 moles de CO2. Mélange 2 : 5 moles de O2, 10 moles de CO2. Mélange 3 : 6 moles de CO2. Chapitre 12 Transformations chimiques et activité physique 4