Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F I) Loi de conservation de la matière : 1) A l’échelle moléculaire : On considère la réaction vive qui a lieu entre le fer (Fe (s)) et le soufre (S (s)) et qui donne le sulfure de fer (FeS (s)) : Fe (s) + S (s) → FeS (s) La stœchiométrie d'une réaction chimique repose sur deux principes : - au cours de la réaction, il n'y a ni création ni disparition de matière. - la nature des atomes reste inchangée. Seuls les échanges d'électrons sont possibles. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F I) Loi de conservation de la matière : 2) A l’échelle macroscopique : Partant du principe de conservation de la matière, on en conclut qu'au cours de la réaction, il y a conservation de la masse : La masse des réactifs qui réagissent doit être égale à la masse des produits qui se forment. On prélève plusieurs exemplaires d’une masse mFe = 5,58 g de fer et d’une masse mS = 3,22 g de soufre avec une balance électronique. Les masses mesurées correspondent à un 1/10ème de la masse molaire atomique de l’élément, indiquée dans le tableau périodique ! Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F I) Loi de conservation de la matière : 2) A l’échelle macroscopique : a) Mélange stœchiométrique : A l’aide d’un pilon, dans un mortier, on mélange une masse 3.mFe ≈ 16,74 g et une masse 3.mS ≈ 9,66 g : On dépose le mélange sur une brique réfractaire et on l'enflamme à l'aide du bec Bunsen : Une forte odeur nauséabonde se dégage au cours de la combustion. Le produit formé est du sulfure de fer (FeS) solide gris et poreux. La mesure de la masse du sulfure de fer donne mFeS ≈ 26,30 g. Aux erreurs expérimentales près, la masse de sulfure de fer est égale à la somme des masses des réactifs de départ. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F I) Loi de conservation de la matière : 2) A l’échelle macroscopique : b) Réactif en excès : Dans un mortier, on mélange intimement une masse 3.mFe ≈ 16,74 g et une masse 5.mS ≈ 16,10 g. On dépose le mélange sur une brique réfractaire et on l'enflamme à l'aide du bec Bunsen. En plus de la forte odeur nauséabonde du sulfure de fer (FeS), on sent une odeur piquante et des fumées blanches, correspondant à un dégagement d'oxydes de soufre. La mesure de la masse du sulfure de fer donne mFeS ≈ 26,35 g. Aux erreurs expérimentales près, la masse de sulfure de fer est égale à celle de la première expérience. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F I) Loi de conservation de la matière : 2) A l’échelle macroscopique : c) Conclusion : Pour obtenir une réaction complète, il ne sert à rien de mettre l'un des réactifs en excès. Les propriétés physiques et chimiques des réactifs de départ n'ont rien à voir avec les propriétés physiques et chimiques des produits de la réaction. Lorsque les réactifs sont pris dans des proportions correctes (mFe et mS, ou 3.mFe et 3.mS, ...) qu'on appelle proportions stœchiométriques, la réaction peut être totale. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 1) Interprétation d’une transformation chimique : Au cours du XIXe siècle, les chimistes ont déduit l'existence d'entités élémentaires : les molécules, formées d’atomes. Lors des réactions chimiques il se produit de nombreux chocs entre les molécules des réactifs. Au cours d'une transformation chimique, les atomes des molécules des réactifs se recombinent lors des chocs pour donner les molécules des produits. On traduit la transformation chimique par une écriture symbolique : L’équation-bilan, dans laquelle on représente les atomes par le symbole de leur élément, on peut indiquer l’état des différentes espèces : Fe (s) + S (s) → FeS (s) Les coefficients stœchiométriques doivent être choisis entiers, les plus petits possible. L’équation bilan symbolise ce qui se produit à l’échelle atomique : Fe (s) + S (s) → FeS (s) Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 2) Unité de quantité de matière : Si l'on veut vérifier la conservation de la matière (et de la charge électrique) lors d’une réaction, il faut utiliser les réactifs en quantités mesurables à notre échelle (échelle macroscopique). La masse d'un atome étant très faible il faut prendre un très grand nombre de molécules pour en avoir une quantité macroscopique. L'unité de quantité de matière définit donc le nombre d'entités (atomes, molécules, ions, électrons ou particules) contenue dans l'unité de quantité de matière de cette entité. L'unité de quantité de matière s'appelle la mole (symbole mol). Une mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités (atomes, molécules, ions, électrons ou particules) qu'il y a d'atomes dans 12 g de 126C. Dans 12 g de "carbone 12" il y a 6,02.1023 atomes 126C. Le nombre d'Avogadro est le nombre NA = 6,02.1023 d'entités contenues dans une mole. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 3) Exemples d’applications : Désormais, la réaction du fer avec le soufre peut s'interpréter à l'échelle macroscopique en disant qu'une mole de fer réagit avec une mole de soufre pour donner une mole de sulfure de fer. On traduit cette réaction à l'échelle macroscopique par une équation-bilan : Fe (s) + S (s) → FeS (s) Les modèles moléculaires nous permettent de comprendre la "mécanique" d'une réaction chimique. Exemple : synthèse de l'eau : 2 H2 + O2 → 2 H2O - À l’échelle moléculaire : - À l’échelle macroscopique : 2 moles de dihydrogène (2xNA molécules de H2) réagit avec 1 mole de dioxygène (NA molécules de O2) pour donner 2 moles d’eau (2xNA molécules de H2O). Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 4) Autres exemples : a) Combustion du carbone : C + O2 → CO2 - À l’échelle moléculaire : - À l’échelle macroscopique : 1 mole de carbone (NA atomes de C) réagit avec 1 mole de dioxygène (NA molécules de O2) pour donner 1 mole de dioxyde de carbone (NA molécules de CO2). Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 4) Autres exemples : b) Combustion du méthane : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O - À l’échelle moléculaire : - À l’échelle macroscopique : 1 mole de méthane (NA molécules de CH4) réagit avec 2 moles de dioxygène (2xNA molécules de O2) pour donner 1 mole de dioxyde de carbone (NA molécules de CO2) et 2 moles d’eau (2xNA molécules de H2O). Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : H2 + O2 → H2O Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : 2 H2 + O2 → 2 H2O H2 + N2 → NH3 Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : 2 H2 + O2 → 2 H2O 3 H2 + N2 → 2 NH3 O2 + NH3 → NO + H2O Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : 2 H2 + O2 → 2 H2O 3 H2 + N2 → 2 NH3 5 O2 + 4 NH3 → 4 NO + 6 H2O NO + O2 → NO2 Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : 2 H2 + O2 → 2 H2O 3 H2 + N2 → 2 NH3 5 O2 + 4 NH3 → 4 NO + 6 H2O 2 NO + O2 → 2 NO2 Fe + H3O+ → Fe2+ + H2 + H2O Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 5) Détermination des coefficients stœchiométriques : Les coefficients stœchiométriques nous donnent les proportions entre les quantités de matière des différentes espèces chimiques. Les coefficients stœchiométriques doivent traduire les lois de conservation de la matière et de la charge électrique. Les coefficients stœchiométriques doivent être des nombres entiers les plus petits possible. A partir de ces deux règles, on détermine les coefficients stœchiométriques par une méthode intuitive ou par une technique mathématique. Exemple : Equilibrer les équations des réactions suivantes : 2 H2 + O2 → 2 H2O 3 H2 + N2 → 2 NH3 5 O2 + 4 NH3 → 4 NO + 6 H2O 2 NO + O2 → 2 NO2 Fe + 2 H3O+ → Fe2+ + H2 + 2 H2O Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 6) Coefficients stœchiométriques et quantité de matière : a) Exemple de la synthèse de l’eau : L’équation bilan s’écrit : 2 H2 + O2 → 2 H2O A l’échelle moléculaire : 2 molécules de dihydrogène H2 doivent réagir avec 1 molécule de dioxygène O2 pour donner 2 molécules d’eau H2O. A l’échelle macroscopique : 2 moles de dihydrogène H2 doivent réagir avec 1 mole de dioxygène O2 pour donner 2 moles d’eau H2O. On pourrait dire également que nH2 = 1254 moles de dihydrogène H2 doivent réagir avec nO2 = 627 moles de dioxygène O2 pour donner nH2O = 1254 moles d’eau H2O. On remarque qu’il existe des relations simples entre ces quantités de matière et les coefficients stœchiométriques de l’équation bilan. En effet, on peut écrire : nH2 1254 nO2 627 nH2O 1254 = = = = = 2 2 1 1 2 2 Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F II) Relation entre l’échelle atomique et l’échelle macroscopique : 6) Coefficients stœchiométriques et quantité de matière : b) Généralisation : On considère une réaction fictive dont l’équation bilan s’écrit : α A + β B → γ C + δ D A et B sont des réactifs et C et D sont des produits. α, β, γ et δ sont les coefficients stœchiométriques. Soit nA et nB les quantités de matière des réactifs A et B qui réagissent effectivement au cours de la réaction. Soit nC et nD les quantités de matières des produits C et D qui se forment. Entre les différentes quantités de matière existent les relations : n A = nB = nC = nD α β γ δ Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F III) Masse molaire : 1) Masse molaire atomique : La masse molaire atomique d'un élément est la masse d'une mole d'atomes de cet élément. La masse molaire atomique s’exprime en gramme par mole (g.mol-1). La masse molaire atomique tient compte de la composition isotopique de l'élément dans la nature. Exemple : Calculer la masse molaire atomique du bore, sachant que le bore est composé de deux isotopes : 19,64 % de B (de masse molaire atomique M10 = 10,0129 g.mol−1) et 80,36 % de B (de masse molaire atomique M11 = 11,0093 g.mol−1). On trouve MB = 10,8 g.mol−1. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F III) Masse molaire : 2) Masse molaire moléculaire : La masse molaire moléculaire est la masse d'une mole de molécules. La masse molaire moléculaire est égale à la somme des masses molaires atomiques des atomes qui la constituent. La masse molaire moléculaire s’exprime en gramme par mole (g.mol-1). Exemple : La masse molaire moléculaire du dihydrogène H2 est : MH2 = 2xMH = 2x1,0 = 2,0 g.mol−1 La masse molaire moléculaire de l’eau H2O est : MH2O = 2xMH + MO = 2x1,0 + 16,0 = 18,0 g.mol−1 La masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone CO2 est : MCO2 = MC + 2xMO = 12,0 + 2x16,0 = 44,0 g.mol−1 Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F III) Masse molaire : 3) Masse, masse molaire et quantité de matière : La masse effective mX (en g) d’une espèce chimique X est égale au produit de sa masse molaire moléculaire MX (en g.mol−1), par sa quantité de matière nX (en mol) : mX = MX. nX Exercice : Quelle quantité de matière nNa2SO4 de sulfate de sodium représente une masse mNa2SO4 = 14,21 g ? On donne les masses molaire atomiques : MNa = 23,0 g.mol−1, MO = 16,0 g.mol−1, MS = 32,1 g.mol−1 La masse molaire moléculaire du sulfate de sodium est : MNa2SO4 = 2xMNa + MS + 4xMO = 142,1 g.mol−1 D’où nNa2SO 4 = mNa2SO 4 14,21 = = 0,1 mol MNa2SO 4 142,1 Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F IV) Volume molaire : 1) Loi d’Avogadro : Dans les mêmes conditions de pressions et de température tous les gaz occupent le même volume. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F IV) Volume molaire : 2) Définitions : Dans chaque cas, il faut préciser les conditions de pression et de température dans lesquelles les volumes sont mesurés. On définit plus particulièrement les : conditions normales de pression et température (C.N.P.T.) : P = 1 atm. = 1013,25 hPa et T = 0 °C = 273 K. conditions standards de pression et température (C.S.P.T.) : P = 1 atm. = 1013,25 hPa et T = 25 °C = 298 K. Le volume molaire Vm d'un gaz est le volume qu'occupe une mole de ce gaz pris dans des conditions données de pression et de température. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F V) Concentration molaire volumique et molarité : 1) Définition : La concentration molaire volumique ou molarité d'un corps en solution est égale à la quantité de matière de ce corps par litre de solution. La concentration molaire volumique s’exprime en mole par litre (mol.L-1). Remarque : Une solution étant constituée d’un solvant, en grande quantité, dans lequel on dissout un soluté, en faible quantité, on néglige toujours la variation de volume de la solution occasionnée lors de l’introduction du soluté dans le solvant. Chapitre 5 : REACTION CHIMIQUE ET LOIS DE CONSERVATION S4F V) Concentration molaire volumique et molarité : 2) Symbolique : Dans la suite nous distinguerons deux types de concentrations molaires : - La concentration molaire volumique ou molarité en produit Y introduit, notée CY, est égale au rapport de la quantité de matière nY de produit Y, au volume V d’eau dans lequel on le dissout : nY CY = V - La concentration molaire volumique en espèce chimique X effectivement présente, notée [X], est égale au rapport de la quantité de matière nX de l’espèce X, au volume V de solution : nX [X] = V Exercice : On dissout une masse mNa2SO4 = 14,21 g de sulfate de sodium, de masse molaire moléculaire MNa2SO4 = 142,1 g.mol−1, dans un volume V = 10 L d’eau : - Ecrire l’équation bilan de la dissolution du sulfate de sodium. - Calculer la molarité CNa2SO4 de la solution de sulfate de sodium. - Calculer les concentrations molaires volumiques [Na+], [SO42−].