Transformations chimiques et activité physique

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
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