Médaille
N°1 pour apprendre & réviser du collège au lycée.
Écriture et analyse d'une réaction chimique

Déjà plus de

1 million

d'inscrits !

Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction :

Au quotidien, dans la nature tout autour de nous, les réactions chimiques ont lieu pour maintenir les êtres en vie, purifier l’air, produire de la nourriture, décomposer les corps après leur mort, transformer les rayons du soleil en nutriments pour les plantes, etc. Les réactions chimiques sont également la clé de notre quotidien. En effet, elles permettent de produire des médicaments, des produits d’entretien, de la chaleur, des peintures, des vernis, etc. Au-delà du nombre très important des différentes réactions chimiques qui existent, il est extrêmement important de comprendre comment modéliser une réaction chimique.

Ce cours introduit dans un premier temps, les grandes lignes de la modélisation d’une réaction chimique. Ensuite, le rôle des réactifs est vu en détails (réactif limitant et réactif spectateur) et finalement, l’évolution de la température au cours d’une réaction chimique est étudiée.

Une réaction chimique

Définition

Afin de modéliser une réaction chimique, c’est-à-dire de la présenter sur le papier, il faut tout d’abord écrire les réactifs et les produits séparés par une flèche.

bannière rappel

Rappel

Les réactifs sont les espèces chimiques introduites dans une réaction. Ils sont le point de départ de celle-ci.
Les produits sont les espèces chimiques qui sont produites au cours de la réaction. Ils sont le point d’arrivé de la réaction.

Dans une réaction chimique, les réactifs peuvent disparaître totalement ou seulement partiellement.

bannière definition

Définition

Réaction totale :

Une réaction est dite totale lorsqu’un des réactifs a été totalement consommé.

Dans l’équation d’une réaction chimique, la forme de la flèche séparant les réactifs des produits, dépend de la nature de la réaction. En effet, si cette dernière est qualitative ou totale, la flèche sera dans un seul un sens, si la réaction atteint un équilibre, c’est-à-dire qu’à la fin de la réaction, une quantité de matière de tous les réactifs n’a pas réagi, la flèche est dans les deux sens.

IMG01

Lois de conservation

Cependant, dans toutes les réactions chimiques, il est important d’équilibrer la réaction en obéissant aux lois de conservation ou principe de Lavoisier.

Au cours d’une réaction chimique, la masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui se forment, c’est-à-dire qu’il y a :

  • conservation de la masse ;
  • conservation des éléments chimiques : les produits formés comportent les mêmes atomes, dans le même nombre, que les réactifs disparus ;
  • conservation de la charge : si des ions sont présents dans les réactifs, la charge globale des réactifs doit être égale à la charge globale des produits.

Ceci découle de la fameuse phrase de Lavoisier : «  Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ! »

bannière exemple

Exemple

Quand on allume la gazinière pour chauffer une casserole, une réaction chimique a lieu pour fournir l’énergie nécessaire. Cette réaction totale est la combustion du gaz de ville, c’est-à-dire du butane, en présence de dioxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau. L’équation chimique est alors la suivante :

IMG02

En remplaçant les espèces par leur formule chimique, on obtient :

C4H10+O2CO2+H2O\text{C}{4}\text{H}{10}+\text{O}{2}\red{\longrightarrow}\text{CO}{2}+\text{H}_{2}\text{O}

Mais avant d’aller plus loin dans l’exemple, voici une définition qui vous permettra de mieux comprendre la suite.

bannière definition

Définition

Coefficients stœchiométriques :

Les coefficients stœchiométriques sont des nombres qui indiquent les proportions dans lesquelles les réactifs sont consommés et les produits formés.

bannière exemple

Exemple

Reprenons notre exemple, donc dans cette équation : il y a 4 atomes de carbone, 10 atomes d’hydrogène et 2 atomes d’oxygène dans les réactifs, tandis que dans les produits, il y a 1 atome de carbone, 2 atomes d’hydrogène et 3 atomes d’oxygène.

C4H10+O2CO2+H2O\text{C}{4}\text{H}{10}+\text{O}{2}\longrightarrow\text{CO}{2}+\text{H}_{2}\text{O}

C=4\text{C} = 4

C=1\text{C} = 1

H=10\text{H} = 10

H=2\text{H} = 2

O=2\text{O} = 2

O=3\text{O} = 3

Après ajustement des nombres stœchiométriques, on obtient l’équation équilibrée de la réaction chimique de combustion du butane :

C4H10+132O24CO2+5H2O\text{C}{4}\text{H}{10}+\red{\dfrac{13}{2}}\,\text{O}{2}\longrightarrow\red{4}\text{CO}{2}+\red{5}\text{H}_{2}\text{O}

C=4\text{C} = 4

C=4\text{C} = \red{4}

H=10\text{H} = 10

H=10\text{H} = \red{10}

O=13\text{O} = \red{13}

O=13\text{O} = \red{13}

Le bilan de la réaction chimique est le suivant : 1 mole de calcaire réagit avec 2 moles d’acide chlorhydrique pour former 1 mole de chlorure de calcium, 1 mole d’eau et 1 mole d’oxygène.

À chaque réactif son rôle

Dans une réaction chimique tous les réactifs sont représentés avant la flèche. Cependant, ils n’ont pas tous le même rôle.

Les espèces spectatrices

bannière definition

Définition

Espèces scpectatrices :

Certaines espèces introduites dans le milieu réactionnel ne réagissent pas au cours de la réaction, elles sont dites espèces spectatrices. Cela veut dire qu’elles seront présentes dans les réactifs et dans les produits, dans les mêmes proportions et dans le même état physique. L’utilisation de ces espèces est souvent une contrainte de l’utilisation d’un des réactifs.

De plus, une réaction chimique peut être accélérée ou orientée, grâce à un catalyseur (espèce chimique) sans modifier l’état final du système chimique. Il est consommé au cours de la réaction, mais régénéré à la fin de la réaction. C’est une espèce chimique qui n’apparait pas dans le bilan.

bannière exemple

Exemple

Soit la réaction acido-basique de l’acide chlorhydrique (H+\text{H}^+ ;Cl\text{Cl}^-) avec l’hydroxyde de sodium (Na+\text{Na}^+ ;OH\text{OH}^-) dans un milieu aqueux :

(H+;Cl)(aq)+(Na+;OH)(aq)H2O+(Na+;Cl)(aq)(\text{H}^{+};\red{\text{Cl}^{-}}){(aq)}+(\red{\text{Na}^{+}};\text{OH}^{-}){(aq)}\longrightarrow\text{H}{2}\text{O}+(\red{\text{Na}^{+}};\red{\text{Cl}^{-}}){(aq)}

On note que les ions Na+\text{Na}^+ et Cl\text{Cl}^- sont présents dans les réactifs et dans les produits. Ceux sont des ions spectateurs. HCl\text{HCl} est ici utilisée comme une source de H+\text{H}^+, puisque H+\text{H}^+ tous seul ne peut exister.

Le réactif limitant

Lorsqu’une réaction met en jeux plusieurs réactifs, l’un d’entre eux peut être le réactif limitant.

bannière definition

Définition

Réactif limitant :

Dans une réaction chimique, le réactif limitant, quand il y’en a un, est celui qui sera totalement transformé en produit tandis qu’il y a encore du ou des autres réactifs. Il est dit limitant puisqu’il limitera l’avancement de la réaction. Après sa consommation, la réaction s’arrête.

Alors qu’un réactif est en excès, cela veut dire qu’il n’est pas entièrement consommé quand la réaction s’arrête.

bannière exemple

Exemple

Soit la réaction de l’acide chlorhydrique avec l’hydroxyde de sodium dans un milieu aqueux vue précédemment :

(H+;Cl)(aq)+(Na+;OH)(aq)H2O+(Na+;Cl)(aq)(\text{H}^{+};\text{Cl}^{-}){(aq)}+(\text{Na}^{+};\text{OH}^{-}){(aq)}\longrightarrow\text{H}{2}\text{O}+(\text{Na}^{+};\text{Cl}^{-}){(aq)}

On introduit 0,5mol0,5\,\text{mol} de HCl\text{HCl} et 1mol1\,\text{mol} de NaOH\text{NaOH}. Quand HCl\text{HCl} aura complètement réagit, il restera 0,5mol0,5\,\text{mol} de NaOH\text{NaOH}.
Ainsi, HCl\text{HCl} est le réactif limitant.

bannière à retenir

À retenir

Soit l’équation aA+bBcC+dDa\text{A}+b\text{B}\longrightarrow\,c\text{C}+d\text{D}A\text{A} et B\text{B} sont les réactifs et C\text{C} et D\text{D} les produits. Les nombres aa, bb, cc et dd sont les coefficients stœchiométriques associés respectivement aux espèces A\text{A}, B\text{B}, C\text{C} et D\text{D}.

  • L’équation se lit : aa moles de réactifs A\text{A} réagissent avec bb moles de réactifs B\text{B} pour donner cc moles de produits C\text{C} et dd moles de produit D\text{D}.

De plus, les quantités de matière (ou nombre de moles) des réactifs et des produits sont liées par la relation : nAa=nBb=nCc=nDd\dfrac{\text{n}\text{A}}{a}=\dfrac{\text{n}{\text{B}}}{b}=\dfrac{\text{n}{\text{C}}}{c}=\dfrac{\text{n}{\text{D}}}{d}

Pour identifier le réactif limitant, il faut comparer le rapport de la quantité de matière sur le nombre stœchiométrique des réactifs. Celui qui a le plus faible rapport est le réactif limitant.

Pour t=0\text{t}=0, aA=nAa\text{A} = \text{n}\text{A} et bB=nBb\text{B} = \text{n}\text{B}

On compare nAa\dfrac{\text{n}\text{A}}{a} et nBb\dfrac{\text{n}{\text{B}}}{b}

Si nAa>bB=nB\dfrac{\text{n}\text{A}}{a}>b\text{B} = \text{n}\text{B} alors, le réactif limitant est B.

Si nAa<bB=nB\dfrac{\text{n}\text{A}}{a}\text{B} alors, le réactif limitant est A.

bannière exemple

Exemple

Soit la réaction de l’acide chlorhydrique (HCl)(\text{HCl}) sur le calcaire (CaCO3)(\text{CaCO}3) : CaCO3+HClCaCl2+H2O+CO2\text{CaCO}{3}+\text{HCl}\longrightarrow\text{CaCl}{2}+\text{H}{2}\text{O}+\text{CO}_{2}

Ca=1\text{Ca} = 1

Ca=1\text{Ca} = 1

C=1\text{C} = 1

C=1\text{C} = 1

O=3\text{O} = 3

O=3\text{O} = 3

H=1\text{H} = 1

H=2\text{H} = 2

Cl=1\text{Cl} = 1

Cl=2\text{Cl} = 2

On équilibre la réaction en ajustant le numéro stœchiométrique de l’acide chlorhydrique : CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2\text{CaCO}{3}+\red{2}\text{HCl}\longrightarrow\text{CaCl}{2}+\text{H}{2}\text{O}+\text{CO}{2}

Ca=1\text{Ca} = 1

Ca=1\text{Ca} = 1

C=1\text{C} = 1

C=1\text{C} = 1

O=3\text{O} = 3

O=3\text{O} = 3

H=2\text{H} = \red{2}

H=2\text{H} = 2

Cl=2\text{Cl} = \red{2}

Cl=2\text{Cl} = 2

On introduit 7,5103mol7,5\cdot10^{-3}\,\text{mol} d’acide chlorhydrique et 5,0103mol5,0\cdot10^{-3}\,\text{mol} de calcaire. On calcul les ratios quantité de matière/nombre stœchiométrique de chaque réactif.

Pour HCl\text{HCl} : quantité de matière/nombre stœchiométrique = 7,51032=3,75103mol\dfrac{7,5\cdot10^{-3}}{2} = 3,75\cdot10^{-3}\,\text{mol}

Pour CaCO3\text{CaCO}_3 : quantité de matière/nombre stœchiométrique = 5,01031=5,0103mol\dfrac{5,0\cdot10^{-3}}{1} = 5,0\cdot10^{-3}\,\text{mol}

Ainsi, même si une quantité plus importante de HCl\text{HCl} a été introduite dans le milieu réactionnel, HCl\text{HCl} est le réactif limitant.

Réaction et température

Les réactions chimiques sont souvent accompagnées d’une évolution de température.

bannière definition

Définition

Réaction endothermique :

Une réaction est dite endothermique quand de la chaleur est consommée au cours de la réaction. La température du système diminue.

bannière definition

Définition

Réaction exothermique :

Une réaction est dite exothermique quand de la chaleur est libérée au cours de la réaction. La température du système augmente.

bannière exemple

Exemple

Soit la réaction équilibrée de la corrosion d’un métal (ici le fer Fe\text{Fe}) par un acide (ici acide chlorhydrique HCl\text{HCl}). Fe(s)+2HCl(l)H2(g)+FeCl2(s)\text{Fe}\,{(s)}+2\,\text{HCl}\,{(l)}\longrightarrow\text{H}{2}\,{(g)}+\text{FeCl}{2}\,{(s)}

Au début de la réaction le milieu réactionnel était à 20°C. En fin de réaction, le thermomètre affiche 25°C. La réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique est donc une réaction exothermique.

  • La variation de la température dépend de la nature d’une réaction (endo ou exothermique) mais également de la quantité de matière du réactif limitant. En effet, plus la quantité de matière du réactif limitant est importante, plus l’avancement sera important, plus la réaction sera efficace et plus elle nécessitera ou fournira de la chaleur et ainsi plus la température variera.

Conclusion :

Malgré la multitude des différentes réactions chimiques qui peuvent avoir lieu autour de nous, la méthode de les modéliser reste la même. Il faut toujours séparer les réactifs des produits par une flèche et équilibrer la réaction de façon à retrouver tous les atomes des réactifs dans les produits.
Dans toutes les réactions chimiques, chaque réactif ajouté joue un rôle. Ceux qui sont retrouvés intacts dans les produits sont dits spectateurs et accompagnent souvent l’un des autres réactifs.
Une réaction totale continuera à consommer les réactifs pour produire des produits jusqu’à ce que l’un des réactifs soit complétement consommé. Ce dernier arrête donc la réaction et est le réactif limitant.
Selon leur nature, les réactions chimiques s’accompagnent par une absorption de chaleur (réaction endothermique) ou par une production de chaleur (réaction exothermique).