Cours : Réaction chimique et énergie

Système et transformation chimique

Définition et caractéristiques d’un système chimique

Définition

Système chimique :

Un système chimique est caractérisé par :

• sa pression $P$ ;
• sa température $T$ ;
• l’état physique des espèces chimiques présentes qui peuvent être liquides (l), solides (s), gazeuses (g), ou même aqueuses (aq), et donc sous forme d’ions s’il s’agit d’un soluté dissous dans un solvant ;
• les quantités de matière (ou nombre de moles) des espèces chimiques présentes.

Un système chimique peut être modifié : c’est ce qu’on appelle une transformation chimique.

Définition d’une transformation chimique

Définition

Transformation chimique :

Lors d’une transformation chimique, le système chimique évolue d’un état initial à un état final ; de nouvelles espèces chimiques se forment à partir de celles en présence, et les espèces non utilisées en fin de transformation restent dans le mélange final.

L’état final est atteint lorsque le système chimique n’évolue plus. Voici un système chimique qui a subi une transformation chimique.

On observe que le système chimique a évolué : la composition n’est pas la même à l’état initial et à l’état final.

• De nouvelles espèces chimiques se sont formées (comme les ions magnésium et le dihydrogène), et d’autres substances ont disparu (le magnésium et l’ion hydrogène).

Attention

Il ne faut pas confondre une transformation physique et une transformation chimique.

• Lors d’une transformation physique, les espèces chimiques sont les mêmes avant et après la transformation : elles ont juste changé d’état physique (par exemple, passage de l’état liquide à l’état gazeux).
• Lors d’une transformation chimique, il y a formation de nouvelles espèces.

Réaction chimique

Définition

Définition

Réaction chimique :

Une réaction chimique est une modélisation simplifiée d’une transformation chimique.

On parle de réaction chimique quand on ne prend en considération que les espèces chimiques ayant disparu et les nouvelles espèces chimiques apparues.

• Les espèces chimiques qui disparaissent sont appelées les réactifs.
• Les espèces chimiques qui apparaissent sont appelées les produits.

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

La réaction chimique est schématisée par une flèche indiquant le sens de la réaction, les réactifs étant à gauche de la flèche et les produits à droite.

Lois de conservation

Une réaction chimique obéit à la loi de conservation.

À retenir

Au cours d’une réaction chimique, la masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui se forment :

• il y a conservation de la masse ;
• il y a conservation des éléments chimiques : les produits formés comportent les mêmes atomes, dans le même nombre, que les réactifs disparus ;
• il y a 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.

• Les scientifiques ont mis au point une écriture, l’équation chimique, pour rendre compte des réactions chimiques.

Équation chimique

Définition

Définition

Équation chimique :

L’équation d'une réaction est l’écriture symbolique de cette réaction chimique.

Pour l’écrire, il faut suivre plusieurs étapes :

• on identifie les réactifs et les produits ;
• on dessine une flèche qui indique le sens de la réaction chimique ;
• on écrit à gauche de la flèche, en les séparant par des signes « + », les symboles chimiques des réactifs ou les formules brutes s’il s’agit de molécules ;
• on écrit à droite de la flèche les symboles chimiques ou les formules brutes des produits ;
• on précise pour chacun des réactifs et produits l’état physique dans lequel il se trouve: liquide (l), solide (s), gazeux (g) ou ion en solution (aq) ;
• pour respecter les lois de conservation de la réaction chimique, on indique si nécessaire des coefficients stœchiométriques devant les symboles chimiques des réactifs et des produits.

Définition

Coefficients stœchiométriques :

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

Par exemple, la réaction chimique du dihydrogène avec le dioxygène qui conduit à la formation d’eau s’écrit : $$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2H_2O(l)$$

• Les deux réactifs sont indiqués à gauche de la flèche par leurs formules brutes. Ils sont séparés par un signe « + ».
• Le produit est indiqué à droite.
• L’état des espèces chimiques est précisé entre parenthèse : le dihydrogène et l’oxygène gazeux donnent de l’eau liquide.
• Le « 2 » placé devant le dihydrogène et celui placé devant l’eau sont des coefficients stœchiométriques.

Équilibrer une équation chimique

À retenir

Pour équilibrer l’équation d’une réaction chimique, on applique les lois de conservation de la réaction chimique : d’abord celle de la conservation des éléments puis, si des charges sont présentes dans l’équation, la loi de conservation des charges.

Une fois les réactifs et produits bien identifiés et écrits de part et d’autre de la flèche, équilibrer l’équation de réaction se fait en deux étapes.

• On commence par vérifier que la loi de conservation des éléments est respectée. Pour chaque élément chimique de part et d’autre de la flèche, on compte le nombre d’atomes. On commence souvent par les éléments chimiques contenus dans les molécules les plus complexes.
• S’il y a le même nombre d’atomes des deux côtés de la flèche pour tous les éléments chimiques présents, alors la loi de conservation des éléments est bien vérifiée.
• Si pour certains éléments chimiques, il n’y a pas le même nombre d’atomes des deux côtés de la flèche, alors il faut faire précéder les formules brutes des réactifs et produits concernés des coefficients stœchiométriques adaptés pour vérifier la conservation des éléments.
• On vérifie ensuite la loi de conservation des charges s’il y a lieu. Pour cela, pour chaque élément chimique de part et d’autre de la flèche, on compte le nombre de charges et on utilise les coefficients stœchiométriques adaptés pour vérifier la conservation des charges.

Attention

Dans une équation chimique, il ne faut pas confondre atomes et molécules.

• $3 CH_4$ signifie trois molécules de méthane $CH_4$.

Chaque molécule de méthane comporte un atome de carbone $C$ et quatre atomes d'hydrogène $H$. Donc $3CH_4$ correspond à trois atomes de carbone et $3\times4$ soit 12 atomes d'hydrogène.

Exemple 1

Exemple

On peut prendre comme exemple la réaction chimique du butane avec le dioxygène qui donne du dioxyde de carbone et de l’eau. Les réactifs sont le butane, qui est un gaz de formule brute $C_4H_{10}$, et le dioxygène, un gaz de formule brute $O_2$.

• Les produits sont le dioxyde de carbone gazeux de formule brute $O_2$ et l’eau liquide de formule brute $H_2O$. L’équation (non équilibrée) de la réaction s’écrit :

$$C_{4}H_{10}(g)+O_{2}(g)\rightarrow CO_{2}(g)+H_{2}O(l)$$

Pour équilibrer la réaction, on vérifie la conservation des éléments. On commence par l’élément carbone $C$.

• Il y a quatre atomes de carbone à gauche de la flèche et un atome de carbone à droite de la flèche.
• Il faut donc rajouter le coefficient stœchiométrique 4 devant le $CO_2$ pour avoir aussi quatre atomes de carbone $C$ à droite de la flèche.

$$C_{4}H_{10}(g)+O_{2}(g)\rightarrow 4CO_{2}(g)+H_{2}O(l)$$

• Il y a dix atomes d’hydrogène à gauche de la flèche et deux atomes d’hydrogène à droite de la flèche puisque la molécule d’eau $H_2O$ comporte deux atomes d’hydrogène.
• Il faut donc rajouter le coefficient stœchiométrique 5 devant l’eau pour avoir aussi dix atomes d’hydrogène à droite de la flèche.

$$C_{4}H_{10}(g)+O_{2}(g)\rightarrow 4CO_{2}(g)+5H_{2}O(l)$$

• À gauche de la flèche il y a deux éléments oxygène. À droite de la flèche, il faut les compter. Il y a deux atomes d’oxygène dans une molécule de $CO_2$ et, depuis que l’on a ajouté un nombre stœchiométrique, il y a quatre molécules de dioxyde de carbone, ce qui fait en tout $4\times2$ soit 8 atomes d’oxygène dans le $CO_2$.
• Il faut ajouter les 5 atomes d’oxygène contenus dans les molécules d’eau. Ce qui fait en tout treize atomes d’oxygène à droite de la flèche. Il faut donc rajouter le coefficient stœchiométrique $\dfrac{13}{2}$ devant le dioxygène pour avoir treize atomes d’oxygène à droite de la flèche, car $\dfrac{13}{2}\times 2=13$. L’équation de la réaction devient alors :

$$C_{4}H_{10}(g)+\dfrac{13}{2}O_{2}(g)\rightarrow 4CO_{2}(g)+5H_{2}O(l)$$

• Pour supprimer la fraction dans l’équation, qui ne serait pas facile à manipuler, on multiplie tous les membres de l’équation par le dénominateur de la fraction, soit par 2. L’équation chimique de la réaction est donc :

$$2C_{4}H_{10}(g)+13O_{2}(g)\rightarrow 8CO_{2}(g)+10H_{2}O(l)$$

L’équation ne comporte pas de charges, il n’y a donc pas à vérifier la loi de conservation des charges, l’équation écrite ci-dessus est donc bien équilibrée.

Exemple 2

Exemple

On peut ensuite prendre un autre exemple qui fasse intervenir des charges : la réaction du fer avec des ions hydrogène, qui donne des ions fer (II) et du dihydrogène.

• Les réactifs sont le fer solide, qui réagit avec les ions hydrogène en solution aqueuse pour donner les ions fer (II) à l’état aqueux et le dihydrogène gazeux. L’équation non équilibrée de la réaction s’écrit :

$$Fe(s)+H^+(aq)\rightarrow Fe^{2+}(aq)+H_2(g)$$

• Pour équilibrer l’équation, on vérifie d’abord la conservation des éléments. Il y a un atome de fer à gauche de la flèche et un atome de fer à droite de la flèche, le nombre d’atomes de fer est le même des deux côtés de la flèche, il n’y a donc pas besoin d’équilibrer cet élément.
• Il y a un atome d’hydrogène à gauche et deux atomes d’hydrogène à droite de la flèche. Il faut donc rajouter le coefficient stœchiométrique 2 devant les ions $H^+$ pour avoir également deux atomes d’hydrogène à gauche de la flèche. L’équation chimique devient alors :

$$Fe(s)+2H^+(aq)\rightarrow Fe^{2+}(aq)+H_2(g)$$

Les éléments sont équilibrés, il faut maintenant vérifier la conservation des charges.

• À gauche de la flèche, il y a deux charges positives puisqu’il y a deux ions hydrogène, chacun possédant une charge positive.
• À droite de la flèche, il y a aussi deux charges positives avec l’ion fer qui possède deux charges positives.
• La conservation des charges est donc vérifiée et l’équation chimique est bien équilibrée.

Interprétation et bilan de matière

• Comment interpréter une équation chimique et en déduire un bilan de matière ?

Attention

Les chimistes raisonnent toujours en nombre de moles.

Soit l’équation de réaction suivante $aA + bB \rightarrow cC + dD$ où $A$ et $B$ sont les réactifs, $C$ et $D$ sont les produits, et les nombres $a$, $b$, $c$ et $d$ sont les coefficients stœchiométriques associés respectivement aux espèces $A$, $B$, $C$ et $D$.

• L’équation se lit : $a$ moles de réactif $A$ réagissent avec $b$ moles de réactif $B$ pour donner $c$ moles de produit $C$ et $d$ moles de produit $D$.

De plus, les quantités de matière (ou nombre de moles) des réactifs et des produits sont liées par la relation : $$\dfrac{n_A}{a}=\dfrac{n_B}{b}=\dfrac{n_C}{c}=\dfrac{n_D}{d}$$

Dans cette relation, $n_A, n_B,n_C \ et\ n_D$ sont les quantités de matière respectives des espèces $A$, $B$, $C$ et $D$.

À retenir

Grâce à cette relation, en connaissant la quantité de matière de l’une des espèces intervenant dans une réaction chimique, on peut déterminer, grâce aux coefficients stœchiométriques de l’équation de la réaction, les quantités de matière des autres espèces intervenant dans la réaction.

Exemple

Prenons la réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène $O_2$ donnant de l’eau. $$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2H_2O(l)$$

• D’après cette équation, deux moles de dihydrogène réagissent avec une mole de dioxygène pour donner deux moles d’eau. D’après la relation précédente, on a :

$$\dfrac{n_{H_{2}}}{2}=\dfrac{n_{O_{2}}}{1}=\dfrac{n_{H_{2}O}}{2}$$

• On en déduit que si l’on dispose de 6 moles de dihydrogène, il faudra utiliser $\dfrac{6}{2}$ soit 3 moles de dioxygène $O_2$ et il se formera 6 moles d’eau $H_2O$.
• Toujours d’après la même équation, pour obtenir 8 moles d’eau $H_2O$, il faudra faire réagir 8 moles de dihydrogène $H_2$ avec $\dfrac{8}{2}$ soit 4 moles de dioxygène $O_2$.

Réaction chimique et énergie

Définitions

À retenir

Lors d’une réaction chimique, un système chimique peut absorber ou céder de l’énergie sous forme d’énergie thermique (autrement dit, sous forme de chaleur).

• Une réaction chimique est dite exothermique si elle libère de la chaleur sous forme d’énergie.
• Une telle réaction s’accompagne d’une augmentation de la température car le système chimique absorbe moins d’énergie qu’il n’en cède.
• À l’inverse, une réaction chimique est dite endothermique si elle absorbe de l’énergie sous forme de chaleur.
• Elle s’accompagne d’une diminution de la température, le système chimique absorbe plus d’énergie qu’il n’en cède.
• Une réaction est dite athermique si elle ne donne lieu à aucun changement thermique.
• Le système chimique absorbe autant d’énergie qu’il en cède.

Réaction de combustion et application au sport

Définition

Combustion :

Une réaction de combustion est la réaction entre le dioxygène et un composé chimique appelé combustible. Cette réaction libère beaucoup d’énergie.

Exemple

$\text{composé}\ \text{carboné} + O_2\rightarrow CO_2+H_2O$

Lors d’une réaction de combustion d’un composé carboné, le carbone se combine au dioxygène de l’air pour former du dioxyde de carbone et de l’eau. On peut dire que le composé carboné brûle dans le dioxygène.

À retenir

Une combustion peut être complète ou incomplète : on parle de combustion incomplète si le dioxygène est en quantité insuffisante. Il peut alors se former différentes espèces dont le toxique monoxyde de carbone $CO$.

L’organisme humain est un consommateur de composés carbonés apportés par les aliments (comme les protéines, les glucides et les lipides). Au contact du dioxygène absorbé lors de la respiration, ces composés carbonés subissent une réaction de combustion qui va produire de l’énergie et du dioxyde de carbone.

• Le dioxyde de carbone est rejeté lors de la respiration et l’énergie libérée va être utilisée lors de l’effort physique.

Plus l’effort physique est important, plus le rythme respiratoire est rapide. Le corps modifie alors son rythme ventilatoire pour absorber davantage de dioxygène.

Plus la quantité de dioxygène consommée est grande, plus la quantité de composés carbonés « brûlés » par réaction de combustion est importante, et donc plus l’énergie libérée est importante.

Naturellement, comme dans l’équation chimique, plus le phénomène s’intensifie et plus la température du corps augmente. Heureusement, cette augmentation de température déclenche une transformation physique : la transpiration, qui va contribuer à refroidir et réguler la température corporelle.