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Réaction chimique et énergie
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Introduction :
Ce cours va traiter de la réaction chimique.
Dans un premier temps, nous définirons le système chimique ainsi que la transformation chimique.
Puis, nous étudierons la réaction chimique et verrons comment la représenter par une équation chimique.
Enfin, nous aborderons le rôle de l’énergie dans une réaction chimique et nous étudierons la réaction de combustion et son application dans le domaine du sport.
Système et transformation chimique
Définition et caractéristiques d’un système chimique
Système chimique :
Un système chimique est caractérisé par :
Un système chimique peut être modifié : c’est ce qu’on appelle une transformation chimique.
Définition d’une transformation chimique
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.
Fonctionnement de la transformation chimique
L’état final est atteint lorsque le système chimique n’évolue plus. Voici un système chimique qui a subi une transformation chimique.
État initial |
État final |
P = 1 bar |
P = 1 bar |
T = 20 °C |
T = 20 °C |
0,1 mole de magnésium (s) |
0,1 mole d’ions magnésium (aq) |
0,2 mole d’ions hydrogène (aq) |
0,1 mole de dihydrogène (g) |
0,2 mole d’ions chlorure (aq) |
0,2 mole d’ions chlorure (aq) |
On observe que le système chimique a évolué : la composition n’est pas la même à l’état initial et à l’état final.
Il ne faut pas confondre une transformation physique et une transformation chimique.
Réaction chimique
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.
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.
Au cours d’une réaction chimique, la masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui se forment :
Équation chimique
Définition
Équation chimique :
L’équation d'une réaction est l’écriture symbolique de cette réaction chimique.
Pour l’écrire, il faut suivre plusieurs étapes :
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 :
Équilibrer une équation chimique
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.
Dans une équation chimique, il ne faut pas confondre atomes et molécules.
Chaque molécule de méthane comporte un atome de carbone et quatre atomes d'hydrogène . Donc correspond à trois atomes de carbone et soit 12 atomes d'hydrogène.
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 , et le dioxygène, un gaz de formule brute .
Pour équilibrer la réaction, on vérifie la conservation des éléments. On commence par l’élément carbone .
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.
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 éléments sont équilibrés, il faut maintenant vérifier la conservation des charges.
Interprétation et bilan de matière
Les chimistes raisonnent toujours en nombre de moles.
Soit l’équation de réaction suivante où et sont les réactifs, et sont les produits, et les nombres , , et sont les coefficients stœchiométriques associés respectivement aux espèces , , et .
De plus, les quantités de matière (ou nombre de moles) des réactifs et des produits sont liées par la relation :
Dans cette relation, sont les quantités de matière respectives des espèces , , et .
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.
Prenons la réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène donnant de l’eau.
Réaction chimique et énergie
Définitions
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).
Réaction de combustion et application au sport
Combustion :
Une réaction de combustion est la réaction entre le dioxygène et un composé chimique appelé combustible. Cette réaction libère beaucoup d’énergie.
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.
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 .
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.
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.