I- La transformation chimique.

1)-  Expérience 1 :

-   Réaction entre le méthane et le dioxygène.

-   Lors de la combustion complète du méthane dans le dioxygène de l’air,

-  Le méthane CH₄ (g) et le dioxygène O₂ (g) sont consommés.

-  Il se forme du dioxyde de carbone CO₂ (g) et de l’eau H₂O (g).

-  Le diazote N₂ (g) de l’air, présent dans l’état initial du système chimique est une espèce spectatrice.

-  Il est donc présent dans l’état final.

2)-  Définition :

-  Une transformation chimique est le passage d’un système chimique d’un état initial à un état final avec formation de nouvelles espèces chimiques.

3)-  État initial et état final :

a)- Définitions :

-  On appelle état initial (E.I) du système chimique, l’état de ce système avant la transformation chimique.

-  On appelle état final (E.F) du système chimique, l’état de ce système lorsque la transformation chimique est terminée.

-  La transformation chimique permet le passage de l’état initial à l’état final.

b)- Exemple 1 :

-  Réaction entre le méthane et le dioxygène.

-  Lorsqu’on s’intéresse à la combustion du méthane dans l’air.

-  Le système chimique concerné comprend beaucoup d’espèces chimiques différentes.

-  On limite notre étude aux espèces chimiques qui participent à la réaction.

II- Réaction chimique et équation chimique.

1)-  La réaction chimique.

-  Retour sur la réaction entre le méthane et le dioxygène.

-  On peut simplifier le système chimique et s’intéresser qu’aux espèces chimiques qui participent à la réaction.

-  La transformation chimique qui fait intervenir les réactifs et les produits s’appelle la réaction chimique.

-  Elle modélise la transformation chimique subie par un système chimique.

-  On écrit :

-  Le méthane CH₄ (g) réagit avec le dioxygène O₂ (g) pour donner du dioxyde de carbone CO₂ (g) et de l’eau H₂O (g).

-  Le système chimique comprend : le méthane, le dioxygène, le dioxyde de carbone et l’eau.

2)-  L’équation chimique :

-  Au cours d’une réaction chimique :

-  Les réactifs sont les espèces chimiques consommées ;

-  Les produits sont les espèces chimiques formées.

-  Une réaction chimique modélise le passage des réactifs aux produits.

-  Une réaction chimique est associée à une équation chimique.

-  L’équation chimique est l’écriture symbolique d’une réaction chimique.

-  Par convention :

-  On écrit les formules des réactifs dans le membre gauche de l’équation chimique

-  On écrit les formules des produits dans le membre droit de l’équation chimique.

-  On sépare les deux membres de l’équation par une flèche.

-  Seuls les réactifs et les produits figurent dans l’équation de la réaction.

-  Les espèces spectatrices ne sont pas indiquées.

-  L’équation de la réaction traduit la conservation des éléments et de la charge électrique entre les réactifs et les produits.

3)-  Lois de conservation.

-  Conservation des éléments chimiques :

-  Au cours d’une réaction chimique, il y a conservation des éléments chimiques.

-  Les éléments présents dans les réactifs se retrouvent dans les produits.

-  Conservation de la charge :

-  au cours d’une réaction chimique, la charge se conserve.

-  Conservation de la masse : (Lavoisier) :

-  Le chimiste français Lavoisier a montré que la masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui apparaissent.

4)-  Ajustement des nombres stœchiométriques.

-  Ajuster les nombres stœchiométriques d’une équation, c’est choisir ces nombres de manière à traduire la conservation de tous les éléments mis en œuvre.

-  Par convention, le nombre stœchiométrique ce place devant la formule de l’espèce chimique.

-  Le nombre stœchiométrique 1 ne s’écrit pas.

5)-  Applications : Ajustement des nombres stœchiométriques :

a)- Exemple 1 : Le méthane brûle dans le dioxygène pour donner du dioxyde de carbone et de l’eau.

-  Tableau :

b)- Exemple 2 :

-  Le sulfate de cuivre II (Cu²⁺ (aq) + SO₄^2– (aq)) réagit avec la soude (Na⁺ (aq) + HO^– (aq))

en donnant un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre II (Cu(OH)₂ (s)).

6)-  Bilan de matière et réactif limitant.

-  Une équation de réaction chimique traduit un bilan de quantité de matière.

-  Exemple :

-  Dans le cas de la combustion complète du méthane :

-  En conséquence :

-  Une mole de méthane, CH₄ (g) réagit avec  2 moles de dioxygène O₂ (g)

-  Pour former

-  Une mole de dioxyde de carbone CO₂ (g)   et 2 moles d’eau H₂O (g).

-  La quantité de méthane qui réagit n (CH₄) est égale à la moitié de la quantité de dioxygène qui réagit n (O₂)

-  On écrit :

-    

-  Lors d’une transformation totale, l’un au moins des réactifs est entièrement consommé :

-  Il est appelé réactif limitant.

-  Si les deux réactifs sont entièrement consommés, ils ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques :

-  Le mélange est dit stœchiométrique.

7)-  Exemple : combustion totale du méthane :

-     Simulation de la réaction avec un fichier Excel :

2dchim2Z    ou     2dreactionschimiques06Z

-  Premier cas :

-  Si , le mélange est stœchiométrique.

Vidéo de l'évolution de la réaction

-  En fin de réaction, les réactifs ont été entièrement consommés.

-  État initial :

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-  État final :

  Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-  Deuxième cas :

-  Si , le méthane CH₄ est le réactif limitant.

Vidéo de l'évolution de la réaction

-  En fin de réaction, il reste du dioxygène. Le dioxygène est en excès.

-  La réaction s’arrête lorsque tout le méthane a réagi.

-  État initial :

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-  État final :

 Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-  Troisième cas :

-  Si , le dioxygène O₂ est le réactif limitant.

Vidéo de l'évolution de la réaction

-  En fin de réaction il reste du méthane. Le méthane est en excès.

-  La réaction s’arrête lorsque tout le dioxygène a réagi.

-  État initial :

 Cliquer sur l'image pour l'agrandir 

-  État final :

 Cliquer sur l'image pour l'agrandir 

8)-  Transformation chimique et transfert d’énergie.

Réaction chimique :

a)- Transformation exothermique :

-  Une transformation est exothermique si le système chimique libère de l’énergie vers le milieu extérieur.

b)- Transformation endothermique :

-  Une transformation est endothermique si le système chimique reçoit de l’énergie du milieu extérieur.

c)- Transformation athermique :

-  Une transformation est athermique si le système chimique absorbe autant d’énergie qu’il en cède au milieu extérieur.

III- La synthèse d’une espèce chimique.

1)-  Espèces chimiques naturelle et synthétique.

-  Une espèce chimique naturelle est issue de la nature.

-  Les espèces chimiques naturelles sont celles qui existent dans la nature.

-  Le caoutchouc naturel provient du latex qui est la sève de l’hévéa.

-  Le sucre (saccharose) est présent dans la betterave et la canne à sucre.

-  Le sel de cuisine est une espèce chimique que l’on extrait de l’eau de mer (marais salant).

-  Les espèces chimiques synthétiques sont préparées par l’Homme à l’aide de transformations chimiques.

-  Les espèces chimiques synthétiques qui sont identiques aux espèces chimiques naturelles ont exactement les mêmes propriétés.

-  Les espèces chimiques artificielles sont des espèces chimiques synthétiques qui n’existent pas dans la nature.

-  Remarque :

-  On parle de substances naturelles, synthétiques ou artificielles.

-  Une substance est constituée d’espèces chimiques différentes.

-  Un produit naturel et un produit de synthèse peuvent être chimiquement identiques.

2)-  Synthèse chimique :

-  Une synthèse chimique est la fabrication d’une espèce chimique au laboratoire.

-  Réaliser la synthèse d’une espèce chimique, c’est la préparer à partir d’autres espèces chimiques grâce à une transformation chimique.

-  Pour répondre aux besoins de l’Homme, l’industrie chimique synthétise un nombre considérable de produits.

-  On distingue : la chimie lourde et la chimie fine.

-  La chimie lourde synthétise, à partir de matières premières simples des produits en grande quantité :

-  Synthèse de matières plastiques (polyéthylène, …)

-  Synthèse de l’ammoniac (NH₃, …).

-  Synthèse de l’aluminium (bauxite → alumine)

-  La chimie fine synthétise des substances plus complexes :

-  Synthèse de la vanilline (arôme de vanille).

-  Synthèse de l’aspirine (acide acétylsalicylique).

3)-  Réactifs et produits d’une synthèse.

-  La synthèse d’une espèce chimique nécessite d’autres espèces chimiques.

-  Les espèces chimiques nécessaires à la synthèse sont appelés : les réactifs de la synthèse.

-  Les espèces chimiques obtenues sont appelés : les produits de la synthèse.

-  Réactifs → Produits

-  Les réactifs et les produits différent par leurs caractéristiques physiques.

-  Exemple :

-  Pour synthétiser l’acétate d’isoamyle, on utilise de l’acide acétique et de l’alcool isoamylique.

-  On peut schématiser cette transformation chimique comme suit :

4)-  Réalisation d’une synthèse (en relation avec le TP chimie).

-  Pour réaliser une synthèse, il faut suivre un protocole opératoire.

-  Exemple :

-  Pour réaliser la synthèse d’un ester odorant, on peut utiliser comme montage :

-  Le chauffage à reflux.

-  Le chauffage à reflux permet :

-  De travailler à une température élevée,

-  D’accélérer la synthèse de l’espèce chimique,

-  D’éviter les pertes de réactifs et de produits.

-  On distingue quatre étapes lors de la synthèse :

-  L’introduction des réactifs,

-  La transformation chimique,

-  L’extraction de l’espèce chimique synthétisée,

-  La caractérisation de l’espèce chimique synthétisée.

-  Schéma :

5)-  Caractérisation de l’espèce chimique synthétisée.

a)- Identification du produit de synthèse.

-  La caractérisation d’une espèce chimique peut s’effectuer en utilisant ses propriétés physiques :

-  Couleur, solubilité, température d’ébullition et température de fusion,

-  Indice de réfraction, densité, …

b)- Analyse comparative.

-  On peut réaliser une chromatographie sur couche mince (C.C.M) :      TP C.C.M

-  De l’espèce synthétique,

-  De l’espèce de référence,

-  D’un extrait naturel contenant la même espèce chimique.

-  Il faut ensuite comparer la position des différentes taches du chromatogramme obtenu.

-  Remarque :

-  Une espèce chimique d’origine naturelle est identique à l’espèce chimique obtenue par synthèse.

-  Rien ne permet de les différencier.

IV- Applications.

1)-  QCM :

2)-  Exercices :