Au cours d'une réaction chimique, les éléments chimiques et la charge électrique sont conservés. Dans l'équation de réaction, il est alors parfois nécessaire d'ajuster les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques. Les solutions acides contiennent des ions hydrogène \ce{H+} et les solutions basiques des ions hydroxyde \ce{OH-} qui peuvent réagir entre eux en formant de l'eau et en libérant de la chaleur.
Les solutions acides peuvent réagir avec certains métaux, notamment le fer. Les produits de la réaction chimique entre les ions hydrogène \ce{H+} sont alors le cation métallique associé et le dihydrogène.
Généralités sur les réactions chimiques
L'équation de réaction chimique modélise une transformation chimique. Au cours d'une transformation chimique, les éléments chimiques sont conservés : on retrouve les mêmes atomes du côté des réactifs et du côté des produits. La charge électrique est aussi conservée : elle est identique du côté des réactifs et des produits. Pour que l'équation de la réaction chimique respecte ces règles de conservation, il faut parfois ajuster les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques.
L'équation de réaction chimique
Dans l'écriture symbolique d'une transformation chimique, une flèche modélise la transformation du ou des réactifs en produits.
Équation de réaction chimique
L'équation de réaction chimique est la modélisation d'une transformation chimique en un processus unique. Les espèces chimiques y sont représentées par leurs formules chimiques (brutes, généralement) :
\text{Réactifs } \ce{->}\text{Produits}
D'après le bilan de la combustion du carbone :
\text{carbone} + \text{dioxygène} \ce{->} \text{dioxyde de carbone}
L'équation de cette réaction chimique est :
\ce{C} + \ce{O_2} \ce{->} \ce{CO2}
La conservation des éléments chimiques et de la charge électrique
Lors d'une réaction chimique, les éléments chimiques et la charge électrique sont conservés. Dans l'équation d'une réaction chimique, il faut alors parfois ajuster les coefficients stœchiométriques.
Conservation des éléments chimiques et de la charge électrique
Lors d'une transformation chimique, les éléments chimiques et la charge électrique sont conservés : on retrouve les mêmes atomes et la même charge électrique du côté des réactifs et des produits.
Lors de la combustion du carbone, l'équation de la réaction chimique est :
\ce{C} + \ce{O_2} \ce{->} \ce{CO2}
On trouve :
- un atome de carbone et deux de dioxygène du côté des réactifs ;
- un atome de carbone et deux de dioxygène du côté des produits.
Dans certains cas, la conservation des éléments chimiques et de la charge électrique nécessite de placer des coefficients devant les espèces chimiques dans l'équation de la réaction chimique.
Le bilan de la combustion du méthane étant :
\text{méthane} + \text{dioxygène} \ce{->} \text{eau}+ \text{dioxyde de carbone}
L'équation de réaction chimique que l'on obtient dans un premier temps est :
\ce{CH4} + \ce{O_2} \ce{->} \ce{CO2} + \ce{H2O}
Mais cette ébauche d'équation de réaction chimique ne respecte ni la conservation des atomes d'oxygène (qui sont 2 du côté des réactifs et 3 du côté des produits) ni celle des atomes d'hydrogène (qui sont 4 du côté des réactifs et 2 du côté des produits). Pour que ces atomes soient conservés, il faut ajuster le nombre de molécules de dioxygène consommé et d'eau formée, en ajoutant donc des coefficients devant les molécules :
Le bilan de la réaction des ions argent avec le cuivre métallique étant :
\text{ion argent} + \text{cuivre} \ce{->} \text{argent}+ \text{ion cuivre (II)}
L'équation de réaction chimique que l'on obtient dans un premier temps est :
\ce{Ag+} + \ce{Cu} \ce{->} \ce{Ag} + \ce{Cu2+}
Mais cette ébauche d'équation de réaction chimique ne respecte pas la conservation de la charge électrique (qui est de « 1+ » du côté des réactifs et de « 2+ » du côté des produits). Pour que la charge électrique et l'élément argent soient conservés, il faut ajuster les coefficients stœchiométriques des ions argent et des atomes d'argent :
Les réactions entre les solutions acides et basiques
Les solutions acides contiennent des ions hydrogène \ce{H+} et les solutions basiques des ions hydroxyde \ce{OH-} . Lors d'un mélange, ces deux ions réagissent ensemble pour former de l'eau. Cette réaction chimique libère de la chaleur.
Les solutions acides et basiques
La nature acide de certaines solutions est due à l'ion hydrogène \ce{H+} . La nature basique de certaines solutions est due à l'ion hydroxyde \ce{OH-} .
Les solutions acides ont un pH inférieur à 7 et contiennent toutes des ions hydrogène \ce{H+} .
La solution acide la plus couramment employée est la solution d'acide chlorhydrique. Elle contient des ions hydrogène \ce{H+} et chlorure \ce{Cl-} .
Les solutions basiques ont un pH supérieur à 7 et contiennent toutes des ions hydroxyde \ce{OH-} .
La solution basique la plus couramment employée est la solution d'hydroxyde de sodium, aussi appelée « soude ». Elle contient des ions sodium \ce{Na+} et hydroxyde \ce{OH-} .
La réaction entre les ions hydrogène \ce{H+} et \ce{OH-}
Les ions hydrogène \ce{H+} et hydroxyde \ce{OH-} peuvent réagir ensemble pour former de l'eau. Cette réaction chimique libère de la chaleur.
Lorsqu'on fait réagir une solution d'acide chlorhydrique ( \ce{H+} + \ce{Cl-} ) avec une solution de soude ( \ce{Na+} + \ce{OH-} ) de même concentration, le pH du mélange obtenu est neutre. On en déduit que la solution obtenue après réaction chimique ne contient que de faibles quantités d'ions hydrogène ( \ce{H+} ) et hydroxyde ( \ce{OH-} ).
Les ions sodium ( \ce{Na+} ) de la soude et les ions chlorure ( \ce{Cl-} ) de l'acide chlorhydrique ne participent pas à la réaction, on dit que ce sont des ions spectateurs.
Lorsqu'on mélange des solutions acides et basiques, de même concentration, elles se neutralisent, car les ions hydrogène ( \ce{H+} ), responsables de l'acidité, réagissent avec les ions hydroxyde ( \ce{OH-} ), responsables de la basicité. Le seul produit formé par cette réaction est de l'eau ( \ce{H2O} ).
Le bilan de la réaction chimique qui se déroule lors du mélange d'une solution acide avec une solution basique est donc :
\text{ion hydrogène} + \text{ion hydroxyde} \ce{->} \text{eau}
Et l'équation de la réaction est :
\ce{H+_{(aq)} } + \ce{OH^{-}_{(aq)} } \ce{->} \ce{H2O_{(l)} }
- La notation _{\text{(aq)}} signifie que les ions sont entourés de molécules d'eau, car ils sont dissous dans une solution aqueuse.
- La notation _{\text{(l)}} signifie que l'eau est à l'état liquide.
Lorsqu'on mélange une solution acide et basique, on observe que la température du mélange augmente : la réaction chimique qui a lieu dégage de la chaleur.
Lors du mélange d'une solution d'acide chlorhydrique avec de la soude, la température, initialement à 20 °C, augmente.
- On ne mélange pas des solutions acides et des solutions basiques, surtout si elles sont concentrées. Le dégagement de chaleur peut être intense et des projections très corrosives peuvent avoir lieu.
- On ne verse pas d'eau directement dans une solution acide ou basique concentrée : on peut recevoir des projections corrosives.
- On ne mélange pas une solution acide (comme du détartrant WC) avec de l'eau de Javel : un gaz très toxique (le dichlore) peut se dégager.
La réaction entre les solutions acides et les métaux
Les ions hydrogène \ce{H+} d'une solution aqueuse acide réagissent avec certains métaux, notamment le fer, pour former le cation métallique associé et du dihydrogène gazeux.
La réaction entre une solution acide et le fer
Les ions hydrogène \ce{H+} contenus dans une solution acide réagissent avec le fer. Les produits formés sont les ions fer (II) \ce{Fe}^{2+} et du dihydrogène \ce{H2} .
Réaction entre l'acide chlorhydrique et le fer
Lorsqu'on verse une solution d'acide chlorhydrique sur de la poudre de fer, on observe un dégagement gazeux. Le test à l'allumette permet de mettre en évidence la formation de dihydrogène \ce{H2} et l'ajout d'une solution de soude permet de mettre en évidence la présence d'ions \ce{Fe^{2+}} .
Lorsque l'acide chlorhydrique réagit avec le fer, des ions fer (II) \ce{Fe^{2+}} et du dihydrogène \ce{H2} sont formés. D'après la loi de conservation des réactions chimiques, on en déduit que des atomes de fer \ce{Fe} et des ions hydrogène \ce{H+} sont consommés.
Les réactifs de cette transformation chimique sont donc :
- les atomes de fer \ce{Fe} ;
- les ions hydrogène \ce{H+} .
Et les produits sont :
- les ions fer (II) \ce{Fe^{2+}} ;
- le dihydrogène \ce{H2} .
Le bilan de la transformation chimique est donc :
\text{fer} + \text{ions hydrogènes} \ce{->} \text{ions fer (II)} + \text{dihydrogène}
L'équation de la réaction chimique s'écrit donc :
\ce{Fe_{(s)}} + 2 \ce{H+_{(aq)} } \ce{->} \ce{Fe^{2+}_{(aq)} } + \ce{H2_{(g)} }
Le coefficient « 2 » placé devant l'ion hydrogène permettant de respecter la conservation de l'élément hydrogène et de la charge électrique.
- La notation _{\text{(s)}} signifie que le fer est à l'état solide.
- La notation _{\text{(g)}} signifie que le dihydrogène est à l'état gazeux.
Généralisation aux autres réactions entre les solutions acides et les autres métaux
Les ions hydrogène \ce{H+} contenus dans une solution acide réagissent avec certains métaux. Comme avec le fer, les produits formés sont l'ion provenant du métal et du dihydrogène \ce{H2} .
Selon leur composition, les solutions acides peuvent réagir avec certains métaux et pas avec d'autres.
Une solution d'acide chlorhydrique réagit avec le zinc et l'aluminium, mais pas avec le cuivre, l'argent et l'or.
Lors de la réaction entre une solution acide et un métal :
- l'ion hydrogène \ce{H+_{(aq)}} est transformé en dihydrogène gazeux \ce{H2_{(g)}} ;
- le métal, solide, \ce{X_{(s)}} est transformé en ion \ce{X^{n}+_{(aq)}} , dont la charge dépend de la nature du métal.
Le bilan de l'action d'une solution acide sur un métal est alors :
\text{métal } \ce{X_{(s)}} +\text{ ions hydrogène } \ce{H+_{(aq)}} \ \ce{->} \text{ cation }\ce{X}^{n+}_{\text{(aq)}}+\text{ dihydrogène } \ce{H2_{(g)}}
L'équation générale de cette réaction chimique est :
Une solution d'acide chlorhydrique réagit avec l'aluminium de la même manière qu'avec le fer :
- Des atomes d'aluminium \ce{Al_{(s)}} et des ions hydrogènes \ce{H+_{(aq)}} sont consommés.
- Des ions aluminium (III) \ce{Al^{3+}_{(aq)}} et du dihydrogène \ce{H2_{(g)}} sont formés.
Le bilan de la transformation chimique est donc :
\text{aluminium} + \text{ions hydrogène} \ce{->} \text{ ions aluminium (III)} + \text{dihydrogène}
Puisque la formule de l'ion aluminium est \ce{Al^{3+}} , on en déduit que le coefficient n présent dans l'équation générale est égal à 3.
D'où l'équation de la réaction chimique :
\ce{Al_{(s)}} + 3 \ce{H+_{(aq)}}\ce{->} \ce{Al^{3+}_{(aq)}} + \dfrac{3}{2} \ce{H2_{(g)}}