La modélisation et l'énergie d'une transformation chimique
Durant une transformation chimique, des espèces chimiques apparaissent et d'autres disparaissent. Elles sont modélisées par une écriture symbolique. De l'énergie est transférée lors d'une transformation, le système chimique peut absorber ou dégager de la chaleur.
Le rôle des espèces chimiques dans une transformation chimique
Lors d'une transformation chimique, un ou des réactifs réagissent ensemble pour former un ou des produits en présence d'autres espèces spectatrices.
Transformation chimique
Une transformation chimique est la modification d'un système chimique évoluant d'un état initial à un état final.
La combustion du carbone est une transformation chimique. À l'état initial, on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur. Le carbone brûle vivement. La disparition complète du carbone est l'état final.
Système chimique
Le système chimique est défini par l'ensemble des espèces chimiques qui sont contenues dans un espace donné. Elles peuvent avoir différents rôles :
Lorsque l'on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur, celui-ci brûle vivement, jusqu'à sa disparition complète. Le carbone et le dioxygène sont les réactifs de la transformation chimique, car ils sont consommés.
Un test d'identification permet de mettre en évidence, dans l'état final, la présence de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est un produit de la transformation chimique, car il est formé.
Les réactifs et les produits de la combustion du carbone constituent le système chimique. Dans cette transformation chimique, il n'y a pas d'espèce spectatrice.
Réactif limitant
Le réactif limitant est le réactif qui est complètement consommé par la transformation. Il n'est plus présent dans l'état final et c'est à cause de son absence que la transformation chimique cesse.
Lorsque l'on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur, celui-ci brûle vivement, jusqu'à sa disparition complète. Des tests d'identification permettent de mettre en évidence la présence de dioxygène et de dioxyde de carbone à l'état final. À l'état final, il ne reste plus de carbone. Le carbone est le réactif limitant.
Lors d'une transformation chimique, on dit que les réactifs, encore présents à l'état final, ont été introduits en excès.
Lors de la combustion complète du carbone avec du dioxygène, un test d'identification permet de mettre en évidence dans l'état final la présence de dioxygène. Le dioxygène a été introduit en excès.
L'écriture symbolique d'une réaction chimique
Dans l'écriture symbolique d'une transformation chimique, une flèche modélise la transformation du ou des réactifs en produits. La conservation du nombre d'éléments et de la charge est modélisée par les nombres stœchiométriques.
Réaction chimique
La réaction chimique est la modélisation, à l'échelle macroscopique, d'une transformation chimique en un processus unique. La réaction chimique est modélisée par son équation de réaction. Les espèces chimiques y sont représentées par leurs formules chimiques (brutes, généralement).
\bf \text{Réactifs } \ce{->}\text{ Produits}
Lors de la combustion du méthane, le méthane réagit avec du dioxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau. La transformation est modélisée par l'équation de réaction suivante :
\text{méthane}+\text{dioxygène } \ce{->} \text{ dioxyde de carbone} + \text{eau}
Loi de conservation
L'équation de la réaction chimique doit respecter les lois de conservation :
- des éléments chimiques ;
- de la charge électrique.
Il peut être alors nécessaire d'ajuster les coefficients stœchiométriques des espèces chimiques, les nombres qui précèdent leurs formules et indiquent leurs proportions dans la réaction.
L'équation de la combustion du méthane est :
Lors d'une transformation chimique, la masse est également conservée.
L'énergie transférée par une transformation chimique
L'énergie transférée par une transformation chimique est la chaleur. Selon la transformation chimique considérée, de la chaleur est absorbée ou dégagée. De ce fait, la nature de la transformation est dite endothermique ou exothermique.
La chaleur est aussi appelée énergie thermique.
Endothermique
Une transformation chimique endothermique absorbe de la chaleur. Cela se traduit par une diminution de la température du milieu réactionnel.
L'électrolyse de l'eau est une transformation endothermique. Elle absorbe de la chaleur pour former du dihydrogène et du dioxygène.
Exothermique
Une transformation chimique exothermique libère de la chaleur. Cela se traduit par une augmentation de la température du milieu réactionnel.
La réaction entre l'acide chlorhydrique et l'hydroxyde de sodium est une transformation exothermique. Elle libère de la chaleur pour former de l'eau.
On peut retenir qu'une transformation exothermique transfère de la chaleur au milieu extérieur.
La chaleur absorbée ou dégagée augmente avec la masse des constituants qui réagissent, donc avec la quantité de matière du réactif limitant.
La chaleur dégagée par la réaction entre des solutions acide et basique augmente avec leur concentration.
Les réactions de combustion du carbone et du méthane
Les réactions de combustion sont un type de transformation chimique courant. Le carbone, contenu dans les matières organiques, et le méthane sont les réactifs les plus couramment utilisés.
Combustion
Une combustion est la réaction exothermique qui se déroule entre un combustible et un comburant (généralement le dioxygène \ce{O2}).
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Lors de la combustion complète (c'est-à-dire avec assez de dioxygène) d'un hydrocarbure (molécule composée uniquement des éléments chimiques carbone et hydrogène), les produits sont toujours le dioxyde de carbone \ce{CO2} et l'eau \ce{H2O}.
La combustion du carbone
La combustion complète du carbone est une transformation chimique exotherme totale produisant du dioxyde de carbone.
Carbone
Le carbone, de formule brute \ce{C}, est un solide gris ou noir qui est le composant principal du charbon, du fusain ou du graphite des mines de crayon.
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Dans du dioxygène pur, le carbone brûle vivement et il se forme du dioxyde de carbone.
Le produit formé est le dioxyde de carbone. Le bilan de cette combustion est :
\bf \text{carbone}+\text{dioxygène }\ce{->}\text{ dioxyde de carbone}
L'équation de la réaction de la combustion du carbone est :
\bf \ce{C_{(s)}} +\ce{O2_{(g)}} \ce{->} \ce{CO2_{(g)}}
Le dioxyde de carbone est mis en évidence par le test à l'eau de chaux. Si l'eau de chaux se trouble, alors l'échantillon testé contient du dioxyde de carbone.
La combustion du méthane
La combustion complète du méthane est une transformation chimique exotherme totale produisant du dioxyde de carbone et de l'eau.
Méthane
Le méthane, de formule brute \ce{CH4}, est un gaz incolore que l'on peut trouver dans des bonbonnes de gaz ou dans le gaz de ville.
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Au contact d'une flamme ou d'une étincelle, un mélange de méthane et de dioxygène brûle en donnant une flamme bleue assez chaude et il se forme de l'eau et du dioxyde de carbone.
Le bilan de cette combustion est :
\bf \text{méthane}+\text{dioxygène }\ce{->}\text{ dioxyde de carbone}+\text{eau}
L'équation de la réaction de la combustion du méthane est :
\bf \ce{CH4_(g)} +2\ce{O2_(g)} \ce{->} \ce{CO2_(g)}+ 2\ce{H2O_(l)}
L'action des solutions acides sur un métal ou le calcaire
Les ions \ce{H3O}^+ d'une solution aqueuse acide sont à l'origine de la réactivité chimique avec les métaux et le calcaire. Ce sont des réaction acidobasiques.
Solution acide
Une solution acide est une solution dont le pH est inférieur à 7 et qui contient des ions hydrogène \ce{H+} (notation simplifiée des ions oxonium \ce{H3O+}).
L'action d'une solution acide sur le calcaire
Les ions \ce{H3O}^+ d'une solution aqueuse acide réagissent avec le calcaire \ce{CaCO3} pour produire des ions calcium \ce{Ca}^+ , du dioxyde de carbone et de l'eau.
Calcaire
Le calcaire est un solide blanc qui est, par exemple, le composant principal des craies. Sa formule brute est {\ce{CaCO3}}, il est donc composé d'ions calcium {\ce{Ca^{2}+}} et d'ions carbonate \ce{CO_3^{2}-}.
Les falaises suivantes sont en calcaire d'où leur couleur blanche.
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Les ions calcium \ce{Ca^{2}+} peuvent être mis en évidence par l'ajout d'une solution contenant des ions oxalate \ce{C2O_4^{2-}} avec lesquels ils forment un précipité blanc.
Lors de la réaction entre une solution acide et du calcaire :
- le calcaire est dissous en ion calcium et en dioxyde de carbone ;
- Il se forme de l'eau (conformément à la loi de conservation des éléments chimiques).
Le bilan de l'action d'une solution acide sur le calcaire est :
\bf\text{calcaire}+\text{ion hydrogène }\ce{->}\text{ ion calcium}+\text{dioxyde de carbone}+\text{eau}
L'équation de cette réaction chimique est :
\bf \ce{CaCO3_{(s)}}+2\ce{H+_{(aq)}} \ce{->} \ce{Ca^{2+}_{(aq)}} +\ce{CO2_{(g)}} + \ce{H2O_{(l)}}
L'action d'une solution acide sur les métaux
Les ions \ce{H3O}^+ d'une solution aqueuse acide réagissent avec les métaux pour former le cation métallique associé et du dihydrogène.
Métaux
La majorité des éléments chimiques sont des métaux. La plupart d'entre eux sont des solides qui réfléchissent la lumière et conduisent efficacement le courant électrique et la chaleur. Ils forment des cations que l'on peut mettre en évidence à l'aide de tests caractéristiques.
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L'ajout d'une solution contenant l'ion hydroxyde \ce{OH-}, comme la soude, à une autre solution peut mettre en évidence la présence d'un cation métallique. La nature du cation est alors donnée par la couleur du précipité :
Lors de la réaction entre une solution acide et un métal :
- l'ion hydrogène {\ce{H+ }} est transformé en dihydrogène ;
- le métal \ce{X} est transformé en cation {\ce{X^{n}+}}, dont la charge dépend de la nature du métal.
Le bilan de l'action d'une solution acide sur un métal est alors :
\bf \text{métal }+\text{ ion hydrogène }\ce{->}\text{ cation}\ce{X}^{n+}+\text{dihydrogène}
L'équation de cette réaction chimique est :
Lors de la réaction entre une solution acide et du fer :
- l'ion hydrogène est transformé en dihydrogène ;
- le fer est transformé en ion fer II.
Le bilan de l'action d'une solution acide sur un métal est alors :
\text{fer + ion hydrogène} \longrightarrow \text{ ion fer II + dihydrogène}
L'équation de cette réaction chimique est :
{\ce{Fe_{(s)}}} + {2} {\ce{H+_{(aq)}}} → {\ce{Fe^{2+}_{(aq)}}} + {\ce{H2_{(g)}}}
La synthèse et l'identification d'une espèce chimique naturelle
Les espèces chimiques synthétiques et naturelles sont identiques. De ce fait, la synthèse d'espèces chimiques naturelles peut être réalisée à la place d'une extraction de l'espèce naturelle. Généralement, il est nécessaire de réaliser des transformations chimiques à température élevée à l'aide d'un montage à reflux. Souvent, la comparaison entre l'espèce synthétisée et l'espèce naturelle se réalise avec une chromatographie sur couche mince.
Synthèse chimique
Une synthèse chimique est la préparation d'une espèce chimique à partir d'autres espèces chimiques et grâce à une transformation chimique.
L'acide acétylsalicylique est plus connu sous le nom d'aspirine. On peut le trouver à l'état naturel (dans du saule blanc, par exemple) mais de nos jours, pour suivre nos besoins de production, on le synthétise. La réaction de synthèse de l'acide acétylsalicylique est la suivante :
Les espèces chimiques synthétiques et naturelles
Une espèce chimique présente les mêmes propriétés macroscopiques et microscopiques, qu'elle soit synthétique ou naturelle.
Espèce chimique naturelle
Une espèce chimique naturelle est une espèce chimique qui est récupérée directement de la nature (végétaux, animaux, etc.), généralement par extraction.
L'aspirine est une espèce chimique naturelle que l'on trouve dans les saules.
Espèce chimique synthétique
Une espèce chimique synthétique est une espèce chimique qui est reproduite ou créée par l'homme.
La N-isopropylatropine est un antispasmodique. Elle est synthétisée par l'homme et n'existe pas dans la nature.
Les chimistes synthétisent des espèces chimiques qui existent dans la nature, pour des raisons écologiques et économiques.
Il faudrait abattre 2 000 saules par heure pour répondre aux besoins mondiaux en aspirine. Il est donc moins coûteux, d'un point de vue écologique et économique, de synthétiser le principe actif de l'aspirine (l'acide acétylsalicylique).
Les chimistes synthétisent des espèces chimiques qui n'existent pas dans la nature, avec des propriétés ciblées.
L'atropine est une molécule extraite de la plante belladone. C'est un antispasmodique, mais avec des effets secondaires gênants. Les chimistes savent synthétiser un dérivé ayant une action plus ciblée et donc mieux supportée par l'organisme : la N-isopropylatropine.
La synthèse d'une espèce chimique : le montage à reflux
Un montage à reflux permet la synthèse à haute température d'une espèce chimique naturelle.
Chauffage à reflux
Le chauffage à reflux est une technique permettant d'accélérer une transformation chimique en augmentant la température du milieu réactionnel. Il s'effectue sans perte de matière, car les vapeurs qui se forment sont condensées grâce à un réfrigérant placé à la sortie de l'erlenmeyer.
Lors de la synthèse de l'aspirine à partir d'acide salicylique et d'anhydride éthanoïque, on utilise un ballon muni d'un réfrigérant à eau pour chauffer le mélange réactionnel. Le réfrigérant permet de récupérer les vapeurs du mélange réactionnel par condensation.
Souvent, on dépose quelques grains de pierre ponce pour réguler l'ébullition. Les grains de pierre ponce permettent d'éviter de grosses bulles et une sur-ébullition.
Par sécurité, le système élévateur permet de séparer rapidement le système de chauffage du récipient contenant le mélange réactionnel.
L'identification d'une espèce chimique : la chromatographie sur couche mince
L'identification d'une espèce chimique synthétisée peut être réalisée avec une chromatographie sur couche mince. Cette technique permet de comparer l'espèce synthétisée à la même espèce d'origine naturelle.
Chromatographie sur couche mince
La chromatographie sur couche mince (CCM) est une technique physique de séparation qui permet d'identifier les constituants d'un mélange. Les constituants d'un mélange homogène sont séparés par entraînement au moyen d'un solvant sur un support. Le solvant, nommé éluant, est la phase mobile tandis que le support (papier, plaque de silice) est la phase fixe.
Le chromatogramme suivant montre que le produit synthétisé a atteint la même hauteur que la menthone sur le support, on peut donc en déduire que c'est de la menthone.
Réaliser une chromatographie sur couche mince
Pour réaliser une chromatographie sur couche mince et identifier une espèce chimique, il faut respecter différentes étapes :
Étape 1
Le dépôt : Une petite quantité du mélange à séparer et des espèces chimiques témoins sont déposées sur le support au niveau d'une ligne de dépôt.
Étape 2
Le phénomène d'élution : En plaçant ensuite le support au contact de l'éluant, celui-ci migre vers le haut du support par capillarité.
Étape 3
La migration différentielle : La migration des espèces chimiques dépend de leur affinité avec l'éluant qui entraîne les constituants du mélange.
Étape 4
L'analyse comparative : Il suffit de comparer la distance de migration des espèces chimiques du mélange aux espèces chimiques témoins.
