Étude quantitative d'une réaction chimique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• énoncer la loi de Lavoisier (conservation de la masse) et l'utiliser ;
• expliquer qu'au cours d'une réaction les atomes se conservent ;
• écrire et équilibrer l'équation d'une réaction chimique ;
• lire une équation à l'échelle des molécules et à l'échelle des moles ;
• reconnaître des proportions stœchiométriques et trouver le réactif limitant.
Prérequis : atomes, molécules, ions et leurs formules ; mole, masse molaire M, volume molaire Vm ; n = m / M et n = V / Vm.
Situation de départ
Une bûche de 2 kg brûle dans la cheminée : il ne reste qu'une poignée de cendres. La matière a-t-elle disparu ? Au contraire, un clou qui rouille devient plus lourd. Que deviennent les masses au cours d'une réaction chimique ?
« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », disait Lavoisier. Vérifions-le.
I. La conservation de la masse
Sur une balance électronique, on pose un bécher de sulfate de cuivre et un flacon de soude. On verse la soude dans le bécher : un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre apparaît, et la balance indique la même masse qu'avant.
On recommence avec du marbre (calcaire) et de l'acide chlorhydrique : une effervescence de dioxyde de carbone se produit. Si le flacon est ouvert, la masse diminue ; si le flacon est fermé (ballon de baudruche sur le goulot), elle ne change pas.
Au cours d'une réaction chimique, la somme des masses des réactifs qui ont réagi est égale à la somme des masses des produits formés :
56 g de fer réagissent exactement avec 32 g de soufre : la masse de sulfure de fer formé est m = 56 + 32 = 88 g.
La bûche ne disparaît pas : ses atomes partent surtout sous forme de gaz (dioxyde de carbone, vapeur d'eau). Le clou rouillé est plus lourd car il a fixé du dioxygène et de l'eau.
Si un gaz se dégage ou si un gaz de l'air réagit, il faut en tenir compte : la loi de Lavoisier ne se vérifie sur la balance qu'en système fermé.
II. La conservation des atomes
Le soufre brûle dans l'air avec une flamme bleue en donnant un gaz suffocant, le dioxyde de soufre SO2. À l'échelle des atomes, une molécule de dioxygène se sépare en deux atomes d'oxygène, qui s'unissent à un atome de soufre :
Pour la combustion du méthane CH4 (gaz naturel), il faut deux molécules de dioxygène pour une molécule de méthane ; il se forme une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d'eau :
Au cours d'une réaction chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils se réarrangent. La nature et le nombre des atomes de chaque élément se conservent. C'est ce qui explique la conservation de la masse.
III. L'équation chimique
1. Du schéma à l'équation
Le schéma en mots donne les réactifs et les produits, mais ne montre pas la conservation des atomes. On écrit donc une équation chimique : on remplace chaque nom par sa formule, puis on place devant les formules des nombres, les coefficients stœchiométriques, pour avoir autant d'atomes de chaque élément des deux côtés.
Quelques équations équilibrées
| Schéma en mots | Équation |
|---|---|
| fer + soufre sulfure de fer | Fe + S FeS |
| soufre + dioxygène dioxyde de soufre | S + O2 SO2 |
| méthane + dioxygène dioxyde de carbone + eau | CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O |
| dihydrogène + dioxygène eau | 2 H2 + O2 2 H2O |
| sulfate de cuivre + soude hydroxyde de cuivre + sulfate de sodium | CuSO4 + 2 NaOH Cu(OH)2 + Na2SO4 |
2. Équilibrer une équation
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