Chapitres
Définition
Une transformation chimique est la transformation d'espèces chimiques appelées réactifs en d'autres espèces chimiques appelées produits. Cette transformation s'opère par un réarrangement des éléments chimiques.
Fonctionnement d'une réaction chimique
Les entités entrantes en réaction ( réactifs ) vont se casser par rupture de certaines liaisons et libérer des éléments chimiques ou groupes d'élément chimiques. Ces éléments ou groupes vont se combiner entre eux en formant de nouvelles liaisons donc de nouvelles espèces chimiques appelées produits. On peut dés lors écrire un schéma globale d'une transformation chimique : Attention ! Un changement d'état n'est pas une transformation chimique mais une transformation physique.
Propriété des transformations chimiques et loi de Lavoisier
En 1776, Lavoisier énonce la loi suivante :
Lors d'une transformation, rien de se perd, rien ne se crée, tout se transforme car rien ne se crée, ni dans les opérations de l'art, ni dans celles de la nature, et l'on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l'opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu'il n'y a que des changements, des modifications
De cette loi découlent plusieurs conclusions : En système fermé, lors d'une réaction chimique, la masse des réactifs est égale à la masse des produits. Le nombre d'atomes à l'entrée (dans les réactifs) est aussi égal au nombre d'atomes à la sortie (dans les produits). Attention, les réactions nucléaires ne respectent pas ce principe car en effet, lors d'une réaction nucléaire, il y a des émissions qui font perdre de la masse aux atomes.
Antoine Laurent de Lavoisier
Antoine Laurent de Lavoisier était un chimiste philosophe et économiste français du XVIIIe siècle. Il est reconnu pour la mise en place de nombreuses méthodes scientifiques que ce soit dans le domaine des expériences ou de la théorie. Il a notamment découvert les composantes de l’air et de l’eau, les différents états de la matière et a défini ce qu’était l’oxydation. Il est considéré comme le père de la chimie moderne On lui doit la célèbre maxime "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme"
Les lois de conservation des transformations chimiques
- Conservation de la nature des éléments.
- Conservation de nombre d'éléments.
- Conservation de la masse : Σ m réactifs utilisés = Σ m produits formés
- Conservation de la charge électrique globale : Σ q réactifs = Σ q produits
Note : Σ (se prononçant sigma) correspond à une somme La loi de conservation des éléments chimiques a pour but de trouver les réactifs et produits inconnus d'une réaction. Lors d'une transformation chimique, tous les éléments chimiques présents lors du début de la réaction le sont aussi à la fin de cette dernière. Il en va de même pour la charge électrique totale de la réaction.
La vitesse de réaction d'une transformation chimique
Définition
La vitesse est une grandeur physique qui est définie par une évolution face au temps. La vitesse ne définit pas qu'uniquement la vitesse de déplacement mais peut aussi correspondre à la vitesse de réaction chimique ou encore une vitesse de séchage par exemple. En règle générale, une vitesse est égale à la division de la mesure d'une variation telle qu'une longueur, un volume ou encore un poids par la mesure du temps écoulé au cours de cette variation. L'exemple le plus simple est celui de la vitesse de déplacement. Il s'agit d'une distance divisée par un temps comme les mètres par seconde ou les kilomètres par heure. En connaissant l'énergie du système qui va réagir, on peut savoir si la réaction va se produire ou non ainsi que l'énergie qui sera nécessaire pour franchir le seuil de l'énergie d'activation. Une vitesse de réaction dépendra donc de certains caractères tels que :
- La pression : plus elle sera élevée, plus la réaction sera rapide ;
- La température : plus la température est élevée, plus les molécules sont excitées. Elles seront donc plus rapides à réagir ;
- Les radiations environnantes : des radiations comme les radiations électromagnétiques favorisent la cassure des liaisons entre les molécules ;
- La concentration des molécules : plus il y a de molécules et plus il y a de collisions potentielles entre celles-ci ;
- La surface de la réaction : plus celle-ci sera grande, plus les molécules pourront réagir rapidement ;
- L'énergie d'activation : si elle est suffisante, alors la réaction aura lieu. Autrement, elle ne se fera pas.
Calculer une vitesse de réaction
En règle générale, une vitesse se calcule avec la formule suivante : Dans le cas d'une réaction chimique, on appliquera la formule suivante : avec :
- v : vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
- V : volume de la solution (en m3) ;
- dx : variation de l'avancement (en mol) ;
- dt : durée de la variation (en s).
Remarques
- Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
- Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
- Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.
Ce qu'il faut connaître pour déterminer v
D'après la relation de définition , il faut connaître V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut être connue soit:
- Par son graphe (il est donné dans certains exercices) ;
- Par un tableau de mesures présentant les valeurs des couples {ti ; xi} (il est donné dans certains exercices) ;
- A l'aide du tableau d'avancement de la réaction. Il faut alors connaître,soit par une méthode chimique soit par une méthode physique, l'évolution de la concentration de l'un des réactifs ou de l'un des produits de la transformation. Etudier les deux TP de cinétique chimique.
Méthodes
- Graphiquement: On trace la tangente à la courbe x=f(t) à la date t choisie. La valeur du rapport dx/dt est égal au coefficient directeur de cette tangente ;
- On divise alors cette valeur par la valeur de V (volume de la solution) ;
- Par le calcul : Un tableur calcule directement la vitesse v à partir des valeurs de V, ti et xi.
Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps
Au cours du temps les réactifs disparaissent donc leur concentration diminue. Or nous avons déjà vu que la concentration des réactifs est un facteur cinétique. Plus la concentration des réactifs est faible plus la réaction est lente. Donc, en général, au cours du temps la vitesse de réaction diminue. Pour augmenter la vitesse d'une réaction chimique, il est possible d'utiliser un catalyseur. C'est par exemple ce qu'on retrouve dans les pots catalytiques des véhicules modernes. On peut aussi utiliser dans les réactions chimiques de la pierre ponce, qui ira agiter les réactifs et ainsi précipiter la réaction.
Exemple
Formation du sulfate d'argent Ag2SO4
2 Ag+ + SO42- → Ag2SO4
Conservation de la nature des éléments
- Réactifs : Ag, S et O
- Produits : Ag, S et O
Conservation de nombre d'éléments
- Réactifs : 2Ag, 1S et 4O
- Produits : 2Ag, 1S et 4O
Conservation de la masse.
masse de Ag+ utilisée + masse de SO42- utilisée = masse de Ag2SO4 formée
Conservation de la charge électrique globale
Le + en exposant dans Ag+ signifie que Ag+ possède une charge positive en plus que de négative ; d'où : q(Ag+) = + 1,6 x 10-19 C Sur un même raisonnement analogue , on a :
- q(SO42-) = 2( -1,6 x 10-19) = -3,2 x 10-19 C
- Σ q réactifs = 2 q(Ag+) + q(SO42-) = + 1,6 x 10-19 + ( -3,2 x 10-19 )
- Σ q réactifs = 0 C
Un composé ionique est électriquement neutre par définitions. d'où : Σ q produits = q(Ag2SO4) = 0 C d'où Σ q réactifs = Σ q produits
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