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C'est parti

Les transformations chimiques

Une transformation chimique correspond à la transformation d'espèces chimiques appelées réactifs en d'autres espèces chimiques appelées produits. Cette transformation s'opère par un réarrangement des éléments chimiques.

Comment fonctionne une réaction chimique ?
En chimie, rien ne se perd lors d'une réaction chimique ! Les réactifs se transforment en produits.

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 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"

Avancement de la réaction

Considérons la réaction chimique dont l'équation est : aA + bB cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stœchiométriques. Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous :

  • x : avancement de la réaction ;
  • n(A)0 : quantité de matière initiale de A ;
  • n(A) : quantité de matière de A à la date t ;
  • n(A)f : quantité de matière finale de A.

Voici un exemple de tableau d'avancement :

Équation de la réactionaA+bB=cC+dD
Etat initial (mol)n(A)0+n(B)0=n(C)0=0+n(D)0=0
Etat à l'instant T (mol)n(A)=n(A)0-axt+n(B)=n(B)0-bxt=n(C)=cxt+n(D)=dxt
Etat à la fin de la réaction (mol)n(A)f=n(A)0-axf+n(B)f=n(B)0-bxf=n(C)f=cxf+n(D)f=dxf

Il en est de même pour les autres espèces. L'avancement final est un avancement qui est réellement observé, atteint. Mais l'avancement maximal correspond également à l'avancement atteint lorsqu'un réactif est entièrement consommé (avancement théorique observable). En reprenant l'exemple précédent, x est appelé avancement de la réaction à la date t. Ce nombre permet de suivre l'évolution de la transformation et donc de caractériser le système à un moment donné. L'avancement maximal xmax s'obtient en écrivant que les quantités de matières des réactifs sont toujours positives ou nulles. Nous supposerons, cette année qu'une réaction s'arrête lorsqu'un des réactifs a été totalement consommé. Ce réactif est appelé réactif limitant. Il est tel que sa quantité de matière est nulle (il n'en reste plus) lorsque x = xmax, c'est-à-dire lorsque l'avancement est maximal. Dans certains cas tous les réactifs sont totalement consommés. On dit alors qu'ils ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.

Vitesse de réactions chimiques

Définition

On peut définir la vitesse volumique de réaction avec l'aide de l'expression suivante : \[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \] Avec :

  • v représentant la vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
  • V représentant le volume de la solution (en m3) ;
  • dx représentant la variation de l'avancement (en mol) ;
  • dt représentant la 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.

Détermination de la vitesse volumique de réaction

De nombreuses données sont à prendre en compte afin de calculer l'équation d'une vitesse de réaction d'un mélange chimique. Cependant, ne vous inquiétez pas ! Avec de l'entraînement, vous finirez par les retenir par cœur !

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.
A quoi sert un tableau d'avancement ?
Le tableau d'avancement est simple, il permet de suivre les transformations chimiques et les quantités des différents réactifs et produits.

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.

Accélérer une réaction grâce à un catalyseur

Définition du catalyseur

En chimie, un catalyseur est un élément d'une réaction qui augment la vitesse de réaction. Chaque catalyseur est propre à une réaction chimique. Par exemple, un catalyseur qui accélère une certaine réaction n'aura pas forcément le même effet sur une autre. De plus, les catalyseurs n'ont pas d'incidence sur les produits de la réaction. on utilise régulièrement comme catalyseur les zéolithes, des composants minéraux de synthèses assez proches de l'argile. Leur utilisation la plus courante est dans les pots catalytiques des voitures. Mais on retrouve aussi fréquemment les catalyseurs dans l'industrie et la chimie.

Temps de demi-réaction

Définition

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement x est égal à la moitié de l'avancement final. Si la transformation est totale, ce qui correspond à la disparition du réactif limitant, l'avancement final est l'avancement maximal alors : Quand t = t 1/2, \[ x = \frac { x _{max} } {2} \]

Détermination de t1/2

On calcule xmax à partir du réactif limitant dans le tableau d'avancement. On en déduit: \[ x = \frac { x _{max} } {2} \] En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on déduit par simple lecture graphique la valeur de t1/2.

Capacités exigibles

  • Description d'un système chimique : Paramètres d'état, caractère intensif ou extensif, phase, pour un système monophasé homogène : concentration molaire, fraction molaire, pression partielle avec la loi de Dalton pour un MIGP.
  • Coefficients stœchiométriques algébriques, avancement de réaction.
  • Vitesse moyenne (volumique) de formation ou de disparition d'un constituant, vitesse instantanée de formation et de disparition, vitesse de réaction.
  • Influence de la concentration sur la vitesse de réaction : réaction avec ordre, cas des réactions d'ordre 1 ou 2 par rapport à un seul réactif et d'ordres 1 par rapport à 2 réactifs, détermination expérimentale de l'ordre d'une réaction.
  • Influence de la température : loi d’Arrhénius
  • Méthodes expérimentales de suivi temporel d’une réaction :
    • Méthodes chimiques
    • Méthodes physiques : mesures de conductance, d’absorbance et de pression.

Mécanismes réactionnels

  • Notion de mécanisme : étapes élémentaires, molécularité, intermédiaire réactionnel...
  • Exemples d’étapes élémentaires, loi de Van’t Hoff
  • Approximations utilisées :
    • Préliminaires : réactions successives A-> B-> C avec le calcul général et les cas particuliers où l’une des constantes cinétiques est beaucoup plus grande que l’autre.
    • Approximation de l’étape cinétiquement limitante
    • Approximation des états quasi-stationnaires mécanismes en chaîne (linéaire ou ramifiée, initiation, propagation, rupture) et mécanisme par stades  avec des exemples de détermination des lois de vitesse

Rappel sur les principales réactions à connaître

Les réactions d'oxydo-réduction

Une réaction d'oxydoréduction, également appelée réaction redox, correspond à une réaction chimique au cours de laquelle a lieu un transfert d'électron. C'est-à-dire une réaction durant laquelle une espèce chimique dite oxydant reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique dite réducteur.

Un oxydant, également appelé agent d'oxydation, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, reçoit un ou plusieurs électrons d'une autre espèce chimique.

Lavoisier mettra en évidence en 1772, suite à ses manipulations du mercure, le rôle du dioxygène dans certaines réactions d'oxydoréduction. D'où le nom oxydation qui signifie "combinaison avec l'oxygène".

Un réducteur, également appelé agent de réduction, correspond à un ion, un corps simple ou un composé qui, lors d'une réaction d'oxydoréduction, cède un ou plusieurs électrons à une autre espèce chimique. le terme réduction quant à lui signifie "l'extraction d'un métal de son oxyde", une définition connue en métallurgie.

Les réactions d'oxydo-réduction forment une grande famille puisqu'elles comprennent de nombreuses réactions chimiques.

Qu'est-ce qu'une réaction d'oxydation ?
La rouille est une exemple de réaction d'oxydation. Les réactions d'oxydation sont des réaction dont l'oxygène est l'un des produits.

En effet, elles interviennent dans les combustions, certains dosages métallurgiques mais également la corrosion des métauxl'électrochimie et la respiration cellulaire. Ces réactions sont alors essentielles puisqu'elles jouent un rôle fondamental en biologie : elles permettent la transformation de l'oxygène en eau, de formule H2O, au sein des organismes vivants. Elles sont également massivement utilisées dans l'industrie humaine, notamment afin d'obtenir de la fonte à partir de différents minerais composés d'oxyde de fer grâce à une réduction, puis de fer et d'acier à partir de la fonte grâce à une réaction d'oxydation. Ces différentes utilisations peuvent être expliquée par l'extrême mobilité de l'électron, sa légèreté mais également son omniprésence dans toutes les formes de la matière.

Les réactions acidobasiques

Acide et base selon Brönsted

Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+. \[ AH \rightleftarrows A ^ { - } + H ^ { + } \] Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+. \[ B + H ^ { + } \rightleftarrows BH ^ { + } \] On obtient donc une réaction acido-basique : \[ AH + B \rightleftarrows A ^ { - } + BH ^ { + } \] Dans cet exemple, on peut alors parler de :

  • Couple AH/A-
  • Couple BH+/B

Il y a un transfert d'un proton H+ entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple. A chaque acide est associé une base qui est dite base conjuguée (réciproquement). Les deux forment un couple Acide/Base.

Le pH

Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l'activité chimique de ce qu'on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l'ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium. Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l'acidité ou encore la basicité de la solution. On peut alors la déterminer avec l'échelle suivant dans le cas d'un milieu aqueux à 25°C :

  • Une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
  • Une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
  • Une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.
Qu'est-ce que le pH ?
Les savons ont un pH neutre, c'est à dire qu'il s'approche de 7. En effet, afin de respecter la peau et de ne pas l'attaquer, il est important que le savon soit le plus neutre possible.

Mais la définition que nous connaissons aujourd'hui du pH, définition de Sorensen, n'a été officiellement reconnue qu'à partir du milieu du XXe siècle par l'UICPA.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science. L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologies des éléments chimiques et leurs dérivés via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaires et s'énonce ainsi : \[ pH = - \log \left( a _ { \text { H } } \right) \] Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l'activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH. Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d'obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l'activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l'influence du solvant ou encore de la température. Il reste cependant possible d'obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l'activité. Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité. Remarque : le p de pH représente la fonction "- log" donc ici - log (H). Donc si on parle de pOH ou de pKa, cela signifie que l'on parle de - log (OH) et de - log (Ka).

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.