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Transformation de la matière - 2nd L

I. Transformations physiques

1. La dilatation

1.1. Dilatation d'un solide

1.1.1. Expérience

fig176

$-\$ Lorsqu'on chauffe la tige métallique ; sa longueur augmente.

On dit que la tige métallique s'est dilatée ; c'est la dilation linéaire

$-\$ Lorsqu'elle se refroidit, elle reprend sa longueur initiale.

On dit qu'elle se contracte.

1.1.2. Conclusion

Quand on change la température d'un corps, les dimensions de ce dernier changent.

Généralement, les objets prennent de l'expansion quand la température augmente.

C'est le phénomène de dilatation

1.2. Dilatation d'un liquide

1.2.1. Expérience

fig277

Lorsqu'on chauffe l'eau colorée au bain-marie.

Son volume augmente

1.2.2. Conclusion

Un liquide chauffé augmente de volume : le liquide se dilate.

En se refroidissant il diminue de volume : il se contracte.

1. 3. Dilatation d'un gaz

1.3.1 Expérience

fig278

1.3.2. Conclusion

Un gaz chauffé augmente de volume : le gaz se dilate.

En se refroidissant il diminue de volume : il se contracte.

2. Définition

Une transformation physique (ou phénomène physique) est une transformation au cours de laquelle la nature de la matière n'est pas altérée (dénaturée ou détruite)

Remarque

Les principales sortes de transformations physiques sont :

$-\$ les changements d'état (fusion, vaporisation, liquéfaction, solidification, sublimation et condensation)

$-\$ les dissolutions

$-\$ la formation de mélanges homogènes ou hétérogènes

$-\$ les compressions ou détentes

$-\$ le réchauffement ou le refroidissement d'un matériau

3. Changement d'état physique.

3.1. Définition

Le passage d'un état physique à un autre état physique est appelé changement d'état

3.2. Digramme de changement d'état

Un changement d'état physique s'effectue toujours à une température constante sous une pression donnée

fig279

II. Transformations chimiques

1. Définition

Une transformation chimique(ou phénomène chimique) est une transformation au cours de laquelle la nature de la matière est altérée (dénaturée ou détruite)

Exemples :

Action de l'eau de Javel sur une tache ; la décomposition de la craie par un acide ; feuille de papier brulée...

Une transformation chimique est l'évolution d'un système chimique, composé d'une ou plusieurs espèces chimiques, d'un état initial vers un état final

Les espèces présentes à l'état initial sont appelées les réactifs, et celles présentes à l'état final sont les produits

1. Combustion du carbone

Lorsque du carbone brûle dans le doxygène, la combustion est très vive : il se forme du dioxyde de carbone tandis que du carbone et du dioxygène disparaissent.

Le carbone est le combustible.

Le dioxygène est le comburant.

Le dioxyde de carbone est un produit de la réaction.

fig280

Le bilan de cette réaction chimique s'écrit :

$\begin{array}{lll} \text{Carbone}+\text{dioxygéne}&\longrightarrow&\text{dioxyde de carbone}\\ \text{Réactifs}&&\text{Produit} \end{array}$

2. Autres exemples de réactions chimiques

2.1. La combustion du butane

Un briquet contient du butane. Lorsqu'on crée une étincelle à l'aide du briquet, le butane gazeux qui s'échappe s'enflamme en réagissant avec le dioxygène de l'air.

Lors de la combustion complète du butane : le combustible (butane) et le comburant (dioxygène) sont consommés

Il se forme des produits nouveaux :

$-\$ de la vapeur d'eau (buée),

$-\$ du dioxyde de carbone (eau de chaux troublée)

Le bilan de cette réaction chimique s'écrit :

$\begin{array}{lll} \text{Butane}+\text{dioxygéne}&\longrightarrow&\text{dioxyde de carbone+eau}\\ \text{Réactifs}&&\text{Produit} \end{array}$

fig281

3. Équation-bilan d'une réaction chimique

Afin de représenter une transformation chimique en tenant compte des lois de conservation, on écrit une équation bilan.

Il s'agit d'une équation dans laquelle on écrit à gauche les formules des réactifs, à droite celles des produits, séparés par une flèche.

Ainsi, la réaction entre le fer et le soufre peut se traduire par l'équation :

$Fe\ +\ S\ \longrightarrow\ FeS$

Cette équation signifie que le fer réagit avec le soufre

$($ signification du signe

$« + »)$ pour donner (signification de la flèche) le sulfure de fer.

De même, entre le fer et le dioxygène, l'équation s'écrit :

$Fe\ +\ O_{2}\ \longrightarrow\ Fe_{3}O_{4}$

4. Équilibrage de l'équation chimique

Pour faire respecter les règles de conservation de la matière, il faut équilibrer l'équation bilan à l'aide de coefficients stoechiométriques : le nombre d'atomes de chaque élément doit être le même avant et après la réaction.

Cette équation équilibrée est appelée équation-bilan de la réaction

Exemples :

$3Fe\ +\ 2O_{2}\ \rightarrow\ F_{e3}O_{4}$

$2H_{2}\ +\ 2O_{2}\ \rightarrow\ 2H_{2}O$

$\test{ou }H_{2}\ +\ \dfrac{1}{2}O_{2}\ \rightarrow\ H_{2}O$

$2C_{4}H_{10}\ +\ 13O_{2}\ \rightarrow\ 8CO_{2}\ +\ 10H_{2}O$

$\text{ou }C_{4}H_{10}\ +\ \dfrac{13}{2}O_{2}\ \rightarrow\ 4CO_{2}\ +\ 5H_{2}O$

$-\$ bilan de la réaction suivante : Les coefficients utilisés pour équilibrer l'équation de la réaction sont appelés coefficients stœchiométriques.

5. Double signification de l'équation-bilan d'une réaction chimique

Considérons l'équation

$CH_{4}\ +\ 2O_{2}\ \rightarrow\ CO_{2}\ +\ 2H_{2}O$

5.1 Signification microscopique

L'équation-bilan signifie : une molécule de méthane réagit avec deux molécules de dioxygène pour donner une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d'eau.

5.2 Signification macroscopique

Elle signifie : une mole de méthane réagit avec deux moles de dioxygène pour une mole de dioxyde de carbone et deux moles d'eau

6. Bilan molaire et rendement d'une réaction chimique

6.1 Bilan molaire

L'équation-bilan permet d'établir une relation entre les quantités de matière (nombre de moles) des réactifs ayant effectivement réagis et les quantités de matière (nombre de moles) des produits obtenus

Considérons l'équation bilan suivant :

$aA\ +\ bB\ \longrightarrow\ cC\ +\ dD$

$a$ ,

$b$ ,

$c$ et

$d$ sont des coefficients stœchiométriques positifs et non nuls

D'après le bilan-molaire

$\begin{array}{lll} \dfrac{n_{A}(\text{réagi)}}{a}&=&\dfrac{n_{B}(\text{réagie}}{b}\\\\&=&\dfrac{n_{c}(formé)}{c}\\\\\dfrac{n_{D}(formé)}{d} \end{array}$

Remarque :

$aA(g)+bB(1)\longrightarrow\,cC(S)+dD(g)$

Si l'équation-bilan comporte des composés gazeux

$A$ et

$D$ par exemple, alors le bilan volumique s'écrit :

$\dfrac{V_{A}(réagi)}{a}=\dfrac{V_{D}(formé)}{d}$

6.2. Rendement d'une réaction chimique

6.2.1. Définition du rendement

On appelle rendement d'une transformation chimique le rapport entre la quantité de matière (respectivement la masse) du produit effectivement obtenu et la quantité de matière (respectivement la masse) théorique que l'on obtiendrait si la réaction était total

$r=\dfrac{m_{\text{produit}(obtenu)\times}100}{m_{\text{produit}(\text{théorique})}}$

$\text{ou}\quad\,r=\dfrac{n_{\text{produit}(\text{obtenu})\times100}{n_{\text{produit}(\text{théorique})}$

6.2.2. Intérêt du calcul du rendement

Le calcul du rendement permet de déterminer l'efficacité d'une synthèse chimique. L'intérêt du chimiste sera déterminé des conditions opératoires permettant de l'optimiser pour s'approcher le plus près possible de

$100\%$ .

Les pertes de rendement peuvent avoir diverses origines : réactions parasites, pertes lors des diverses étapes de la synthèse (filtration, séchage, recristallisation)

Exercice d'application

On fait réagir

$20\,g$ d'aluminium avec

$20\,g$ de soufre, il se forme du sulfure d'aluminium

$Al_{2}S_{3}$

1. Écrire l'équation-bilan de la réaction

2. Un des réactifs est en excès, lequel ? Justifier la réponse

3. Calculer la masse du réactif restant

4. Quelle la masse du sulfure d'aluminium peut-on espérer obtenir ?

5. En réalité, il se forme

$30\,g$ du sulfure d'aluminium ; calculer le rendement de la réaction

5. Le cycle biogéochimique du carbone

Le cycle du carbone est un cycle biogéochimique qui correspond à l'ensemble des échanges de carbone sur la planète.

Celui de la Terre est complexe par l'existence d'importantes masses d'eau océaniques, et surtout par le fait que la vie y tient une place importante.

Il existe quatre réservoirs de carbone : l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère.

La plus grande partie du carbone terrestre est piégée dans des composés qui participent peu au cycle : roches sous forme de carbonates et océan profond.

L'essentiel du cycle se fait entre l'atmosphère, les couches superficielles du sol et des océans, et la biosphère

fig282

Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique (ensemble des échanges d'un élément chimique) du carbone sur une planète.

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