Physique-Chimie — 3ème
La transformation chimique et son équation de réaction — Physique-Chimie Troisième (chapitre 5)
Transformation chimique en troisième : distinguer mélange, transformation physique et transformation chimique, réactifs et produits, conservation de la…
Par ProfBot
La transformation chimique et son équation de réaction
Chapitre 5 — Organisation et transformations de la matière · Classe de troisième
Du bois qui brûle, du fer qui rouille, un détartrant qui mousse sur le calcaire : dans chaque cas, la matière de départ disparaît et une matière nouvelle apparaît. C'est ce que la chimie appelle une transformation chimique. Le chapitre 3 a donné les briques — atomes, molécules, ions ; celui-ci montre comment elles se réorganisent, et comment on écrit cette réorganisation en une seule ligne.
Au programme officiel. Décrire et expliquer des transformations chimiques. Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes. Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation observée. Conservation de la masse lors d'une transformation chimique. Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique. (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020.)
Une limite explicite du programme : « Aucun attendu de fin de cycle n'est fixé en termes d'ajustement d'une équation de réaction. » L'équation est donc fournie : on apprend à la lire et à s'en servir, pas à chercher ses coefficients.
1. Trois situations à ne pas confondre
Dans un mélange, les espèces présentes au départ sont encore là à l'arrivée : le sel dissous dans l'eau reste du sel, on peut le récupérer en évaporant l'eau. Dans une transformation physique, il n'y a qu'une seule espèce et elle ne change pas non plus : la glace qui fond reste de l'eau, seul son état change. Dans une transformation chimique, en revanche, les espèces de départ disparaissent et de nouvelles apparaissent : le bois qui brûle ne redeviendra jamais du bois.
Le critère qui tranche. On se demande toujours : les espèces chimiques présentes à la fin sont-elles les mêmes qu'au début ?
— Oui, mais mêlées : c'est un mélange.
— Oui, dans un autre état : c'est une transformation physique.
— Non, il y en a de nouvelles : c'est une transformation chimique.
| Situation | Ce qu'on observe | C'est… |
|---|---|---|
| Du sucre dissous dans l'eau | le sucre disparaît à l'œil mais l'eau devient sucrée | un mélange |
| De l'eau qui bout | de la vapeur d'eau se forme | une transformation physique |
| Du fer qui rouille | un solide orange apparaît, le fer se dégrade | une transformation chimique |
| Du sel et du poivre remués | deux poudres mêlées | un mélange |
| De l'alcool qui s'évapore | le liquide disparaît, l'odeur persiste | une transformation physique |
| Du pain qui grille | la surface noircit, l'odeur change | une transformation chimique |
2. Réactifs et produits
Au cours d'une transformation chimique, on distingue l'état initial (avant) et l'état final (après).
Définitions. Les réactifs sont les espèces chimiques présentes au début et qui disparaissent au cours de la transformation. Les produits sont les espèces qui apparaissent. On dit qu'une réaction chimique a lieu.
Quand le gaz de ville brûle, le méthane $\mathrm{CH_4}$ et le dioxygène $\mathrm{O_2}$ de l'air disparaissent : ce sont les réactifs. Apparaissent le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ et l'eau $\mathrm{H_2O}$ : ce sont les produits. La flèche se lit « donne », et jamais « égale » : une transformation a un sens.
Comment sait-on qu'il y a eu réaction ? À des signes observables : un changement de couleur, un dégagement de gaz (des bulles), l'apparition d'un solide au fond du tube (un précipité), un dégagement de chaleur ou de lumière, une odeur nouvelle. Un seul de ces signes ne suffit pas toujours — l'eau qui bout fait des bulles sans réagir — mais leur réunion est un bon indice.
3. Rien ne se perd : la conservation de la masse
Voici l'expérience décisive, et elle a deux versions dont la comparaison dit tout.
Dans le récipient fermé, la balance affiche exactement la même masse avant et après : $85{,}0\ \mathrm{g}$. Dans le récipient ouvert, elle affiche $82{,}6\ \mathrm{g}$ après. La matière n'a pourtant pas disparu : le gaz formé s'est simplement échappé dans la pièce. C'est parce qu'on a longtemps travaillé à l'air libre que la conservation de la masse a mis si longtemps à être admise.
Loi de conservation de la masse. Au cours d'une transformation chimique, la masse totale se conserve : la masse des produits formés est égale à la masse des réactifs disparus.
$m_{\text{réactifs disparus}} = m_{\text{produits formés}}$
Pourquoi ? Parce qu'au niveau microscopique, il ne se crée ni ne se détruit aucun atome.
Les mêmes atomes sont là avant et après : un carbone, quatre hydrogènes, quatre oxygènes. Ils ne se sont pas transformés, ils se sont réorganisés — les liaisons se sont défaites et refaites autrement. Puisque chaque atome garde sa masse, la masse totale ne peut pas changer.
L'idée centrale du chapitre. Une transformation chimique est une redistribution des atomes. Les molécules changent, les atomes non. C'est ce qui explique à la fois la conservation de la masse et la forme des équations de réaction.
4. L'équation de réaction
Une équation de réaction est la traduction symbolique de la phrase « les réactifs donnent les produits ».
$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$
Elle se lit : « une molécule de méthane et deux molécules de dioxygène donnent une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d'eau. »
Comment on la lit.
— À gauche de la flèche : les réactifs, séparés par des $+$.
— À droite : les produits.
— La flèche se lit « donne » et indique le sens de la transformation.
— Les nombres écrits devant les formules sont les coefficients : ils comptent les molécules. Un coefficient égal à 1 ne s'écrit pas.
— Les nombres écrits en indice, dans la formule, comptent les atomes d'une molécule. Ils ne changent jamais : $\mathrm{H_2O}$ est de l'eau, $\mathrm{H_2O_2}$ est de l'eau oxygénée, ce n'est pas la même espèce.
Vérifier qu'une équation conserve les atomes. C'est le seul contrôle qu'on demande en troisième : compter, sorte par sorte, à gauche puis à droite.
| Atome | À gauche : $\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2}$ | À droite : $\mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$ |
|---|---|---|
| Carbone | $1$ | $1$ |
| Hydrogène | $4$ | $2 \times 2 = 4$ |
| Oxygène | $2 \times 2 = 4$ | $2 + 2 \times 1 = 4$ |
Les trois lignes s'équilibrent : l'équation est correctement écrite.
Ce qu'on ne vous demande pas. Trouver vous-même les coefficients (« ajuster » l'équation) n'est pas au programme de troisième : l'énoncé vous les donnera toujours. Ce qu'on attend de vous, c'est de lire l'équation, de compter les atomes pour la vérifier, et de dire ce qu'elle raconte.
Deux autres équations à savoir lire.
$\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2} \qquad \text{(combustion du carbone)}$
$2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \longrightarrow 2\,\mathrm{H_2O} \qquad \text{(combustion du dihydrogène)}$
5. Une transformation chimique n'est pas une transformation physique
Le tableau suivant résume ce qui les sépare — et c'est une question classique de brevet.
| Transformation physique | Transformation chimique | |
|---|---|---|
| Les espèces chimiques | restent les mêmes | changent |
| Ce qui change | l'état (solide, liquide, gaz) | la nature des espèces |
| Les molécules | intactes, seul leur arrangement change | défaites et reformées autrement |
| Réversible facilement ? | souvent oui (l'eau regèle) | rarement |
| La masse | se conserve | se conserve aussi |
| Exemple | la fusion de la glace | la combustion du méthane |
Attention. La masse se conserve dans les deux cas : ce n'est donc pas un critère pour les distinguer. Le seul critère est celui-ci : les espèces chimiques ont-elles changé ?
6. Exercices corrigés
Exercice 1 — Classer. Pour chaque situation, dire s'il s'agit d'un mélange, d'une transformation physique ou d'une transformation chimique : (a) du sirop versé dans l'eau ; (b) de la buée qui se forme sur une vitre ; (c) une bougie qui brûle ; (d) du lait qui tourne.
(a) Mélange : le sirop et l'eau sont toujours là. (b) Transformation physique : la vapeur d'eau devient de l'eau liquide, c'est toujours de l'eau. (c) Transformation chimique : la cire disparaît, du dioxyde de carbone et de l'eau se forment. (d) Transformation chimique : de nouvelles espèces apparaissent, le lait ne redeviendra pas du lait.
Exercice 2 — Réactifs et produits. Le fer réagit avec le soufre pour donner du sulfure de fer. Identifier les réactifs et le produit.
Réactifs : le fer et le soufre (ils disparaissent). Produit : le sulfure de fer (il apparaît).
Exercice 3 — Conservation de la masse. On fait réagir $5{,}6\ \mathrm{g}$ de fer avec $3{,}2\ \mathrm{g}$ de soufre, dans un tube fermé. Toute la matière réagit. Quelle masse de sulfure de fer obtient-on ?
La masse se conserve :
$m_{\text{produit}} = 5{,}6 + 3{,}2 = 8{,}8\ \mathrm{g}$
Exercice 4 — Le récipient ouvert. Un comprimé effervescent est lâché dans un verre d'eau posé sur une balance. Avant : $158{,}0\ \mathrm{g}$. Après effervescence : $154{,}5\ \mathrm{g}$. La masse a-t-elle vraiment diminué ? Quelle masse de gaz s'est échappée ?
La masse totale n'a pas diminué : un gaz s'est échappé dans l'air, et la balance ne le pèse plus. La masse partie vaut
$158{,}0 - 154{,}5 = 3{,}5\ \mathrm{g}$
En récipient fermé, la balance aurait affiché $158{,}0\ \mathrm{g}$ avant comme après.
Exercice 5 — Lire une équation. On donne l'équation de la combustion du butane : $2\,\mathrm{C_4H_{10}} + 13\,\mathrm{O_2} \longrightarrow 8\,\mathrm{CO_2} + 10\,\mathrm{H_2O}$ (a) Nommer les réactifs et les produits. (b) Combien d'atomes de carbone y a-t-il de chaque côté ? (c) Et d'atomes d'hydrogène ?
(a) Réactifs : le butane $\mathrm{C_4H_{10}}$ et le dioxygène $\mathrm{O_2}$. Produits : le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ et l'eau $\mathrm{H_2O}$.
(b) À gauche : $2 \times 4 = 8$ atomes de carbone. À droite : $8 \times 1 = 8$. Égalité.
(c) À gauche : $2 \times 10 = 20$ atomes d'hydrogène. À droite : $10 \times 2 = 20$. Égalité.
Exercice 6 — Vérifier une équation. L'équation suivante est-elle correctement écrite ? $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2}$
Carbone : $1$ à gauche, $1$ à droite. Oxygène : $2$ à gauche, $2$ à droite. Les atomes se conservent : l'équation est correcte.
Exercice 7 — Repérer l'erreur. Un élève écrit : « Quand le méthane brûle, les atomes de carbone se transforment en atomes d'oxygène. » Que lui répondre ?
C'est faux. Au cours d'une transformation chimique, aucun atome ne se transforme en un autre : ils se réorganisent seulement en molécules différentes. Les atomes de carbone du méthane se retrouvent, à la fin, dans les molécules de dioxyde de carbone.
L'essentiel du chapitre
- Trois situations à distinguer : mélange (mêmes espèces), transformation physique (mêmes espèces, autre état), transformation chimique (nouvelles espèces).
- Les réactifs disparaissent, les produits apparaissent ; la flèche se lit « donne ».
- Une transformation chimique est une redistribution des atomes : aucun atome n'est créé ni détruit.
- D'où la conservation de la masse. En récipient ouvert, la balance peut afficher moins : un gaz s'est échappé.
- Dans une équation, les coefficients (devant) comptent les molécules, les indices (en bas) comptent les atomes.
- On sait lire et vérifier une équation fournie — l'ajuster n'est pas au programme de troisième.