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Transformation chimique d’un système

 

Définition d’un système chimique : C’est un mélange d’espèces chimiques. Pour le décrire, on a besoin de connaitre sa pression, sa température, le nom ou la formule des espèces chimiques le constituant, leur quantité de matière et leur état physique (solide, liquide ou gazeux).

 

I.       La transformation chimique

 

Qu’avons-nous fait dans le TP de chimie n°13 ?

 

AVANT MELANGE DES ESPECES CHIMIQUES		APRES MELANGE DES ESPECES CHIMIQUES
·         Masse m de bicarbonate de sodium dans un ballon de baudruche. ·         Volume V de vinaigre dans un erlenmeyer.		·         Au moins une nouvelle espèce chimique : dioxyde de carbone qui gonfle le ballon. ·         Dans certains cas disparition du bicarbonate de sodium.
Définition de l’état initial : les espèces chimiques du système ne sont pas mélangées, il n’y a pas eu de transformation chimique		Définition de l’état final : état du système quand la transformation chimique s’arrête.

 

·        Description de l’état initial d’un des systèmes chimiques étudiés :

ü  V = 150 mL de vinaigre (acide éthanoïque, formule brute : CH₃COOH, aqueux)

ü  m = 9,0 g de bicarbonate de sodium (hydrogénocarbonate de sodium, formule brute : NaHCO₃, solide)

ü  (T "H 20°C, P "H 1 bar)

·        Description de l’état final correspondant (les quantités de matières sont inconnues):

ü  Dioxyde de carbone : CO₂ (gazeux)

ü  Acétate de sodium : CH₃COONa (aqueux)

ü  Eau : H₂0 (liquide)

ü  Bicarbonate de sodium

ü  (T "H 20°C, P "H 1 bar)

 

Rem : A la fin de la transformation chimique, on a remarqué le bicarbonate de sodium avait totalement disparu.

 

Définition de la transformation chimique : Il y a transformation chimique lorsqu’une nouvelle espèce chimique apparait dans le système et lorsqu’une des espèces introduites initialement disparaît.

 

Rem : La transformation chimique s’arrête quand l’une des espèces présentes initialement a totalement disparu.

 

è Ex 8 et 12 p 148

 

II.   Modélisation par le chimiste de la transformation : la réaction chimique

 

è Définition de modélisation à rappeler à l’oral

 

La description de la transformation d’un système chimique est généralement complexe. Nous allons la modéliser par la réaction chimique qui ne s’intéresse qu’à la transformation des réactifs et à la formation des produits.

 

Définition de la réaction chimique : la réaction chimique permet d’indiquer dans quelles proportions les réactifs sont consommés et les produits sont formés. Elle indique aussi leur état physique.

 

 

On la symbolise par une équation :

Réactif 1 + Réactif 2 + … à Produit 1 + Produit 2 + …

Le sens de la flèche indique le sens dans lequel le système chimique évolue.

 

Exemples :

• TP de chimie n°13 : NaHCO₃ (s)  + CH₃COOH (aq) à CH₃COONa (aq) + CO₂ (g) + H₂O (l)

(s) : solide, (l) : liquide, (g) : gazeux et (aq) : aqueux (en solution dans de l’eau)

• Combustion du carbone dans le dioxygène : C (s) + O₂ (g) à CO₂ (g)
• Combustion du méthane : CH₄ (g) + 2O₂ à CO₂ (g) + 2H₂O (l)

 

Rem :

• Les nombres qui précèdent les molécules sont appelés coefficients stœchiométriques. Le 1 n’est pas écrit.
• Ces nombres ne sont pas aléatoires, on les choisit en respectant deux lois :

-          Conservation des éléments chimiques de part et d’autre de la flèche.

-          Conservation de la charge électrique globale de part et d’autre de la flèche : charge des réactifs = charge des produits.

 

Exercice d’application : ajustement d’une équation chimique

On considère la transformation chimique qui permet de produire de l’éthanol (C₂H₆O) et du dioxyde de carbone (CO₂) à partir de glucose (C₆H₁₂O₆).

Cette transformation chimique peut être modélisée par la réaction chimique suivante :

C₆H₁₂O₆ (s) à C₂H₆O (l) + CO₂ (g)

1-       Compter les éléments constituant les réactifs et les éléments chimiques constituant les produits.

2-       L’équation donnée respecte-t-elle la règle de conservation des éléments chimiques ?

3-       Ajuster les coefficients stœchiométriques de l’équation pour respecter cette règle et donner l’équation chimique correcte.

 

On considère la réaction entre les ions fer III et le zinc symbolisée par l’équation chimique suivante :

Fe³⁺ (aq) + Zn (s) à Fe (s) + Zn²⁺ (aq)

4-       Donner la charge électrique globale des réactifs ainsi que celle des produits.

5-       L’équation donnée respecte-t-elle la règle de conservation de la charge électrique globale ?

6-       Ajuster les coefficients stœchiométriques de l’équation pour respecter cette règle et donner l’équation chimique correcte.

 

è Ex 15 p 149

 

III.           Bilan de matière

 

Un bilan de matière consiste à déterminer la composition d’un système chimique au cours d’une transformation chimique (quantité de réactifs disparue, quantité de produits apparue).

 

è Voir activité Big Dalle                                             Tableau d’avancement

	1 pain rond      +      2 steak hachés     +           1 tomate         + 3 feuilles de salade à       1 Big Dalle
Etat initial	456	254	216	513	0
Etat intermédiaire	456 – 1x	254 – 2x	216 – 1x	513 – 3x	0 + 1x
Etat final	456 – 1 x 127 = 329	254 – 2 x 127 = 0	216 – 1 x 127 = 89	513 – 3 x 127 = 132	0 + 1 x 127 = 127

 

Cherchons quel ingrédient va disparaitre en premier :

		àLa plus petite valeur (127) nous donne l’avancement maximal, c'est-à-dire dans ce cas le nombre maximum de sandwich que l’on pourra fabriquer avant rupture du stock.
BILAN

 

è Application à la chimie : retour sur le TP n°13 (ballons)

L’expérience du prof : mélange de 3,0g de bicarbonate de sodium (NaHCO₃) et de 50 mL de vinaigre (5,0.10^-2 mol de CH₃COOH).

On a : M(NaHCO₃) = M_Na + M_H + M_C + 3 x M_O = 23,0 + 1,0 + 12,0 + 3 x 16,0 = 84 g.mol^-1.

Donc n(NaHCO₃) = m(NaHCO₃) / M(NaHCO₃) = 3,0 / 84 = 3,6.10^-2 mol.

 

		Réactifs		Produits
		NaHCO3      +       CH3COOH     à   CH3COONa      +             CO2          +           H2O
Etat du système	Avancement (en mol)	Mole de bicarbonate de sodium	Mole de vinaigre	Mole d’acétate de sodium	Mole de dioxyde de carbone	Mole d’eau
Etat initial	x = 0	3,6.10-2	5,0.10-2	0	0	Excès
Au cours de la transformation chimique	x	3,6.10-2 - x	5,0.10-2 - x	x	x	Excès
Eta final	xmax	?	?	?	?	Excès

 

On cherche à calculer l’avancement dans l’état final (x_max).

On cherche quel est le réactif limitant (celui qui va disparaître en premier) :

à On a donc xmax = 3,6.10-2 mol. Le réactif limitant est le bicarbonate de sodium.

Donc dans l’état final du système chimique sera le suivant :

è 5,0.10^-2 - 3,6.10^-2 = 1,4.10^-2 mol de vinaigre

è 3,6.10^-2 mol d’acétate de sodium

è 3,6.10^-2 mol de dioxyde de carbone

è Excès d’eau

 

Définition de l’avancement d’une réaction chimique : C’est une valeur variable notée x, qui permet de déterminer les quantités de matière de réactifs transformés et de produits formés.

 

Rem :

• L’avancement s’exprime en mole.
• A l’état initial, x = 0 mol.
• A l’état final, x = x_max (l’avancement augmente tant que l’état final n’est pas atteint).
• Au cours d’une transformation chimique, la quantité de matière d’une espèce chimique est égal a n₀ ± ax où n₀ est la quantité de matière initiale de l’espèce chimique, a est son coefficient stœchiométrique dans l’équation chimique. + : si on considère un produit, - : si on considère un réactif.

 

Définition du réactif limitant : A l’état final, la quantité de matière de ce réactif est nulle.

Rem : les autres réactifs, dont la quantité de matière n’est pas nulle a l’état final, sont dit en excès.

 

è Ex 10 p 162, ex 15 p 163

 

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