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Partie 1 : Système chimique, transformation chimique et réaction chimique

Comment décrire l'état d'un système chimique et modéliser son évolution lorsqu'il subit une transformation ?

Table des matières

1. Le système chimique
2. La transformation chimique
3. La réaction chimique et les lois de conservation

1 Le système chimique

📌 Qu'est-ce qu'un système chimique ?

Un système chimique est l'ensemble des espèces chimiques (réactifs, produits, espèces inactives, solvant...) que l'on étudie et qui sont susceptibles de réagir entre elles.

Définition

L'état d'un système chimique est entièrement défini par la donnée de :

La nature et l'état physique (solide s, liquide ℓ, gaz g, aqueux aq) de chaque espèce chimique constituant le système ;
La quantité de matière (en mol) de chaque espèce chimique ;
La température $T$ et la pression $P$ du système.

📝 Activité : Déterminer la composition de l'acide chlorhydrique

Le fer solide n'a pas besoin d'être analysé : il est uniquement constitué de fer. En revanche, il faut analyser la solution d'acide chlorhydrique pour connaître les espèces chimiques qu'elle contient.

Manipulation 1 : On verse de l'acide chlorhydrique dans un bécher et on mesure son pH à l'aide d'un pH-mètre : $pH = 2{,}35$.

Puisque $pH < 7$, l'acide chlorhydrique possède un caractère acide : cela signifie que la solution contient des ions hydrogène $H^+_{(aq)}$ en quantité importante.

Manipulation 2 : On verse quelques gouttes de solution de nitrate d'argent dans un peu d'acide chlorhydrique contenu dans un tube à essais.

On observe la formation d'un précipité blanc (chlorure d'argent) qui noircit à la lumière : cela montre la présence des ions chlorure $Cl^-_{(aq)}$ dans l'acide chlorhydrique.

Conclusion

L'acide chlorhydrique contient des ions hydrogène $H^+_{(aq)}$ et des ions chlorure $Cl^-_{(aq)}$ en solution dans l'eau, de formule $(H^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)})$.

Remarque

Le système chimique comprend aussi bien les réactifs et les produits que les espèces qui ne participent pas à la réaction (comme le solvant $H_2O_{(\ell)}$ ou des ions inactifs).

2 La transformation chimique

📝 Activité : La réaction entre le fer et l'acide chlorhydrique

Manipulation 1 : Dans un tube à essais, on introduit environ $\frac{1}{2}$ spatule de fer $Fe$ en poudre, puis on ajoute environ $2\ cm^3$ d'acide chlorhydrique.

On observe une effervescence d'un gaz qui se forme et le tube devient chaud : le fer est attaqué par l'acide chlorhydrique, une réaction chimique se produit.

Manipulation 2 : On bouche le tube, on attend que le dégagement de gaz soit suffisant, puis on approche une allumette enflammée de l'ouverture du tube légèrement incliné.

On entend une petite détonation (« pop ») puis le gaz brûle sans bruit : c'est la caractéristique du gaz dihydrogène $H_{2(g)}$.

Manipulation 3 : On ajoute de l'eau distillée à la solution obtenue, puis on la répartit dans deux tubes. Dans le tube 1, on verse du nitrate d'argent ; dans le tube 2, on verse de la soude goutte à goutte.

Dans le tube 1, un précipité blanc se forme : présence des ions chlorure $Cl^-_{(aq)}$. Dans le tube 2, un précipité vert (hydroxyde de fer II) se forme : présence des ions fer II $Fe^{2+}_{(aq)}$.

Conclusion

La solution finale contient des ions fer II $Fe^{2+}_{(aq)}$ et des ions chlorure $Cl^-_{(aq)}$ en solution dans l'eau.

Analyse de l'évolution du système

a) État initial : le système contient la solution d'acide chlorhydrique $(H^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)})$ et le fer solide $Fe_{(s)}$.

b) Espèces transformées : on observe la disparition d'une partie du fer, l'augmentation du pH et le dégagement d'un gaz avec apparition de la coloration verte. Les réactifs $H^+_{(aq)}$ et $Fe_{(s)}$ se transforment en produits $H_{2(g)}$ et $Fe^{2+}_{(aq)}$.

c) Espèces non participantes : les ions $Cl^-_{(aq)}$ n'ont pas participé à la transformation : ce sont des ions inactifs (ou spectateurs).

Définition

Au cours d'une transformation chimique, de nouvelles espèces chimiques apparaissent, appelées produits, tandis que d'autres espèces disparaissent, appelées réactifs, lorsque certaines conditions sont réunies.

Lorsqu'on mélange les espèces chimiques qui composent le système, on dit que le système est à l'état initial (EI). La transformation commence alors avec la disparition des réactifs et l'apparition des produits : le système évolue. Lorsque l'évolution du système s'arrête, on dit que le système est à l'état final (EF).

La transformation chimique est donc le passage du système chimique de l'état initial à l'état final.

État initial (EI)	transformation	État final (EF)
Réactifs : $H^+_{(aq)}\ :\ n_i(H^+)$ $Fe_{(s)}\ :\ n_i(Fe)$ Inactif : $Cl^-_{(aq)}\ :\ n_i(Cl^-)$ Solvant : $H_2O_{(\ell)}$		$H^+_{(aq)}\ :\ n_f(H^+)$ $Fe_{(s)}\ :\ n_f(Fe)$ $H_{2(g)}\ :\ n_f(H_2)$ $Fe^{2+}_{(aq)}\ :\ n_f(Fe^{2+})$ $Cl^-_{(aq)}\ :\ n_f(Cl^-)$

Le passage de l'état initial à l'état final se fait à $(T, P)$ donnés.

3 La réaction chimique et les lois de conservation

📌 La réaction chimique : un modèle

La réaction chimique est un modèle descriptif de la transformation chimique. Elle se réfère uniquement aux réactifs, aux produits et à leurs proportions, et est représentée par une écriture symbolique appelée équation chimique.

Forme générale d'une équation chimique

$$\alpha\, A + \beta\, B \longrightarrow \gamma\, C + \delta\, D$$

$A$ et $B$ sont les réactifs, $C$ et $D$ sont les produits, et $\alpha, \beta, \gamma, \delta$ sont les coefficients stœchiométriques (nombres entiers).

Exemples d'équations chimiques
                        \(Fe_{(s)} + 2\,H^+_{(aq)} \longrightarrow Fe^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)}\)
                    
                        \(Cu_{(s)} + 2\,Ag^+_{(aq)} \longrightarrow Cu^{2+}_{(aq)} + 2\,Ag_{(s)}\)
                    
                        \(Zn_{(s)} + 2\,H^+_{(aq)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)}\)

Les lois de conservation

Au cours d'une transformation chimique, il y a conservation :

Des éléments chimiques : les éléments présents dans les réactifs et les produits sont identiques.
De la charge électrique : la somme des charges des réactifs est égale à la somme des charges des produits.
Du nombre d'entités : le nombre d'entités chimiques (atomes ou ions) de chaque élément dans les réactifs est identique à celui dans les produits.
De la masse : la masse totale des réactifs est égale à la masse totale des produits.

Pour respecter ces lois, il faut ajuster l'équation chimique en plaçant les coefficients stœchiométriques adéquats devant les formules des espèces.

📝 Exemple : Vérifier la conservation dans $Fe_{(s)} + 2\,H^+_{(aq)} \rightarrow Fe^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)}$

Éléments : 1 atome de Fe et 2 atomes de H de chaque côté ✅

Charge : à gauche $0 + 2(+1) = +2$ ; à droite $+2 + 0 = +2$ ✅

Nombre d'entités : 1 Fe et 2 H⁺ à gauche ↔ 1 Fe²⁺ et 2 H (dans H₂) à droite ✅

                    À retenir
                    Un système chimique est défini par la nature, l'état physique, la quantité de matière de ses espèces, ainsi que \(T\) et \(P\).
Une transformation chimique fait passer le système de l'état initial (réactifs) à l'état final (produits).
La réaction chimique modélise la transformation par une équation ajustée respectant les lois de conservation (éléments, charge, nombre d'entités, masse).

                

Et après ?

Dans la Partie 2, on introduit une grandeur essentielle pour suivre quantitativement l'évolution du système : l'avancement de la réaction $x$, et on construit le tableau d'avancement.

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