\chapter{Les réactions chimiques}


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\enlargethispage*{4em}

\section{Introduction}
\begin{exointro}{Lycée Pierre Corneille, Rouen}
Équilibrer l'équation-bilan suivante :
\[
\rm 
C_3H_8+Cl_2\longrightarrow C+HCl
\]
\vspace*{-2em}
\end{exointro}

Cet exercice fait appel aux notions de systèmes et \index{transformation chimique}transformations chimiques, %
que l'on modélise par des \index{reaction chimique@réaction chimique}réactions chimiques. Savoir équilibrer une
réaction chimique est primordial pour pouvoir effectuer
un bilan de matière après transformation chimique.

\section{Définitions}

\begin{defin}
  On appelle \index{système chimique}système chimique une
  région définie de l'espace contenant une ou plusieurs espèces
  chimiques.
\end{defin}

\begin{Exemple}
le contenu d'un bécher contenant une solution aqueuse est un système chimique.
\end{Exemple}

Pour spécifier un système chimique, il faut dresser l'inventaire des
espèces chimiques qu'il contient en spécifiant la quantité de chacun
d'entre elles ainsi que leur \index{etat@état}état (solide, gazeux, en solution
aqueuse, etc.), et l'état physique du système (sa température et sa
pression).

\begin{defin}
  Une \index{transformation chimique}transformation chimique correspond à l'évolution d'un système
  chimique vers un système chimique différent.
\end{defin}

L'état du système chimique avant la transformation est appelé
\emph{\index{etat@état!initial}état initial}. L'état du système
chimique après la transformation est appelé
\emph{\index{etat@état!final}état final}.

\begin{Exemple}
considérons le système chimique contenu dans tube à essai renfermant
  sous forme gazeuse deux tiers de dihydrogène et un tiers de dioxygène.
Si nous approchons une allumette, une explosion se produit
  dans le tube à essai et de l'eau apparaît sur sa paroi. Nous sommes
  en présence d'un nouveau système chimique: de l'eau liquide à
  l'intérieur d'un tube à essai.


  Le contenu du tube à essai a été le siège d'une transformation 
  chimique. Les liaisons entre les atomes d'oxygène d'une part, et 
  entre les atomes d'hydrogène d'autre part 
  se sont cassées, et de nouvelles liaisons sont apparues, de manière 
  à former des molécules d'eau.
\end{Exemple}

\begin{aretenir}
  Au cours d'une \index{transformation chimique}transformation chimique les \index{liaison}liaisons entre atomes ou
  ions sont modifiées, de manière à obtenir de nouveaux composés
  (moléculaires, ioniques ou atomiques).
\end{aretenir}

\begin{defin}
  Les espèces chimiques qui disparaissent  
  au cours de la transformation chimique sont appelées les \index{reactif@réactif}réactifs.  
\end{defin}

Dans l'exemple ci-dessus, le dihydrogène et le dioxygène sont les réactifs.
 
\begin{defin}
  Les espèces chimiques qui apparaissent  
  au cours de la transformation chimique sont appelées les \index{produit}produits.
\end{defin}

Dans l'exemple ci-dessus, l'eau est le produit.

Les espèces chimiques qui sont présentes dans le système mais qui ne réagissent pas sont appelées \textit{espèces spectatrices}. 

On ne les indique pas dans l'équation bilan.
 
\section{Représentation d'une transformation chimique}

On modélise une transformation chimique par une réaction chimique.\enlargethispage*{2\baselineskip}

Celle-ci peut se représenter par une écriture symbolique, appelée équation ou \index{equation-bilan@équation-bilan}équation-bilan de la réaction. Elle se présente en général de la manière suivante :
\[\mbox{réactifs}\longrightarrow\mbox{produits}\]

À la place du mot \emph{réactifs} dans l'expression ci-dessus, on dresse la liste des formules brutes des réactifs, que l'on sépare par des signes \og plus \fg.

De même, à la place du mot \emph{produits} dans l'expression
ci-dessus, on dresse la liste des formules brutes des produits, que l'on sépare par des signes \og plus \fg.

\begin{Exemple}
  reprenons l'exemple de la synthèse de l'eau que nous avons vu
  ci-dessus. Nous avons vu que du dihydrogène ($\rm H_2$) et du
  dioxygène ($\rm O_2$) réagissent pour former de l'eau ($\rm H_2O$).
  La réaction associée à cette transformation se représente donc
  formellement par :
  \[\rm H_2+O_2\longrightarrow H_2O\]
\end{Exemple}

\begin{attention}
  La réaction chimique ci-dessus n'est pas écrite sous une forme
  définitive. Il faut à présent l'\emph{équilibrer}.
\end{attention}

Nous allons voir à présent que certaines quantités se conservent au
cours d'une transformation chimique. \emph{Équilibrer} la réaction
correspondante permet de tenir compte de la conservation de ces quantités.

\section{Lois de conservation au cours d'une\\ transformation chimique}

\begin{aretenir}
  Les éléments chimiques et les quantités de matière de chacun des
  éléments se conservent au cours d'une transformation chimique.
\end{aretenir}

Dans l'exemple ci-dessus, les éléments hydrogène et oxygène sont
présents dans les réactifs et dans les produits.

Pour traduire la conservation des quantités de matière de ces deux éléments, on écrit des \emph{nombres \index{stoechio@st\oe chiométrique}st\oe chiométriques} dans la
réaction chimique. Ce sont les nombres en rouge dans l'équation-bilan
ci-dessous :

\[{\color{red}2}\mbox{H}_2+\mbox{O}_2\rightarrow {\color{red}2}\mbox{H}_2\mbox{O}\]

\enlargethispage*{2em}
Ainsi, si on part au début avec quatre atomes d'hydrogène~H (donc
seulement {\em deux} molécules de dihydrogène H$_2$) et deux atomes
d'oxygène~O, on se retrouve bien à l'arrivée avec quatre atomes
d'hydrogène et deux atomes d'oxygène (dans les deux molécules d'eau)
comme on peut le lire sur l'équation-bilan ci-avant. Une manière
abrégée de résumer ceci consiste à dire qu'on a autant d'hydrogènes
(quatre) de part et d'autre de la flèche, et qu'on a aussi
autant d'oxygènes (deux) de part et d'autre de la flèche.

Écrire les coefficients st\oe chiométriques pour que chaque élément soit
autant représenté dans les réactifs que dans les produits s'appelle
{\em équilibrer} l'équation-bilan.

\begin{aretenir}
  La \index{charge électrique}charge électrique se conserve au cours d'une transformation chimique.
\end{aretenir}

\begin{Exemple}
la transformation chimique conduisant à la formation d'un \index{precipite@précipité}précipité
  d'hydroxyde de cuivre~II peut être modélisée par une réaction
  chimique dont l'équation bilan est :
  \[\rm Cu^{2+}+2HO^-\longrightarrow Cu(OH)_2\] 
  
  On voit que la charge électrique totale des réactifs est nulle: $2+2\times
  (-1)=0$, ainsi que la charge des produits.

  Notons qu'en toute rigueur on devrait spécifier l'état des réactifs
  et produits dans cette équation-bilan, de la manière suivante :
  
  \[\rm Cu^{2+}_\mathrm{(aq)}+2HO^-_\mathrm{(aq)}\longrightarrow  
    Cu(OH)_{2(s)}\] 

  Ici, l'indice (aq) signifie \og en solution aqueuse \fg, l'indice
  (s) signifie \og à l'état solide \fg. De la même manière, on utilise
  fréquemment l'indice (g) pour l'état gazeux.
\end{Exemple}

Les coefficients st\oe chiométriques peuvent aussi bien s'interpréter 
au niveau %
{\em moléculaire} qu'au niveau %
{\em molaire}. Ainsi, on peut 
lire l'équation-bilan de la synthèse de l'eau de deux manières différentes : 
\begin{itemize}
\item{Deux molécules de dihydrogène réagissent sur une molécule de dioxygène 
pour former deux molécules d'eau, ou bien :}
\item{Deux moles de dihydrogène réagissent sur une mole de dioxygène 
pour former deux moles d'eau.}
\end{itemize}

\begin{aretenir}
Dans un exercice, il faut %
{\em toujours} 
équilibrer une équation-bilan avant de commencer les calculs. 
\end{aretenir}


La transformation chimique prend fin lorsque l'un des réactifs
disparaît complètement. On parle de réactif \emph{limitant}.  On dit
d'un réactif qui ne disparaît pas complètement qu'il est en
\emph{excès}\index{exces@excès}.  Lorsque tous les réactifs disparaissent
(aucun n'est alors en excès) on dit qu'ils étaient initialement dans
des proportions st\oe chiométriques.

\newpage

\section{Considérations énergétiques}

Le transfert d'énergie entre le système chimique et
l'extérieur, au cours de la réaction, peut se faire:

\begin{itemize}
\item de l'extérieur vers le système. Dans ce cas la réaction est dite
  endothermique (elle consomme de la \og chaleur \fg).
\item du système vers l'extérieur. Dans ce cas la réaction est dite
  exothermique (elle libère de la \og chaleur \fg).
\end{itemize}

\enlargethispage*{\baselineskip}

\begin{solintro}
Partons de l'équation-bilan non équilibrée :
\[\rm 
C_3H_8+Cl_2\longrightarrow C+HCl
\]

Nous voyons que nous avons $3$ moles d'élément carbone~C à gauche et
une mole à droite. Pour
équilibrer la quantité d'élément carbone, nous mettons un coefficient~$3$
au carbone du côté des produits :

\[\rm 
C_3H_8+Cl_2\longrightarrow 3C+HCl
\]
À présent, nous voyons que nous avons $8\rm H$ à gauche et
seulement~H à droite : pour équilibrer la quantité d'élément
hydrogène nous mettons un coefficient~$8$ à~HCl.

\[\rm 
C_3H_8+Cl_2\longrightarrow 3C+8HCl
\]

Attention ! Ce $8$ se distribue sur l'élément~H et
l'élément~Cl. En effet, la fin de l'équation-bilan se lit :
\og \ldots et huit moles de HCl \fg. Nous avons donc $8$~moles
d'élément~Cl dans les produits, et une mole de Cl$_2$ (soit
deux
moles d'élément~Cl) dans les réactifs. Pour équilibrer,
on rajoute un coefficient~$4$ à Cl$_2$ :
\[\rm 
C_3H_8+4Cl_2\longrightarrow 3C+8HCl
\]
L'équation-bilan est à présent équilibrée.
\begin{methode}
  Pour être certain que notre solution est juste, il nous faut
  recompter les quantités de chacun des éléments (ici C, H et Cl). 

  \smallskip 

    \begin{center}
      \begin{tabular}{|Zc|Zc|Zc|}
        \hline 
        \tabulartitle 
        Élément & réactifs & produits \\ \hline 
        C & $3$ & $3$\\ \hline 
        H & $8$ & $8$\\ \hline 
        Cl& $4\times2=8$ & $8$\\ \hline 
      \end{tabular}
    \end{center}
    
    \Par
    
    Le compte est bon.
\end{methode}
\end{solintro}
