L’excès de formalismetue-t-il le formalisme ?

Julien Lalande, Lycée Chaptal, Paris

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Quelques questions

Vocabulaire Précision, concision, exactitude (?), cohérence

Symbolisme Éviter l’ambiguïté

Notations Cohérence Précision / lourdeur Homogénéité…

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Vocabulaire

Oxonium ou hydronium ? Nombre de moles ? Solution d’acide chlorhydrique, acide fort ? « K zéro » ? Réaction, équation, transformation ? …

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L’ion hydrogène en solution aqueuse

Hydronium ou oxonium ? De quoi parle-t-on ? Sûrement pas hydronium…

ce serait au mieux l’ion H2+

(Robert Panico, maître es nomenclature…)

Oxonium ? C’est l’ion H3O+

à comparer à ammonium, alkyloxonium, dialkyloxonium

Isolé à l’état solide : perchlorate d’oxonium (encapsulé dans un éther-couronne)

En solution aqueuse ? Mouais…………

C’est l’ion H+(aq) : ion hydrogène ! Analogue à l’ion fer Fe2+(aq), l’ion sodium…

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Titrage acide fort – base forte

« solution d’acide chlorhydrique »… Pléonasme ! L’acide chlorhydrique est la

solution aqueuse de chlorure d’hydrogène L’acide chlorhydrique est-il un acide fort ?

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Grandeurs standard

Notations : K ° ; K 0 ; K

Les seules acceptables (IUPAC) : K ° ; K

Prononciation : « K zéro » ? NON !!! K standard !

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Réaction / Transformation / équation ?

Bien définir les termes… Niveau macroscopique Mais distinguo franco-français…

Partir de la transformation Modélisée par une (ou plusieurs !) équations de

réaction La « réaction chimique » : chemin

particulier que suivrait le système en évoluant « selon l’équation »… voir plus loin

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Transformation réversible / renversable

Renversable : le retour à l’état initial est possible, mais par un chemin qui peut être différent du chemin direct

Réversible : le retour à l’état initial est effectué par le même chemin, avec les mêmes échanges énergétiques. Très contraignant ! Contexte de thermodynamique

Toute transformation chimique est irréversible !

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Totale, non totale, « équilibrée »

De quoi parle-t-on ? De la transformation, évidemment… (voir

plus loin) Ne pas parler de « réaction totale » Pas de corrélation générale avec les grandeurs

standard (constante d’équilibre, par exemple) Bien définir les termes…

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Electrode

Confusion de vocabulaire conducteur métallique (une électrode de fer…) Demi-cellule électrochimique

Fe || solution aqueuse |

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« Équilibrer une réaction »

Provocateur ! On dit : « ajuster les nombres stœchiométriques

d’une équation de réaction »(to balance an equation)

Ne pas confondre… Transformation Équation Réaction

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Chimie organique

Nomenclature systématique à jour Éviter « tertiobutylate »… pour…

tert-butanolate Noms triviaux : oui, nous ne sommes pas

déconnectés de la vie courante…

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Symbolisme

Flèches, doubles flèches, signe égal Le signe égal (voir plus loin) :

dans une équation de réaction, description modélisée à l’échelle macroscopique de la transformation chimique

Les flèches : dans les mécanismes réactionnels (description à l’échelle moléculaire) des phénomènes chimiques

« La réaction est totale » donc simple flèche ?

« La réaction est équilibrée » donc double flèche ?

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Comment faire…

Recommandations (IUPAC, BO) Être clair…

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Différentes étapes du raisonnement

Caractériser la transformation Passage d’un état initial à un état final Recensement des espèces (modélisation !)

Dans les états extrêmes (thermodynamique) En cours de transformation (cinétique)

Aspect essentiel : conservation de la matière(des atomes) !

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Un exemple simple

Isomérisation de Z en E États extrêmes :

Z quantité z0

E quantité e0

Au cours du temps : Z quantité z E quantité e et un intermédiaire réactionnel I quantité i

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Représentation

EF

EI

n(I) = i

z0 n(Z) = z

n(E) = e e + z = e0 + z0

e0

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Différentes étapes du raisonnement

Bilan des espèces dans les états extrêmes Formation de l’iodure d’hydrogène

Formation du bromure d’hydrogène

2H (g)

2I (g)

2H (g)

2I (g)HI(g)

2H (g)

2Br (g)

2H (g)

2Br (g)HBr(g)

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Différentes étapes du raisonnement

Bilan des espèces en fonction du temps Formation de l’iodure d’hydrogène

Formation du bromure d’hydrogène

2H (g)

2I (g)

2H (g)

2I (g)HI(g)

2H (g)

2Br (g)

2H (g)

2Br (g)HBr(g)

2H (g)

2I (g)HI(g)

2H (g)

2Br (g)HBr(g)

H(g) Br(g)

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Modélisation : équation de réaction

Iodure d’hydrogène Conservation de la matière

Ce sont deux équations de plans… donc celle d’une droite (variété linéaire affine de dimension 1… oui, c’est de l’algèbre linéaire !)

Conclusion : toutes les quantités de matière s’expriment à l’aide d’une seule variable… l’avancement de l’équation de réaction !

2(HI) 2 (I ) 2n n i 2(HI) 2 (H ) 2n n h

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Représentation graphique

EI

n(HI)

2 i

n(I2)

n(H2)

h

i

la réaction chimique

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Nombre de variables indépendantes

Cas de l’iodure d’hydrogène : c’est simple (une seule) donc pas besoin des outils complexes…

Si l’on veut quand même : une espèce physicochimique = un vecteur… écrire la matrice des composantes dans la base des

éléments chimiques (ou une autre base de groupes d’éléments) : matrice d’une application linéaire

Chercher le rang de la matrice (taille du déterminant non nul le plus petit) : c’est le nombre d’équations indépendantes (de variables…) critère de JOUGUET

L’équation : H2 + I2 = 2 HI

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Plus complexe…

Pour le bromure d’hydrogène HBr Conservation de la matière :

Il faut plusieurs variables indépendantes… plusieurs équations de réaction (au minimum, de quoi faire apparaître les espèces physicochimiques…) !

2(HBr) 2 (Br ) (Br) 2n n n b 2(HBr) 2 (H ) (H) 2n n n h

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Recherchedes équations indépendantes

Empirique… on procède par tâtonnement, souvent à partir des processus physiques élémentaires (actes élémentaires)

Méthodique : outils de l’algèbre linéaire

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Symbolisme… les flèches !

Idées générales Le discours doit accompagner le schéma… (au

moins quelques mots) On est en cinétique chimique… (on a quitté

l’aspect macroscopique pour la vision moléculaire de la transformation chimique)

En thermodynamique : le signe = s’accompagne d’un commentaire (la transformation est totale, ou peu avancée…)

Rappel : caractère total de la transformation vs constante d’équilibre !

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Symbolisme… les flèches !

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Les recommandations

Simple flèche : processus élémentaire unidirectionnel (vitesse sens 2 nulle)

Double flèche : processus élémentaire bidirectionnel (deux vitesses non nulles)

Double harpon : processus élémentaire bidirectionnel avec équilibre chimique établi – deux vitesses non nulles mais égales

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Notations

Exemples ambigus

20,06log[FeE E

n

r 300 0,157G T

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Une solution :

N’écrire que des équations littérales

2[Fe ]log avec ln10

RTE E

n c

F

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Une solution géniale : Guggenheim

N’écrire que des équations numériques !

2 10,06/ V / V log [Fe ] / mol LE E

n

1r / kJ molG

/KT

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Et l’on retrouve « le nombre de moles »

/ moln

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Bibliographie succincte

Thermodynamique de la chimieL. Jullien, H. Lemarchand et al, Éd. Hermann

La réaction chimiqueM. Laffitte et F. Rouquérol, Éd. Masson

Modélisation macroscopique des transformations physico-chimiques

M. Soustelle, Éd. Masson La réaction créatrice

H. Lemarchand, Ch. Vidal, Éd. Hermann La réaction chimique, moteur, description et

symbolismeA. Gilles, BUP 817, Oct 1999, p 1503 ff

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Y’a pas que la chimie dans la vie…

Merci de votre attention !