Table des matières - UCLouvain...cuivre Clarification conceptuelle 170918 3 Une transformation chimique se situe au niveau de ce que l’observateur peut voir (c’est le niveau macroscopique)

Clarification conceptuelle 170918

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AUTEURS : Philippe Capelle, Pascale Sartiaux

Clarification conceptuelle à l’usage du professeur

Table des matières

1. Phénomène chimique et phénomène physique .......................................................................... 2

2. Les fonctions chimiques (acide, hydroxyde, sel, oxyde) ............................................................. 3

3. Construire une formule moléculaire – Notion de valence............................................................ 5

3.1. La valence d’un élément ...................................................................................................... 5

3.2. Établissement des formules moléculaire ............................................................................. 7

4. Les réactions chimiques : quelques exemples ............................................................................ 7

4.1. Dissociation ionique ............................................................................................................. 7

4.2. Electrolyse ........................................................................................................................... 8

4.3. La réaction de combustion .................................................................................................. 9

4.4. La réaction de neutralisation ............................................................................................. 15

4.5. Réaction entre un acide et un métal .................................................................................. 21

4.6. Réaction entre un oxyde et l’eau ....................................................................................... 21

En conclusion ..................................................................................................................................... 23

Références ......................................................................................................................................... 25

HGT – SCG

Chimie

UAA2


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1. Phénomène chimique et phénomène physique

L’habitude existe de débuter un cours de chimie par la distinction entre ces deux types de phénomènes. Et pourtant, ce n’est pas si simple : dire que, lors d’un phénomène chimique, les substances impliquées voient leurs propriétés modifiées ne suffit pas pour le distinguer d’un phénomène physique puisque cela peut également avoir lieu lors d’un phénomène physique (la glace formée à partir de l’eau liquide, par exemple, n’a pas les mêmes propriétés que l’eau liquide).

Pour les scientifiques, la distinction se fait au niveau microscopique, par l’ordre de grandeur des énergies mises en jeu. Ainsi, le domaine propre de la chimie concerne l’ordre de grandeur des énergies de formation et de rupture des liaisons entre atomes alors que la physique est concernée par l’ordre de grandeur des énergies mises en œuvre :

• dans des phénomènes intermoléculaires, comme les changements d’état,

• au sein même des atomes (physique nucléaire)1.

Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est qu’un phénomène (ou une transformation2) chimique est un scénario au cours duquel les substances qui entrent en jeu « disparaissent » et donnent naissance à de nouvelles substances. Cette « disparition » est souvent accompagnée de signes perceptibles révélant qu’il « se passe quelque chose » :

• une production ou une absorption d’énergie,

• un changement de couleur,

• une émission d’odeur,

• …

Par exemple, quand on mélange de la poudre de fer et une solution de sulfate de cuivre II, une transformation chimique a lieu : la solution devient vert pâle (couleur des ions Fe2+) et du métal cuivre rouge apparaît.

Lors d’une transformation chimique, il y a réaction entre certaines espèces chimiques : celles-ci sont les réactifs. D’autres espèces se forment : ce sont les produits.

Lors d’un phénomène physique, par contre, les substances qui entrent en jeu restent identiques, même si elles peuvent changer de propriétés ou d’aspect.

Note concernant la terminologie utilisée en chimie

La dénomination « phénomène chimique » est le terme générique qui se décline en :

• transformation chimique, pour le niveau macroscopique,

• réaction chimique, pour le nouveau microscopique,

• équation chimique, pour l’écriture symbolique.

1 Les scientifiques expriment ces ordres de grandeur en électron-volt (eV) : 1 eV correspond à l’énergie acquise par un électron soumis à une tension de 1 V. La chimie est concernée par des énergies comprise entre 1 et 10 eV alors que la physique étudie les phénomènes dont l’énergie est de l’ordre de 10-1 eV (changements d’état) ou de l’ordre de 108 eV (physique nucléaire).

2 Les deux mots sont ici considérés comme synonymes.

Produits (p = 1 bar et t = 25 °C)

Solution incolore d’ions sulfate

Métal cuivre rouge

Solution d’ions fer II verts

Métal fer gris restant

Réactifs (p = 1 bar et t = 25 °C)

Métal fer gris

Solution incolore d’ions sulfate

Solution bleue d’ions cuivre


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Une transformation chimique se situe au niveau de ce que l’observateur peut voir (c’est le niveau macroscopique). On le représentera à l’aide d’une phrase qui décrit ce que l’on voit, par exemple : après une mise à feu, le charbon de bois réagit avec l’air pour former des cendres, de la fumée et libérer de la chaleur et de la lumière.

Une réaction chimique concerne les événements qui ont lieu au niveau des espèces chimiques3 qui entrent en jeu lors de la transformation chimique (c’est le niveau microscopique). On la représentera à l’aide d’une phrase qui décrit ce qui se passe à ce niveau (écriture nominative), par exemple : le carbone et le dioxygène de l’air réagissent pour former du gaz carbonique en dégageant de l’énergie.

Enfin, lors de cette UAA, les élèves se familiariseront avec l’écriture symbolique d’une réaction : c’est l’équation chimique. Celle-ci doit être décryptée avec les élèves pour bien leur faire prendre conscience du phénomène. Ce qu’ils peuvent observer, ce qui se passe dans un laps de temps donné, est traduit au moyen d’un symbolisme qu’ils connaissent mais qui n’a pas la même signification qu’au cours de mathématique.

Il serait pertinent, pour chaque situation d’apprentissage, d’expliciter, pour les élèves, le niveau dans lequel on se situe.

2. Les fonctions chimiques (acide, hydroxyde, sel, oxyde)

Règles et conventions pour déterminer la formule générale d'un composé chimique au départ de sa formule moléculaire :

• remplacer les symboles des éléments métalliques par le symbole général « M » ;

• remplacer les symboles des éléments non métalliques par le symbole « X » ;

• conserver les symboles de l’oxygène O et de l’hydrogène H ;

• supprimer les indices et les parenthèses.

De la sorte, nous obtenons les formules générales des corps purs composés :

Formule moléculaire

Formule générale

Formule moléculaire

Formule générale

HNO3 HXO Fe2O3 MO Al2(SO4)3 MXO H2S HX NaCl MX KOH MOH CO2 XO H2SO4 HXO CuO MO N2O3 XO Mg(OH)2 MOH AgNO3 MXO

https://www.lachimie.net/index.php?page=18#.Wb-QJrpuKAh, consulté le 18 septembre 2017

On constate qu’il n’y a que 7 catégories de corps purs composés dont les formules générales sont : HXO, MXO, MX, XO, MO, MOH et HX.

Dès lors, nous pouvons continuer le classement de la matière commencé lors de l’UAA1 en ajoutant un critère concernant la composition chimique des molécules qui composent les corps purs. Selon le type d’éléments qui compose les molécules et leur réactivité chimique, on peut les classer en 7 catégories.

3 Les chimistes désignent par « espèce chimique » toute entité microscopique (atome, ion molécule, électron, proton) susceptible d’intervenir dans une réaction chimique.

https://www.lachimie.net/index.php?page=18#.Wb-QJrpuKAh


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Formule générale Nom de la formule générale (nom de la fonction chimique) Exemple

MO Oxyde métallique Fe2O3

XO Oxyde non-métallique CO2

MOH Hydroxyde (base hydroxylée) Ca(OH)2

HX Acide binaire (hydracide) HCl

HXO Acide ternaire (oxacide) H3PO4

MX Sel binaire (sel d'hydracide) KCl

MXO Sel ternaire (sel d'oxacide) Al2(SO4)3

soit 4 grandes fonctions :

Oxydes:

MO et XO

Hydroxydes ou bases

hydroxylées:

MOH

Acides:

HX et HXO Sels:

MX et MXO


https://www.lachimie.net/index.php?page=18#.Wb-QJrpuKAhhttps://www.lachimie.net/index.php?page=18#.Wb-QJrpuKAh


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3. Construire une formule moléculaire – Notion de valence

3.1. La valence d’un élément

Comment s'associent les atomes entre eux pour former des ensembles d'atomes appelés molécules?

Dalton, lorsqu’il énonce sa théorie du modèle atomique, dit que lors des réactions chimiques, les atomes de différents éléments se lient dans un rapport déterminé.

On définit alors la valence d'un atome comme étant le nombre d'atomes d'hydrogène que cet atome est capable de fixer lors d'une réaction chimique. Par extension, la valence permet de connaître le nombre de sites de liaison que possède un atome.

Par définition, on attribue la valeur 1 à l’hydrogène.

Exemples

Chlorure d’hydrogène

HCl

Cl a la valence I

Eau

H2O

O a la valence II

Ammoniac

NH3

N a la valence III

Méthane

CH4

C a la valence IV

Remarque

La valence d’un atome s’indique en chiffres ROMAINS (I, II, III, IV, …)

Certains éléments peuvent avoir plusieurs valences. En principe nous nous limiterons à la valence qui peut être lue dans le tableau périodique des éléments (T.P.E.), sinon la valence sera indiquée.

Les valences des éléments des familles « a » peuvent être déterminées à l’’aide du tableau périodique.


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Dans le cas des familles a, la valence est liée au nombre d’électrons sur la dernière couche (électrons de valence). Ultérieurement, les élèves pourront relier la valeur de la valence avec la structure de Lewis et comprendront la valeur de la valence des familles V, VI et VII (8 étant le nombre d’électrons maximal sur la dernière couche électronique) :

famille

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa O

quelques atomes

H, Na, K Be, Mg,

Ca B, Al C, Si, Pb N, P O, S F, Cl, I He, Ne, Ar

valence

I II III IV III (8 - 5) II (8 - 6) I (8 - 7) 0 (8 - 8)

Les atomes de la famille O (ou VIIIa) ne s'associent ni entre eux ni avec d'autres atomes pour former des molécules: ce sont des corps purs élémentaires.

Les atomes des familles Va et VIa ne conservent pas toujours la même valence (cas du plomb Pb : valence II ou valence IV) ou se comportent comme s'ils possédaient une autre valence que celle trouvée dans le tableau périodique (l'explication de ces caractéristiques n'entre pas dans le cadre de cette UAA).

Dans le cas des familles b, il n’est pas possible d’identifier la valence de ces atomes de manière simple (il y a trop d'exceptions) : il faut donc retenir la valence des atomes principaux :

nom de l'atome symbole valence(s)

argent Ag I

cuivre Cu I ou II

fer Fe II ou III

mercure Hg I ou II

or Au I

plomb Pb II ou IV

zinc Zn II

Remarque :

On peut caractériser également un élément par son état d'oxydation, décrit par le nombre d'oxydation (n.o.), qui caractérise l'état électronique d'un élément chimique (au sein d'une molécule, d'un ion ou d'un radical) en considérant la charge réelle (dans le cas d'un ion monoatomique) ou fictive (si cet élément est combiné).

Dans un corps simple, un élément est caractérisé par un nombre d'oxydation nul.

Dans le cas d'ions monoatomiques, le nombre d'oxydation de l'ion est la valeur de la charge électrique portée par celui-ci (exemple : n.o.(Na+) = +I).

Dans le cadre du cours de 3ème année, nous ne parlerons de nombre d’oxydation uniquement dans le cas des ions monoatomique.


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3.2. Établissement des formules moléculaire

Comment associer des atomes en molécules à l’aide des valences ?

Dans le cas des molécules binaires (formées de 2 atomes différents), la règle du chiasme peut s’appliquer :

Description de la méthode du chiasme

• Écrire les symboles des éléments du composé l’un derrière l’autre. Commencer par le symbole de l’élément situé le plus à gauche dans le T.P.E.

• Écrire les valences respectives en dessous des symboles.

• «Multiplier» en diagonale les symboles par les valences (= chiasme). Ces valences sont alors écrites en indice derrière le symbole de l’élément dans la formule chimique. Dans la formule chimique, l’ordre des symboles est identique à l’ordre des symboles dans le chiasme.

• Si dans les composés minéraux les indices peuvent être simplifiés, il faut les simplifier.

4. Les réactions chimiques : quelques exemples

A l’adresse suivante, on peut visualiser quelques exemples de réactions chimiques mettant en jeu des substances classées par fonction chimique.

http://www.lachimie.net/index.php?page=18#.VlygUjZdGUk

4.1. Dissociation ionique

Une réaction de dissociation ionique est une réaction au cours de laquelle un composé ionique se dissocie dans l’eau en se décomposant en ions : cation et anion. Une réaction de dissociation se traduit par une équation de dissociation. Le phénomène (qui n’est pas à proprement parlé un phénomène chimique) se traduit par la disparition du sel (solide) lorsqu’on l’ajoute en petite quantité dans l’eau. La solution obtenue peut rester incolore ou prendre la couleur caractéristique de la présence d’un ion spécifique dans la solution (exemple : couleur turquoise lorsque l’ion Cu2+ est solvaté par l’eau).

L’eau, qui joue le rôle de solvant, permet de séparer les ions présents dans le composé ionique en les solvatant.

http://www.lachimie.net/index.php?page=18#.VlygUjZdGUk


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Exemple :

1. Le sel de cuisine (NaCl ou Na+Cl-l), est un composé ionique. Il est formé de cations et d'anions. La charge nette d'un sel est nulle, c'est à dire neutre électriquement. Le nombre de charges des cations dans un sel est égal à celui des anions. Les ions en présence peuvent être formés soit par un seul atome, comme le Na+, et sont dits alors monoatomiques, soit par plusieurs atomes (comme le CO32-) et sont alors appelés polyatomiques. Lorsqu'un sel est soluté et que l'eau est le solvant, la solution obtenue s'appelle électrolyte. La solution qui en résulte est conductrice de courant électrique.

Si l’on verse du NaCl dans l’eau, des molécules d’eau entourent les ions Na+ et les ions Cl-. On dit que les ions sont solvatés (ou hydratés) ou « aqueux » et on les note : Na+(aq) et Cl-(aq). L’eau ne joue, dans ce cas-ci, pas de rôle en tant que réactif car elle ne se transforme pas chimiquement.

L’équation chimique de la réaction de dissolution s’écrit :

H2O

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

2. Dissolution du sulfate de Baryum (BaSO4) dans l'eau Le baryum fait partie du groupe (ou famille) 2/IIA des métaux alcalino-terreux, donc sa valence est II. En se dissociant dans l'eau, le sulfate de baryum se sépare en cations et anions. Les ions sont hydratés, nous avons donc Ba2+(aq) et (SO4)2-(aq) . L’équation de dissociation s’écrit : H2O

BaSO4(s) → Ba2+(aq) + (SO4)2-(aq)

4.2. Electrolyse

L'électrolyse est une méthode qui permet de réaliser des réactions chimiques grâce à une activation électrique. C'est le processus de conversion de l'énergie électrique en énergie chimique. Elle permet par ailleurs, dans l'industrie chimique, la séparation d'éléments ou la synthèse de composés chimiques. Elle intervient aussi dans la classification des corps purs.

L'électrolyse est utilisée dans divers procédés industriels, tels que la production de dihydrogène par électrolyse de l'eau, la production d'aluminium ou de chlore, ou encore pour le placage d'objets par galvanoplastie (voir cours de 6ème année).


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La matière à décomposer ou à transférer est dissoute dans un solvant approprié, ou fondue de sorte que ses ions constitutifs soient disponibles dans la solution.

Une différence de potentiel électrique est appliquée entre deux électrodes immergées dans cette solution.

La cathode est le siège d'une réduction et, l'anode le siège d'une oxydation (cours de 6ème année). L'anode est la borne positive et la cathode est la borne négative. Notons que ces bornes sont inversées dans le cas d'une pile.

Schéma de la synthèse d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau.

4.3. La réaction de combustion

Pour les chimistes, une réaction de combustion est une réaction exothermique d'oxydoréduction.

• Réaction exothermique, c’est-à-dire une réaction au cours de laquelle il y a dégagement de chaleur.

• Réaction d’oxydoréduction4, c’est-à-dire une réaction au cours de laquelle les espèces chimiques impliquées échangent des électrons. L’espèce chimique qui gagne des électrons (et devient donc généralement négative) est appelée oxydant (dans ce cas, c’est le comburant, généralement l’oxygène). L’espèce chimique qui perd des électrons (et devient donc généralement positive) est le réducteur (dans ce cas, c’est le combustible).

Plus simplement, une combustion est une réaction chimique au cours de laquelle un corps réagit avec le dioxygène O2 en dégageant une quantité importante de chaleur en un bref instant.

Voici 3 exemples de réactions de combustion :

4.3.1. La combustion des métaux

a) Combustion du magnésium

Le magnésium brûle avec une flamme blanche éblouissante ; la réaction dégage de la chaleur. Le produit de la réaction est l’oxyde de magnésium (MgO), un solide blanc.

Si on dissout le produit de la réaction (l’oxyde de magnésium) dans l’eau et que l’on ajoute quelques gouttes d’un indicateur coloré (le bleu de bromothymol par exemple), on peut montrer que la solution est basique.

Le bromothymol est un indicateur coloré qui indique la présence d’un acide ou d’une base en solution aqueuse. En présence d’un acide, le bromothymol prend la couleur jaune, tandis qu’en présence d’une base, le bromothymol est bleu.

L’oxyde de magnésium réagit avec l’eau et se transforme en hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2).

Introduit dans la solution d’hydroxyde de magnésium, le bromothymol prend la couleur bleue. La solution aqueuse d’hydroxyde de magnésium a donc un caractère basique.

4 On y reviendra dans le cadre du cours de 5ème année.

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_chimiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_exothermiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_d%27oxydor%C3%A9ductionhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schemas_electrolyse_h2o.svg


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b) Combustion du sodium

Le sodium brûle avec une flamme orange. Le produit de la réaction est l’oxyde de sodium, un solide blanc.

L’oxyde de sodium réagit avec l’eau et se transforme en hydroxyde de sodium (NaOH)

Introduit dans la solution d’hydroxyde de sodium, le bromothymol prend la couleur bleue. La solution aqueuse d’hydroxyde de sodium a donc un caractère basique.

c) Conclusion

Les métaux brûlent dans le dioxygène en formant un oxyde métallique.

métal + dioxygène → oxyde métallique

Les oxydes métalliques forment des solutions aqueuses basiques :

oxyde métallique + eau → hydroxyde métallique basique

Une combustion est une réaction chimique au cours de laquelle un corps réagit avec le dioxygène O2 en dégageant une quantité importante de chaleur en un bref instant.

Les étincelles produites sous la voiture de F1 sont des particules de métal arrachées lors du contact avec la piste et qui brûlent dans l'air.

Les ustensiles de cuisine sont constitués de métaux à l'état compact. Ils ne brûlent donc pas dans une flamme.

Dans les feux d'artifice, on utilise des poudres de différents métaux pour obtenir des étincelles colorées.

Les métaux brûlent beaucoup plus facilement lorsqu'ils sont à l'état divisé (en poudre) que lorsqu'ils sont à l'état compact (en gros morceau). A l'état divisé, la surface de contact avec le dioxygène O2 de l'air est très importante.

A chaud, la poudre de cuivre Cu brûle dans l'air avec une flamme verte. Il se forme une poudre noire d'oxyde de cuivre. 2 Cu + O2 → 2 CuO

(2 atomes de cuivre réagissent avec une molécule de dioxygène présente dans l’air et se transforment en 2 molécules d’oxyde de cuivre II).


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La malachite est un minerai composé majoritairement d’oxyde de cuivre.

A chaud, la poudre d'aluminium Al brûle dans l'air. Il se forme une poudre blanche d'oxyde d'aluminium.

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3

Le corindon est une variété d’oxyde d’aluminium (alumine).

Teinté de rouge par un oxyde de chrome, c’est le rubis (a).

Teinté de bleu par des oxydes de fer et de titane, c’est le saphir (b).

http://physiquefos.free.fr/chimie/4-3eme/combustions/combustions_metaux/cours.htm

4.3.2. La combustion des non-métaux

Le soufre (sous la forme d’octasoufre S8) brûle dans le dioxygène avec une flamme bleue. Le produit de la réaction est le dioxyde de soufre (SO2), un gaz incolore et suffocant.

Le dioxyde de soufre réagit avec l’eau pour donner de l’acide sulfureux (H2SO3). Introduit dans la solution aqueuse, le bromothymol prend la couleur jaune. La solution aqueuse d’acide sulfureux a donc bien un caractère acide.

Conclusion

Les non-métaux brûlent dans le dioxygène en formant un oxyde non-métallique.

non-métal + dioxygène → oxyde non-métallique

Les oxydes non-métalliques forment des solutions aqueuses acides :

oxyde non-métallique + eau → acide

http://physiquefos.free.fr/chimie/4-3eme/combustions/combustions_metaux/cours.htm


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4.3.3. La combustion des molécules contenant du carbone (substances organiques)

Ces réactions seront détaillées en 5ème année. Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est que ces combustions sont à l’origine des feux et des incendies.

Cette réaction ne peut se produire que si trois éléments sont réunis en quantités suffisantes : un combustible, un comburant et une énergie d’activation5. Une manière symbolique de représenter cette association est le triangle du feu.

Le combustible est toute substance susceptible de brûler. Cela peut être :

• un solide formant des braises (charbon, bois, papier, carton, tissu, PVC, …) ;

• un liquide ou un solide liquéfiable (essence, gasoil, fuel, huile, kérosène, ...) ;

• un gaz (gaz naturel, butane, propane, méthane, dihydrogène, ...) ;

• un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium, ...).

Note : un carburant est un combustible qui alimente un moteur à combustion interne, comme le moteur de la voiture.

Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique de combustion : c’est la substance qui provoque et entretient la combustion du combustible. La plupart du temps, il s’agit du dioxygène de l’air ambiant. Dans certains cas très particuliers, le comburant et le combustible sont un seul et même corps par exemple, la célèbre nitroglycérine, dont la molécule comporte une partie oxydante greffée sur une partie réductrice.

L’énergie d’activation (généralement de la chaleur ou une flamme) déclenche la réaction. Par exemple, ce sera l'échauffement par frottement pour une allumette, le câble électrique parcouru par un courant trop élevé qui chauffe l'isolant, l'étincelle de l'allume-gaz, une autre flamme lorsque le feu se propage. Il existe d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : arc électrique, élévation de la température par compression de l'air, par exemple dans un moteur Diesel.

Dans le cas d’un combustible riche en carbone, les produits de la réaction de combustion sont principalement l’eau et le dioxyde de carbone.

La combustion complète des alcanes (molécules constituant le LPG, les essences, …) peut s’écrire :

Par exemple pour le méthane (CH4), constituant principal du gaz naturel (entre 83 % et 88 % en volume) :

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

4.3.3.1. Sécurité et prévention

Les combustions, nous l’avons vu, comportent certains risques et dangers. Il faut donc adopter un comportement adéquat dans la manipulation, lors du stockage et bien sûr lorsque l’on effectue une combustion.

L’étiquetage est la première information, essentielle et concise, fournie à l’utilisateur sur les dangers des substances et sur les précautions à prendre lors de leur stockage et lors de leur utilisation.

5 L’énergie d’activation est l’énergie minimum dont il faut disposer au départ de la réaction pour que cette réaction démarre.

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tat_solidehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Braisehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Charbonhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Boishttp://fr.wikipedia.org/wiki/Papierhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Carton_(mat%C3%A9riau)http://fr.wikipedia.org/wiki/Textilehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Polychlorure_de_vinylehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Liquidehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Liqu%C3%A9factionhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Essence_(hydrocarbure)http://fr.wikipedia.org/wiki/Gazolehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Fioulhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Huilehttp://fr.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9ros%C3%A8nehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Gazhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_naturelhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz_naturelhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Butanehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Propanehttp://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thanehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Dihydrog%C3%A8nehttp://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9talhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Ferhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminiumhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Sodiumhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9siumhttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9actif_(chimie)http://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyg%C3%A8nehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Air_ambianthttp://fr.wikipedia.org/wiki/Air_ambianthttp://fr.wikipedia.org/wiki/Nitroglyc%C3%A9rinehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9action_d%27oxydor%C3%A9ductionhttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_d%E2%80%99activationhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Allume-gazhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Compression_et_d%C3%A9tente_adiabatiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Dieselhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiBwPSbnrrJAhXMtRQKHT19C7cQjRwIBw&url=https://fr.wikipedia.org/wiki/Alcane&bvm=bv.108194040,d.d24&psig=AFQjCNGoYoC3MkBm7sUc-x34X4UQnG83Eg&ust=1449044656464913


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Parmi les informations reprises sur l’étiquette, il y a les pictogrammes de danger.

Les combustibles sont directement concernés par 4 pictogrammes de danger :

En outre, les étiquettes comportent également des mentions d’avertissement, des mentions de danger et des conseils de prudence.

Les mentions d’avertissement indiquent le degré relatif de danger. Il y a deux degrés relatifs de danger :

• DANGER, pour les catégories les plus sévères

• ATTENTION, pour les autres

Les mentions de danger sont énoncées à l’aide d’une phrase qui décrit la nature du danger que constitue la substance et, lorsqu’il y a lieu, le degré de ce danger. Un code alphanumérique constitué de la lettre « H » et de 3 chiffres est affecté à chaque mention de danger.

Les conseils de prudence sont énoncés à l’aide d’une phrase qui décrit les mesures de prévention à prendre lors du stockage ou de l’utilisation de la substance. Un code alphanumérique constitué de la lettre « P » et de 3 chiffres est affecté à chaque conseil de prudence.

Code Pictogramme Mention

SGH01

Substance explosive

Une telle substance peut exploser :

• au contact d’une flamme, d’une étincelle, d’électricité statique

• sous l’effet de la chaleur, de chocs, de frottements …

SGH02

Substance inflammable

Une telle substance peut s’enflammer, suivant le cas :

• au contact d’une flamme, d’une étincelle, d’électricité statique

• sous l’effet de la chaleur, de chocs, de frottements …

• au contact de l’air

• au contact de l’eau si elle dégage un gaz inflammable

SGH03

Substance comburante

Une telle substance peut :

• provoquer un incendie

• aggraver un incendie

• provoquer une explosion si elle est en présence de produits inflammables

SGH04

Substance gazeuse sous pression contenue dans un récipient

Une telle substance peut exploser sous l’effet de la chaleur : c’est le cas des gaz comprimés, des gaz liquéfiés et des gaz dissous.

Les gaz liquéfiés réfrigérés peuvent, quant à eux, être responsables de brûlures ou de blessures liées au froid, appelées brûlures cryogéniques ou blessures cryogéniques.

http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Cat%C3%A9gorie:SGH01http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Cat%C3%A9gorie:SGH02http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Cat%C3%A9gorie:SGH03http://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=Cat%C3%A9gorie:SGH04


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En conclusion

La lecture attentive d’une étiquette est extrêmement utile pour adopter les mesures adéquates au stockage et à l’utilisation des substances.

Ainsi, dans le cas du butane, l’étiquette comporte les pictogrammes et phrases suivants :

Mention d’avertissement : DANGER

Pictogramme : SGH 02

Phrase H : H220 Gaz extrêmement inflammable

Phrases P : P210 Tenir à l’écart de la chaleur, des étincelles, des flammes nues et des surfaces chaudes. Ne pas fumer.

P377 Fuite de gaz enflammée : ne pas éteindre si la fuite ne peut être arrêtée sans danger

P102 Tenir hors de portée des enfants

P403 Stocker dans un endroit bien ventilé

4.3.3.2. La combustion au sein des organismes vivants : la respiration cellulaire

Pour les scientifiques, la respiration est clairement distinguée de la ventilation.

La ventilation (souvent désignée comme étant la respiration dans la vie quotidienne) est le phénomène par lequel l’air contenu dans les poumons se renouvelle par inspiration (entrée de l’air dans les poumons) et par expiration (sortie d’air des poumons vers l’extérieur).

La respiration est un phénomène qui se passe dans la cellule, au niveau des mitochondries (UAA1 de biologie). C’est une réaction chimique qui transforme le glucose (nutriment issu de la digestion) en eau et en dioxyde de carbone en présence de dioxygène. C’est également une réaction exothermique (il y a production d’énergie).

Globalement, la respiration est donc une réaction chimique semblable à la combustion d’un combustible riche en carbone. Il s’agit donc d’une équation-bilan, synthèse d’un très grand nombre de réactions chimiques successives.

Respiration cellulaire

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O (+ énergie)

De l’énergie est dégagée, elle est prise en charge dans les êtres vivants par une molécule, l’ATP.

Remarque :

Les chimistes placent les échanges d’énergie au même titre que des réactifs ou produits. Il faut bien distinguer cependant la matière de l’énergie.

L’équation-bilan de la photosynthèse est la réaction inverse de la respiration. Il est cependant important de bien distinguer le rôle de chacune au sein des êtres vivants. Le but de la photosynthèse est de

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produire de la matière organique constitutive de l’organisme vivant (ici, les plantes chlorophylliennes), tandis que la respiration procurera l’énergie nécessaire aux réactions du métabolisme.

Photosynthèse

6 CO2 + 6 H2O (+ énergie du soleil) → C6H12O6 + 6 O2

4.4. La réaction de neutralisation

4.4.1. Les acides

Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, une base. Le pH d'une solution obtenue en dissolvant un acide dans l'eau est inférieur à 7.

Voici quelques acides rencontrés dans la vie courante :

- Acides minéraux

o l'acide chlorhydrique (ou chlorure d’hydrogène), de formule HCl, appelé aussi l’esprit de sel ;

o l’acide sulfurique (ou sulfate d’hydrogène), de formule H2SO4, appelé aussi le vitriol.

- Acides organiques

o l'acide acétique, de formule (CH3COOH), acide principal du vinaigre ;

o l'acide acétylsalicylique, de formule (HC9H7O4), plus connu sous le nom d'aspirine ;

o l'acide ascorbique, de formule (H2C6H6O6), plus connu sous le nom de vitamine C ;

o l'acide citrique, de formule (H3C6H5O7), un acide présent dans les agrumes ;

Quelques propriétés des acides

- Ils ont une saveur acidulée, aigre (par exemple le vinaigre, le citron, la choucroute).

- Ils réagissent souvent avec les métaux pour donner un sel et un dégagement de H2.

- Ils réagissent avec les carbonates et hydrogénocarbonates.

- Ils donnent des solutions aqueuses conductrices d’électricité.

- Ils sont corrosifs.

En 3e année, l’acidité et la basicité sont définies selon le point de vue de Arrhenius6 : un acide est un composé chimique pouvant céder des protons (ions H+) en solution aqueuse et une base, un composé

chimique pouvant libérer des ions hydroxydes (OH−) en solution aqueuse.

Quelques réactions chimiques en présence d’un acide

Une des principales propriétés des solutions acides est de pouvoir réagir avec un grand nombre de matériaux.

Le calcaire réagit aisément avec des acides faibles ; on nettoie les robinetteries avec du jus de citron (acide citrique) ou du vinaigre (acide acétique).

Les verres peuvent « être gravés » par de l’acide fluorhydrique, mais la manipulation de cet acide est extrêmement dangereuse, du fait de la présence d’ions fluorures.

6 Svante August Arrhenius (1859 – 1927) est un chimiste suédois qui a reçu le Prix Nobel de chimie en 1903.


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Certains métaux ne sont pas stables dans les solutions acides, ils sont oxydés (c’est-à-dire ionisés par perte d’un ou plusieurs électrons) ; l’ion métallique peut alors rester sous forme dissoute, ou se combiner avec un ou plusieurs ions oxygène et former un oxyde ou un hydroxyde. L’acidité est un des paramètres importants de la corrosion aqueuse. La dissolution des métaux est utilisée en gravure d’art, c’est la technique de l’eau-forte ; elle est aussi utilisée en métallographie pour révéler des défauts (par exemple joints de grain)7.

Risques et dangers des solutions acides

Les acides concentrés peuvent provoquer des brûlures sur la peau et les muqueuses (yeux, nez, bouche). En cas de brûlure par acide, il faut

- retirer les vêtements imbibés (en faisant attention à ne pas contaminer d’autres personnes ou des parties saines de la victime) ;

- faire ruisseler de l’eau pour laver la partie atteinte, en évitant de contaminer les parties saines ;

- prévenir les secours (« 112 » dans l’Union européenne, « 100 » en Belgique) en mentionnant le produit en cause.

Les acides concentrés ne peuvent être manipulés que par des personnes formées et équipées (blouse, gants, lunette), sous hotte.

4.4.2. Les bases

Une base est une substance qui se dissocie dans l’eau sous forme d’ions OH-. Un milieu basique est aussi appelé un milieu alcalin. Une base est un produit caustique, qui peut provoquer des brûlures. Les bases les plus connues sont la chaux vive (CaO), l'ammoniaque (NH3) et la soude (Na2CO3).

Parmi les bases les plus fortes, on retrouve les hydroxydes alcalins (éléments de la famille Ia du tableau périodique) et alcalino-terreux (éléments de la famille IIa) comme la soude caustique ou hydroxyde de sodium NaOH, la potasse caustique (ou hydroxyde de potassium) et la chaux (chaux éteinte Ca(OH)2).

Quelques propriétés des bases

- Elles ont une saveur amère.

- Elles donnent une impression de « glissant » (savon).

- Elles émulsionnent les graisses (dispersent les graisses en fines gouttelettes sans s’y mélanger, les graisses restant en suspension).

- Elles coagulent les protéines.

- Elles donnent des solutions aqueuses conductrices d’électricité.

- Elles sont corrosives (on parle de causticité).

Risques et dangers des solutions basiques

Identiques à celles des solutions acides.

4.4.3. Les solutions aqueuses

Le pH des solutions aqueuses

Les solutions aqueuses peuvent être classées en solutions acides, neutres ou basiques selon la valeur de leur acidité (pH) :

7 L’oxydation des métaux sera vue dans l’UAA19 Oxydants er réducteurs.


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- les solutions acides ont un pH inférieur à 7 ;

- les solutions neutres ont un pH de 7 ;

- les solutions basiques ont un pH supérieur à 7.

Remarque : les ions H+ sont en réalité un noyau d’hydrogène sans électron, c’est-à-dire un simple proton. Le proton n’existe pas à l’état isolé dans une solution aqueuse. Il forme avec une molécule d’eau une liaison chimique (liaison coordinative8) pour former l’ion H3O+.

Le pH des solutions aqueuses varie de 0 à 14. On utilise donc l’échelle de pH comme échelle d’acidité.

Lien entre pH et caractère acide ou basique d’une solution

Détermination de la valeur du pH

Il existe quelques méthodes courantes pour déterminer le pH d’une solution :

- la méthode des indicateurs colorés ;

- l’indicateur universel ;

- la méthode du pH-mètre.

8 Une liaison coordinative, appelée également liaison covalente de coordination, est une liaison covalente entre deux atomes pour lesquels les deux électrons partagés dans la liaison proviennent du même atome.


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Les indicateurs colorés9

Les indicateurs colorés sont des molécules organiques complexes : méthylorange, phénolphtaléine, bleu de bromothymol…

Ce sont en général des molécules aux propriétés acido-basiques.

La forme acide de l’indicateur est caractérisée par une couleur particulière et la forme basique par une autre couleur souvent très différente de la première.

Si l’indicateur se trouve dans une solution acide, c’est la couleur de la forme acide de l’indicateur qui prédomine (par exemple, dans le cas de la phénolphtaléine, la solution sera incolore).

Si l’indicateur se trouve dans une solution basique, c’est la couleur de la forme basique de l’indicateur qui prédomine (par exemple, dans le cas de la phénolphtaléine, la solution sera « fuchsia ou rose indien »).

On appelle « la zone de virage » d’un indicateur coloré, l’intervalle de pH dans lequel aucune des couleurs des formes acide ou basique des indicateurs dominent. Cette zone de virage diffère d’un indicateur à l’autre (voir ci-dessus).

Par exemple, le bleu de bromothymol est jaune en milieu acide, bleu en milieu basique et vert (mélange de bleu et de jaune) dans sa zone de virage qui est située autour de pH = 7.

Voici un tableau reprenant les principaux indicateurs colorés et leurs couleurs.

http://intra-science.anaisequey.com/experiences/92-details/284-exp-ph-deroulement

9 A noter que certains indicateurs comme la phénolphtaléine ou le rouge de phénol sont déconseillés, leur usage présentant des risques ! On veillera donc à les utiliser avec parcimonie.

http://intra-science.anaisequey.com/experiences/92-details/284-exp-ph-deroulement


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L’indicateur universel

L’indicateur universel est un mélange d’indicateurs judicieusement choisis pouvant présenter une gamme variée de couleurs dans une large zone de pH. En outre, le choix est tel qu’à chaque unité ou demi-unité de pH correspond une couleur différente de la solution.

En pratique, l’indicateur universel se vend dans le commerce sous forme de rouleau de papier imbibé de la solution d’indicateurs, ou sous forme de bandelettes.

4.4.4. La réaction de neutralisation

Une réaction de neutralisation est obtenue lors du mélange d'une solution acide avec une solution basique.

Les deux solutions possèdent des ions H+ et OH− qui réagissent ensemble pour former de l'eau. La solution résultant du mélange se neutralise pour autant que les quantités de ces ions soient identiques.

Exemple : La neutralisation de l'acide chlorhydrique par l'hydroxyde de sodium.

Réaction de neutralisation résultant du mélange des deux solutions :

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

Une réaction de neutralisation est une réaction au cours de laquelle un acide réagit avec une base pour former un sel et de l’eau, symbolisée par l’équation :

Acide + Base → Eau + Sel

Une réaction de neutralisation est une réaction exothermique. Lors du mélange de solutions concentrées, il peut y avoir un échauffement considérable des solutions jusqu’à ébullition avec risques de projections.


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4.4.5. Sécurité et prévention liées aux solutions aqueuses

Les solutions aqueuses d’acide ou de base comportent certains risques et dangers, que ce soit pour les substances utilisées dans un laboratoire ou les produits à usage domestique Il faut donc adopter un comportement adéquat dans leur manipulation et lors du stockage.

L’étiquetage est la première information, essentielle et concise, fournie à l’utilisateur sur les dangers des substances et sur les précautions à prendre lors de leur stockage et lors de leur utilisation.

Parmi les informations reprises sur l’étiquette, il y a les pictogrammes de danger.

Les solutions aqueuses sont directement concernées par les cinq pictogrammes de danger repris dans le tableau ci-dessous.

En outre, les étiquettes comportent également des mentions d’avertissement, des mentions de danger et des conseils de prudence.

Les mentions d’avertissement indiquent le degré relatif de danger. Il y a deux degrés relatifs de danger :

• DANGER, pour les catégories les plus sévères ;

• ATTENTION, pour les autres.

Les mentions de danger sont énoncées à l’aide d’une phrase qui décrit la nature du danger que constitue la substance et, lorsqu’il y a lieu, le degré de ce danger. Un code alphanumérique constitué de la lettre « H » et de 3 chiffres est affecté à chaque mention de danger.

Les conseils de prudence sont énoncés à l’aide d’une phrase qui décrit les mesures de prévention à prendre lors du stockage ou de l’utilisation de la substance. Un code alphanumérique constitué de la lettre « P » et de 3 chiffres est affecté à chaque conseil de prudence.

SGH05

Danger pour la santé : Matières corrosives Produits corrosifs, suivant les cas : - ils attaquent ou détruisent les métaux, - ils peuvent ronger la peau et/ou - les yeux en cas de contact ou de projection.

SGH06

Danger pour la santé : Matières toxiques Produits qui empoisonnent rapidement, même à faible dose. Ils peuvent provoquer des effets très variés sur l’organisme : - nausées, vomissements, maux de tête ; - perte de connaissance ; - ou d’autres troubles plus importants entrainant la mort.

SGH07

Danger pour la santé : Matières dangereuses (toxique, irritant, sensibilisant, narcotique) Produits qui ont un ou plusieurs des effets suivants : - ils empoisonnent à forte dose ; - ils sont irritants pour les yeux, la gorge, le nez ou la peau ; - ils peuvent provoquer des allergies cutanées (eczémas) ; - ils peuvent provoquer une somnolence ou des vertiges.

SGH08

Danger pour la santé : Risques mutagènes, respiratoires, cancérigènes ou pour la reproduction - Produits cancérigènes, mutagènes ou toxiques pour la reproduction ; - Produits qui peuvent modifier le fonctionnement de certains organes

(après une ou plusieurs expositions) ; - Produits qui peuvent entrainer de graves effets sur les poumons, parfois

mortels ; - Produits qui peuvent provoquer des allergies respiratoires.

SGH09

Danger pour l’environnement : Matières dangereuses pour le milieu aquatique Ces produits provoquent des effets néfastes sur les organismes du milieu aquatique (poissons, crustacés, algues, autres plantes aquatiques…).

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4.5. Réaction entre un acide et un métal

Peut-on utiliser n'importe quel matériau pour emballer des produits acides ? La réponse est non.

En effet, certains métaux ne peuvent pas servir pour cette utilisation. Une réaction chimique peut se produire entre l'acide et le métal. Le fer, le zinc, l’aluminium sont attaqués par les acides, l'acier inoxydable (fer + nickel + chrome) et le cuivre ne sont pas attaqués par les acides.

Nous allons nous intéresser tout particulièrement à l'action de l'acide chlorhydrique (HCl ) sur le fer.

Lorsqu'on verse de l'acide chlorhydrique sur du fer, une réaction chimique a lieu entre le fer et l'acide chlorhydrique, un dégagement gazeux se produit. Ce gaz n'est autre que le dihydrogène (H2). Ceci est confirmé par la légère détonation entendu quand on enflamme une allumette à l'orifice du tube.

Fer + acide chlorhydrique → dihydrogène + chlorure de fer (II)

L'équation de la réaction est :

2 HCl(aq) + Fe(s) → FeCl2(aq) + H2(g)

On constate que les ions chlorure Cl- sont présents comme réactifs et comme produits, ils n'interviennent pas dans cette réaction : ces ions sont dits « spectateurs ». Seuls les ions hydrogène de l'acide chlorhydrique et les atomes de fer ont réagi pour donner une molécule de dihydrogène et des ions fer.

L'équation-bilan simplifiée s'écrit :

L'aluminium et le zinc réagissent avec l'acide chlorhydrique pour donner respectivement du chlorure d'aluminium et du chlorure de zinc.

Leurs équations-bilan simplifiées s'écrivent : 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2

Zn + 2H+ → Zn2+ + H2

4.6. Réaction entre un oxyde et l’eau

- Cas des oxydes basiques

Exemple 1 : dissolution du monoxyde de sodium Na2O (cristal) dans l'eau

Na2O est un oxyde métallique (oxyde basique).

La dissociation se fait de la façon suivante:

H2O Na2O(s) → 2 Na+(aq) + O2 - (aq)

Mais l'ion O2 - est très instable dans l'eau. Il capture deux cations H+ à deux molécules du solvant eau. Finalement, on a : Na2O(s) + H2O(l) → 2 Na+(aq) + 2(OH)-(aq)

2H+ + Fe → Fe2+ + H2


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Exemple 2 : dissolution de l’oxyde de calcium

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq)

- Cas des oxydes acides

Exemple 1: réaction du dioxyde de soufre avec l'eau (en présence d'oxygène)


L'acide sulfurique peut être produit au départ de dioxyde de soufre, toutefois, le dioxyde de soufre doit d'abord réagir avec le dioxygène pour former du trioxyde de soufre, qui lui réagit avec l'eau pour former l'acide sulfurique (sulfate d'hydrogène).


Exemple 2 : réaction du dioxyde de carbone avec l'eau


C'est ce phénomène qui est à l'origine des grottes. En effet, l'eau de pluie se charge en dioxyde de carbone et devient acide. Cette acidité attaque le calcaire et creuse des grottes.

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En conclusion

La 3ème année marque le début des apprentissages en chimie. Au 1er degré, les élèves ont développé leur faculté d’observation. Lors de démarches d’investigation, ils ont appris à se poser des questions et à élaborer des explications. L’étude de phénomènes chimiques vont permettre d’intégrer les 3 niveaux d’apprentissage : observer, se poser des questions, expliquer. L’objectif final du cours de chimie au terme du 3e degré est de faire acquérir aux élèves un réflexe d’analyse globale d’un phénomène chimique, réclamant de la part de celui-ci l’intégration des ressources vues au cours des 4 années. Voici une description générale de cette analyse globale.

Tout phénomène chimique est ancré dans un contexte économique, social, historique et écologique.

Au 3e degré (et plus particulièrement dans les UAA 7 et 8) après que les bases de la chimie ont été installées, il est pertinent d’envisager tout phénomène chimique sous tous ses aspects afin de familiariser les élèves à l’analyse de ce type de phénomène.

Ces aspects sont :

- le profil des réactifs (caractéristiques des réactifs utiles à connaître dans le cadre du phénomène envisagé : propriétés, état, formule, symboles et mentions de danger, conseils de prudence…)

- le profil de la réaction (description du type de réaction concernée)

- la gestion optimale de la réaction et la conduite de la réaction (prise en compte des facteurs permettant de mener à bien de manière optimale le phénomène chimique)

- l’extraction des produits, la gestion des déchets et de l’énergie.

Chaque fois l’élève rencontrera une réaction chimique, il en réalisera une approche globale selon 4 critères.

1. Profil des réactifs Caractéristiques des réactifs utiles à connaître dans le cadre du phénomène envisagé : formules, propriétés, états, symboles et mentions de danger, conseils de prudence…

2. Profil de la réaction Description du type de réaction concernée

3. Gestion optimale de la réaction et conduite de la réaction

Prise en compte des facteurs (température, pression, durée,…) permettant de mener à bien de manière optimale le phénomène chimique

4. Utilisation des produits Formules, gestion des déchets et de l’énergie

Approche globale d’une réaction chimique

Durant cette UAA2 de 3ème année, cette analyse globale d’un phénomène chimique peut déjà être activée pour ce qui concerne les points 1, 3 et 4 ci-dessus.


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A titre d’exemple, reprenons la réaction de combustion du soufre :

Réaction de combustion d’un non-métal

A réaliser sous hotte !

S(s)

+

O2(g)

chaleur

(bec Bunsen)

→

SO2(g)

Solide jaune

Présent dans l’air

Gaz incolore

Fortement irritant par inhalation

Le SO2 peut réagir avec l’eau pour donner un acide.

SO2(g)

+

H2O(l)

→

H2SO3(aq)

Gaz incolore

En présence de Bleu de

Bromothymol, la solution devient

jaune.

Les solutions diluées peuvent être éliminées dans l’évier.


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