Etude des réactions chimiques

« FORMULES MOÙCULAIRES Lorsque les atomes sont associés en molécules, il existe plusieurs façons de les représenter.

La formule brute d'une molécule en donne les atomes qui la composent avec en indice le nombre de chacun d'entre eux; la formule développée détaille chaque liaison atomique sous la forme d'un trait et chaque atome est représenté ; enfin la formule semi-développée combine les deux et ne met en évidence que les liaisons entre des groupements stables.

�:C1H10 fomlule c!tY!Ioo!>M : t;t t;t H-C-C·O·H .:.

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éthaool CH,·CH,·OH H H H·C·O·C·H .:.

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oxyde do dlmtthyle CH,·O·CH, Une même formule brute peut correspondre à plusieurs composés distincts.

En effet, deux molécules formées des mêmes atomes peuvent être organisées différemment et donc avoir des propriétés radicalement différentes.

L'éthanol, ou alcool de table DIMENSIONS ET UNITÉS : LA MOU La taille des atomes est de l'ordre du nanomètre (1o-' rn).

soit du millioniè­ me de millimètre.

Un proton ou un neutron pèse 1,67.10'" kg.

et un électron 9,uo·" kg.

Leur dimension et leur masse ne permettent pas de les manipuler directemen� les chimistes ont mis au point des unités de dimension humaine.

La masse des électrons étant négligeable devant celle des protons et neutrons, la masse de l'atome est proportionnelle au nombre de masse de l'élément.

Depuis 1903, la mole est adoptée comme unité de mesure universelle en chimie.

Une mole est définie comme la quantité de matière conte­ nue dans 12 g de carbone 12 .

Le nombre d'atomes ou de molécules dans une mole est appelé nombre d'Avogadro (N) et est égal � 6,0 2.10n.

Avec cette convention, une mole d'un élément quelconque de nombre de masse A pése A grammes.

A partir de la masse atomique d'un élément, on trouve, par addition, la masse molécu­ laire des composés et on en déduit la masse qui correspond à un nombre donné de molécules.

Le nombre de moles de chaque composé à utiliser pour obtenir une réaction donnée est égal aux coefficients stœchiométriques ; on peut ainsi calculer simplement les proportions.

en terme de masse, de réactifs à mettre en présence.

Concrètemen� on pèse les pt'DI/flits et on manipule des masses, mais c'est toujours en tenme de nombre de moles (donc en définitive en nombre de molécules) que l'on pense en chimie.

(CHrCHrOH) et l'oxyde de diméthyle (CHr0-CH3) sont dits isotopes : ils ont la même formule brute (C2H60) et donc la même masse moléculaire, mais leur comportement chimique est différent Les liaisons doubles sont représentées par deux traits, les triples par trois.

Par exemple l'oxygène usuel (dioxygène) a pour formule brute 02 et pour formule développée 0=0.

lES ÉQUATION CHIMIQUES Une réaction chimique se traduit pour le chimiste par une équation du type A +B->C A gauche de la flèche, on trouve les réactifs que l'on met en présence, et à droite les produits de la réaction.

La flèche indique le sens de la réaction.

Quand elle est simple, cela indique que la réaction est totale, et que donc l'intégralité des réactifs est transformée en produits.

C'est le cas, par exemple pour la formation de la rouille (Fe203) lorsque du fer (Fe) est mis au contact d'oxygène (02) : 4 Fe + 302 --> 2Fe203.

CoNSERVATION DE LA MATIÈRE On remarque que les réactifs et les produits sont affublés de coefficients.

Lors d'une réaction chimique, il ne se crée pas de matière : elle se transforme.

Les molécules sont modifiées, mais le nombre d'atomes avant et après réaction est le même : ils sont seulement combinés de manière différente.

C'est le principe de la conservation de la matière.

Dans une molécule de Fe2o3• il y a 2 atomes de fer, donc, pour en obtenir une, il faut introduire le double de molécules de fer (Fe).

Toujours dans la même molécule de Fe2o3• il y a 3 atomes d'oxygène (0), il faudrait donc introduire 3/2 de 02, mais on ne peut pas couper les atomes.

On multiplie donc les deux membres de l'équation par 2 pour se débarrasser de la fraction (4 Fe + 302--> 2Fe203).

Au bout du compte, il doit y avoir autant d'atomes de chaque espèce de chaque côté de la flèche.

On dit alors que l'équation est équilibrée.

Les coefficients qui permettent d'y parvenir sont dits " stœchiométriques», c'est·à·dire relatifs aux proportions suivant lesquelles les corps chimiques réagissent ou se combinent entre eux.

É QUATION DE RÉACTION PARTIELLE Dans certaines réactions la flèche est double.

Cela signifie que, parallèlement à la réaction principale qui transforme les réactifs en produits.

' une partie des produits va réagir à son tour en sens inverse pour redonner les réactifs.

C'est ce qui se passe dans une solution aqueuse d'ammoniaque : l'ammoniaque aqueuse (NH4 +)réagit avec l'eau (H20), il se dégage du gaz ammoniac (NH3) et une molécule d'acide (H3o+).

Mais, à son tour.

le gaz ammoniac (NH3), au contact de l'acide (H30 +), redonne de l'ammoniaque aqueuse (NH4 +) et de l'eau (H20).

Cette double réaction se traduit par une double flèche : NH4•+Hp -.= �+Hp• Quand on ouvre une bouteille d'ammoniaque aqueuse.

il s'en dégage du gaz ammoniac, celui-ci réagit avec les larmes ou le mucus des voies respiratoires où il redonne de l'ammoniaque aqueuse.

Cette ammoniaque aqueuse modifie leur acidité et les rend caustiques, à la manière de la soude ou de la potasse.

Par l'intermédiaire du gaz.

le chimiste imprudent se retrouve avec dans les yeux et la gorge le même produit irritant que dans la bouteille.

Outre le fait de respecter la conservation de la matière.

l'équation­ bilan de cette réaction met en évidence un autre principe fondamental de la chimie : une réaction chimique conserve les charges.

La charge électrique globale de tous les réactifs doit être la même que celle de tous les produits.

Ici la charge globale de (NH4 + + H20) est de + 1, et la charge globale de (NH3 + H3o +) l'est également, l'équation est donc bien équilibrée.

LES DIFFÉRENTS TYPES DE RÉACTIONS CHIMIQUES RÉACTIONS DE SUBSTITUTION Ce sont les réactions où un atome (ou un groupe d'atomes réactif) prend la place d'un autre dans le composé initial.

Par exemple, un atome de chlore peut remplacer un atome d'hydrogène dans un hydrocarbure (ici le méthane CH4) selon l'équation : CH4 + Cl2 --> CH3CI + HCI.

RÉACTIONS D'!uMINATION Dans ces réactions.

la structure d'un réactif est modifiée de manière à laisser s'échapper une petite molécule; la déshydratation de l'éthanol CHrCHrOH par exemple produit de l'éthylène CH2=CH2 et de l'eau H20 selon la formule : C2H 50H--> C2H4 + H20 Ce type de réaction s'effectue d'ordinaire à haute température.

RÉACTIONS D'ADDITION Le processus est l'inverse du précédent : une liaison multiple est brisée dans une molécule insaturée, qui accepte les éléments provenant d'un réactif scindé en deux.

l'éthylène CH2=CH2 réagit par exemple avec l'acide chlorhydrique HCI pour produire du chloroéthane CHrCH2CI.

RÉACTIONS DE TRANSPOSITION Ce sont des réactions où en quelque sorte le composé réagit avec lui-même (en réalité, grâce à un catalyseur) ; elles correspondent à un déplacement des atomes dans le composé, sans que la formule brute soit modifiée.

Par exemple, le l·bromopropane (CHrCHrCH2Br).

traité en milieu acide, donne le 2-bromopropane (CHrCHBr-CH3), où l'on voit que l'atome de brome a changé de place dans la chaine carbonée.

CATALYSE Certaines réactions sont grandement facilitée, voire ne peuvent s'effectuer qu'en présence d'un composé qui pourtant ne semble pas participer à la réaction : on parle alors de catalyse, et le produit apparemment inerte est nommé catalyseur.

Un catalyseur accélère la réaction en se liant avec une partie d'un réactif (contribuant donc à briser les liaisons de celui-ci), avant de céder à son tour cette partie au second réactif.

On le retrouve donc inchangé à l'issue du processus.

LES HYDROCARBURES La nomenclature des hydrocarbures -des molécules composées principalement de carbone et d'hydrogène organisés en chaine linéaire- sert de base à la formation des noms des produits de toute une branche de la chimie : la chimie organique.

Le préfixe.

d'origine grecque, indique le nombre d'atomes de carbone présent dans la molécule.

Les quatre premiers dans l'ordre croissant du nombres d'atomes de carbone ont reçu des noms que l'on dit « triviaux », c'est-à-dire qu'ils ont été nommés à partir de particularités organoleptiques d'un composé dont ils dérivent • Le méthane (1 atome de carbone) dérive du méthylène, plus connu au xtx' siècle sous le nom d'« esprit de bois », ce que les chimistes de l'époque ont tenté de traduire avec les mots grecs methu « alcool » et hulé « bois ».

• L'éthane (2 atomes de carbones) est particulièrement inflammable et doit son nom au verbe grec oithein « faire brûler ».

• Le nom du propane (3 atomes de carbone) découle de l'acide propionique qui a la même chaine carbonée et qui est un acide gras.

gras se disant piôn en grec.

• Le butane a 4 atomes de carbone, comme l'acide butyrique dont dérive son nom et qui est présent dans le beurre rance, butyrum en latin, lui-même du grec bouturon.

• Au-delà de 5 atomes de carbone, les noms des hydrocarbures se forment à partir de préfixes numériques : le pentane a 5 atomes de carbone.

l'hexane 6, l'heptane 7, l'octane 8 et ainsi de suite.

Le suffixe indique la classe chimique du composé, c'est-à-dire les particularités de sa chaine carbonée et de certains radicaux ; • pour les hydrocarbures saturés simples, c'est le suffixe -ane (propane, butane) ; • les hydrocarbures insaturés portent le suffixe -ène (méthylène.

propylène) lorsqu'ils renferment une seule double liaison, et -diène, -triène, etc., lorsqu'ils en renferment deux ou plus ; une triple liaison se marque par le suffixe -yne ; • les hydrocarbures porteurs d'un radical -OH sont des alcools et se signalent par le suffixe -anol, comme l'éthanol (alcool éthylique).

La chaine carbonée de certains hydrocarbures se referme sur elle-même, on les marque du préfixe cyclo· ; un cas particulier est constitué par la liaison benzénique où un électron est commun à 5 atomes de carbone.

Certaines réactions qui se produisent lorsque les réactifs sont dissous dans l'eau (réactions en solution aqueuse) ont une importance particulière : ce sont celles où se déroule un transfert d'électrons (réactions d'oxydoréduction) ou un transfert de protons -en réalité, d'ions H+ liés chacun à une molécule d'eau, formant l'ion H3o+ (réactions acide-basiques).

NOTION DE POTENTIEL CHIMIQUE A cause du milieu où elles se déroulen� les réactions acide-basiques et d'oxydoréduction sont toujours partielles : un équilibre s'établit dans la solution entre les réactifs et les produits.

Le rapport de leurs concentrations respectives est, à température et pression constantes.

caractéristique de l'élément en jeu, ce qui permet de définir, pour chaque élément pouvant participer à ces réactions.

un potentiel chimique qui mesure la « facilité » avec laquelle il réagit.

Les différences de potentiel entre plusieurs éléments permettent de prévoir le comportement d'une solution où sont présents plusieurs réactifs différents.

lA NOMENCLATURE CHIMIQUE Pour le chimiste, l'une des principales difficultés est de connaître la formule chimique des composés qu'il utilise ou qu'il doit synthétiser.

Il est facile de retenir la formule des produit les plus courants (NaOH pour la soude, CHrCOOH pour le vinaigre blanc, NaCIO pour l'eau de Javel, NH4CI pour le sel ammoniac.

..

).

mais comment savoir de quoi sont composés l'aspirine, le Nylon ou le PVC? Pour pouvoir facilement identifier la structure moléculaire d'un composé, les scientifiques ont mis au point une nomenclature internationale.

A côté d'un nom usuel simple, chaque molécule possède un nom technique qui détaille ses composants ; pour un chimiste, la soude (NaOH) est de l'hydroxyde de sodium, le vinaigre blanc (CHrCOOH) est de l'acide acétique, l'eau de Javel (NaCIO) de l'hypochlorite de sodium, et le sel ammoniac (NH4CI) du chlorure d'ammonium.

Vu leur complexité et leur importance, tant dans l' industrie que dans le métabolisme des êtres vivants, les hydrocarbures sont désignés à l'aide d'une nomenclature spécifique.. »