Acides, métaux, combustions et CO₂
En hiver, la chaudière à gaz de ta maison brûle du méthane. Un vieux clou oublié dans le jardin se couvre de rouille. Une voiture émet du CO₂ à chaque kilomètre. Ces trois situations sont des transformations chimiques. Comment les décrire avec des réactifs et des produits, et pourquoi le CO₂ modifie-t-il le climat ?
Décrire une transformation chimique
Dans une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent : ce sont les réactifs. D'autres apparaissent : ce sont les produits. On écrit le bilan avec une flèche :
réactifs → produits
On peut l'écrire en mots (« fer + acide chlorhydrique → dihydrogène + ions fer II ») ou avec une équation de réaction en formules.
Quand l'un des réactifs est entièrement consommé, la réaction s'arrête : c'est le réactif limitant. L'autre réactif, resté en partie, est dit en excès.
Lors de la combustion d'un morceau de charbon (carbone) dans le dioxygène, $12\ \text{g}$ de carbone réagissent avec $32\ \text{g}$ de dioxygène. a) Quelle masse de…
Lors de la combustion d'un morceau de charbon (carbone) dans le dioxygène, $12\ \text{g}$ de carbone réagissent avec $32\ \text{g}$ de dioxygène.
- a) Quelle masse de dioxyde de carbone se forme ? Justifier par la conservation de la masse.
- b) Que se passe-t-il si le dioxygène est en quantité insuffisante ?
Acides et métaux
Certains métaux (fer, zinc, aluminium) réagissent avec une solution acide, comme l'acide chlorhydrique ($\text{H}^+ + \text{Cl}^-$). On observe un dégagement de bulles : c'est du dihydrogène $\text{H}_2$.
Bilan en mots :
métal + acide chlorhydrique → dihydrogène + ions métalliques en solution
Pour le fer : fer + acide chlorhydrique → dihydrogène + ions fer II ($\text{Fe}^{2+}$) + ions chlorure. Pour le zinc, on obtient des ions zinc $\text{Zn}^{2+}$.
Le gaz s'identifie grâce au test de la flamme : une flamme approchée de l'ouverture du tube produit une petite détonation (« pop »). C'est le test du dihydrogène.
Les ions métalliques se repèrent avec de la soude (hydroxyde de sodium) : $\text{Fe}^{2+}$ donne un précipité vert, $\text{Zn}^{2+}$ un précipité blanc, $\text{Cu}^{2+}$ un précipité bleu.
On fait réagir de l'acide chlorhydrique sur du fer. a) Quels sont les produits formés ? b) Écrire le bilan en mots. c) Quel ion métallique est présent en solution et…
On fait réagir de l'acide chlorhydrique sur du fer.
- a) Quels sont les produits formés ?
- b) Écrire le bilan en mots.
- c) Quel ion métallique est présent en solution et comment le mettre en évidence ?
On fait réagir, dans un flacon fermé, $m = 1,0\ \text{g}$ de zinc avec un excès d'acide chlorhydrique. On observe un dégagement gazeux, puis la réaction s'arrête quand…
On fait réagir, dans un flacon fermé, $m = 1,0\ \text{g}$ de zinc avec un excès d'acide chlorhydrique. On observe un dégagement gazeux, puis la réaction s'arrête quand tout le zinc a disparu.
- a) Identifier le gaz et le test associé.
- b) Quel est le réactif limitant ? Justifier.
- c) Si l'on double la masse de zinc avec la même quantité d'acide (supposée encore en excès), que peut-on prévoir ? Justifier.
- d) Pourquoi la masse totale du système fermé reste-t-elle constante ?
La corrosion du fer
Le fer exposé à l'air humide se transforme lentement en rouille : c'est la corrosion. Il faut deux réactifs : le dioxygène de l'air et l'eau. Sans l'un des deux, pas de rouille.
Pour protéger le fer, on l'isole de l'air et de l'eau : peinture, vernis, huile, ou une couche de zinc (acier galvanisé). La rouille est friable et laisse l'intérieur du métal à nu, ce qui permet à la corrosion de continuer en profondeur. La rouille n'est pas protectrice, contrairement à la fine couche d'oxyde qui protège l'aluminium.
Un vieux clou de fer exposé à l'air humide se recouvre de rouille. a) Comment appelle-t-on ce phénomène ? b) Citer les deux réactifs de cette transformation : le métal…
Un vieux clou de fer exposé à l'air humide se recouvre de rouille.
- a) Comment appelle-t-on ce phénomène ?
- b) Citer les deux réactifs de cette transformation : le métal et le gaz de l'air qui réagit avec lui.
- c) Proposer une façon de protéger le clou.
Les combustions
Une combustion est une réaction entre un combustible (bois, charbon, méthane, essence) et un comburant, le dioxygène de l'air. Elle libère de l'énergie sous forme de chaleur et de lumière.
Combustion complète (assez de dioxygène) : les produits sont du dioxyde de carbone et de l'eau.
méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau
$$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$Pour vérifier qu'une équation est équilibrée, on compte les atomes de chaque côté :
| Élément | Réactifs | Produits |
|---|---|---|
| C | 1 | 1 |
| H | 4 | $2 \times 2 = 4$ |
| O | $2 \times 2 = 4$ | $2 + 2 \times 1 = 4$ |
Les nombres sont égaux : l'équation est équilibrée.
Test du dioxyde de carbone : on le fait barboter dans l'eau de chaux, qui se trouble (elle devient blanche, laiteuse).
Combustion incomplète (manque de dioxygène) : il se forme du carbone (suie) et du monoxyde de carbone $\text{CO}$. Ce gaz est incolore, inodore et très toxique : il se fixe sur le sang à la place du dioxygène. Chaque année, des intoxications ont lieu à cause de chaudières ou de poêles mal entretenus.
La combustion complète du méthane dans le dioxygène produit du dioxyde de carbone et de l'eau. a) Citer les réactifs et les produits. b) Quel test permet d'identifier le…
La combustion complète du méthane dans le dioxygène produit du dioxyde de carbone et de l'eau.
- a) Citer les réactifs et les produits.
- b) Quel test permet d'identifier le dioxyde de carbone ?
Dans une chaudière à gaz, on brûle du méthane $\text{CH}4$. L'équation est $\text{CH}4 + 2\,\text{O}2 \rightarrow \text{CO}2 + 2\,\text{H}2\text{O}$. a) Vérifier que…
Dans une chaudière à gaz, on brûle du méthane $\text{CH}_4$. L'équation est $\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$.
- a) Vérifier que l'équation est équilibrée en comptant les atomes.
- b) Une combustion incomplète peut produire du monoxyde de carbone $\text{CO}$. Pourquoi est-ce dangereux dans un logement ?
- c) Expliquer le rôle de l'aération.
CO₂ et effet de serre
Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre : il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre et le renvoie vers le sol. Ce phénomène naturel maintient une température moyenne agréable, mais l'intensifier trop réchauffe la planète.
Principaux gaz à effet de serre et sources humaines :
| Gaz | Activité humaine |
|---|---|
| Dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ | Combustion du pétrole, du gaz, du charbon (transports, chauffage, centrales) |
| Méthane $\text{CH}_4$ | Élevage de bovins, riziculture, fuites de gaz |
| Protoxyde d'azote $\text{N}_2\text{O}$ | Engrais agricoles |
Depuis le XIXᵉ siècle, la combustion des énergies fossiles a fait passer la concentration de $\text{CO}_2$ de $280\ \text{ppm}$ à plus de $420\ \text{ppm}$.
Pour réduire ses émissions : utiliser les transports en commun (TER, tram, métro), le vélo ou le covoiturage, mieux isoler son logement, baisser le chauffage d'un degré.
Sur une année, les émissions s'additionnent : pour $12\,000\ \text{km}$ parcourus à $120\ \text{g/km}$, on obtient $12\,000 \times 120 = 1\,440\,000\ \text{g}$, soit $1\,440\ \text{kg}$ de CO₂.
Citer trois gaz à effet de serre et, pour chacun, une activité humaine qui contribue à son émission.
Citer trois gaz à effet de serre et, pour chacun, une activité humaine qui contribue à son émission.
Une voiture parcourt $100\ \text{km}$ et émet en moyenne $120\ \text{g}$ de $\text{CO}2$ par kilomètre. a) Calculer la masse de $\text{CO}2$ émise pour ce trajet, en kg.…
Une voiture parcourt $100\ \text{km}$ et émet en moyenne $120\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$ par kilomètre.
- a) Calculer la masse de $\text{CO}_2$ émise pour ce trajet, en kg.
- b) Un habitant de Lyon fait $12\ 000\ \text{km}$ par an. Calculer la masse annuelle de $\text{CO}_2$ émise, en kg.
- c) Citer deux gestes pour réduire ces émissions.
Depuis le XIXᵉ siècle, la concentration de $\text{CO}2$ dans l'atmosphère est passée d'environ $280\ \text{ppm}$ à plus de $420\ \text{ppm}$. a) Calculer l'augmentation…
Depuis le XIXᵉ siècle, la concentration de $\text{CO}_2$ dans l'atmosphère est passée d'environ $280\ \text{ppm}$ à plus de $420\ \text{ppm}$.
- a) Calculer l'augmentation en pourcentage.
- b) Relier cette hausse à la combustion des énergies fossiles.
- c) Expliquer en quelques lignes comment cette hausse modifie le climat.
Retour au début : la chaudière, la rouille et la voiture sont des transformations où des réactifs donnent des produits. La combustion du méthane rejette du CO₂, gaz à effet de serre dont la hausse réchauffe le climat.
L'essentiel
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Une transformation chimique transforme des réactifs en produits ; la masse totale se conserve dans un système fermé et les atomes se conservent.
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Métal + acide → dihydrogène (test : détonation à la flamme) + ions métalliques (soude : $\text{Fe}^{2+}$ vert, $\text{Zn}^{2+}$ blanc, $\text{Cu}^{2+}$ bleu).
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La corrosion du fer demande dioxygène et eau.
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Combustion complète : combustible + dioxygène → $\text{CO}_2$ + eau (test : eau de chaux). Incomplète : $\text{CO}$ toxique et suie.
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Le $\text{CO}_2$, le méthane et le protoxyde d'azote sont des gaz à effet de serre : réduire les combustions fossiles limite le réchauffement.