L'équation de réaction et son équilibrage

Lorsqu'on allume un brûleur de la gazinière, le méthane ($\text{CH}_4$) réagit avec le dioxygène de l'air et se transforme en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau. Le schéma montre les particules de chaque espèce chimique :

Indiquer quels sont les réactifs et quels sont les produits de cette réaction.

Compléter la phrase avec les mots manquants : « Dans une équation de réaction, les espèces chimiques qui se transforment s'appellent $\dots$ et s'écrivent à $\dots$ de la flèche ; les nouvelles espèces qui se forment s'appellent $\dots$ et s'écrivent à $\dots$ ».

Nadia dit : « Quand on brûle une feuille de papier, de la matière disparaît, car les cendres pèsent beaucoup moins que le papier de départ ». A-t-elle raison ? Justifier la réponse en pensant à toutes les espèces chimiques qui interviennent et qui se forment, y compris les gaz.

Que signifie l'indice $2$ dans $\text{H}_2$ ? Et le coefficient $2$ placé devant dans $2\ \text{H}_2\text{O}$ ? Expliquer avec ses propres mots la différence entre indice et coefficient.

Combien d'atomes de chaque élément y a-t-il au total dans $3\ \text{CO}_2$ ? Et dans $2\ \text{H}_2\text{O}$ ? La figure montre ces molécules :

Expliquer comment on compte les atomes lorsqu'une formule est précédée d'un coefficient.

Pour « équilibrer » l'équation $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, un élève modifie le produit et écrit $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}_2$. Expliquer pourquoi cette astuce est interdite : quelle espèce chimique est en réalité $\text{H}_2\text{O}_2$ et que signifie modifier un indice dans une formule.

Pourquoi faut-il équilibrer les équations de réaction avant de les utiliser ? Nommer la loi sur laquelle repose l'équilibrage et l'expliquer par une phrase simple sur ce qui arrive aux atomes lors d'une réaction.

Compter les atomes d'hydrogène et d'oxygène de chaque côté de l'équation $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, représentée avec des particules sur la figure, et dire, sans la modifier pour l'instant, si elle est équilibrée ou non. Justifier la réponse.

Dans un récipient fermé, $12\ \text{g}$ de carbone brûlent complètement avec $32\ \text{g}$ de dioxygène et il se forme du dioxyde de carbone. Le schéma représente le récipient fermé avant et après la réaction :

Quelle masse de dioxyde de carbone obtient-on ? Sur quelle loi s'appuyer pour l'affirmer sans avoir besoin de le peser ?

On place une bougie allumée sur une balance de précision dans deux situations :

1. a) À l'air libre : la balance indique de moins en moins à mesure que la bougie se consume.
2. b) Sous une cloche en verre hermétique : l'indication ne change presque pas.

La figure montre les deux montages :

Expliquer les deux résultats en utilisant la conservation de la masse et justifier si, dans l'un des cas, de la matière « disparaît » réellement.

Équilibrer par tâtonnement l'équation de formation de l'eau : $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Écrire les coefficients nécessaires à chaque espèce.

Le gaz naturel de nombreuses maisons est du méthane. Équilibrer par tâtonnement sa combustion : $\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Indiquer les coefficients dans l'ordre d'apparition des espèces.

L'ammoniac est fabriqué dans l'industrie à partir de diazote et de dihydrogène, puis utilisé pour produire des engrais. Équilibrer l'équation : $\text{N}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{NH}_3$.

Le magnésium des feux de Bengale et des feux d'artifice brûle avec une lumière blanche très intense et il se forme de l'oxyde de magnésium. Équilibrer l'équation : $\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MgO}$.

Lorsque le fer s'oxyde complètement, il se forme de l'oxyde de fer(III). Équilibrer l'équation : $\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3$. Vérifier ensuite en comptant les atomes de chaque élément de part et d'autre.

Le butane des bouteilles de gaz, $\text{C}_4\text{H}_{10}$, brûle avec le dioxygène de l'air et forme du dioxyde de carbone et de l'eau.

1. a) Équilibrer l'équation : $\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$.
2. b) Vérifier, en comptant les atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène de part et d'autre, que l'équilibrage respecte la conservation des atomes.

L'eau oxygénée de la pharmacie familiale, $\text{H}_2\text{O}_2$, se décompose peu à peu en eau et en dioxygène.

1. a) Équilibrer l'équation : $\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$.
2. b) Le flacon d'eau oxygénée indique qu'il faut le conserver bien fermé, dans un endroit frais et sombre. Relier ces consignes à la réaction précédente et expliquer ce qui se passerait si elles n'étaient pas respectées.

La fine couche qui protège de la corrosion les pièces en aluminium d'un avion se forme lorsque le métal réagit avec le dioxygène de l'air.

1. a) Équilibrer l'équation : $\text{Al} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3$.
2. b) Expliquer pourquoi, lorsqu'on équilibre par tâtonnement, il est préférable de commencer par un élément qui apparaît dans une seule espèce de chaque côté de la flèche.

Lire attentivement l'équation $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$ et expliquer avec ses propres mots ce qu'elle indique : combien de molécules de chaque espèce réagissent et combien de molécules se forment.

L'équation équilibrée de la combustion du méthane est $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. On brûle $5$ molécules de méthane :

1. a) Combien de molécules de dioxygène sont consommées ?
2. b) Combien de molécules de dioxyde de carbone et combien d'eau se forment ?

Dans un récipient fermé, $10\ \text{g}$ d'une espèce A réagissent complètement avec $5\ \text{g}$ d'une espèce B et on obtient $12\ \text{g}$ d'une espèce C ainsi qu'une certaine masse d'une espèce D. Le schéma résume les masses connues :

1. a) Quelle masse de D s'est formée ?
2. b) Justifier le calcul en énonçant la loi appliquée.

L'équation équilibrée de la formation de l'eau est $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. Quelqu'un propose de diviser tous les coefficients par deux et d'écrire $\text{H}_2 + \frac{1}{2}\ \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$.

1. a) La conservation des atomes serait-elle encore respectée ?
2. b) Quel problème y a-t-il à parler de « demi-molécule » de dioxygène ?
3. c) Justifier pourquoi, par convention, les coefficients d'une équation équilibrée sont des nombres entiers les plus simples possible.

Expliquer, à l'aide du modèle particulaire, ce qui se passe exactement pour les atomes lors d'une réaction chimique : ce qui arrive aux atomes des réactifs, pourquoi leur nombre total ne change pas et en quoi une réaction chimique diffère d'un simple mélange d'espèces chimiques. Illustrer l'explication avec la réaction du dihydrogène avec le dioxygène pour former de l'eau, représentée avec des particules sur la figure :

Certaines fusées utilisent le dihydrogène comme carburant, qui brûle avec le dioxygène et forme de la vapeur d'eau.

1. a) Écrire l'équation de la réaction et l'équilibrer.
2. b) Si, lors d'un essai au sol, $100$ molécules de dihydrogène brûlent, combien de molécules de dioxygène sont consommées et combien de molécules d'eau se forment ?
3. c) Combien d'atomes d'hydrogène y a-t-il au total avant la réaction ? Et après ? Relier la réponse à la loi de conservation.