3.1 L’étincelle d’une bougie Les propriétés chimiques...

Un moteur à combustion interne, comme celui d’une automobile,

fonctionne à l’aide d’un mélange gazeux qui s’enflamme

grâce à des bougies d’allumage. Comment une simple étincelle

peut-elle entraîner le démarrage d’un moteur ?

Quelles sont les propriétés chimiques des gaz

qui permettent cette réaction ?

Est-ce que tous les gaz possèdent la même réactivité chimique ?

�

Les propriétéschimiques des gaz

129

3CHAPITRE

3.1 L’étincelle d’une bougied’allumage.

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LABO8. LES PROPRIÉTÉS

CHIMIQUES DES GAZ

Certains gaz participent à plusieurs réactions chimiques : par exemple, le dioxy -gène joue un rôle important dans la respiration cellulaire et dans l’oxydation (lacorrosion) du fer. D’autres gaz, comme le difluor, sont réactifs à un point tel qu’ilssont très difficiles à conserver sous forme gazeuse. D’autres, comme le diazote,sont relativement stables et ne réagissent que dans des conditions particulières.

Qu’est-ce qui fait qu’un gaz est plus ou moins réactif, ou plus ou moins stable ?

● Comme une réaction chimique est une question de changement de liaisonsentre les atomes, la réactivité chimique dépend d’abord de la force d’attractionqui existe entre le noyau des atomes et leurs électrons de valence. Elle dépendensuite de la tendance des atomes à gagner ou à perdre des électrons (voir lasection sur les molécules, dans l’introduction de cet ouvrage).

● Par ailleurs, comme une réaction chimique est aussi une question d’énergie, laréactivité d’une substance dépend également du bilan énergétique de la réac-tion à laquelle elle serait susceptible de prendre part. Ce bilan énergétique cor-respond à la différence entre l’énergie absorbée lors du bris de liaisons etl’énergie dégagée lors de la formation de nouveaux liens. (Voir la section sur lebilan énergétique, dans le chapitre 4.)

Nous expliquerons plus en détail la réactivité chimique de certains groupes de gazdans les pages qui suivent. Mais d’abord, la page suivante présente un résumé dela façon d’exploiter les connaissances relatives à cette réactivité.

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130 PARTIE I ❙ L E S G A Z ❙ THÉORIE

Dans ce chapitre, nous étudierons les propriétés chimiques de quelques gaz ougroupes de gaz. Leur étude nous permettra de mieux comprendre comment cespropriétés ont pu mener à des applications technologiques.

Nous verrons aussi comment planifier une réaction qui fait intervenir des gaz eneffectuant des calculs stœchiométriques.

Le comportement des gaz (voir le chapitre 2) et quelques-unes de leurs propriétésphysiques (voir le chapitre 1) peuvent être généralisés à l’ensemble des substancesgazeuses. En revanche, les propriétés chimiques sont caractéristiques d’un seulgaz ou d’un seul groupe de gaz. La réactivité chimique d’un gaz, c’est-à-dire safaçon de réagir chimiquement dans certaines conditions, constitue ainsi l’une despropriétés qui servent à distinguer ce gaz d’un autre.

3.1 La réactivité chimique des gazCONCEPTS DÉJÀ VUS

o Propriétés caracté -ristiques chimiques

o Propriétés caracté -ristiques physiques

o Transformationschimiques

o Modèle atomiquesimplifié

o Tableau périodiqueo Effet de serre

DÉFINITION

La réactivité chimique d’une substance est sa capacité à réagir sous l’effet dela chaleur, de la lumière ou du contact avec d’autres substances.

3.2 Quelques symboles de danger qu’il estimportant dereconnaître lorsqu’onmanipule des gaz au laboratoire ou à lamaison.Matières

comburantesMatières

inflammables et combustibles

Gaz comprimés

Matières toxiques

Matièresdangereusement

réactives

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© ERPI Reproduction interdite

CHIMIE �

CHAPITRE

3

CHAPITRE 3 � LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES GAZ � THÉORIE 131

L’IDENTIFICATION D’UN GAZ

Dans certains cas, il est possible de reconnaîtreun gaz à sa façon de réagir chimiquement. Parexemple, si un gaz brouille l’eau de chaux, ilest fort pro bable qu’il s’agit de dioxyde de car -bone. L’annexe 3, Les propriétés de quelquessub stances cou rantes, présente différentesproprié tés chi miques qui peuvent aider à iden-tifier un gaz.

3.3

La formation d’un précipité blanc dans l’eau de chauxindique la présence de dioxyde de carbone.

L’UTILISATION D’UN GAZ

On exploite les propriétés chimiques des gazdans plusieurs applications (voir l’annexe 3).Par exemple, le méthane, principal constituantdu gaz naturel, est un excellent combustible. Ilconstitue la plus propre des sources d’énergiefossile, même si, en brûlant, il dégage une cer-taine quantité de dioxyde de carbone, un gaz àeffet de serre.

3.4

Le gaz naturel que certains utilisent comme combus-tible contient du méthane dans une proportion d’aumoins 90%.

LA MANIPULATION D’UN GAZ

La prudence est de mise lorsqu’on manipuledes gaz. D’abord, sous l’effet de la chaleur, lapression des gaz augmente. Lorsqu’ils sontconfinés dans un espace clos, il arrive que leurcontenant ne puisse supporter l’augmentationde la pression interne et qu’une explosion sur -vienne. De plus, outre ce phénomène phy sique,il peut y avoir risque d’incendie selon l’inflam -mabilité du gaz (sa capacité à brûler). Les conte -nants de gaz comprimés portent générale-ment des symboles qui mettent en garde lesutilisateurs.

3.5

Un gaz renfermé dans un contenant représente unrisque d’explosion lorsqu’il est exposé à la chaleur. Il y a aussi risque d’incendie si le gaz est inflammable.

3.6

Il est recommandé d’installer un détecteur demonoxyde de carbone dans les domiciles dotés d’unfoyer au gaz ou au bois.

LA PROTECTION CONTRE LA TOXICITÉ D’UN GAZ

Fait important à retenir : tous les gaz inhalés,qu’ils soient toxiques ou non, peuvent causerla suffocation et l’asphyxie lors qu’ils prennentla place du dio xy gène dans l’orga nisme. Cer -tains gaz, comme le monoxyde de carbone,sont de véritables poisons. Même à de faiblesconcen trations, ces gaz peuvent causer uneintoxication, et parfois la mort. Il faut donc seprémunir des risques liés à la toxicité des gazen utilisant des détecteurs ou des masques deprotection, par exemple.



132 PARTIE I � LES GAZ � THÉORIE

Les gaz noblesÀ cause de leur configuration électronique, les gaz nobles (voir la dernière colonnedu tableau périodique) sont des éléments très stables chimiquement. Comme leurdernière couche électronique est saturée (voir l’exemple du néon à la FIGURE 3.7), ils n’ont pas tendance à perdre ou à gagner des électrons pourformer un lien chi mique avec d’autres atomes. C’est pour cetteraison qu’on les trouve sous forme d’éléments simples dans lanature.

Le plus abondant des gaz nobles est l’argon. Il constitue environ1% de l’air. Quant à l’hélium, comme il est très léger, il a tendanceà s’élever dans l’atmosphère et à s’en échapper. Les autres gaznobles ne se trouvent qu’à de très faibles concentrations dansl’air, d’où leur surnom de «gaz rares».

Dans certaines applications, commeles tubes fluorescents, les ampoulesincandescentes ou la soudure à l’arc(voir la FIGURE 3.8), les gaz noblespeuvent constituer un milieu inerteen remplacement de l’air. Un milieu inerte est un milieu qui necontient aucune substance susceptible de réagir chimiquementavec la ou les substances en cause dans l’application.

CONCEPT DÉJÀ VU

o Air (composition)

10 p+

10 n

3.7

La dernière couche électronique des gaznobles comme le néon est saturée, puisqu’ellecomporte le maximum d’électrons de valence.

ÉTYMOLOGIE

« Inerte » vient du motlatin iners, qui signifie« inactif, sans énergie».

Les gaz comburantsUn comburant est une substance qui cause la combustion. Plusieurs comburantssont gazeux aux conditions ambiantes. Le comburant le plus répandu sur la Terreest le dioxygène gazeux (O2). Il constitue environ 21% de l’atmosphère terrestre.Il favorise le maintien de la vie en participant à la respiration cellulaire. Il permetaussi le fonctionnement de plusieurs applications, comme les automobiles ou cer-tains systèmes de chauffage, en y assurant une combustion contrôlée. La FIGURE 3.9montre une chambre de combustion d’un moteur à essence dans laquelle le di-oxygène de l’air réagit avec le carburant, ce qui entraîne le mouvement du pistondans le cylindre.

CONCEPTS DÉJÀ VUS

o Combustiono Couches del’atmosphère

o Contamination(atmosphère)

3.8

L’argon sert de gaz de protection pour la soudure à l’arc.

Néon


L’ozone (O3), qui constitue une forme très réactive de l’oxygène, est aussi uncomburant, mais il est très toxique. C’est un gaz bleu pâle à l’odeur légèrementpiquante, qui est à l’origine du smog lorsqu’il se forme dans la troposphère.

Le difluor et le dichlore sont des comburants de la famille des halogènes (voir l’a-vant-dernière colonne du tableau périodique). Le fluor est l’élément chimique leplus réactif. En effet, il ne manque qu’un électron à l’atome de fluor pour remplirsa dernière couche électronique. De plus, le noyau de cet atome exerce unegrande force d’attraction, étant donné la courte distance qui le sépare de sa der -nière couche d’électrons (voir la FIGURE 3.10). Le fluor se conserve donc très diffi-cilement, il possède même la capacité d’attaquer le verre et plusieurs métaux. Cegaz a peu d’applications. On utilise plutôt les composés du fluor, comme les fluo-rures (sels de fluor) qu’on trouve dans le dentifrice, ou le polytétrafluoroéthylène,un polymère contenant du fluor et qui compose le téflon.

Le dichlore est un gaz jaune-vert très toxique, ayant une odeur suffocante. Il est trèsréactif, comme le montre la FIGURE 3.11. C’est pourquoi on le trouve principalementsous forme de composés, comme le chlorure de sodium (sel de table). Il arrive parfoisqu’en mélangeant certains produits de nettoyage, comme l’eau de Javel (hypo -chlorite de sodium, NaOCl), avec un acide ou un nettoyant à base d’ammoniac, il yait dégagement de dichlore gazeux, ce qui peut s’avérer très dangereux.


CHIMIE �

CHAPITRE

3


3.9 Une chambre decombustion d’unmoteur à essence.

Bougie d’allumage

Mélange air-carburant

Soupape

PistonCylindre

9 p+

10 n

3.10

Le fluor n’a que deux couches électroniques et il ne lui manque qu’un électron pour comblersa dernière couche.

3.11

Le dichlore réagit vivement avec le sodiumpour former du chlorure de sodium.

Fluor




Les gaz combustiblesUn combustible est une substance inflammable qui a la capacité de brûler enprésence d’un comburant tout en dégageant une grande quantité d’énergie. Unecombustion nécessite donc la présence d’un comburant, d’un combustible et unecertaine température d’ignition, comme le montre la FIGURE 3.12.

Certaines substances dérivées des organismes vivants, comme le méthane (CH4),le propane (C3H8) ou le butane (C4H10), sont des combustibles. On appelle«hydro carbures» celles qui ne contiennent que des atomes d’hydrogène et de car-bone. Cepen dant, seuls les hydrocarbures à faible masse molaire (méthane,propane et butane) sont gazeux aux conditions ambiantes. En brûlant, ces sub-stances produisent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre. Par exemple :

Combustion du méthane: CH4(g) + 2 O2(g) � CO2(g) + 2 H2O(l)

CONCEPT DÉJÀ VU

o Ressourcesénergétiques

3.12

Le triangle du feu illustre la relation qui existe entre les trois élémentsnécessaires à une combustion.

3.13

Le butane peut servir de combustible pour lesréchauds portatifs, comme ceux qu’on emploieen camping.

Le dihydrogène est aussi un excellent combustible. Toutefois, on ne le trouve presquepas à l’état gazeux dans l’atmosphère terrestre. En effet, il s’en échappe facilement,car il est très léger (c’est le gaz qui a la plus petite masse molaire, soit 2,02 g/mol).De plus, il est très réactif : il a la capacité de réagir autant avec les métaux qu’avec lesnon-métaux, mais il réagit particulièrement en présence de dioxygène. Pour qu’il soitdisponible, il faut donc l’extraire à l’aide de moyens chimiques.

Le dihydrogène est utilisé notamment comme carbu-rant pour alimenter les moteurs des fusées. On fondebeaucoup d’espoir sur l’utilisation du dihydrogènecomme combustible propre de l’avenir, car il a l’avan-tage de ne produire que de l’eau lors de sa combus-tion:

Combustion du dihydrogène: 2 H2(g) + O2(g) � 2 H2O(l)

Températured’ignition

Combustible

Comburant

ÉTYMOLOGIE

«Hydrogène» vient desmots grecs hûdor, quisignifie «eau», et gennân,qui signifie «engendrer».


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CHAPITRE 3 ❙ L E S P R O P R I É T É S C H I M I Q U E S D E S G A Z ❙ THÉORIE 135

À l’heure du réchauffement climatique et de la fin annon céedes ressources pétrolières, l’hydrogène, un vecteur d’énergiepropre et inépuisable, fait rêver les ingénieurs. Surpuissant(1 kg d’hydrogène = 3 kg d’essence), il peut être utilisé pourfaire fonctionner nos appareils et nos usines et, surtout, pour propulser nos véhicules.

Qu’est-ce qu’on attend pour s’y mettre ? Plusieurs défistechnologiques doivent encore être surmontés…

D’abord, le stockage: 1 L d’essence équivaut en volume à1500 L d’hydrogène. Pour alimenter nos appareils, il fautabsolument comprimer le gaz. Les chercheurs tentent demettre au point un matériau composite fiable, léger et résistantafin de stocker le carburant comprimé hautement explosif.

La conception des piles à combustible, essentielles à laconversion de l’hydrogène en énergie, représente aussi un défi. Leur membrane électrolyte doit contenir du platine, unmétal aussi onéreux que fragile. Pour que les coûts soientcompatibles avec le marché, il faut réduire la quantité de platine par 10, voire par 50, ce qu’on ne sait pas faireaujourd’hui.

Autre casse-tête : la production de l’hydrogène. Il faut de l’énergie pourl’extraire des molécules d’eau. Actuellement, les 20 milliards de mètres cubesd’hydrogène produits dans le monde sont à 90 % issus… des hydrocarbures !

Adapté de : L’Express, Hydrogène : en route vers le futur [en ligne]. (Consulté le 28 novembre 2008.)

Les défis de l’hydrogène

ARTICLE TIRÉ D’INTERNET

Les gaz à effet de serre, tels que la vapeur d’eau, ledioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux(N2O), se trouvent naturellement en suspension dansl’atmosphère. Ils forment une sorte de bouclier quiretient sur la Terre une partie de l’énergie transmisepar le Soleil. Sans l’effet de serre, la températuremoyenne terrestre ne serait que de –18 °C.

Néanmoins, au cours du dernier siècle, l’indus tria -lisation, l’exploitation massive des combustibles fos-siles et le déboisement des forêts au profit des terresagricoles ont contribué à l’augmentation de la concen-tration des gaz à effet de serre dans l’atmo sphère. Cesurplus occasionne un réchauffement planétaire quientraîne différents changements climatiques : la fontedes glaciers et des banquises, la montée graduelle duniveau des océans, une modification du régime desprécipitations, etc.

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3.14

L’effet de serre.

Atmosphère

Gaz à effetde serre

Soleil

Une pile à combustible fournit del’énergie grâce à la combustion dudihydrogène.

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Quelques autres gazLE DIAZOTE

L’azote est un élément essentiel à la vie, car il entre dansla fabrication de l’ADN et des protéines. Tou te fois, lamajorité des organismes vivants ne peuvent l’absorberdirectement du diazote del’air. Le diazote est une molé -cule très stable, constituée dedeux atomes d’ azote, dontla liaison triple est très diffi -cile à briser.

Pour que les plantes puissent l’assimiler, l’azote doitd’abord être lié à d’autres éléments, par exemple à l’hydro - gène sous forme de NH3 ou de NH4

+. Certaines bactéries,notamment celles qui vivent dans les racines des légu-mineuses (voir la FIGURE 3.15), possèdent les mécanismesnéces saires pour fixer l’azote et pour le rendre disponibleaux autres organismes de la chaîne alimentaire.

La grande stabilité chimique du diazote peut être exploitée dans les applicationsqui nécessitent un milieu inerte. Par exemple, pour empêcher l’oxydation des ali-ments, on les entrepose dans des contenants remplis uniquement de diazote.

LES GAZ RÉFRIGÉRANTS

Théoriquement, tous les gaz pourraient servir de gaz réfrigérants. En effet, le prin -cipe de fonctionnement d’un appareil de réfrigération comporte un passage de laphase gazeuse à la phase liquide, et vice versa. Cependant, certains gaz sont plusefficaces pour cette application. Les premiers gaz utilisés à cette fin, comme ledioxyde de soufre (SO2), l’ammoniac (NH3) ou le chlorure de méthyle (CH3Cl),étaient toxiques ou inflammables.

On a cru par la suite que la découverte des chlorofluorocarbures, les CFC, aussiconnus sous le nom de «fréon», était la solution. En plus d’être très efficaces, lesCFC avaient l’avantage de ne pas être toxiques et d’être peu réactifs. De fait,lorsqu’ils parviennent à s’échapper, ces gaz peuvent atteindre la stratosphère sanscauser de problèmes. Malheureusement, une fois dans la stratosphère, ils détrui -sent la couche d’ozone. Pour cette raison, depuis 1987, des recommandationsproposées dans le «Protocole de Montréal» ont amené plusieurs pays à interdireou à limiter l’utilisation des CFC.

ÉTYMOLOGIE

«Azote» vient des motsgrecs a et zôê, qui signi-fient «sans vie».

3.15

Ces racines de fèves montrent des nodosités danslesquelles vivent des bactéries fixatrices d’azote.

3.16 On récupère les CFCque contiennent lesappareils réfrigérantsavant de les détruire,pour éviter lacontamination del’environnement.


Nom: Groupe : Date :


CHIMIE �

CHAPITRE

3

CHAPITRE 3 � LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES GAZ � EXERCICES 137

2. L’hélium est un gaz inerte. Même s’il n’est pas toxique pour l’être humain, il peut causer sa mort.Expliquez pourquoi.En prenant la place du dioxygène dans l’organisme, l’hélium inhalé peut causer la suffocation

et l’asphyxie.

3. Une bouteille contenant du diazote gazeux est exposée à une source de chaleur intense. Y a-t-il un risque que le gaz s’enflamme ? Expliquez votre réponse.Non, il n’y a pas de risque que le gaz s’enflamme, puisque le diazote n’est pas un gaz inflammable.

4. Lorsqu’on brûle des substances provenant des organismes vivants, quels sont les effets surl’environnement ? Expliquez votre réponse.Lorsqu’on brûle des substances provenant des organismes vivants, il y a production de dioxyde

de carbone, qui est un gaz à effet de serre.

5. Pourquoi le dihydrogène est-il considéré comme un combustible propre ?Parce que la combustion du dihydrogène ne produit que de l’eau.

1. Afin d’assurer la sécurité des gens qui manipulent des bouteilles de gaz, on appose sur les contenantsdes symboles qui indiquent les précautions à prendre selon la nature de la substance. Précisez ce quesignifie chacun des symboles suivants et les précautions à prendre dans chaque cas.

3.1 La réactivité chimique des gaz

a) Matières comburantes. Il faut éviter de mettre ces substances en présence

de combustibles pour éviter la combustion.

b) Matières inflammables et combustibles. Il faut éviter de mettre ces substances

en présence d’un comburant pour éviter la combustion.

c) Gaz comprimés. Il faut éviter de soumettre ces gaz à la chaleur, car leur

pression augmenterait et il pourrait en résulter une explosion.

Exercices




138 PARTIE I � LES GAZ � EXERCICES

6. Pour chacune des propriétés énumérées ci-dessous, indiquez s’il s’agit d’une propriété physique ou d’une propriété chimique des gaz et expliquez pourquoi.

a) L’ammoniac forme une fumée blanche en présence de chlorure d’hydrogène.C’est une propriété chimique, puisque la présence d’une fumée blanche indique la formation

d’un précipité, donc une transformation chimique.

b) Le point d’ébullition du diazote est de −196 °C.C’est une propriété physique, puisque l’ébullition est un changement physique.

c) Le dichlore rallume un tison incandescent.C’est une propriété chimique, puisque le dégagement de lumière indique qu’il y a une

transformation chimique.

d) Une bouteille qui contient de l’hélium peut exploser sous l’effet de la chaleur.C’est une propriété physique, puisque l’hélium ne réagit pas.

e) Le dichlore a une odeur suffocante.C’est une propriété physique, puisqu’elle ne suppose pas de transformation de la matière.

f) Le contact du méthane avec une flamme peut provoquer une explosion.C’est une propriété chimique, puisque le méthane est un combustible, donc l’explosion indiquerait

qu’il brûle.

7. Pour chacun des énoncés suivants, indiquez un gaz qui pourrait être approprié. Réponses variables. Exemples.

a) On cherche un combustible qui pourrait alimenter un appareil portatif.Butane, propane, méthane.

b) On cherche un gaz qui peut assurer une combustion.Dioxygène, dichlore.

c) On cherche un gaz qui offre un milieu neutre.Diazote, argon, hélium.

d) On cherche un combustible qui ne produit pas de gaz à effet de serre.Dihydrogène.

e) On cherche un gaz qui entre dans la fabrication de l’ADN, mais que seules quelques bactériespeuvent fixer.Diazote.

Consulter le Compagnon Web pour d’autres exercices en lien avec la section 3.1.


LABO9. LA COMPARAISON ENTRELE VOLUME DE GAZRECUEILLI ET CELUIDÉTERMINÉ PAR CALCULSSTŒCHIOMÉTRIQUES

Les volumes de gaz, contrairement auxmasses, ne sont pas conservés au coursde la réaction. Ils ne s’additionnent doncpas. En effet, comme le volume occupépar un gaz dépend de son nombre departicules et non de sa masse, le volumeoccupé par les réactifs n’est pas néces-sairement le même que celui occupé parles produits. Il en va de même lorsqu’uneréaction comporte plusieurs phases à lafois. La FIGURE 3.18 montre un exemple decette différence de volumes. La réactionillustrée produit un gaz qui fait gonfler leballon. Le volume de gaz augmente aufur et à mesure de la réaction.

© ERPI R

eproduction interdite

CHIMIE �

CHAPITRE

3


Les calculs stœchiométriques permettent d’établir précisément les quantités deréactifs nécessaires pour entraîner une réaction et de prédire les quantités de pro-duits qui seront formés. C’est l’équation chimique d’une réaction qui nous informedes proportions de chacune des substances en jeu.

Grâce à la loi des combinaisons volumétriques de Louis Joseph Gay-Lussac et à laconnais sance du volume molaire des gaz (voir le chapitre 2), d’autres renseigne-ments sont aussi à notre disposition dans le cas des gaz. Examinons l’exemple dela synthèse de l’ammoniac, à l’aide du TABLEAU 3.17.

D’après ce tableau, on peut dire qu’un volume de diazote réagit avec trois volumesde dihydrogène pour former deux volumes d’ammoniac, aux mêmes conditionsde température et de pression. Le rapport des volumes gazeux est donc le mêmeque celui du nombre de molécules des substances en jeu dans la réaction. C’estpourquoi, dans certains calculs, on utilise les coefficients sans unité de mesure. Ilsreprésentent alors un rapport et non un volume. Toutefois, on ne peut appliquercette méthode que lorsqu’on compare deux volumes de gaz entre eux, aux mêmesconditions de température et de pression.

3.2 Les calculs stœchiométriquesCONCEPTS DÉJÀ VUS

o Masseo Volumeo Balancement

d’équa tionschimiques

o Loi de la conser -vation de la masse

o Stœchiométrieo Masse atomique

relativeo Notion de mole

3.17 DIFFÉRENTS RENSEIGNEMENTS PROVENANT DE L’ÉQUATION CHIMIQUE DE LA SYNTHÈSE DE L’AMMONIAC

Équation chimique N2(g) + 3 H2(g) � 2 NH3(g)

Nombre de moles Une mole trois moles deux moles de molécules réagit avec de molécules de pour former de molécules de diazote dihydrogène d’ammoniac

Masse 28,02 g/mol 2,02 g/mol 17,04 g/mol × 1 mol réagissent avec × 3 mol pour former × 2 mol

= 28,02 g = 6,06 g = 34,08 g

Volume à TPN1 22,4 L réagissent avec 67,2 L pour former 44,8 L

Volume à TAPN2 24,5 L réagissent avec 73,5 L pour former 49,0 L

1 TPN : conditions de température et de pression normales (0 °C et 101,3 kPa).2 TAPN: conditions de température ambiante et de pression normale (25 °C et 101,3 kPa).

3.18

La réaction entre le bicarbonate de sodium (NaHCO3) solide et le vinaigre (CH3COOH) en solution aqueuse produit du dioxyde de carbone gazeux.

N2

Mélange de bicarbonatede sodium (NaHCO3), de vinaigre (CH3COOH)et d'indicateur

O2CO2

ANIMATION


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Voyons maintenant un exemple de calculs stœchiométriques que l’on peut effec -tuer lorsqu’une réaction fait intervenir des gaz.

Quel sera le volume d’ammoniac produit si on fait réagir complètement 30 ml de dihydrogène gazeux avec une quantité suffisante de diazote ? Les volumes sont mesurés aux mêmes conditions de température et de pression.

N2(g) + 3 H2(g) � 2 NH3(g)

= 20 ml

Il y a production de 20 ml d’ammoniac.

30 ml × 23

30 ml ? ml3 2

Quel sera le volume de dihydrogène produit si on fait réagir complètement 20,00 g de magnésium solide en présence d’acide chlorhydrique, à TPN ?

Mg(s) + 2 HCl(aq) � MgCl2(aq) + H2(g)Équation 1

Correspondances 23

Données du problème 45

Calculs 6

Réponse 7

MÉTHO, p. 440

= 18,43 L

La réaction de 20,00 g de magnésium produit 18,4 L de dihydrogène.

20,00 g × 22,4 L 24,31 g

1 mol 2 mol 1 mol 1 mol24,31 g 72,92 g 95,21 g 2,02 g

22,4 L à TPN

20,00 g ? L24,31 g 22,4 L

Dans l’exemple précédent, on compare deux volumes gazeux, aux mêmes condi-tions de température et de pression. On peut par conséquent utiliser le rapport descoefficients sans unité de mesure.

Voyons un autre exemple qui montre comment effectuer les calculs stœchio mé -triques lorsqu’on compare un gaz avec une autre phase de la matière.

Pour résoudre le problème précédent, nous avons utilisé le volume molaire desgaz. Lorsque les conditions de température et de pression ne correspondront pasaux conditions normalisées de TPN ou de TAPN, il faudra alors calculer le nom-bre de moles du gaz, et ensuite le convertir en L ou en kPa, selon l’énoncé du prob-lème, avec la formule des gaz parfaits.



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CHIMIE �

CHAPITRE

3


3.2 Les calculs stœchiométriques

Exercices

1. Soit la réaction suivante :2 P(g) + 3 Cl2(g) � 2 PCl3(g)Laquelle des affirmations suivantes est vraie ? Encerclez la bonne réponse.

a) 20 ml de P réagissent avec 20 ml de Cl2 pour former 20 ml de PCl3.

b) 10 ml de P réagissent avec 20 ml de Cl2 pour former 30 ml de PCl3.

c) 20 ml de P réagissent avec 30 ml de Cl2 pour former 20 ml de PCl3.

d) 20 ml de P réagissent avec 30 ml de Cl2 pour former 50 ml de PCl3.

2. Le gaz propane (C3H8), que l’on utilise dans les barbecues, brûle selon l’équation suivante :C3H8(g) + 5 O2(g) � 3 CO2(g) + 4 H2O(g)

Quel volume de dioxyde de carbone sera produit par la réaction de 3,2 L de dioxygène ?

C3H8(g) + 5 O2(g) � 3 CO2(g) + 4 H2O(g)

= 1,92 L3,2 L × 35

3,2 L ? L

5 3

Un volume de 1,9 L de dioxyde de carbone sera produit.

3. Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez l’équation chimique correspondante.

a) 50 ml d’un gaz A réagissent avec 75 ml d’un gaz B pour former 25 ml d’un gaz C.2 A(g) + 3 B(g)�C(g)

b) 100 ml d’un gaz X se décomposent pour former 400 ml d’un gaz Y et 200 ml d’un gaz Z.X(g)� 4 Y(g) + 2 Z(g)

c) 2,5 L d’un gaz A réagissent avec 1,25 L d’un gaz B pour produire 1,25 L d’un gaz C et 3,75 L d’un gaz D.2 A(g) + B(g)�C(g) + 3 D(g)



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5. Soit la réaction suivante :3 CO(g) + 7 H2(g) � C3H8(g) + 3 H2O(l)

Quel volume de dihydrogène réagira avec 800,0 ml de monoxyde de carbone, à une pression de300,0 kPa et à une température de 150,0 °C ?

3 CO(g) + 7 H2(g) � C3H8(g) + 3 H2O(l)

= 1866,7 ml800,0 ml × 7

3

800,0 ml ? ml

3 7

Un volume de 1867 ml de dihydrogène réagira avec 800,0 ml de monoxyde de carbone.

4. L’acide chlorhydrique réagit en présence d’ammoniac pour former un solide blanc, selon l’équationchimique suivante :HCl(g) + NH3(g) � NH4Cl(s)Quel volume d’acide chlorhydrique gazeux sera nécessaire pour obtenir 20,00 g de chlorured’ammonium à TPN ?

HCl(g) + NH3(g) � NH4Cl(s)1.

2.3.

4.5.

6.

1 mol 1 mol 1 mol

36,46 g 17,04 g 53,50 g

22,4 L à TPN 22,4 L à TPN

? L 20,00 g

22,4 L 53,50 g

= 8,37 L22,4 L × 20,00 g

53,50 g

7. Un volume de 8,37 L d’acide chlorhydrique sera nécessaire.



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CHIMIE �

CHAPITRE

3


6. Le chlorate de potassium se décompose selon l’équation chimique suivante :2 KClO3(s) � 3 O2(g) + 2 KCl(s)Quel volume de dioxygène sera produit lors de la décomposition de 50,00 g de chlorate depotassium, à TPN ?

2 KClO3(s) � 3 O2(g) + 2 KCl(s)1.

2.3.

4.5.

6.

2 mol 3 mol

245,10 g 96,00 g

67,2 L

50,00 g ? L

245,10 g 67,2 L

= 13,7 L50,00 g × 67,2 L

245,10 g

7. Il y aura production de 13,7 L de dioxygène.

7. Lors de l’oxydation d’un morceau de fer en présence de dioxygène, on remarque que sa massediminue graduellement. Si le morceau de fer pesait initialement 100,00 g, quelle sera sa nouvellemasse lorsque 1,2 L de dioxygène aura réagi aux conditions ambiantes ?4 Fe(s) + 3 O2(g) � 2 Fe2O3(s)

4 Fe(s) + 3 O2(g) � 2 Fe2O3(s)1.

2.3.

4.5.

6.

4 mol 3 mol 2 mol

223,40 g 96,00 g 319,4 g

73,5 L à TAPN

? g 1,2 L

223,40 g 73,5 L

= 3,6 g223,40 g × 1,2 L

73,5 L

La nouvelle masse sera de 96,4 g.

7. Il y aura une diminution de masse de 3,6 g.

100,00 g — 3,6 g = 96,4 g



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8. La plupart des métaux réagissent en présence d’un acide. Cette réaction produit un sel ainsi qu’undégagement de dihydrogène. Par exemple, la réaction du zinc avec de l’acide sulfurique produit du sulfate de zinc selon l’équation suivante :Zn(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2(g)

Quel sera le volume de gaz obtenu si on fait réagir complètement un morceau de 7,50 g de zinc avec une quantité suffisante d’acide sulfurique, aux conditions ambiantes ?

Zn(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2(g)1.

2.3.

4.5.

6.

1 mol 1 mol 1 mol 1 mol

65,38 g 98,09 g 161,45 g 2,02 g

24,5 L à TAPN

7,50 g ? L

65,38 g 24,5 L

= 2,81 L7,50 g × 24,5 L 65,38 g

7. Le volume de gaz obtenu sera de 2,81 L.

9. Pour synthétiser le méthanol, on fait réagir du monoxyde de carbone avec du dihydrogène, selonl’équation suivante :CO(g) + 2 H2(g) � CH3OH(l)

Quel volume de dihydrogène gazeux sera nécessaire à une température de 0 °C et une pression de 101,3 kPa pour produire 45,00 g de méthanol ?

CO(g) + 2 H2(g) � CH3OH(l)1.

2.3.

4.5.

6.

1 mol 2 mol 1 mol

28,01 g 4,04 g 32,05 g

22,4 L à TPN 44,8 L à TPN

? L 45,00 g

44,8 L 32,05 g

= 62,9 L44,8 L × 45,00 g

32,05 g

7. Un volume de 62,9 L de dihydrogène gazeux sera nécessaire.

Consulter le Compagnon Web pour d’autres exercices en lien avec la section 3.2.


RésuméLes propriétés chimiques des gaz

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CHIMIE �

CHAPITRE

3


3.1 LA RÉACTIVITÉ CHIMIQUE DES GAZ

� La réactivité chimique d’une substance est sa capacité à réagir sous l’effet de lachaleur, de la lumière ou du contact avec d’autres substances.

� La réactivité chimique d’un gaz dépend:

� de la force d’attraction qui existe entre le noyau des atomes qui le cons ti -tuent et leurs électrons de valence;

� de la tendance de ces atomes à gagner ou à perdre des électrons;

� du bilan énergétique de la réaction à laquelle le gaz serait susceptible deprendre part.

� Les connaissances relatives à la réactivité chimique d’un gaz peuvent servir àson identification, à son utilisation, à sa manipulation ou à la protection contresa toxicité.

� À cause de leur configuration électronique, les gaz nobles (néon, argon, hélium,etc.) sont des éléments très stables chimiquement.

� Un comburant est une substance qui cause la combustion. Le dioxygène, l’o-zone, le difluor et le dichlore sont des comburants gazeux.

� Un combustible est une substance inflammable qui a la capacité de brûler enprésence d’un comburant tout en dégageant une grande quantité d’énergie. Leméthane, le propane et le butane sont des hydrocarbures gazeux. Le dihydro -gène est un excellent combustible, mais il est très réactif et peu présent dansl’atmosphère.

� Le diazote présent dans l’air est une molécule très stable à cause de la liaisontriple qui relie ses deux atomes d’azote. Seules certaines bactéries peuvent fixerl’azote, indispensable à la vie, en le liant à d’autres éléments, par exemple à l’hy-drogène sous forme de NH3 ou de NH4

+.

� Tous les gaz pourraient servir de gaz réfrigérants, mais certains sont plus efficaces.

3.2 LES CALCULS STŒCHIOMÉTRIQUES

� Les calculs stœchiométriques permettent d’établir précisément les quantités deréactifs nécessaires pour entraîner une réaction et de prédire les quantités deproduits qui seront formés.

� Dans les mêmes conditions de température et de pression, le rapport des volumes gazeux en jeu dans une réaction est le même que celui du nombre demolécules des substances. C’est pourquoi, dans certains calculs, on utilise lescoefficients sans unité de mesure.

� Comme le volume occupé par un gaz dépend de son nombre de particules etnon de sa masse, le volume occupé par les réactifs n’est pas nécessairement lemême que celui occupé par les produits.

CHAPITRE

3



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CHIMIE �

CHAPITRE

3


Exercices sur l’ensemble du chapitre 31. La production d’ammoniac s’effectue selon l’équation suivante :

N2(g) + 3 H2(g) � 2 NH3(g)

a) Si la réaction s’effectue dans un milieu clos, à température et volume constants, qu’arrive-t-il à la pression au fur et à mesure de la réaction ? Expliquez votre réponse.Au fur et à mesure de la réaction, la pression diminue puisqu’il y a moins de molécules du côté

des produits que du côté des réactifs (quatre molécules de réactifs se transforment en deux

molécules de produits). En effet, la pression dépend du nombre de particules de gaz.

b) Si la pression initiale est de 240 kPa et que tous les réactifs se sont transformés en produits, quelle sera la pression finale du système ? Expliquez votre réponse.Comme le nombre de particules de gaz diminue de moitié, la pression diminue de moitié. Donc,

la pression finale sera de 120 kPa.

2. Pour assurer sa propulsion, une fusée doit transporter deux réservoirs, l’un contenant du dioxygène et l’autre, du dihydrogène.

a) Quel est le rôle chimique de chacun des gaz transportés ?Le dioxygène est un comburant, c’est-à-dire qu’il

assure la combustion, tandis que le dihydrogène

est un combustible, c’est-à-dire qu’il a la capacité

de brûler afin de fournir l’énergie nécessaire

à la fusée pour décoller et se déplacer.

b) Écrivez l’équation chimique qui décrit la réaction entre le dihydrogène et le dioxygène.2 H2(g) + O2(g)� 2 H2O(l)



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c) Si 1200 L de dioxygène sont transformés, quel volume de dihydrogène a réagi, dans les mêmesconditions de température et de pression ?

2 H2(g) + O2(g) � 2 H2O(l)

= 2400 L2 × 1200 L

1

? L 1200 L

2 1

Un volume de 2400 L de dihydrogène a réagi.

3. Le sulfure de dihydrogène (H2S) est un gaz incolore, qui possède une odeur caractéristique d’œufpourri. Il est naturellement présent dans le pétrole et le gaz naturel. Il est aussi possible de le trouverdissous dans l’eau en petite quantité. Il cause la corrosion de plusieurs métaux. Par exemple, des objetsen argent noircissent en sa présence à cause de la production d’un solide noir, le sulfure d’argent. C’est un gaz inflammable, qui, en brûlant, produit un gaz responsable des pluies acides.Nommez les propriétés physiques et chimiques du sulfure de dihydrogène indiquées dans le texte ci-dessus.

Propriétés physiques Propriétés chimiques

Gaz incolore.

Odeur caractéristique d’œuf pourri.

Peu soluble dans l’eau.

Cause la corrosion des métaux.

Réagit avec l’argent.

Cause le noircissement de l’argent.

Gaz inflammable.

4. À cause des propriétés chimiques particulières de l’azote, le dioxygène et le diazote peuvent secombiner dans différentes proportions. Il en résulte des composés de formules chimiques différentes,dont le NO, le N2O ou le NO2. Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez l’équation chimique et la formule chimique de la molécule obtenue, parmi celles ci-dessus. On suppose qu’il y a réactioncomplète de chacun des réactifs.

a) 20 ml de diazote réagissent avec 20 ml de dioxygène.N2(g) + O2(g)� 2 NO(g)

b) 40 ml de diazote réagissent avec 20 ml de dioxygène.2 N2(g) + O2(g)� 2 N2O(g)

c) 40 ml de diazote réagissent avec 80 ml de dioxygène.N2(g) + 2 O2(g)� 2 NO2(g)



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CHIMIE �

CHAPITRE

3


4 Al(s) + 3 O2(g) � 2 Al2O3(s)

= 18,0 L73,5 L × 50,00 g

203,92 g

4 mol 3 mol 2 mol107,92 g 96,00 g 203,92 g

73,5 L à TAPN

? L 50,00 g73,5 L 203,92 g

7. Il faut 18,0 L de dioxygène pour produire 50,00 g de Al2O3.

5. L’aluminium est un métal qui a la propriété de résister à la corrosion. En contact avec le dioxygène de l’air, il s’oxyde pour former une mince couche de trioxyde de dialuminium solide. C’est ce solideimperméable qui protège le reste du métal de la corrosion.

a) Écrivez l’équation qui décrit la synthèse du trioxyde de dialuminium à partir de ses éléments.4 Al(s) + 3 O2(g)� 2 Al2O3(s)

b) Quel volume de dioxygène est nécessaire, aux conditions ambiantes, pour produire 50,00 g de trioxyde de dialuminium ?

6. Les coussins gonflables sont des dispositifs de sécurité dont l’utilisation est de plus en plus répanduedans les automobiles. C’est la décomposition rapide du trinitrure de sodium solide qui permet degonfler en une fraction de seconde le sac du coussin.

a) Écrivez l’équation de décomposition du trinitrure de sodium en ses éléments.2 NaN3(s)� 2 Na(s) + 3 N2(g)

b) Quelle est la masse de trinitrure de sodium qui doit réagir pour que le gaz produit puisse remplir un coussin de 15,0 L, à 102,0 kPa et 20,0 °C ?

1.

2.3.

4.5.

6.

7. Il faut 27,2 g de trinitrure de sodium pour remplir un coussin de 15,0 L.

2 NaN3(s) � 2 Na(s) + 3 N2(g)

= 27,2 g130,04 g × 0,628 mol

3 mol

2 mol 2 mol 3 mol130,04 g 45,98 g 84,06 g

? g 0,628 mol130,04 g 3 mol

1.

2.3.4.5.

6.

PV = nRT

D’où n = PVRT

n = = 0,628 mol102,0 kPa × 15,0 L

8,314 kPa •L/mol •K × 293,0 K



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Calcul du volume d’essence

1. ? L � 10 000 km

2. 8,5 L � 100 km

3. =

4. = 850 L

5. L’automobile consomme environ 850 L d’essence par année.

8,5 L × 10 000 km100 km

? L 10 000 km

8,5 L 100 km

Calcul de la masse d’essence

1. m = ?

2. V = 850 000 mlρ = 0,69 g/ml

3. ρ =

D’où m = ρV

4. m = 0,69 g/ml x 850 000 ml= 586 500 g

5. L’automobile consomme environ 586 500 g d’essence par année.

mV

7. L’automobile produit 1,01 × 106 L de dioxyde de carbone par année.

7. L’utilisation de l’automobile a contribué au réchauffementclimatique parce qu’elle dégage un gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, produit lors de la combustion de l’essence. Sachant que l’essence est principalementconstituée d’octane (C8H18) et que la masse volumique de cette substance est de 0,69 g/ml, calculez le volume dedioxyde de carbone produit dans une année aux conditionsambiantes par une automobile qui consomme en moyenne8,5 L/100 km et qui parcourt 10 000 km annuellement.

2 C8H18(l) + 25 O2(g) � 16 CO2(g) + 18 H2O(g)1.

2.3.

4.5.

6.

2 mol 25 mol 16 mol 18 mol

228,52 g 800,00 g 704,16 g 324,36 g

612,5 L à TAPN 392 L à TAPN 441 L à TAPN

586 500 g ? L

228,52 g 392 L

= 1,01 × 106 L586 500 g × 392 L 228,52 g

Calcul du volume de dioxyde de carbone

Consulter le Compagnon Web pour d’autres exercices sur l’ensemble du chapitre 3.



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CHIMIE �

CHAPITRE

3


Défis1. À l’aide de la théorie cinétique des gaz, expliquez pourquoi il y a danger d’explosion lorsqu’un gaz,

confiné dans un contenant, est exposé à la chaleur.Lorsque la température augmente, l’énergie cinétique des particules augmente, ce qui occasionne

une augmentation du nombre de collisions, donc une augmentation de la pression dans le contenant.

À un certain moment, la pression interne devient trop élevée, ce qui cause l’explosion

du contenant.

2. La nitroglycérine est une molécule très instable qui se décompose selon l’équation suivante :4 C3H5N3O9(s) � 6 N2(g) + 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + O2(g)

La formation soudaine de tous ces gaz, accompagnée d’une grande quantité de chaleur, cause uneexplosion foudroyante. Si la réaction provoque une augmentation de pression de 50 000 kPa, quelleest la pression partielle de chacun des gaz produits par la décomposition d’une certaine quantité de nitroglycérine ?

PpN2= PT = = 10 345 kPa

nN2

nT50 000 kPa × 6 mol

29 mol

PpCO2= PT = = 20 690 kPa

nCO2

nT50 000 kPa × 12 mol

29 mol

PpH2O = PT = = 17 241 kPanH2O

nT50 000 kPa × 10 mol

29 mol

PpO2= PT = = 1724 kPa

nO2

nT50 000 kPa × 1 mol

29 mol

3. Au laboratoire, Michelle fait réagir 34,08 g d’ammoniac (NH3) gazeux en présence de 56,0 L de dioxygène, à 0 °C et à 101,3 kPa. Elle note que les réactifs se sont complètement transformés en produits. Dans quelle proportion molaire l’ammoniac réagit-il avec le dioxygène ?

L’ammoniac réagit en présence de dioxygène selon un rapport de 2 : 2,5 ou de 4 : 5.

M = mn

D’où n = mM

n = = 2,0 mol34,08 g17,04 g/mol

? mol � 56,0 L

1 mol � 22,4 L à TPN

= 2,5 mol1 mol × 56,0 L

22,4 L



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4. Le tricarbonate de dialuminium (Al2(CO3)3) se décompose selon l’équation chimique suivante :Al2(CO3)3(s) � Al2O3(s) + 3 CO2(g)

Une quantité de 20,00 g de cette substance se décompose dans un contenant scellé de 4,500 L, à une température de 120,0 °C et une pression de 105,0 kPa. Quelle sera la pression finale dans le contenant lorsque tout le solide se sera décomposé ?

Calcul de la pression partielle du CO2

1. P = ?

2. V = 4,500 Ln = 0,2564 molR = 8,314 kPa •L/mol •KT = 120,0 °C +273 = 393,0 K

3. PV = nRT

D’où P =

4. P =

= 186,2 kPa

5. La pression partielle du CO2 sera de 186,2 kPa.

0,2564 mol × 8,314 kPa •L/mol •K × 393,0 K4,500 L

nRTV

Calcul de la pression totale

1. PT = ?

2. PpAir = 105,0 kPaPpCO2

= 186,2 kPa

3. PT = PpAir + PpCO2

4. PT = 105,0 kPa + 186,2 kPa= 291,2 kPa

La pression finale sera de 291,2 kPa.

Al2(CO3)3(s)� Al2O3(s) + 3 CO2(g)

Il y aura 0,2564 mol de CO2 dans le contenant.

1.

2.3.

4.5.

6.

7.

1 mol 1 mol 3 mol

233,99 g 101,96 g 132,03 g

20,00 g ? mol

233,99 g 3 mol

= 0,2564 mol20,00 g × 3 mol 233,99 g

Calcul du nombre de moles de CO2


3.1 L’étincelle d’une bougie Les propriétés chimiques...

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