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I. LES DIFFERENTS TYPES DE TRANSFORMATIONS

Exemples :

1. Lors de la solidification de l’eau, les molécules d’eau se rapprochent pour devenir un milieu compact et

ordonné : c’est une transformation physique

2. La réaction entre un métal et de l’acide produit un dégagement gazeux et la disparition du métal : c’est une

transformation chimique

3. Le projet ITER utilise la fusion de 2 noyaux d’atomes en un seul : c’est une transformation nucléaire

II. MODELISATION DES TRANSFORMATIONS PHYSIQUES

1. Changement d’état physique

La matière qui nous entoure peut se trouver sous trois états physiques différents : solide, liquide, gaz

Au niveau microscopique, lors d’un changement d’état physique, l’agitation des entités est modifiée jusqu’à ce que les

liaisons entre les particules s’affaiblissent, se cassent ou se créent.

Lors d’un changement d’état physique, les propriétés de la matière changent et l’arrangement spatial des

entités chimiques est modifié.

La matière peut se transformer selon trois processus :

- La transformation physique : seul l’arrangement spatial des entités chimique est modifié

- La transformation chimique : les entités chimiques sont modifiées

- La transformation nucléaire : les noyaux des entités chimiques sont modifiés

TRANSFORMATION DE LA MATIERE – TRANSFERT D’ENERGIE CHAPITRE 12

Cours

MODELISATION DES TRANSFORMATIONS DE LA MATIERE

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Les différents changements d’état portent des noms distincts :

2. Equation d’un changement d’état

L’équation d’un changement d’état est l’écriture symbolique, à l’échelle macroscopique, de la transformation

physique d’une espèce

Exemple : 𝐻2𝑂 (𝑠) → 𝐻2𝑂 (𝑙) pour la fusion de l’eau

3. Dissolution

Lors d’une dissolution, les particules d’un solide

sont séparées de leur voisin par un solvant. Elles

se retrouvent alors dispersées dans ce nouveau

milieu.

Pour modéliser le changement d’état physique de l’espèce chimique A on écrit :

𝑨 (é𝒕𝒂𝒕 𝒑𝒉𝒚𝒔𝒊𝒒𝒖𝒆 𝟏) → 𝑨 (é𝒕𝒂𝒕 𝒑𝒉𝒚𝒔𝒊𝒒𝒖𝒆 𝟐)

Les changements d’état d’un corps pur s’effectuent à température constante sous une pression donnée. Les

deux états coexistent lors du changement d’état

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III. MODELISATION DES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES

1. État d'un système chimique

Un système chimique est un mélange d'espèces chimiques pris dans des conditions de température et de pression

précises, dont les éventuelles modifications au cours du temps sont étudiées par le chimiste. Pour décrire l'état d'un

système chimique, il faut indiquer :

- Les conditions de température T et de pression P du système,

- La nature de chaque espèce chimique présente dans le système,

- Leur état physique (solide (s), liquide (l), gazeux (g) ou dissous en solution aqueuse (aq)),

- La quantité de matière de chaque espèce chimique (quand on la connait).

2. Évolution d'un système chimique

▪ Les espèces chimiques qui sont consommées et dont la quantité de matière diminue au cours d'une

transformation chimique sont appelées réactifs

▪ Les espèces chimiques qui apparaissent et dont la quantité de matière augmente au cours d'une

transformation chimique sont appelées produits

▪ Les espèces chimiques dont la quantité de varie pas au cours d'une transformation chimique sont dites

spectatrices

Exemple : Combustion d’un morceau de charbon (carbone) dans l'air :

À la fin de la transformation, le carbone a été totalement consommé et une partie seulement du dioxygène de l'air a

aussi été consommé : ce sont les réactifs. Il apparaît du dioxyde de carbone : c'est un produit de la transformation

chimique.

Le diazote lui est ici en quantité constante : c'est une espèce chimique spectatrice de la transformation.

3. Equation d’une transformation chimique

L'équation chimique (ou équation de réaction) est l'écriture symbolique à l'échelle macroscopique de la réaction

chimique. L'écriture d'une équation obéit à des règles qu'il faut scrupuleusement respecter :

État initial (EI)

Pi = 1 bar

Ti = 20 °C

• Carbone : C(s)

• Dioxygène : O2(g)

• Diazote : N2(g)

État final (EF)

Pf = 1 bar

Tf > 20 °C

• Dioxygène : O2(g)

• Diazote : N2(g)

• Dioxyde de carbone : CO2(g)

Une transformation chimique est le passage d’un système chimique d’un état initial (EI) à un état final (EF)

avec formation de nouvelles espèces chimiques

Une transformation chimique est le résultat d'une réaction chimique que l'on peut représenter de manière

générale par le schéma suivant : Réactifs → Produits

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METHODE

1) Écrire les formules brutes des réactifs à gauche et des produits à droite de la flèche symbolisant la

transformation, en précisant entre parenthèse et en indice leur état physique

2) Compter tous les éléments de part et d'autre de la flèche. S'il y a le même nombre d'éléments des deux côtés

pour tous les éléments présents, alors la conservation des éléments est vérifiée. Sinon, faire précéder les formules

brutes du nombre stœchiométrique adapté pour vérifier la conservation des éléments

3) Faire de même pour la conservation de la charge électrique

Remarques :

▪ Tous les éléments chimiques présents dans les réactifs doivent être présents dans les produits : il ne doit pas y

en avoir de nouveau, il ne doit pas en disparaître

▪ Pour équilibrer commencer par l’élément carbone, puis hydrogène et enfin oxygène

Application : Lors d'un effort intense, le glucose 𝐶6𝐻12𝑂6(𝑎𝑞) emmagasiné dans le corps est dégradé par le

dioxygène 𝑂2(𝑔) de l'air inspiré pour former du dioxyde de carbone 𝐶𝑂2(𝑔) et de l'eau 𝐻2𝑂(𝑔). Donner l’équation

de réaction.

𝐶6𝐻12𝑂6(𝑎𝑞) + 6 𝑂2(𝑔) → 6 𝐶𝑂2(𝑔) + 6 𝐻2𝑂(𝑔)

4. Bilan de matière et réactif limitant

Exemple : pour la combustion du méthane

𝐶𝐻4(𝑔) + 2𝑂2(𝑔) → 𝐶𝑂2(𝑔) + 2 𝐻2𝑂(𝑔)

1 mole de 𝐶𝐻4(𝑔) réagit avec 2 moles de 𝑂2(𝑔) pour former 1 mole de 𝐶𝑂2(𝑔) et 2 moles de 𝐻2𝑂(𝑔).

La quantité de méthane qui réagit 𝑛(𝐶𝐻4) est égale à la moitié de la quantité de dioxygène qui réagit 𝑛(𝑂2) soit :

𝑛(𝐶𝐻4)

1=

𝑛(𝑂2)

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L'équation d'une réaction chimique indique les proportions dans lesquelles les réactifs disparaissent et les

produits se forment. Elle traduit alors un bilan de quantité de matière.

✓ Lors d’une transformation chimique totale l’un au moins des réactifs est entièrement consommé : c’est

le réactif limitant. Le réactif limitant est responsable de l’arrêt de la réaction

✓ Si tous les réactifs sont entièrement consommés, ils ont été mélangés dans les proportions

stœchiométriques : le mélange est dit stœchiométrique

✓ Les espèces chimiques mises en jeu (réactifs et produits) sont représentées par leur formule brute

et ne peuvent en aucun cas être modifiées. On précise aussi en indice et entre parenthèse, leur état

physique.

✓ L'équation chimique doit traduire la conservation des éléments et de la charge électrique globale : le

nombre d'atome de la même nature doit être identique au début et à la fin de la réaction ; il en va de

même pour la charge électrique globale des réactifs et des produits. On utilise pour cela des

nombres stœchiométriques, placés devant la formule brute de chaque espèce chimique mise en jeu.

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Exemple : Pour la combustion complète du méthane

IV. MODELISATION D’UNE TRANSFORMATION NUCLEAIRE

1. Elément chimique et isotopes

▪ Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z

▪ L’écriture conventionnelle du noyau d’un atome de symbole X est :

Exemple : Li6

3 et Li7

3 sont deux atomes isotopes.

▪ Les atomes isotopes portent le nom de l’élément chimique auquel ils appartiennent, suivi de leur nombre de

nucléons A

Deux isotopes ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de masse A différents.

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2. La transformation nucléaire

Exemple : Le noyau d’un atome de plutonium 238, d’écriture conventionnelle

𝑃𝑢94238 , se scinde en deux noyaux : un noyau d’uranium 234 𝑈92

234 et un noyau

d’hélium 𝐻𝑒24

3. Equation de réaction nucléaire

▪ Une transformation nucléaire est modélisée par une réaction dans laquelle interviennent les particules qui

réagissent et les particules formées.

▪ Une particule est caractérisée par son nombre de masse A et son nombre de charge Z.

Symbole de quelques particules :

Exemple :

Désintégration d’un noyau de carbone 14 en un noyau d’azote 14 avec

émission d’un électron 𝑒−10

Lors d’une transformation nucléaire :

- Un ou plusieurs noyaux réactifs se transforment en de nouveaux noyaux

- Les éléments chimiques ne sont pas conservés

- Un rayonnement, dit « gamma » (γ), est émis

L’équation nucléaire traduit la conservation du nombre de masse A et du nombre de charge Z au cours de la

transformation.