Représentation des réactions chimiques

Types de réactions chimiques

Lesréactions chimiques se produisent tout autour de nous, à tout moment. Elles sont si courantes que, souvent, nous ne les remarquons même pas.

Les réactions chimiques étant si courantes, il est important de les distinguer des réactions physiques. Un changement physique est simplement une substance qui subit un changement d'état. Comme la fonte de la glace ou la condensation de l'eau gazeuse, ces changements font que l'eau reste de l'eau. Bien qu'ils soient importants et très courants, il ne faut pas les confondre avec les changements chimiques.

Interactions de la matière

L'interaction de toutes les choses, qu'il s'agisse d'atomes, de molécules, d'êtres vivants ou même d'étoiles, provoque des réactions. Concentrons-nous sur l'interaction des atomes et des molécules. Si tu devais vider une boîte de tout son air et créer un vide, tu aurais une boîte qui ne contiendrait absolument aucune matière. Elle serait complètement vide. Maintenant, disons que tu libères du gaz_H2 pur à l'intérieur, puis du gaz _O2 pur. Est-ce qu'il se passerait quelque chose ?

Eh bien, pour des raisons thermodynamiques et cinétiques, ils réagiraient. Plus précisément, ils réagiraient pour former de l'eau selon la réaction suivante :

$$ 2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g) $$

Lorsque les molécules sont en phase gazeuse, elles sont pleines d'énergie. Ces molécules vibrent très vite, ce qui fait qu'elles se diffusent rapidement. Lorsqu'elles se heurtent à une autre molécule, elles transfèrent leur énergie vibratoire à une autre molécule. Cela se produit des milliers de fois par seconde, ce qui fait que ces deux gaz se mélangent très rapidement.

Lorsque deux molécules se heurtent l'une à l'autre, elles transfèrent parfois suffisamment d'énergie pour réagir. Si une réaction est à la fois thermodynamique et cinétiquement permise, alors une collision peut produire suffisamment d'énergie pour provoquer une réaction.

À l'état gazeux, les molécules ont le plus d'énergie et se déplacent le plus rapidement. Les réactions chimiques se produisent souvent dans cet état, mais elles peuvent aussi se produire à l'état liquide ou solide. C'est l'énergie et la proximité qui déterminent si quelque chose se produira réellement. Nous allons nous pencher brièvement sur les points suivants :

• Les réactions de combinaison et de décomposition
• Réactions de remplacement simple et double
• Réactions de combustion
• Réactions acide-base
• Réactions d'oxydoréduction

Réactions de combinaison et de décomposition

Les réactions de combinaison et de décomposition peuvent être considérées comme des réactions qui évoluent en sens inverse.

• Dans lesréactions de combinaison , plusieurs réactifs se combinent pour former un seul produit.

$$ 2Na(s) + Cl_2 (g) \rightarrow 1NaCl (s) $$

Dans cet exemple, deux molécules de réactifs distinctes, le sodium et le chlore, se combinent pour former une molécule de produit, le sel de table.

• Lesréactions de décomposition sont le contraire des réactions de combinaison. Un réactif se décompose pour former plusieurs produits.

C'est ce que l'on observe lorsqu'un sel quelconque est dissous dans l'eau :

$$ NaCl (s) \rightarrow Na^+(aq) + Cl^-(aq) $$

Lessels se dissocient dans l'eau pour former les ions qui constituent la forme solide. Dans cette réaction, une seule molécule se décompose en plusieurs ions, formant une solution aqueuse.

Réactions de remplacement simple et double

• Les réactions de simple remplacement et de double remplacement impliquent toutes deux le remplacement d'un réactif composé de différents éléments.

Pour visualiser cela, nous allons mettre en évidence un exemple de réaction de remplacement simple.

$$ HCl(aq) + H_2O(l) \rightarrow H_3O^+(aq) + Cl^-(aq) $$

Dans cet exemple, l'hydrogène est transféré du chlorure d'hydrogène à l'eau. L'hydrogène est le seul atome qui se transfère.

Les réactions dedouble remplacement se comportent comme les autres réactions de remplacement, mais deux échanges ont lieu. Regarde cet exemple :

$$ AgNO_3 (s) + NaCl(s) + H_2O(l) \rightarrow AgCl (s) + NaNO_3 (s) + H_2O(l) $$

Dans cet exemple, l'argent s'échange avec le sodium en tant que cations. Il en résulte que 2 molécules de réactifs fabriquent 2 molécules de produits. Note que l'eau est un spectateur et ne participe pas à la réaction.

Réactions de combustion

• Lesréactions de combustion se produisent lorsqu'un réactif est brûlé. Ce processus nécessite de l'oxygène et libère de l'énergie (sous forme de chaleur et de lumière) en tant que sous-produit.

Les réactions de combustion alimentent les véhicules, les bâtiments et bien d'autres aspects de la vie. La réaction de combustion la plus simple est la combustion du méthane :

$$ CH_4 (g) + 2O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2H_2O (g) $$

Les réactions de combustion brûlent toujours des matières organiques et de l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau comme produits. Ces réactions peuvent être très compliquées, mais elles produisent toujours du dioxyde de carbone et de l'eau^.1

Réactions acido-basiques

Un autre ensemble de réactions, connues sous le nom de réactions acido-basiques - ouréactions de neutralisation - se produisent typiquement dans l'eau.

• Les réactions acido-basiques impliquent qu'un acide et une base réagissent pour former de l'eau et un sel.

$$ HCl (aq) + NaOH (s) \rightarrow H_2O (l) + NaCl (aq) $$

Dans cette réaction, l'acide chlorhydrique - un acide fort - réagit avec l'hydroxyde de sodium - une base forte - pour former de l'eau et du sel de chlorure de sodium. L'acide cède son hydrogène, également appelé "proton", à la base, qui prend le proton. Cette réaction vient d'être montrée dans son intégralité, mais pour aider à visualiser l'aspect de l'acide et de la base, essayons de l'écrire un peu différemment.

$$H_3O^+(aq)+OH^-(aq) \rightarrow H_2O\,(l) $$

L'ion hydronium, ^H3O+, est la molécule d'acide. La base hydroxyde, ^OH-, est chargée négativement et aime interagir avec les espèces chargées positivement. Ces deux espèces très réactives s'assemblent pour former l'eau. Elles neutralisent mutuellement leurs charges et leur réactivité.

L'exemple donné montre que les acides forts réagissent avec les bases fortes. Ce n'est pas toujours le cas ; pense à la réaction entre le vinaigre et le bicarbonate de soude, qui est un acide faible et une base faible.

Réactions d'oxydoréduction

Les réactions d'oxydoréduction sont le dernier type de réactions que nous mentionnerons.

• Les réactions d'oxydoréduction, connues sous le nom de réactions de réduction-oxydation, sont des réactions ioniques.
• Ces réactions impliquent l'échange d'électrons entre deux atomes ou molécules différents.
• Une molécule va céder des électrons, ce que l'on appelle l'oxydation.
• L'autre molécule prendra les électrons, ce que l'on appelle la réduction.

Considère :

$$ Zn (s) + Cu^ {2+} (aq) \rightarrow Zn^ {2+} (aq) + Cu (s) $$

Dans cette réaction, le métal zinc donne deux de ses électrons au cation cuivre. Il en résulte un cation zinc et un métal cuivre.

Equations de réactions chimiques

Il est important de comprendre comment lire et écrire des équations. La première chose dont il faut parler, ce sont les flèches de réaction. Bien que les réactions puissent se dérouler dans une seule direction, ce n'est pas toujours le cas.

$$ 2Na (s) + Cl_2 (g) \rightarrow 2NaCl (s) $$

Dans cet exemple, le sodium et le chlore réagissent ensemble de façon irréversible pour former un sel. La flèche pleine signifie que la réaction ne se fait pas en sens inverse. Lorsque les réactifs réagissent ensemble, ils deviennent autre chose et ne reviennent pas à leur forme initiale.

Ce n'est pas toujours le cas dans les réactions. En fait, les réactions forment souvent un équilibre dynamique. Essentiellement, il y a un mouvement des réactifs vers les produits, et des produits vers les réactifs.

$$ H_3O^+ (aq) + OH^ - (aq) \rightleftharpoons H_2O (l) $$

L'acide et la base vont réagir ensemble pour former de l'eau, en se neutralisant l'un l'autre. Cependant, l'eau se séparera également et retournera aux réactifs. Les flèches de cette réaction sont appelées flèches d'équilibre parce que cette réaction se stabilisera jusqu'à ce qu'elle atteigne un état stable. Cela ne veut pas dire que les réactifs et les produits sont en quantités égales. L'eau est présente en quantités des millions de fois supérieures à celles de ses réactifs. Cependant, il y aura toujours un peu d'hydronium et un peu d'hydroxyde dans une solution. Comme cette réaction est réversible, elle peut aussi s'écrire dans l'autre sens.

$$ H_2O (l) \rightleftharpoons H_3O^+ (aq) + OH^ - (aq) $$

Un autre élément important à prendre en compte lorsqu'on étudie les équations chimiques est l'état physique des substances. Tu as probablement remarqué les états suivants :

• Solide, (s)
• Liquide, (l)
• Gaz, (g)
• Aqueux, (aq)

Aqueux signifie simplement que la substance est dissoute dans l'eau. Il peut s'agir d'ions ou de molécules entières, qui sont contenus dans l'eau. Si un liquide est ajouté à l'eau, mais ne se mélange pas, il n'est pas aqueux.

Représentation succincte d'une réaction chimique

Dans ce laboratoire, on te demande de préparer une solution mère d'hydroxyde de sodium concentré, NaOH. Plus tard, tu l'utiliseras pour neutraliser une solution acide d'acide sulfurique concentré, _H2SO4. Tu remarques que l'hydroxyde de sodium est une base forte et que l'acide sulfurique est un acide fort. Ensuite, tu écris tout ce que tu fais et tu enregistres l'équation de la réaction. Une fois que tu as terminé, ton journal de laboratoire ressemble à ceci :

• J'ai ajouté 40 g d'hydroxyde de sodium, NaOH, à une solution de 1 L d'eau et j'ai remué jusqu'à ce que tout soit dissous.
• Prépare une réaction en utilisant de l'acide sulfurique concentré, _H2SO4.
• Neutralise la solution de _H2SO4 avec du NaOH. Ajoute le NaOH une goutte à la fois. La réaction de neutralisation était très exothermique.
• Teste le pH de la solution toutes les quelques dizaines de gouttes jusqu'à ce que la solution ait un pH neutre (pH = 7).
• \( NaOH (aq) + H_2SO_4 (aq) \rightarrow H_2O (l) + NaHSO_4 (aq) \)

Cela peut représenter quelque chose que tu ferais dans un vrai laboratoire. Il est essentiel de savoir ce que tu fais si tu veux éviter de faire quelque chose de potentiellement catastrophique. Par exemple, dans cette réaction, la neutralisation de l'acide sulfurique produit beaucoup de chaleur. En le faisant trop rapidement, un accident grave pourrait se produire. Il est absolument nécessaire de connaître l'équation de la réaction et les propriétés des réactifs et des produits lorsque l'on effectue des réactions chimiques.

Représentation visuelle d'une réaction chimique

Les réactions chimiques sont visibles chaque fois que tu allumes une flamme, que tu fais cuire un gâteau ou que tu crées un volcan avec du bicarbonate de soude et du vinaigre. Certaines ne sont pas visibles, mais il est tout de même important de reconnaître qu'elles se produisent et de savoir à quoi elles ressemblent à l'échelle moléculaire.

Lorsque le méthane, un gaz inflammable, est enflammé en présence d'oxygène, il se décompose en ses atomes. Les liaisons du _CH4 se séparent et le carbone réagit avec un équivalent d'oxygène pour former du_CO2. Les quatre hydrogènes réagiront avec un autre équivalent d'oxygène pour former deux équivalents d'eau.

À l'échelle microscopique, les liaisons se brisent et les liaisons se forment. À l'échelle macroscopique, le méthane s'enflamme avec une grosse boule de flamme. Il est facile de dire qu'une réaction chimique s'est produite parce qu'il y a eu un changement visuel. Les changements visuels sont un excellent indicateur pour savoir si une réaction chimique s'est produite.

Représentation d'une réaction chimique à l'aide de symboles

Nous avons vu de nombreux exemples de réactions chimiques. Une représentation d'une réaction chimique qui utilise des symboles est une représentation qui combine tous les outils que nous avons appris jusqu'à présent. En combinant les états des molécules, les flèches de réaction et les espèces d'ions, nous pouvons construire correctement des équations chimiques.