Décrire et expliquer des transformations chimiques

Test de présence de dihydrogène

Il est possible de tester la présence de dihydrogène dans un gaz. Il suffit alors d'approcher une flamme du gaz. S'il se produit une détonation ressemblant à un aboiement, alors le gaz contenait du dihydrogène.

Test de reconnaissance des ions

Il est possible d'identifier les ions contenus dans une solution. Pour cela, il faut ajouter un réactif puis observer le résultat. Si un précipité se forme, alors l'ion testé est présent. Nous trouvons la liste des réactifs et des précipités attendus dans la littérature (qui n'est pas à apprendre par cœur). Voici un extrait 

Si le précipité n'apparaît pas, alors la solution ne contient pas l'ion testé. Elle peut cependant en contenir d'autres.

Généralités

Les éléments peuvent être présents dans la nature (ou artificiellement en laboratoire) sous plusieurs formes :

• A l'état d'atome : électriquement neutre et seul, comme c'est souvent le cas pour les métaux dans la nature (ex : Fe le fer, Cu le cuivre, ...)
• A l'état de molécule : plusieurs atomes vont se lier entre eux, la molécule restant électriquement neutre (ex : $\rm H_2O$ l'eau ou $\rm O_2$ le dioxygène)
• A l'état d'ion : on retrouve naturellement les ions dans les solutions aqueuses, ce sont des atomes qui ont gagné ou perdu un ou plusieurs électrons et deviennent électriquement chargés (ex : $\rm Na^+$ et $\rm Cl^-$ sont les ions qui se forment à partir des éléments Na et Cl quand on dissout du sel de table dans l'eau).

Définition

Lorsqu'un élément est électriquement chargé (comme lorsque l'on dissout certains solides), il devient alors un ion. Pour ce faire, l'atome va gagner ou perdre un ou plusieurs électrons.

Attention ! Le nombre de neutrons reste toujours identique !

Exemples de formation d'ions

Exemple 1

L'atome d'hydrogène H va devenir l'ion $\rm H^+$ en perdant 1 électron (on rappelle que l'électron est chargé négativement). Ainsi :

Exemple 2

L'atome de chlore Cl va devenir l'ion $\rm Cl^-$ en gagnant 1 électron. Ainsi :

Les ions et leur formation

Définitions des ions

Les ions positifs sont appelés cations et les ions négatifs sont appelés anions.

Tendance à la formation d'ions selon le tableau périodique

Pour connaître la tendance d'un atome à former un anion ou un cation, il faut regarder la place de l'élément dans le tableau périodique :

• La première colonne formera des cations avec 1 charge +
• La deuxième colonne formera des cations avec 2 charges +
• La dernière colonne est très stable et ne formera pas d'ions naturellement.
• L'avant dernière colonne (17) formera des anions avec 1 charge –
• La 16ème colonne formera des anions avec 2 charges –

Ions polyatomiques

Les ions constitués à partir d'un seul atome sont dits monoatomiques. Il existe des ions polyatomiques qui résultent de l'association de plusieurs atomes comme l'ammonium $\rm NH_4^+$. La charge + concerne alors la totalité de la molécule.

Solide ionique

Les solides ioniques sont eux électriquement neutres. Leur nom indique alors leur composition :

• Chlorure de Sodium : NaCl résulte de l'association d'un ion sodium $\rm Na^+$ et d'un ion chlorure $\rm Cl^-$. Il est donc électriquement neutre.
• Chlorure de Magnésium : $\rm MgCl_2$, comme l'ion $\rm Cl^-$ n'a qu'une charge – et l'ion $\rm Mg^{2+}$ a 2 charges +, il faudra l'associer à 2 ions chlorure pour obtenir un solide ionique neutre.

Nomenclature

Côté nomenclature, on prendra l'anion finissant par « ure » puis le cation.

Types de transformations chimiques

Il existe différents types de transformations chimiques. Sans rentrer dans les détails, nous pouvons rappeler :

La combustion du carbone

Sa spécificité est de consommer du dioxygène et de produire soit du dioxyde de carbone (combustion complète), soit du monoxyde de carbone (combustion incomplète).

Les réactions acido-basiques

Les réactions faisant intervenir des acides (ions $\rm H^+$) ou des bases (ions $\rm OH^-$), ayant pour effet de modifier le pH d'une solution.

Les réactions d'oxydo-réduction

Les réactions permettant d'échanger des électrons, utilisées dans les piles et appelées réactions d'oxydo-réduction. C'est le cas des corrosions par exemple.

Le pH et les solutions aqueuses

Le pH se mesure, en solution, entre 0 et 14. Il représente le caractère acide, neutre ou basique de la solution aqueuse.

Le caractère acide

Chimiquement, le caractère acide est donné par la présence d'ions $\rm H^+$. Plus les ions $\rm H^+$ sont nombreux, plus le pH diminue.

Le caractère basique

Le caractère basique est, lui, conféré par la présence d'ions $\rm OH^-$. Plus les ions $\rm OH^-$ sont nombreux, plus le pH augmente.

Le pH neutre

Lorsque le pH est neutre, il y a autant d'ions $\rm H^+$ que d'ions $\rm OH^-$ en solution.

Impact sur l'organisme

Chaque partie de notre organisme a un pH spécifique. Des solutions trop concentrées en ions $\rm H^+$ ou $\rm OH^-$ peuvent déséquilibrer son fonctionnement en changeant drastiquement son pH. C'est pourquoi les acides et bases concentrées sont corrosives pour les tissus vivants.

Les gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES) sont des molécules gazeuses qui retiennent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre ce qui contribue à la réchauffer.

Classification des principaux gaz à effet de serre

Le premier gaz à effet de serre est la vapeur d'eau, le second le dioxyde de carbone $(\rm CO_2)$, puis viennent le méthane $(\rm CH_4)$, le protoxyde d'azote $(\rm N_2O)$ et l'ozone $(\rm O_3)$.

Origine des gaz à effet de serre

Ces gaz à effets de serre peuvent être produits naturellement par les animaux et les bactéries. Cependant, l'activité humaine reste la principale responsable de l'émission de ces derniers.

Les ions dans l'eau pure

L'eau contient à la fois des ions $\rm H^+$ et des ions $\rm OH^-$. On remarquera que l'on écrit l'équilibre chimique suivant :

$\rm H^+ + OH^- \rightleftharpoons H_2O$

Propriétés de l'eau pure

L'eau pure contient donc des ions, ce qui explique qu'elle n'est jamais totalement isolante. Comme l'eau contient autant d'ions $\rm H^+$ que d'ions $\rm OH^-$, on comprend que son pH soit neutre : les ions $\rm H^+$ et $\rm OH^-$ s'équilibrent.

Nomenclature des ions

L'ion $\rm H^+$ est appelé oxonium. L'ion $\rm OH^-$ est appelé hydroxyde.

Autres réactions impliquant les ions H⁺

Les ions $\rm H^+$ peuvent également intervenir dans d'autres types de réactions, comme la corrosion des métaux. Il ne s'agira plus donc de changer le pH mais d'arracher des électrons au métal pour qu'il se transforme en ion.

$\rm Fe + 2 H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2$

La corrosion des métaux

Un métal se corrode naturellement à l'air libre. C'est ce que l'on remarque avec le fer qui rouille.

Dissolution des métaux par les acides

Le métal, bien qu'en apparence solide, peut être dissout par les acides. C'est pour cela que les acides sont toujours stockés dans des bouteilles en verre ou en plastique.

Réaction chimique du fer avec un acide

La réaction de l'acide sur le fer s'écrit :

$$\rm Fe (solide) + 2 H^+ (aqueux) \rightarrow Fe^{2+} (aqueux) + H_2 (gaz)$$

Observations de la réaction

On remarque alors que le fer est passé à l'état aqueux, c'est-à-dire qu'il s'est dissout. On remarque également qu'il passe de l'état d'atome à l'état d'ion chargé.