Exercices corrigés : les transformations chimiques (chimie, secondaire 5)

Inventaire de départ : à gauche 1 $Mg$ et 2 $O$, à droite 1 $Mg$ et 1 $O$. L'oxygène manque à droite. Le geste INTERDIT, et c'est le premier piège du chapitre, serait d'écrire $MgO_{2}$ : le compte tomberait juste, mais on aurait inventé une autre substance, car l'indice fait partie du NOM de l'espèce. On touche donc au coefficient : $2\,MgO$ donne 2 $O$ à droite, mais aussi 2 $Mg$. On rétablit le magnésium avec $2\,Mg$. Inventaire final : 2 $Mg$ et 2 $O$ de chaque côté. Coefficients : 2, 1, 2. C'est une synthèse, et aussi une oxydation.

Deux réactifs DIATOMIQUES : l'azote et le fluor n'existent à l'état pur que par paires, $N_{2}$ et $F_{2}$, et c'est l'origine du déséquilibre. L'azote d'abord : 2 atomes à gauche, donc $2\,NF_{3}$ à droite. Le fluor ensuite : $2\times 3=6$ atomes à droite, donc $3\,F_{2}$ à gauche. Inventaire : 2 $N$ et 6 $F$ de chaque côté. Coefficients : 1, 3, 2. Les sept éléments diatomiques à connaître par cœur sont $H_{2}$, $N_{2}$, $O_{2}$, $F_{2}$, $Cl_{2}$, $Br_{2}$ et $I_{2}$ ; écrire $F$ seul dans une équation coûte la question entière.

Le brome arrive par 2 et repart par 3 : il faut un nombre d'atomes multiple de 2 ET de 3, soit 6. Donc $3\,Br_{2}$ à gauche et $2\,AlBr_{3}$ à droite, puis $2\,Al$ pour l'aluminium. Inventaire : 2 $Al$ et 6 $Br$ de chaque côté. Coefficients : 2, 3, 2. C'est le geste du « croisement » : quand un élément passe d'un indice 2 à un indice 3, on vise le plus petit multiple commun.

Une décomposition : un seul réactif. L'oxygène sort sous forme de $O_{2}$, il en faut donc un nombre PAIR à gauche : $2\,Ag_{2}O$. Cela fait 4 atomes d'argent, donc $4\,Ag$. Inventaire : 4 $Ag$ et 2 $O$ de chaque côté. Coefficients : 2, 4, 1. Le coefficient 1 du dioxygène ne s'écrit pas sur la copie, mais il existe.

L'hydrogène apparaît dans TROIS espèces ($H_{2}O$, $NaOH$ et $H_{2}$) : c'est lui qu'on garde pour la fin. Le sodium et l'oxygène n'apparaissent qu'une fois de chaque côté : avec 1 $Na$, 1 $H_{2}O$ et 1 $NaOH$, ils sont équilibrés, mais il reste 2 $H$ à gauche contre $1+2=3$ à droite. Doubler l'eau et l'hydroxyde : 4 $H$ à gauche, $2+2=4$ à droite avec un seul $H_{2}$, puis $2\,Na$. Coefficients : 2, 2, 2, 1. Commencer par l'hydrogène fait tourner en rond, parce que chaque retouche dérange une autre espèce.

La décomposition de la poudre à pâte quand le gâteau cuit. Le sodium n'est que dans une espèce de chaque côté : 2 à droite, donc $2\,NaHCO_{3}$. Cela donne 2 $H$ (une eau) et 2 $C$ ($1+1$ à droite). L'oxygène, présent dans les quatre espèces, se vérifie en dernier : $2\times 3=6$ à gauche, $3+1+2=6$ à droite. Coefficients : 2, 1, 1, 1.

Deux ions polyatomiques traversent la réaction INTACTS : le nitrate $NO_{3}^{-}$ et l'hydroxyde $OH^{-}$. On les compte en bloc, sans jamais les ouvrir en atomes : 3 nitrates à gauche, donc $3\,KNO_{3}$ à droite ; 3 hydroxydes à droite, donc $3\,KOH$ à gauche. Inventaire en blocs : 1 $Al$, 3 $NO_{3}$, 3 $K$, 3 $OH$ de chaque côté. Coefficients : 1, 3, 1, 3. Compter les oxygènes un par un (9 dans les nitrates, 3 dans les hydroxydes) mène au même résultat, mais trois fois plus lentement et avec trois fois plus d'occasions de se tromper.

L'ion sulfate $SO_{4}^{2-}$ passe intact du sulfate de cuivre au sulfate d'aluminium : un bloc. Il y en a 3 dans $Al_{2}(SO_{4})_{3}$, donc $3\,CuSO_{4}$, donc $3\,Cu$ ; puis 2 $Al$ à gauche. Coefficients : 2, 3, 1, 3. Le piège de lecture est la parenthèse : dans $Al_{2}(SO_{4})_{3}$, l'indice 3 multiplie TOUT le groupe, soit 3 soufres et 12 oxygènes.

Une précipitation : le phosphate de magnésium est insoluble. Le phosphate en bloc d'abord : 2 à droite, donc $2\,K_{3}PO_{4}$. Le magnésium : 3 à droite, donc $3\,MgCl_{2}$. Ces deux choix fixent le reste : $2\times 3=6$ $K$ et $3\times 2=6$ $Cl$, donc $6\,KCl$. Coefficients : 2, 3, 1, 6.

Une neutralisation entre un acide qui libère TROIS $H^{+}$ et une base qui libère DEUX $OH^{-}$. Le phosphate et le calcium d'abord : $Ca_{3}(PO_{4})_{2}$ impose $2\,H_{3}PO_{4}$ et $3\,Ca(OH)_{2}$. C'est l'eau qui équilibre le reste : $2\times 3=6$ $H^{+}$ rencontrent $3\times 2=6$ $OH^{-}$ et forment 6 $H_{2}O$. Vérification : $H$ $6+6=12$ contre $6\times 2=12$ ; $O$ $8+6=14$ contre $8+6=14$. Coefficients : 2, 3, 1, 6. Dans toute neutralisation, le nombre de molécules d'eau égale le nombre de $H^{+}$ neutralisés.

Combustion d'un hydrocarbure : C, puis H, puis O. Pour 1 $C_{4}H_{8}$ : 4 $CO_{2}$ et 4 $H_{2}O$, soit $8+4=12$ atomes d'oxygène, donc $6\,O_{2}$, un nombre entier. Coefficients : 1, 6, 4, 4. Le piège est le réflexe « je multiplie tout par 2 » appliqué sans raison : il donne 2, 12, 8, 8, qui respecte l'inventaire mais n'est pas la réponse, car les quatre coefficients ont 2 pour diviseur commun. On divise toujours jusqu'aux plus petits entiers.

Pour 1 $C_{6}H_{14}$ : 6 $CO_{2}$ et 7 $H_{2}O$, soit $12+7=19$ atomes d'oxygène, un nombre IMPAIR. Il faudrait $\frac{19}{2}\,O_{2}$ : on l'écrit au brouillon, puis on multiplie TOUTE l'équation par 2. Coefficients : 2, 19, 12, 14. Vérification : $O$ $38$ à gauche, $24+14=38$ à droite. Un alcane à nombre pair de carbones donne toujours ce cas.

Le méthanol CONTIENT déjà un atome d'oxygène, et c'est tout le piège. Pour 1 $CH_{3}OH$ : 1 $CO_{2}$ et 2 $H_{2}O$ (4 hydrogènes en tout, même si la formule les écrit en deux endroits), soit $2+2=4$ oxygènes à droite. Le combustible en fournit 1, le dioxygène doit donc en fournir 3 : $\frac{3}{2}\,O_{2}$, puis fois 2. Coefficients : 2, 3, 2, 4. Oublier l'oxygène du combustible donne $2\,O_{2}$ et une équation fausse.

Le saccharose, le sucre de table. Pour 1 molécule : 12 $CO_{2}$ et 11 $H_{2}O$, soit $24+11=35$ oxygènes à droite. Le sucre en apporte 11, le dioxygène doit fournir $35-11=24$ atomes, soit $12\,O_{2}$. Coefficients : 1, 12, 12, 11. Même geste qu'au m), mais le résultat tombe entier : il n'y a rien à multiplier.

Le grillage de la galène, première étape de l'extraction du plomb. L'oxygène est dans trois espèces : on finit par lui. Pour 1 $PbS$ : 1 $PbO$ et 1 $SO_{2}$, soit $1+2=3$ oxygènes, donc $\frac{3}{2}\,O_{2}$, puis fois 2. Coefficients : 2, 3, 2, 2.

Premier défi : une oxydoréduction, l'oxyde de fer est réduit par le carbone. On l'équilibre encore par inventaire. Pour 1 $Fe_{2}O_{3}$ : 2 $Fe$, et 3 oxygènes qui ne peuvent partir que dans $CO_{2}$, à 2 par molécule : $\frac{3}{2}\,CO_{2}$, donc $\frac{3}{2}\,C$. Fois 2 : coefficients 2, 3, 4, 3. Vérification : $Fe$ 4, $C$ 3, $O$ 6 de chaque côté.

Deuxième défi : l'ammoniac brûle dans le dioxygène pur en donnant du diazote. L'azote sort sous forme DIATOMIQUE, donc $2\,NH_{3}$ pour 1 $N_{2}$. Cela fait 6 $H$, donc 3 $H_{2}O$, donc 3 oxygènes : $\frac{3}{2}\,O_{2}$. Fois 2 : coefficients 4, 3, 2, 6. Deux pièges se cumulent ici, le diatomique et la fraction.

Troisième défi, le cuivre attaqué par l'acide nitrique. L'azote finit dans DEUX produits, l'oxygène dans trois : l'inventaire « à la main » tourne en rond. On pose donc les coefficients en lettres, $a\,Cu+b\,HNO_{3}\rightarrow a\,Cu(NO_{3})_{2}+d\,NO+e\,H_{2}O$, et on écrit une équation par élément : $H$ donne $b=2e$ ; $N$ donne $b=2a+d$ ; $O$ donne $3b=6a+d+e$. Avec $a=3$ : $d=b-6$ et $e=\frac{b}{2}$, d'où $3b=18+b-6+\frac{b}{2}$, soit $1{,}5\,b=12$ et $b=8$, puis $d=2$ et $e=4$. Coefficients : 3, 8, 3, 2, 4. Vérification : $N$ $8=6+2$ ; $O$ $24=18+2+4$. Ces trois équations sont des oxydoréductions : la méthode des nombres d'oxydation, qui les équilibre plus vite, est hors programme en secondaire 5 et s'apprend au cégep (202-NYB).

L'acide fournit des $H^{+}$, la base des $OH^{-}$ ; ils forment l'eau, et les ions restants, $Na^{+}$ et $SO_{4}^{2-}$, forment le sel, le sulfate de sodium $Na_{2}SO_{4}$ (deux $Na^{+}$ pour un $SO_{4}^{2-}$, pour que la charge totale soit nulle). Équation : $H_{2}SO_{4}+2\,NaOH\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2\,H_{2}O$. L'acide libère deux $H^{+}$, il faut donc deux $OH^{-}$ et il se forme deux eaux. C'est une neutralisation acidobasique.

Produits d'une combustion complète : $CO_{2}$ et $H_{2}O$. Le carbone : 5 $CO_{2}$. L'hydrogène : 12 atomes, donc 6 $H_{2}O$. L'oxygène en dernier : $5\times 2+6=16$ atomes, soit $8\,O_{2}$, un entier, rien à multiplier. Équation : $C_{5}H_{12}+8\,O_{2}\rightarrow 5\,CO_{2}+6\,H_{2}O$. Combustion.

Le produit est l'oxyde de lithium : il faut deux $Li^{+}$ pour compenser un $O^{2-}$, d'où $Li_{2}O$. Le dioxygène arrive par paire : $2\,Li_{2}O$, donc $4\,Li$. Équation : $4\,Li+O_{2}\rightarrow 2\,Li_{2}O$. Deux réactifs, un seul produit : une synthèse, qui est aussi une oxydation du métal. Écrire $LiO$ en imitant $MgO$ est le piège de la formule devinée : la formule d'un composé ionique se construit à partir des charges.

Un carbonate chauffé libère du dioxyde de carbone et laisse l'oxyde du métal. Équation : $MgCO_{3}\rightarrow MgO+CO_{2}$, déjà équilibrée avec des coefficients 1. Un seul réactif, deux produits : une décomposition.

Les ions échangent leurs partenaires : $Ni^{2+}$ rencontre $CO_{3}^{2-}$ et forme $NiCO_{3}$, insoluble, qui précipite ; $Na^{+}$ et $NO_{3}^{-}$ restent dissous. Les deux ions polyatomiques se comptent en bloc : 2 nitrates à gauche, donc $2\,NaNO_{3}$. Équation : $Ni(NO_{3})_{2}+Na_{2}CO_{3}\rightarrow NiCO_{3}+2\,NaNO_{3}$. Précipitation.

1) Physique : la cire liquide est toujours de la cire, elle a seulement changé d'état. 2) Chimique : les protéines du blanc se transforment, le blanc devient opaque et ne redevient jamais transparent en refroidissant. 3) Physique : de la vapeur d'eau qui passe directement à l'état solide, c'est toujours de l'eau. 4) Chimique : des substances de la pomme réagissent avec le dioxygène de l'air et forment des composés bruns, un changement de couleur qui ne s'inverse pas. 5) Chimique : le peroxyde d'hydrogène se décompose en eau et en dioxygène, et la mousse est ce gaz NOUVEAU. La question à se poser est toujours la même : les substances de la fin sont-elles celles du début ? Un changement d'état garde les mêmes molécules, donc reste physique, même spectaculaire.

Il a tort. Les bulles de l'eau qui bout sont de la vapeur d'EAU : la même substance, à l'état gazeux. C'est un changement d'état, donc une transformation physique. Un dégagement de gaz n'indique une transformation chimique que si ce gaz est une substance NOUVELLE, absente au départ, comme le dioxygène de l'eau oxygénée du a). C'est pour cela qu'aucun indice n'est une preuve à lui seul : il faut identifier ce qui apparaît. Ce piège coûte toute la question dans les évaluations, parce que la réponse « chimique » s'appuie sur un vrai indice mal lu.

Les réactifs sont le diazote $N_{2}$ et le dioxygène $O_{2}$, deux gaz DIATOMIQUES ; le produit est le monoxyde d'azote $NO$. L'inventaire donne 2 $N$ et 2 $O$ à gauche, 1 $N$ et 1 $O$ dans $NO$ : on double le produit. Équation : $N_{2}(g)+O_{2}(g)\rightarrow 2\,NO(g)$, coefficients 1, 1, 2.

Le schéma compte 3 molécules de diazote (les paires de deux atomes pointés) et 5 molécules de dioxygène. L'équation dit qu'une molécule de $N_{2}$ réagit avec UNE molécule de $O_{2}$ pour donner deux $NO$. Les 3 molécules de diazote ne peuvent donc consommer que 3 molécules de dioxygène, et former $3\times 2=6$ molécules de $NO$. Le dioxygène est en EXCÈS : $5-3=2$ molécules restent intactes. Le schéma de la correction montre l'état final. Le piège est de conclure que le réactif en excès est celui qui a le plus de molécules sans regarder les coefficients : ici les deux raisonnements coïncident parce que les coefficients des réactifs sont égaux, ce qui n'est pas toujours le cas.

Avant : $5\times 2=10$ atomes d'oxygène dans le dioxygène. Après : 6 dans les molécules de $NO$ et $2\times 2=4$ dans le dioxygène restant, soit 10. Même chose pour l'azote : 6 avant, 6 après. Les ATOMES se conservent toujours. Le nombre de molécules, lui, vaut 8 avant ($3+5$) et 8 après ($6+2$), mais c'est une coïncidence de cette équation, qui a 2 molécules de chaque côté. Dans $2\,Mg+O_{2}\rightarrow 2\,MgO$, trois entités en donnent deux. Ce qui se conserve dans une transformation chimique : les atomes, donc la masse ; ce qui ne se conserve pas forcément : le nombre de molécules.

R1 : deux réactifs, un produit, c'est une SYNTHÈSE ; c'est l'extinction de la chaux vive, qui dégage beaucoup de chaleur. R2 : un seul réactif, deux produits, c'est une DÉCOMPOSITION, l'électrolyse de l'eau. R3 : deux solutions limpides donnent un solide bleu, $Cu(OH)_{2}(s)$, c'est une PRÉCIPITATION ; l'état $(s)$ au milieu de produits $(aq)$ est la signature à repérer. R4 : un acide et une base donnent un sel et de l'eau, c'est une NEUTRALISATION. R5 : l'acétone brûle dans le dioxygène et ne donne que $CO_{2}$ et $H_{2}O$, c'est une COMBUSTION. La méthode est de lire la FORME de l'équation avant son contenu : combien de réactifs, combien de produits, quels états, quels types de substances.

R6 a deux réactifs et un seul produit : c'est une synthèse. Le cuivre y réagit avec le dioxygène : c'est aussi une oxydation. Les familles ne sont donc pas des cases qui s'excluent, et une question « nommez la famille » accepte parfois deux réponses justes, à condition de justifier chacune. Toute combustion est aussi une oxydation, puisque le combustible réagit avec le dioxygène ; l'inverse est faux, car la rouille est une oxydation LENTE, sans flamme. Vérification de R5 : 3 $C$ ; 6 $H$ ; $1+4\times 2=9$ $O$ à gauche contre $3\times 2+3=9$ à droite.

Le sel est formé du cation de la base et de l'anion de l'acide : $K^{+}$ et $NO_{3}^{-}$, le nitrate de potassium. Si les quantités sont exactement équivalentes, il ne reste dans le bécher que de l'eau et un sel dont les ions ne réagissent pas avec l'eau : la solution est NEUTRE, de pH 7 à 25 °C. L'équation donne une molécule d'eau par $H^{+}$ neutralisé, donc $0{,}25$ mol d'eau, soit $m=n\times M=0{,}25\times 18{,}02=4{,}5$ g. La base en excès ne change rien à ce calcul : c'est l'acide, entièrement consommé, qui fixe la quantité d'eau.

Les ions $Na^{+}$ et $Cl^{-}$ se retrouvent dissous dans le mélange exactement comme avant : ce sont des ions SPECTATEURS. Seuls $Cu^{2+}$ et $OH^{-}$ s'assemblent en solide, deux hydroxydes par ion cuivre, pour que la charge totale soit nulle : $+2+2\times(-1)=0$. L'équation qui ne garde que les ions qui réagissent s'écrit $Cu^{2+}(aq)+2\,OH^{-}(aq)\rightarrow Cu(OH)_{2}(s)$. Le schéma vérifie le compte : un ion cuivre et deux ions hydroxyde donnent un motif de solide, et il reste 2 $Na^{+}$ et 2 $Cl^{-}$ en solution. Le modèle particulaire explique ce que l'équation complète cache : le chlorure de sodium n'est pas « formé », ses ions n'ont jamais cessé d'être en solution.

Le combustible est l'acétone, le comburant est le dioxygène de l'air. Le couvercle coupe l'arrivée d'air : on supprime le COMBURANT, et la flamme s'éteint quand le dioxygène emprisonné est consommé. Le troisième côté du triangle est la chaleur, l'énergie d'activation : une étincelle ou une flamme suffit à démarrer la combustion, puis la chaleur qu'elle dégage l'entretient d'elle-même. Supprimer n'importe lequel des trois côtés éteint un feu ; c'est le principe de tous les moyens d'extinction.