Physique-chimie, Quatrième • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : atomes, molécules et transformations chimiques (Quatrième)

Une équation de réaction est une comptabilité d'atomes : rien ne se crée, rien ne se perd, tout se réassemble. Tout le chapitre tient dans cette phrase, et toutes les erreurs viennent de la même cause, l'envie d'arranger les formules plutôt que de compter.

Vous trouverez ici les huit erreurs qui reviennent en contrôle, avec la phrase exacte à écrire pour chacune, l'arbre qui distingue une transformation physique d'une transformation chimique, la méthode d'équilibrage à suivre dans l'ordre, et la combustion du méthane traitée ligne par ligne.

Le fil du chapitre

Équilibrer une équation, c'est ajouter des nombres DEVANT les formules : toucher un indice ne change pas le compte, cela change la substance elle-même.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Quatrième

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Mélanges, solutions et dissolutionCinquième Fiche

Remonter plus loin : la chaîne complète (3 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

1La matière et ses étatsSixième
2États de la matière, masse et volumeCinquième
3Mélanges, solutions et dissolutionCinquième

L'essentiel

Lire une formule : symbole, indice, coefficient

• Un SYMBOLE d'atome commence toujours par une majuscule, et la deuxième lettre, s'il y en a une, est une minuscule : $H$ , $C$ , $O$ , $N$ , $Fe$ , $Cu$ .
• L'INDICE, le petit nombre en bas à droite, compte les atomes de l'élément qui le PRÉCÈDE : $H_{2}O$ contient deux hydrogènes et un oxygène.
• Le COEFFICIENT, le grand nombre placé devant, multiplie TOUTE la molécule : $3\,H_{2}O$ contient six hydrogènes et trois oxygènes.
• Une molécule est un assemblage d'atomes; le corps pur moléculaire est fait d'un seul type de molécule.
• Le coefficient $1$ ne s'écrit jamais, exactement comme on n'écrit pas $1x$ en mathématiques.

Le coefficient

3

ne se lit pas sur une molécule : il dit qu'il y en a trois. Chacune apporte un oxygène et deux hydrogènes, d'où trois atomes

O

et six atomes

H

en tout.

Pour compter les atomes d'un élément, on MULTIPLIE toujours le coefficient par l'indice. Dans $2\,Al_{2}O_{3}$ , il y a $2\times 2=4$ atomes d'aluminium et $2\times 3=6$ atomes d'oxygène.

Transformation physique ou transformation chimique

• TRANSFORMATION PHYSIQUE : les molécules restent les mêmes, seul leur arrangement change. Fusion, ébullition, dissolution, broyage.
• TRANSFORMATION CHIMIQUE : des substances DISPARAISSENT et d'autres APPARAISSENT. Les atomes, eux, sont conservés : ils se réassemblent autrement.
• Les indices d'une transformation chimique : dégagement de gaz, changement de couleur durable, formation d'un solide, dégagement de chaleur, disparition d'un réactif.
• Réactifs à GAUCHE de la flèche, produits à DROITE. On n'écrit jamais un signe égal à la place de la flèche.
• Combustion complète d'un composé carboné : elle produit du dioxyde de carbone et de l'eau, et elle consomme du dioxygène.

La question test : peut-on revenir en arrière par un simple changement de température ? Si oui, c'est presque toujours physique. Le bois brûlé ne redevient jamais du bois.

Ce qui se conserve, et les tests qui identifient les gaz

• Les ATOMES se conservent : on retrouve à droite exactement les mêmes atomes qu'à gauche, ni plus ni moins. Équilibrer, c'est vérifier cela.
• La MASSE se conserve : masse des réactifs égale masse des produits. En récipient FERMÉ, la balance ne bouge pas.
• En récipient OUVERT, la balance ment : elle ne pèse ni le gaz parti ni le gaz capté dans l'air. La masse totale, elle, s'est conservée quand même.
• Eau de chaux TROUBLÉE : dioxyde de carbone. Détonation à l'allumette : dihydrogène. Bûchette incandescente RALLUMÉE : dioxygène.
• Composition de l'air : environ $78\ \%$ de diazote et $21\ \%$ de dioxygène en volume.

Un test est un test d'IDENTIFICATION : il répond à « est-ce bien ce gaz », pas à « quel gaz est-ce ». On cite toujours le résultat observé avant de conclure.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Équilibrer en modifiant un indice

toute la question, souvent 3 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Il manque un oxygène à droite, j'écris donc $H_{2}O_{2}$ au lieu de $H_{2}O$ et c'est équilibré. »

Ce qu'il faut écrire

« On n'a le droit de changer QUE les coefficients, devant les formules : $2\,H_{2}O$ , jamais $H_{2}O_{2}$ . Modifier un indice change la substance, et l'eau devient de l'eau oxygénée. »

Un seul atome d'oxygène de plus et l'eau devient de l'eau oxygénée, un désinfectant que l'on ne boit pas. Toucher un indice ne rééquilibre rien, cela change la substance.

Pourquoi : L'indice fait partie de l'identité de la molécule, comme une lettre dans un mot. Le coefficient, lui, ne fait que dire combien on en prend. C'est le piège central du chapitre.

2. Écrire un symbole avec deux majuscules

1 point par formule, et cela se répète sur toute la copie

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le monoxyde de carbone s'écrit $CO$ , donc je l'écris $CO$ ou $Co$ , c'est pareil. »

Ce qu'il faut écrire

« $CO$ avec un $O$ majuscule est le monoxyde de carbone, une molécule de deux atomes. $Co$ avec un $o$ minuscule est le cobalt, un métal. Une majuscule commence toujours un nouvel atome. »

Pourquoi : La règle de lecture est mécanique : chaque majuscule ouvre un symbole, la minuscule qui suit lui appartient. Sans elle, aucune formule ne se lit sans ambiguïté.

3. Confondre le coefficient et l'indice quand on compte

2 points, et un équilibrage faux derrière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Dans $3\,H_{2}O$ , il y a $3$ hydrogènes et $3$ oxygènes. »

Ce qu'il faut écrire

« On multiplie le coefficient par chaque indice : $3\times 2=6$ atomes d'hydrogène et $3\times 1=3$ atomes d'oxygène. »

Pourquoi : Le coefficient s'applique à TOUT ce qui suit, comme le facteur devant une parenthèse en mathématiques. Oublier de le distribuer est exactement la même erreur que d'écrire $3(x+2)=3x+2$ .

4. Mettre un signe égal à la place de la flèche

0,5 point à chaque équation écrite

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $CH_{4}+2\,O_{2}=CO_{2}+2\,H_{2}O$ »

Ce qu'il faut écrire

« $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$ : la flèche indique un SENS, celui de la transformation, ce qu'un signe égal ne dit pas. »

Pourquoi : Une équation chimique n'est pas une égalité de nombres : les réactifs disparaissent et les produits apparaissent. La flèche porte cette information de sens, que l'égalité efface.

5. Croire que la masse a diminué parce que la balance descend

2 points, et la conclusion du problème

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Après la combustion, la balance indique $56{,}2\ \mathrm{g}$ au lieu de $58{,}0\ \mathrm{g}$ : la masse ne se conserve donc pas. »

Ce qu'il faut écrire

« Le récipient était OUVERT : les $1{,}8\ \mathrm{g}$ manquants sont partis sous forme de gaz. La masse totale s'est bien conservée, mais la balance ne pèse plus ce qui s'est échappé. »

À gauche le bouchon retient tout et l'affichage ne bouge pas. À droite le gaz s'échappe : la balance en perd

1{,}8\ \mathrm{g}

, alors que la masse totale, elle, n'a pas changé.

Pourquoi : La conservation de la masse est une loi sur le SYSTÈME entier, pas sur ce qui reste dans le récipient. En récipient fermé, la balance ne bouge pas d'un milligramme.

6. Appeler transformation chimique une simple ébullition

1,5 point, et la justification entière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'eau qui bout se transforme en vapeur, c'est donc une transformation chimique. »

Ce qu'il faut écrire

« Les molécules d'eau sont les MÊMES avant et après : $H_{2}O$ liquide devient $H_{2}O$ gazeuse. C'est une transformation PHYSIQUE, un changement d'état. »

Pourquoi : Le critère n'est pas l'apparence mais les molécules. Un liquide qui devient gaz spectaculairement reste le même corps; une poudre blanche qui vire au bleu discrètement peut être une vraie réaction.

7. Conclure au mauvais gaz après un test

1 point, et souvent la conclusion du problème expérimental

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La bûchette se rallume, il y a donc du dioxyde de carbone. »

Ce qu'il faut écrire

« La bûchette incandescente qui se RALLUME identifie le DIOXYGÈNE. Le dioxyde de carbone, lui, trouble l'eau de chaux et éteint la bûchette. »

Pourquoi : Les trois tests sont faciles à mélanger parce qu'ils utilisent tous une flamme ou un liquide. Le moyen de les tenir : le dioxygène ENTRETIENT la combustion, le dioxyde de carbone l'ÉTOUFFE.

8. Faire apparaître ou disparaître des atomes

2 points, et la question sur la conservation

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le charbon a brûlé et il ne reste que des cendres, donc les atomes de carbone ont disparu. »

Ce qu'il faut écrire

« Les atomes de carbone se sont combinés au dioxygène pour former du dioxyde de carbone, un gaz invisible parti dans l'air. Aucun atome n'a disparu, ils se sont réassemblés. »

Pourquoi : Une transformation chimique ne touche jamais les atomes eux-mêmes, seulement les liaisons entre eux. C'est la différence avec une transformation nucléaire, que l'on verra bien plus tard.

Quelle méthode choisir

Transformation physique ou chimique

On se demande si les MOLÉCULES présentes après sont les mêmes qu'avant. Rien d'autre ne décide.

Si seul l'état a changé, solide, liquide ou gaz → transformation PHYSIQUE : les molécules sont inchangées

Exemple : la glace qui fond, l'eau qui bout, la buée sur une vitre
Si un solide s'est dissous ou un mélange a été fait → transformation PHYSIQUE : les molécules du soluté existent toujours, dispersées

Exemple : le sucre dans le thé, que l'on retrouve entièrement par évaporation
Si un gaz se dégage, une flamme apparaît, un solide se forme, une couleur change durablement → transformation CHIMIQUE : il faut écrire une équation de réaction

Exemple : le fer qui rouille, la bougie qui brûle, l'eau de chaux qui se trouble
Si on peut revenir à l'état initial en changeant simplement la température → c'est PHYSIQUE : l'eau vaporisée redevient liquide en refroidissant

Un bois brûlé ou un oeuf cuit ne reviennent jamais : ce sont des transformations chimiques.

Si aucune branche ne tranche, cherchez les réactifs et les produits : une transformation chimique doit pouvoir se raconter avec la phrase « telle substance disparaît et telle autre apparaît ». Si on n'y arrive pas, elle est physique.

Équilibrer une équation, dans l'ordre

On ne touche JAMAIS aux indices. On ajuste seulement les coefficients, et toujours dans le même ordre.

Si la molécule contient du carbone → commencer par le CARBONE, qui n'apparaît en général que dans une formule de chaque côté

Exemple : $C_{3}H_{8}$ donne directement $3\,CO_{2}$
Si le carbone est équilibré → passer à l'HYDROGÈNE, en ajustant le coefficient de l'eau

Exemple : les $8$ hydrogènes de $C_{3}H_{8}$ imposent $4\,H_{2}O$
Si carbone et hydrogène sont équilibrés → finir par l'OXYGÈNE, en ajustant le coefficient du dioxygène : il est seul et se laisse ajuster sans rien casser

Exemple : $6+4=10$ oxygènes à droite imposent $5\,O_{2}$ à gauche
Si l'ajustement de l'oxygène tombe sur un nombre à virgule → multiplier TOUTE l'équation par $2$

Exemple : $C_{2}H_{6}+\frac{7}{2}O_{2}$ devient $2\,C_{2}H_{6}+7\,O_{2}$
Si un groupe d'atomes reste soudé des deux côtés → l'équilibrer comme un BLOC, sans le décomposer

Un groupe qui apparaît intact à gauche et à droite se compte en une fois : cela évite de tout reprendre.

À la fin, on écrit le tableau des atomes sous l'équation, une colonne par élément. Tant que ce tableau n'est pas rempli, l'équation n'est pas vérifiée, et l'écrire rapporte souvent un demi-point à lui seul.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Écrire et équilibrer une équation de combustion

Quand l'utiliser : L'énoncé donne le nom d'un combustible et demande d'écrire la réaction de sa combustion complète dans le dioxygène.

1 Écrire en toutes lettres ce qui réagit et ce qui se forme : « le méthane brûle dans le dioxygène et produit du dioxyde de carbone et de l'eau ».
2 Traduire en formules, réactifs à gauche, produits à droite, avec une FLÈCHE : « $CH_{4}+O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O$ ».
3 Équilibrer dans l'ordre carbone, hydrogène, oxygène, en ne touchant que les coefficients.
4 Recopier l'équation équilibrée en entier, sur une ligne propre.
5 Vérifier en dressant le tableau des atomes, élément par élément, et l'écrire sous l'équation.

Phrase de conclusion

L'équation équilibrée de la combustion complète du méthane s'écrit $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$ : on compte bien $1$ atome de carbone, $4$ atomes d'hydrogène et $4$ atomes d'oxygène de chaque côté de la flèche.

Le piège : S'arrêter dès que le compte semble tomber juste, sans écrire le tableau. C'est presque toujours l'oxygène, ajusté en dernier, qui est faux, parce qu'il apparaît dans deux produits à la fois.

Barème : 1 point pour la traduction en formules avec la flèche, 1 point pour les coefficients, 1 point pour la vérification écrite des trois éléments.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

Le tableau des atomes, en dix secondes

Sous l'équation, écrivez une ligne par élément avec le compte à gauche et à droite. Trois lignes suffisent pour une combustion. Si une ligne ne tombe pas juste, l'équation est fausse, quel que soit le reste.

$C_{3}H_{8}+4\,O_{2}\rightarrow 3\,CO_{2}+4\,H_{2}O$ : la ligne oxygène donne $8$ à gauche et $10$ à droite, il faut donc $5\,O_{2}$ .
Aucun indice n'a bougé

Comparez les formules de votre équation finale à celles de l'énoncé, lettre par lettre. Tous les petits nombres doivent être identiques : seuls les grands nombres devant ont pu changer.

Voir apparaître un $H_{2}O_{2}$ alors que l'énoncé parlait d'eau : l'indice a été modifié, l'équation ne décrit plus la même réaction.
La somme des masses

Additionnez les masses des réactifs, puis celles des produits : les deux totaux doivent être égaux. C'est le seul contrôle possible sur les questions de masse, et il attrape toutes les soustractions à l'envers.

$16+64=80$ à gauche, mais seulement $44+30=74$ à droite : il manque $6\ \mathrm{g}$ , donc la masse d'eau trouvée est fausse.
La cohérence du test de gaz

Relisez le résultat observé avant de nommer le gaz. Trouble de l'eau de chaux, détonation ou rallumage sont trois observations différentes qui désignent trois gaz différents.

Conclure au dihydrogène après un trouble de l'eau de chaux : le test cité ne correspond pas au gaz annoncé, et la question est perdue entièrement.

L'exercice type décortiqué

La chaudière au gaz naturel

Une chaudière brûle du méthane $CH_{4}$ dans le dioxygène de l'air. On introduit $16\ \mathrm{g}$ de méthane et $64\ \mathrm{g}$ de dioxygène, qui sont entièrement consommés. On recueille $44\ \mathrm{g}$ de dioxyde de carbone.

1. Écrire et équilibrer l'équation de la réaction. 2. Vérifier la conservation des atomes. 3. Quelle masse d'eau s'est formée ? 4. Une balance placée sous une chaudière ouverte indiquerait une perte de masse : expliquer. 5. Comment identifier expérimentalement les deux produits ?

À gauche une molécule de méthane et deux de dioxygène; à droite un dioxyde de carbone et deux eaux. Comptez les boules : il y en a exactement autant de chaque sorte en haut et en bas.

Étape 1

Le méthane brûle dans le dioxygène et produit du dioxyde de carbone et de l'eau : $CH_{4}+O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O$ , qu'il reste à équilibrer.

Pourquoi

On écrit d'abord le squelette non équilibré, avec la flèche. Cette ligne vaut un point à elle seule, indépendamment de la suite, et elle fixe ce qu'il faudra compter.

Étape 2

Carbone : $1$ à gauche, $1$ à droite, c'est fait. Hydrogène : $4$ à gauche, donc il faut $2\,H_{2}O$ à droite. Oxygène : $2+2\times 1=4$ à droite, donc $2\,O_{2}$ à gauche. L'équation est $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$ .

Pourquoi

L'ordre carbone, hydrogène, oxygène évite de tout reprendre. L'oxygène passe en dernier parce qu'il est le seul à apparaître dans deux produits : l'ajuster d'abord obligerait à recommencer.

Étape 3

Tableau des atomes : $C$ vaut $1$ et $1$ ; $H$ vaut $4$ et $2\times 2=4$ ; $O$ vaut $2\times 2=4$ et $2+2\times 1=4$ . Les trois lignes tombent juste.

Pourquoi

C'est la vérification exigée par le barème, et elle s'écrit, elle ne se pense pas. Une équation juste sans tableau perd le point de vérification.

Étape 4

Conservation de la masse : $m_{reactifs}=16+64=80\ \mathrm{g}$ , donc $m_{produits}=80\ \mathrm{g}$ également. Il vient $m_{eau}=80-44=36\ \mathrm{g}$ .

Pourquoi

Aucune formule ne donne directement la masse d'eau à ce niveau : c'est la conservation qui la fournit, par soustraction. La phrase « la masse se conserve » doit apparaître avant le calcul.

Étape 5

Sous une chaudière ouverte, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau partent dans l'air. La balance ne pèse plus que ce qui reste, donc elle affiche moins, alors que la masse totale, elle, s'est conservée.

Pourquoi

La question porte sur la différence entre système fermé et système ouvert, pas sur la loi elle-même. La réponse attendue nomme les gaz qui s'échappent, sinon elle reste creuse.

Étape 6

Le dioxyde de carbone TROUBLE l'eau de chaux. L'eau formée fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre, blanc au départ.

Pourquoi

On cite l'observation, puis la conclusion, dans cet ordre. Nommer le gaz sans dire ce que l'on voit ne vaut aucun point, parce que c'est justement l'observation qui prouve l'identification.

Conclusion rédigée

L'équation équilibrée est $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$ , avec $1$ carbone, $4$ hydrogènes et $4$ oxygènes de chaque côté; la conservation de la masse donne $80-44=36\ \mathrm{g}$ d'eau formée, et une chaudière ouverte semble perdre de la masse simplement parce que ses deux produits sont des gaz.

L'erreur classique sur cet exercice : Écrire $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O_{2}$ pour faire tomber l'oxygène juste. Les atomes sont alors comptés correctement, mais le produit n'est plus de l'eau : le calcul de masse qui suit porte sur une substance qui ne s'est jamais formée.

À savoir par cœur

• Un symbole d'atome commence par une MAJUSCULE, suivie au plus d'une minuscule. $CO$ n'est pas $Co$ .
• L'indice compte les atomes de l'élément qui le précède; le coefficient multiplie TOUTE la molécule.
• Pour compter : coefficient MULTIPLIÉ par indice. Dans $3\,H_{2}O$ : $6$ atomes $H$ et $3$ atomes $O$ .
• Équilibrer, c'est changer les COEFFICIENTS. Jamais un indice, jamais une formule.
• Ordre d'équilibrage : carbone, puis hydrogène, puis oxygène. Une virgule sur l'oxygène : tout multiplier par $2$ .
• Masse des réactifs égale masse des produits. En récipient ouvert, la balance ne pèse pas les gaz.
• Eau de chaux troublée : dioxyde de carbone. Détonation : dihydrogène. Bûchette rallumée : dioxygène.

Questions fréquentes

Comment équilibrer une équation chimique en quatrième ?

On ajoute uniquement des nombres devant les formules, jamais dans les formules. On procède dans l'ordre : d'abord le carbone, puis l'hydrogène, et l'oxygène en dernier car il apparaît souvent dans plusieurs produits. Si l'oxygène tombe sur un nombre à virgule, on multiplie toute l'équation par deux.

Quelle est la différence entre un indice et un coefficient ?

L'indice est le petit nombre écrit en bas à droite d'un symbole : il compte les atomes de cet élément dans une molécule. Le coefficient est le grand nombre écrit devant la formule : il dit combien de molécules on prend. Dans trois fois H deux O, il y a trois molécules, donc six hydrogènes et trois oxygènes.

Pourquoi la balance indique moins après une combustion ?

Parce que le récipient est ouvert et que les produits sont des gaz, qui partent dans l'air. La balance ne pèse plus que ce qui reste. La masse totale, elle, s'est bien conservée : si on refait la même expérience dans un récipient fermé, l'affichage ne bouge pas d'un milligramme.

Comment reconnaître une transformation chimique ?

On regarde si les molécules présentes après sont différentes de celles d'avant. Les signes qui alertent sont un dégagement de gaz, une flamme, la formation d'un solide, un changement de couleur durable ou un dégagement de chaleur. Une fusion, une ébullition ou une dissolution ne changent pas les molécules : elles sont physiques.

Comment identifier le dioxyde de carbone et le dioxygène ?

Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux, qui devient blanchâtre, et il éteint une flamme. Le dioxygène, au contraire, entretient la combustion : il rallume une bûchette incandescente. Le dihydrogène, lui, détone avec un bruit sec quand on approche une allumette enflammée.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Atomes, molécules et transformations chimiques

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

15 exercices corrigés
150 points
195 minutes

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