Passer au contenu

Réactions chimiques

AP Chimie · Sujet 4

Entrainer
Leçon vidéo pour ce sujet Ouvrir la page vidéo
7:42

Réactions chimiques

Une bande de magnésium métallique. Touchez-la avec une flamme et elle brûle — combustion — avec une lumière trop vive pour regarder. Ce qu'il reste n'est plus du magnésium. C'est…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

4.1

Reconnaître une réaction chimique

Programme

Objectif d'apprentissage 4.1.A : Identifier les preuves de changements chimiques et physiques de la matière.

  • 4.1.A.1 Un changement physique se produit lorsqu'une substance subit un changement de propriétés sans changement de composition. Les changements de phase d'une substance (solide, liquide, gaz) ou la formation/séparation de mélanges de substances sont des changements physiques courants.
  • 4.1.A.2 Un changement chimique se produit lorsque des substances sont transformées en nouvelles substances, généralement avec des compositions différentes. La production de chaleur ou de lumière, la formation d'un gaz, la formation d'un précipité et/ou le changement de couleur constituent des preuves possibles qu'un changement chimique s'est produit.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Magnésium brûlant : une réaction chimique réarrange les atomes et libère de l'énergie sous forme de lumière et de chaleur
Magnésium brûlant : une réaction chimique réarrange les atomes et libère de l'énergie sous forme de lumière et de chaleur

Une réaction chimique 化学反应 réarrange les atomes en nouvelles substances. Signes qu'elle a eu lieu : changement de couleur, formation d'un gaz ou précipité 沉淀, ou changement de température. Les atomes sont conservés, donc une équation doit être équilibrée – le même nombre de chaque élément des deux côtés.

4.2

Équions ioniques nettes

Programme

Objectif d'apprentissage 4.2.A : Représenter les changements de matière par une équation chimique équilibrée ou une équation nette ionique : i. Pour les changements physiques. ii. Pour des informations données sur l'identité des réactifs et/ou produits. iii. Pour les ions dans une réaction chimique donnée.

  • 4.2.A.1 Tous les processus physiques et chimiques peuvent être représentés symboliquement par des équations équilibrées.
  • 4.2.A.2 Les équations chimiques représentent des changements chimiques. Ces changements résultent d'un réarrangement des atomes en nouvelles combinaisons ; ainsi, toute représentation d'un changement chimique doit contenir un nombre égal d'atomes de chaque élément avant et après le changement. Les équations démontrent donc que la masse et la charge sont conservées dans les réactions chimiques.
  • 4.2.A.3 Les équations moléculaires équilibrées, les équations ioniques totales et les équations ioniques nettes sont différentes formes symboliques utilisées pour représenter une réaction chimique. La forme utilisée dépend du contexte dans lequel elle est destinée à être employée.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Pour les réactions dans l'eau, les composés ioniques se scindent en ions. Une équation ionique nette 净离子方程式 ne montre que les espèces qui changent réellement, en omettant les ions spectateurs 旁观离子 qui apparaissent inchangés des deux côtés. Elle capture la vraie chimie (par ex. $\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}(s)$).

Mélanger deux solutions peut former un précipité insoluble
Mélanger deux solutions peut former un précipité insoluble
4.3

Trois façons de représenter une réaction

Programme

Objectif d'apprentissage 4.3.A : Représenter une réaction chimique ou un processus physique donné par un modèle particulaire cohérent.

  • 4.3.A.1 Les équations chimiques équilibrées sous leurs diverses formes peuvent être traduites en représentations symboliques particulaires.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La même réaction peut être montrée comme une équation symbolique, un dessin particulaire (atomes et molécules) et une observation macroscopique (ce que vous voyez). Passer d'un niveau à l'autre – relier l'équation aux particules au bécher – est une compétence fondamentale.

Une équation équilibrée a le même nombre de chaque atome des deux côtés
Une équation équilibrée a le même nombre de chaque atome des deux côtés
4.4

Changements physiques versus changements chimiques

Programme

Objectif d'apprentissage 4.4.A : Expliquer la relation entre les caractéristiques macroscopiques et les interactions de liaison pour : i. Processus chimiques. ii. Processus physiques.

  • 4.4.A.1 Les processus impliquant la rupture et/ou la formation de liaisons chimiques sont généralement classés comme des processus chimiques. Les processus impliquant uniquement des changements dans les interactions intermoléculaires, tels que les changements de phase, sont généralement classés comme des processus physiques.
  • 4.4.A.2 Parfois, les processus physiques impliquent la rupture de liaisons chimiques. Par exemple, des arguments plausibles pourraient être avancés pour dissoudre un sel dans l'eau, car qu'il s'agisse d'un processus physique ou chimique, cela implique la rupture de liaisons ioniques et la formation d'interactions ion-dipôle entre les ions et le solvant.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un changement physique 物理变化 modifie la forme sans changer l'identité (fusion, dissolution) ; un changement chimique 化学变化 crée de nouvelles substances en cassant et formant des liaisons. Dissoudre du sel est physique ; le sel reste inchangé et récupérable.

4.5

Stœchiométrie

Programme

Objectif d'apprentissage 4.5.A : Expliquer les variations des quantités de réactifs et de produits en se basant sur l'équation de réaction équilibrée d'un processus chimique.

  • 4.5.A.1 Puisque les atomes doivent être conservés au cours d'un processus chimique, il est possible de calculer les quantités de produits en utilisant des quantités connues de réactifs, ou de calculer les quantités de réactifs à partir de quantités connues de produits.
  • 4.5.A.2 Les coefficients des équations chimiques équilibrées contiennent des informations concernant la proportionnalité des quantités de substances impliquées dans la réaction. Ces valeurs peuvent être utilisées dans les calculs chimiques impliquant le concept de mole.
  • 4.5.A.3 Les calculs stœchiométriques peuvent être combinés avec la loi des gaz parfaits et les calculs impliquant la molarité pour étudier quantitativement les gaz et les solutions.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La stœchiométrie 化学计量 utilise les rapports molaires de l'équation équilibrée pour relier les quantités de réactifs et de produits. Le cheminement est toujours grammes → moles → (rapport molaire) → moles → grammes. Le réactif limitant 限量反应物 s'épuise en premier et fixe le rendement maximal (le rendement théorique 理论产量) ; le rendement en pourcentage compare le rendement réel au rendement théorique.

Le réactif limitant s'épuise en premier et détermine la quantité de produit formé
Le réactif limitant s'épuise en premier et détermine la quantité de produit formé

Exemple résolu. Combien d'eau se forme lorsque $4.0\ \text{g}$ d'hydrogène brûle dans un excès d'oxygène ? $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$. Convertir en moles, traverser le rapport molaire ($2:2=1:1$ ici), convertir à nouveau :

$$n(\text{H}_2)=\frac{4.0}{2.0}=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;n(\text{H}_2\text{O})=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;m=2.0\times18=36\ \text{g}.$$

Exemple résolu (réactif limitant). $10.0\ \text{g}$ de N$_2$ réagit avec $5.0\ \text{g}$ de H$_2$ ($\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$). Lequel s'épuise en premier ? Moles : $n(\text{N}_2)=10.0/28=0.36$, $n(\text{H}_2)=5.0/2=2.5$. La réaction nécessite $3$ H$_2$ par N$_2$ ; vous en avez $2.5/0.36=7.0$, bien plus que $3$, donc N$_2$ est limitant. Il produit $2\times0.36=0.72\ \text{mol}$ d'ammoniac, avec de l'hydrogène restant.

Explorer

Mettre à l'échelle réactifs et produits selon le rapport molaire

Une équation équilibrée fixe le rapport molaire entre les espèces. La quantité de produit est proportionnelle au réactif limitant, modulée par ce rapport.

4.6

Introduction à la titrage

Programme

Objectif d'apprentissage 4.6.A : Identifier le point d'équivalence lors d'une titration en se basant sur les quantités de titrant et d'analyte, en supposant que la réaction de titrage va jusqu'à son terme.

  • 4.6.A.1 Les titrations peuvent être utilisées pour déterminer la quantité d'un analyte en solution. Le titrant a une concentration connue d'une espèce qui réagit spécifiquement et quantitativement avec l'analyte. Le point d'équivalence de la titration survient lorsque l'analyte est totalement consommé par l'espèce réagissante du titrant. Le point d'équivalence est souvent indiqué par un changement d'une propriété (telle que la couleur) qui se produit lorsque le point d'équivalence est atteint. Cet événement observable est appelé la fin de la titration.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Une courbe de titrage acide-base

Un titrage 滴定 détermine une concentration inconnue en la faisant réagir avec une solution de concentration connue jusqu'à ce qu'ils atteignent le point d'équivalence 等当点 (stoichiométriquement égal). À partir du volume et de la concentration connus, utiliser le rapport molaire pour trouver l'inconnu. Un indicateur ou une courbe de pH signale le point final.

Appareil de titrage : une burette délivre une solution connue dans un erlenmeyer
Appareillage de titrage : une burette livre une solution connue dans un erlenmeyer

Exemple résolu. $25.0\ \text{mL}$ d'acide chlorhydrique est exactement neutralisé par $30.0\ \text{mL}$ de $0.100\ \text{M}$ NaOH. Trouver la concentration de l'acide. La réaction est $1:1$, donc les moles sont égales :

$$n(\text{NaOH})=0.0300\times0.100=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}=n(\text{HCl}),\qquad [\text{HCl}]=\frac{3.00\times10^{-3}}{0.0250}=0.120\ \text{M}.$$

Un dispositif de titrage : les volumes réagissant depuis une burette trouvent la concentration d'une solution inconnue
Un dispositif de titrage : les volumes réagissant provenant d'une burette permettent de trouver la concentration d'une solution inconnue
Explorer

Titrer un acide et trouver le point d'équivalence

Ajouter de la base à un acide fait augmenter le pH lentement, puis brusquement au point d'équivalence où les moles d'acide et de base sont égales. La forte augmentation localise ce volume.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
chemical reaction/ˈkemɪkl rɪˈækʃn/ 化学反应 huà xué fǎn yìng
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
net ionic equation/net aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ 净离子方程式 jìng lí zi fāng chéng shì
spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ 旁观离子 páng guān lí zi
physical change/ˈfɪzɪkl tʃeɪndʒ/ 物理变化 wù lǐ biàn huà
chemical change/ˈkemɪkl tʃeɪndʒ/ 化学变化 huà xué biàn huà
Stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ 化学计量 huà xué jì liàng
limiting reactant/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈæktənt/ 限量反应物 xiàn liàng fǎn yìng wù
theoretical yield/θɪəˈretɪkl jiːld/ 理论产量 lǐ lùn chǎn liàng
titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/ 等当点 děng dāng diǎn
4.7

Types de réactions chimiques

Programme

Objectif d'apprentissage 4.7.A : Identifier une réaction comme étant acide-base, oxydoréduction ou précipitation.

  • 4.7.A.1 Les réactions acido-basiques impliquent le transfert d'un ou plusieurs protons ($\text{H}^+$ ions) entre des espèces chimiques.
  • 4.7.A.2 Les réactions d'oxydoréduction (redox) impliquent le transfert d'un ou plusieurs électrons entre des espèces chimiques, tel qu'indiqué par des changements dans les nombres d'oxydation des espèces concernées. La combustion est une sous-classe importante des réactions d'oxydoréduction, au cours de laquelle une espèce réagit avec du dioxygène gazeux. Dans le cas des hydrocarbures, le dioxyde de carbone et l'eau sont des produits de la combustion complète.
  • 4.7.A.3 Dans une réaction redox, les électrons sont transférés de l'espèce qui est oxydée vers l'espèce qui est réduite.
    • Déclaration d'exclusion : La signification des termes « agent réducteur » et « agent oxydant » ne sera pas évaluée à l'examen AP.
  • 4.7.A.4 Les nombres d'oxydation peuvent être attribués à chacun des atomes des réactifs et des produits ; c'est souvent un moyen efficace d'identifier les espèces oxydées et réduites dans une réaction redox.
  • 4.7.A.5 Les réactions de précipitation impliquent fréquemment le mélange d'ions en solution aqueuse pour produire un composé ionique insoluble ou peu soluble. Tous les sels de sodium, potassium, ammonium et nitrate sont solubles dans l'eau.
    • Déclaration d'exclusion : La mémorisation par cœur des « règles de solubilité » autres que celles impliquées dans 4.7.A.5 ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Les modèles courants incluent la synthèse (combinaison), la décomposition (disjonction), la combustion (avec oxygène, libérant de l'énergie), la précipitation (formation d'un solide insoluble), les acide-base (transfert de proton) et les redox (transfert d'électrons). Reconnaître le type permet de prédire les produits.

4.8

Réactions acide-base

Programme

Objectif d'apprentissage 4.8.A : Identifier les espèces comme étant des acides de Brønsted-Lowry, des bases et/ou des paires acide-base conjuguées, sur la base du transfert de protons impliquant ces espèces.

  • 4.8.A.1 Par définition, un acide de Brønsted-Lowry est un donneur de protons et une base de Brønsted-Lowry est un accepteur de protons.
  • 4.8.A.2 Uniquement en solutions aqueuses, l'eau joue un rôle important dans de nombreuses réactions acido-basiques, car sa structure moléculaire lui permet d'accepter des protons de et de donner des protons à des espèces dissoutes.
  • 4.8.A.3 Lorsqu'un acide ou une base s'ionise dans l'eau, les paires acide-base conjuguées peuvent être identifiées et leurs forces relatives comparées.
    • Déclaration d'exclusion : Les concepts d'acide-base de Lewis ne seront pas évalués à l'examen AP. L'accent mis en Chimie AP est mis sur les réactions en solution aqueuse.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un acide 酸 donne un proton ($\text{H}^+$) ; une base 碱 l'accepte (Brønsted–Lowry). Ils réagissent pour former de l'eau et un sel : $\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Les acides et bases forts se dissocient totalement ; les faibles seulement partiellement.

Bronsted-Lowry : un acide donne un proton à une base, formant deux paires conjuguées
Bronsted-Lowry : un acide donne un proton à une base, formant deux paires conjuguées
Explorer

Se déplacer sur l'échelle de pH

Le pH mesure l'acidité ou la basicité d'une solution. Chaque pas de 1 pH représente un changement décuple de la concentration en ions hydrogène ; 7 est neutre, inférieur est acide, supérieur est basique.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
acid/ˈæsɪd/ 酸 suān
base/beɪs/ 碱 jiǎn
4.9

Réactions d'oxydoréduction (Redox)

Programme

Objectif d'apprentissage 4.9.A : Représenter une équation de réaction redox équilibrée à l'aide de demi-équations.

  • 4.9.A.1 Les équations chimiques équilibrées pour les réactions redox peuvent être construites à partir de demi-équations.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Dans une réaction redox 氧化还原, des électrons sont transférés entre espèces. L'oxydation 氧化 est une perte d'électrons (le nombre d'oxydation augmente) ; la réduction 还原 est un gain (le nombre d'oxydation diminue). Suivre les changements avec les nombres d'oxydation, et se rappeler que toute oxydation est couplée à une réduction – les électrons perdus égalent ceux gagnés.

Redox est un transfert d'électrons : l'agent réducteur est oxydé, l'agent oxydant réduit
La redox est un transfert d'électrons : l'agent réducteur est oxydé, l'agent oxydant est réduit

Exemple résolu. Trouver le nombre d'oxydation du manganèse dans le permanganate, $\text{KMnO}_4$. Le potassium est $+1$ et chaque oxygène est $-2$ (quatre d'eux, $-8$). La formule entière est neutre, donc $(+1)+\text{Mn}+(-8)=0$, donnant $\text{Mn}=+7$ – son maximum, c'est pourquoi le permanganate est un puissant agent oxydant (il ne peut que gagner des électrons).

Explorer

Observer le transfert d'électrons dans une réaction d'oxydoréduction

Dans une réaction redox, une espèce est oxydée (perd des électrons) et une autre est réduite (les gagne). Suivez le mouvement des électrons du métal vers le non-métal.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
redox/rɪˈdɒks/ 氧化还原 yǎng huà huán yuán
Oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
4.9

Conseils d'examen

  • Équilibrer chaque équation et travailler en moles — convertir grammes→moles, traverser le rapport molaire, puis convertir à nouveau.
  • Trouver le réactif limitant en comparant les rapports molaires ; il fixe le rendement maximal (rendement théorique).
  • En redox, retenir OIL RIG : oxydation est perte d'électrons, réduction est gain ; toute oxydation est couplée à une réduction.
  • Pour les titrages, utiliser le rapport équilibré pour relier le connu et l'inconnu au point d'équivalence.
  • Une équation ionique nette montre uniquement les espèces qui changent ; laisser les ions spectateurs.

Leçons interactives sur ce sujet

Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.

Épreuves Passées

Plus de sujets dans AP Chimie

Se connecter ou créer un compte

IGCSE, A-Level & AP