Réactions chimiques

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L'essentiel

La chimie fait partie intégrante de notre quotidien, tant dans la recherche (fondamentale ou appliquée) que dans ses applications et cela dans des domaines très variés. Elle est présente dans notre alimentation, les produits cosmétiques, les médicaments, dans les processus biologiques (respiration, renouvellement cellulaire…), dans l'art (peintures, pigments…).
Ses progrès sont le plus souvent le fruit des recherches menées par l'homme pour mieux maîtriser son environnement, par exemple assurer une meilleure conservation des aliments ou des œuvres d'art, réduire certaines altérations comme la rouille ou des oxydations, optimiser les synthèses chimiques ou les réactions (synthèse du savon, de parfums, de matériaux, de colorants ; meilleure utilisation des carburants dans les moteurs à explosion, etc.).
Grâce à la meilleure connaissance de la matière à l'échelle microscopique, l'homme a pu interpréter les réactions chimiques, comprendre comment se réorganisait la matière lors d'une transformation, prédire ces réorganisations et finalement les maîtriser. Comme un jeu de construction pour les enfants, une réaction chimique est un processus plus ou moins efficace de réarrangement des atomes contenus dans les réactifs de base…

La fiche

Définition de la réaction chimique
Aperçu historique
L'homme antique ne s'est jamais véritablement consacré à l'étude scientifique des réactions chimiques. Au Moyen Âge, la chimie était un ensemble de recettes d'alchimiste. C'est ainsi que pour synthétiser de l'ammoniac (gaz dont l'odeur est celle des déboucheurs de canalisations), on le produisait en faisant chauffer de l'urine avec des cendres…
À partir du xviiie siècle, l'homme s'est intéressé à comprendre et interpréter les réactions chimiques, du point de vue macroscopique (à notre échelle) mais aussi microscopique, en même temps qu'il comprenait mieux la constitution microscopique de la matière. Par ailleurs, la compréhension et la meilleure maîtrise des réactions chimiques furent intiment liées aux développements industriels des xixe et xxe siècles. En France, la chimie doit beaucoup à l'étude des transformations chimiques par le chimiste Lavoisier (1743 - 1794), auteur de la célèbre phrase « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » ; on est encore loin de la chimie « atomique », mais il s'agit d'un premier pas vers une interprétation microscopique. En particulier, alors que l'on pensait que l'eau était un corps pur (indissociable), Lavoisier réussit en 1783 à la synthétiser à partir de dioxygène et de dihydrogène.
La chimie organique (celle du carbone) se développe ensuite rapidement, après la découverte dans les années 1850 du benzène, et surtout ensuite grâce à l'exploitation des gisements pétroliers. De très nombreux produits sont en effet synthétisables à partir des composés contenus dans un pétrole.
Définition macroscopique d'une réaction chimique
Une réaction chimique correspond à la transformation de composés appelés réactifs, en d'autres composés bien distincts appelés produits. On peut ainsi la résumer par : Réactifs → Produits. Une réaction chimique peut être spontanée (la transformation démarre seule), mais peut aussi nécessiter un amorçage, elle est alors forcée. La plupart sont non renversables (on ne peut revenir aux réactifs à partir des produits). Il n'est pas possible de passer des réactifs aux produits par une transformation physique simple : la nature des réactifs est très différente de celle des produits. Une réaction chimique peut se manifester par un dégagement gazeux (effervescence par exemple), un changement de couleurs, une détonation, la production d'une odeur…
Exemples et contre-exemples
Transformations physiques
Un changement d'état (solidification/ fusion, liquéfaction/ vaporisation, condensation/ sublimation) n'est pas une réaction chimique. En effet, de la glace, de l'eau liquide ou de la vapeur d'eau contiennent toutes les trois des molécules d'eau. Seul leur agencement dans l'espace ou leur mobilité a changé !
Combustions
Toutes les combustions sont des réactions chimiques. Dans le cas du gaz méthane CH4, du bois (qui est riche en carbone C), des matériaux organiques (comme les plastiques riches en carbone C), la combustion libère du carbone C (résidu noir) et du dioxyde de carbone CO2, ainsi que de l'eau H2O. Après l'incendie d'une forêt, il n'est pas possible de régénérer simplement les arbres brûlés !
Actions des solutions
Il faut faire attention et distinguer une simple dissolution d'une réaction chimique. Quand on met un morceau de sucre dans de l'eau, il ne faut surtout pas dire que le sucre fond ! Ce n'est pas une fusion (le sucre fondu, c'est du caramel), c'est une dissolution. Mais ce n'est pas une réaction chimique, car on retrouve toujours les molécules de sucre au milieu des molécules d'eau. Pour preuve, si on laisse l'eau s'évaporer lentement, un amas solide va se cristalliser au fond : c'est du sucre.
En revanche, quand on met certains métaux au contact de solutions acides ou basiques, il peut y avoir une réaction chimique. Ainsi, l'acide chlorhydrique attaque le fer ou l'aluminium et provoque un fort dégagement de dihydrogène H2, alors qu'il n'attaque pas le cuivre. Dans le cas du fer Fe solide, celui-ci se transforme en ions fer (II) Fe2+. La formation de rouille est bien aussi une réaction chimique (oxydation), lente : la réaction entre le fer Fe, le dioxygène O2 de l'air et l'eau H2O. Le mot « rouille » désigne le mélange des produits (oxydes et hydroxydes de fer). Au contraire, l'aluminium lui ne rouille pas.
Interprétation microscopique d'une réaction chimique
Interprétation en termes de réarrangement d'atomes
La matière est formée d'atomes qui sont les briques de base ; ces atomes sont formés d'un noyau positif autour duquel gravitent des électrons négatifs. Dans les ions ou les molécules, ces atomes sont liés entre eux, mais ces liaisons peuvent de rompre au cours de réactions chimiques. Les transformations chimiques de la matière, à notre échelle, sont les manifestations de l'union ou de la séparation d'atomes à l'échelle microscopique. En effet, au cours d'une réaction chimique, les atomes se conservent mais se réorganisent. Autrement dit, les liaisons chimiques qui les unissaient dans les molécules de départ (appelées réactifs) se brisent, et d'autres se forment après réaction, dans les produits. Comme les liaisons chimiques mettent en jeu les électrons externes des atomes, sans toucher aux noyaux eux-mêmes, au cours d'une réaction chimique, il y a simplement échange d'électrons entre atomes. Il n'y a pas de changement dans les noyaux et donc pas changement des éléments. Il y a conservation des éléments : on doit retrouver les mêmes atomes avant et après la réaction.
Exemple : la production d'ozone
Zoom
La formation de l'ozone© rue des écoles
La formation de l'ozone
La molécule d'ozone O3 contient 3 atomes d'oxygène ; l'une des réactions à son origine a pour réactif l'oxyde d'azote NO2 (gaz de couleur rousse) émis par le trafic automobile. Les produits de la réaction peuvent être le monoxyde d'azote NO et de l'oxygène O. On traduit simplement cette réaction par NO2 → NO + O. Ensuite, lors d'une seconde réaction, l'oxygène produit peut réagir dans certaines conditions au dioxygène contenu dans l'air et produire de l'ozone : O + O2 → O3. On observe que dans chacune des réactions chimiques, les produits sont bien différents des réactifs, mais il y a, avant et après, le même nombre d'atomes de chaque type (oxygène O ou azote N).
Équation d'une transformation chimique
On traduit une réaction chimique par une équation (ou « équation-bilan », ou équation de réaction). À gauche figurent les réactifs et à droite les produits. Elle doit respecter la conservation des éléments. Pour cela, il faut tenir compte des indices (placés après un symbole d'atome, ils renseignent sur le nombre d'atomes de ce type contenus dans la molécule), et des coefficients placés avant la formule de la molécule.
Exemples :
– la combustion du carbone C dans le dioxygène O2 de l'air s'écrit : C + O2 → CO2 (il y a en effet deux atomes d'oxygène O) ;
– la production d'eau à partir de dihydrogène H2 et de dioxygène O2 (expérience de Lavoisier) s'écrit :
2 H2 + O2 → 2 H2O.
Il faut introduire deux coefficients (ici 2) pour pouvoir assurer la conservation des atomes ;
– la combustion du méthane (gaz de ville) s'écrit :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
Contrôle d'une réaction chimique
Influence des paramètres
Certaines réactions chimiques sont sensibles, par exemple, à la température ou à la pression. En général, refroidir le milieu dans lequel se déroule une réaction permet de la ralentir. On parle de la cinétique de la réaction chimique. Les molécules de réactifs sont alors moins agitées et moins susceptibles d'entrer en collision, et donc de réagir. Cette propriété est naturellement exploitée pour la conservation des aliments dans un réfrigérateur…
La réaction consomme les réactifs pour produire les produits. Lorsque l'un de ses réactifs a disparu totalement, alors la réaction s'arrête. On dit que ce réactif est limitant. Par exemple, lorsqu'on veut éteindre un feu, on peut l'étouffer, c'est-à-dire que l'on prive la réaction de son réactif « dioxygène ».
On peut aussi accélérer certaines réactions en ajoutant un composé qui accroît la vitesse de réaction. On parle alors de catalyseur. Par exemple, la rouille, habituellement de formation lente, est nettement accélérée en présence de sel… comme le montrent les objets rouillés des bords de mer.
Certaines réactions ont besoin d'être amorcées pour que les réactifs puissent commencer à réagir entre eux. Ainsi, dans le moteur d'une voiture à essence, la coexistence du carburant et du dioxygène de l'air ne suffit pas (heureusement) à déclencher l'explosion du mélange. On utilise des étincelles produites par des bougies… Certaines réactions peuvent être déclenchées par de la lumière (le bronzage par exemple). Les mêmes réactifs peuvent donner lieu à plusieurs réactions possibles ! Par exemple, la combustion complète du bois donne du dioxyde de carbone (C + O2 → CO2), mais la combustion incomplète donne du monoxyde de carbone (2 C + O2 → 2 CO).
Application citoyenne
Le tri sélectif mis en place dans les communes permet de valoriser nos déchets. Ainsi, le compostage des feuilles et branchages est préférable à leur incinération car celle-ci libère du dioxyde de carbone dans l'air.
Application aux contrôles des risques
Il est dangereux de brûler des matières plastiques sans protection particulière, ou de procéder à des mélanges hasardeux sans avoir réfléchi auparavant aux réactions chimiques pouvant se produire. C'est pourquoi de nombreux produits domestiques comportent une indication des principaux réactifs qu'ils contiennent, et des consignes d'utilisation (pictogrammes).
Exemples :
  • ne pas fumer à proximité d'aérosols (réaction de combustion possible) ;
  • ne pas mélanger de l'eau de Javel avec de l'acide chlorhydrique (déboucheur de canalisation) : la réaction produit alors un gaz verdâtre qui est du dichlore Cl2 potentiellement mortel.
Inversement, connaître les réactifs responsables d'une réaction permet ensuite de l'éviter. Dans le cas de la rouille, il suffit d'enduire l'objet rouillé d'huile pour stopper l'oxydation (l'huile imperméable empêche le réactif « eau » d'intervenir).

Zoom sur…

Les réactions gazeuses
• La compréhension des causes responsables de l'effet de serre sur Terre est devenue une préoccupation majeure pour les scientifiques et politiques du monde entier. Parmi les gaz responsables de cet effet de serre, le dioxyde de carbone CO2 est le plus souvent cité, mais il en existe d'autres comme le méthane CH4 et les fameux CFC. Ces gaz emprisonnent la chaleur que dégage la surface de la terre en piégeant une partie du rayonnement infrarouge. Les êtres vivants en rejettent lors de leur respiration, mais aussi de nombreuses installations industrielles. Le développement constant des activités humaines accroît la présence de ces gaz dans l'atmosphère et accélère les changements climatiques. Outre les actions citoyennes pour réduire ces effets, la limitation de l'émission des gaz nocifs passe aussi par un meilleur contrôle des réactions chimiques polluantes, pour réduire la quantité de produits émis. C'est ainsi que des pots d'échappement moins polluants (pots « catalytiques »), des bougies d'allumage plus efficaces, ont pu récemment être développés et adaptés sur les véhicules, qui doivent périodiquement, lors d'un contrôle technique, satisfaire des normes dans l'émission de gaz polluants. Depuis peu, on s'intéresse aussi aux biocarburants, dont on cherche à optimiser le potentiel énergétique lors de leurs réactions de combustion si possible totale. L'exploitation de la simple réaction chimique entre le dioxygène O2 de l'air et le dihydrogène H2 (récupérable à partir de l'électrolyse de l'eau), actuellement au stade expérimentale, est envisagée dans le futur pour réaliser la propulsion des automobiles (moteurs à pile à combustion).
• Les intoxications au monoxyde de carbone sont fréquentes en hiver. Ces émanations proviennent en général d'un système de chauffage défectueux, comme des chauffages d'appoint (poêle, chaudière) non entretenus. Dans ce cas, les combustions sont incomplètes et l'un des produits de la réaction chimique est le monoxyde de carbone CO, qui remplace le dioxyde de carbone CO2 car le réactif dioxygène O2 est devenu limitant. En présence de ce gaz, l'asphyxie est rapide et peut être fatale car le monoxyde de carbone se fixe facilement sur l'hémoglobine à la place du dioxygène…

Pour aller plus loin

Repères bibliographiques
  • G. Richard, La chimie, Belin, 1989.
  • P. Süskind, Le parfum, Fayard, 1986.
  • A. Gullino, Odeurs et saveurs, collection « Dominos », Flammarion, 1997.
  • J. Jacques, L'imprévu ou la science des objets trouvés, Odile Jacob, 1990.
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