Chapitre 5 : Oxygène et combustions

Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Objectifs
L’élève doit être capable
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
d’énoncer les endroits où on peut trouver l’oxygène dans la
nature,
de décrire les propriétés physiques et chimiques du dioxygène,
de décrire la structure des corps simples de l’oxygène,
de décrire le principe de la distillation fractionnée du dioxygène,
de citer les constituants principaux de l’air,
d’établir l’équation de la réaction de décomposition de H2O2,
d’établir les équations des réactions de combustion de métaux, de
non-métaux et de corps organiques simples,
d’établir l’équation de la réaction de dissolution des produits de la
combustion dans l’eau,
de prédire le caractère acide ou basique de la solution obtenue par
dissolution des produits de combustion dans l’eau,
d’expliquer la méthode de mise en évidence du dioxygène, des
acides, des bases et du dioxyde de carbone.
Mots clés
!
!
!
!
!
!
!
!
84
dioxygène
ozone
distillation fractionnée
peroxyde d’hydrogène
combustion des métaux
combustion des non-métaux
oxyde métallique
oxyde non-métallique
!
!
!
!
!
!
!
bromothymol
hydroxyde
acide
base
eau de chaux
combustion complète
combustion incomplète
Oxygène
et combustions
5.1. L’oxygène (O)
5.1.1.
État naturel
L’oxygène est l’élément le plus abondant dans l’univers après
l’hydrogène et l’hélium.
À la surface de la terre, l’oxygène est l’élément le plus abondant.
En effet, on le trouve :
a)
dans l’écorce terrestre
L’écorce terrestre est constituée d’environ 50 % en masse
d’oxygène. L’oxygène ne s’y trouve pas à l’état pur, mais est lié à
d’autres éléments pour former des minerais et des roches.
Exemples de composés contenus dans l’écorce terrestre
SiO2
Fe2O3
CaCO3
…
oxyde de silicium
oxyde de fer(III)
carbonate de calcium (constituant principal du calcaire)
Les éléments les plus répandus dans l'écorce terrestre
(en % masse)
Calcium
3,4%
Aluminium
7,6%
Fer
4,7%
Sodium
2,5%
Potassium
2,1%
Magnésium
2,0%
Hydrogène
0,9%
Silicium
26,9%
Oxygène
49,7%
85
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
b)
dans l’eau (océans)
Une molécule d’eau est composée d’un atome
d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.
L’oxygène constitue donc environ 89 %
(exactement 1618 ) en masse de la molécule.
Ainsi, l’élément oxygène constitue 89 % de la masse aqueuse des
océans.
c)
dans l’atmosphère
Il existe deux corps simples de l’oxygène dans l’atmosphère :
-
l’air que nous respirons contient environ 21 % (en volume) de
dioxygène.
Une molécule de dioxygène est constituée de 2
atomes d’oxygène (voir chapitre 2).
# voir Info 5.1 page 103 : Détermination du pourcentage
dioxygène dans l’air.
-
du
dans la stratosphère, à une altitude de 15 à 35 km, la concentration
d’ozone (~8 ppm1) est environ 100 fois plus forte qu’à proximité du sol
(<< 1 ppm). Cette zone de « forte » concentration d’ozone est appelée
couche d’ozone.
Une molécule d’ozone est constituée de 3 atomes
d’oxygène.
1
1 ppm : 1 partie par million. Pour une concentration d’ozone de 1 ppm dans
l’air, on trouve 1 molécule d’ozone pour 1 million de molécules constituant
l’air.
86
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
5.1.2.
Découverte du dioxygène
Le dioxygène a été découvert en 1773 par K. W. Scheele et
indépendamment en 1774 par J. Priestley. Les deux chimistes ont
utilisé des méthodes différentes pour découvrir le dioxygène.
Karl Wilhelm Scheele (1742-1786)
Joseph Priestley (1733-1804)
Dès l’âge de 14 ans, K.W. Scheele a fait un
apprentissage de pharmacien. Sans véritable
éducation scientifique, il devient un des plus
grands expérimentateurs chimiques de son
temps. Il était impliqué dans la découverte
de nombreux corps simples tels que Mn, Ba,
Mo, W et O2.
À part la rédaction de nombreux manuels sur
des sujets très variés (éducation, politique,
religion, sciences…), J. Priestley a découvert
10 gaz, parmi lesquels on trouve le monoxyde
de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2),
l’oxyde nitreux (NO)…
5.1.3.
!
!
!
!
Propriétés physiques du dioxygène
aux c.n.t.p.2, le dioxygène est un gaz
incolore, inodore et insipide,
environ 1,1 fois plus lourd que l’air,
de masse volumique ρ = 1,429 g/L,
très peu soluble dans l’eau (7 mg ou 4,89 mL de gaz par litre
d’eau),
!
état du
dioxygène
-219°C
solide
-183°C
liquide
température (°C)
gazeux
température de fusion : -219°C
température d’ébullition : -183°C
!
2
L’oxygène liquéfié a une couleur bleu pâle.
conditions normales de température et de pression: t = 0°C et p = 1013 mbar
87
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
5.1.4.
Propriétés chimiques du dioxygène
! Comme le dioxygène est un gaz incolore,
inodore et insipide, il faut le mettre en évidence
par une méthode indirecte: le gaz dioxygène
rallume un tison en incandescence (figure cicontre).
! Le dioxygène est un gaz comburant3 ; il
entretient des combustions, mais il n’est pas
inflammable4.
! Le dioxygène est particulièrement réactif à des
températures élevées.
5.1.5.
Préparation du dioxygène
a)
dans l’industrie
Le dioxygène est obtenu
fractionnée de l’air liquide.
principalement
par
distillation
1ère étape : Liquéfaction de l’air
L’air est refroidi à une température d’environ –200°C. À cette température les
constituants principaux de l’air se trouvent à l’état liquide (il faut enlever le
dioxyde de carbone et l’eau de l’air, car ils sont à l’état solide à ces températures
et risqueraient de boucher les tuyaux de l’installation de refroidissement).
Une température aussi basse est obtenue en trois étapes qui sont répétées
plusieurs fois :
- compression de l’air, ce qui provoque un échauffement,
- refroidissement de l’air comprimé,
- dilatation de l’air comprimé provoquant une chute de température
supplémentaire.
2e étape : Distillation de l’air
L’air liquide, de couleur
bleuâtre, est un mélange
constitué essentiellement
de
diazote
et
de
dioxygène. Chauffé par
l’air ambiant, l’air bout
dans le becher.
3
4
Une bougie placée audessus
du
liquide
bouillant s’éteint : le
diazote, plus volatil
que
le
dioxygène,
s’échappe en premier.
Le liquide bleu qui
reste au fond du becher rallume un tison
en
incandescence :
c’est du dioxygène.
comburant : brandfördernd
inflammable : brennbar – ininflammable : nicht brennbar
88
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Constituants principaux de l’air
nom du composé
formule chimique
% volume
diazote
dioxygène
argonides
dioxyde de carbone
N2
O2
He, Ne, Ar, Kr
CO2
~ 78
~ 21
~1
0,033
température
d’ébullition5
-195,8°C
-182,9°C
-78,5°C
6
Par échauffement progressif, les différents constituants de l’air
entrent en ébullition et se séparent du mélange.
Le dioxygène est livré dans des
bouteilles
en acier, sous forme
comprimée. Sous l’effet de la haute
pression régnant dans ces bouteilles, le
dioxygène s’y trouve à l’état liquide.
b)
au laboratoire
Décomposition du peroxyde d’hydrogène (H2O2)
Dans un erlenmeyer introduisons du peroxyde d’hydrogène (liquide
incolore) en solution aqueuse à la concentration de 10 %.
À température ambiante, H2O2 se décompose lentement selon
l’équation suivante :
2 H2O2
peroxyde
d'hydrogène
→ 2 H2O +
eau
!
O2
dioxygène
Cette réaction est tellement lente, qu’il est impossible de démontrer
la production de dioxygène par un tison en incandescence.
5
6
les températures d’ébullition sont données à pression atmosphérique normale
à pression atmosphérique normale, le dioxyde de carbone passe directement de
l’état solide à l’état gazeux (sublimation) et inversement (resublimation).
89
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Pour accélérer la réaction, on ajoute dans
l’erlenmeyer de l’oxyde de manganèse(IV) (MnO2).
Avec un tison en incandescence qui se rallume, on
démontre la production de dioxygène lors de la
réaction.
2 H2O2
peroxyde
d'hydrogène
MnO2

→ 2 H2O +
eau
!
O2
dioxygène
L’oxyde de manganèse joue le rôle de catalyseur.
Remarque
Le catalyseur utilisé lors d’une réaction est généralement indiqué
en écrivant sa formule chimique au-dessus de la flèche de réaction.
# voir Info 5.2 page 104 : Catalyseurs
5.1.6.
Utilisations du dioxygène
Le
!
!
!
dioxygène
entretient la vie animale et végétale,
est utilisé dans la fabrication de l’acier,
trouve une application dans la soudure au chalumeau oxyacéthylénique (utilisation d’oxygène et d’acétylène),
! sous forme liquide constitue une partie du « carburant » des
fusées.
5.2. Les combustions
Dans une réaction de combustion,
un des réactifs est en principe le
dioxygène.
Le bois peut seulement brûler à
cause du dioxygène dans l’air.
Les réactions de combustion se
déroulant dans le dioxygène pur
sont généralement plus vives que
dans l’air.
#
90
voir aussi Info 5.3 page 108:
Combattre le feu
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Nous allons observer les réactions entre différents métaux/nonmétaux et le dioxygène, contenus dans un cylindre.
Les combustibles7 (métaux ou non-métaux) sont chauffés dans la
flamme du brûleur Bunsen avant d’être introduits dans le cylindre.
La réaction de combustion se déroule dans le cylindre.
En introduisant de l’eau dans le cylindre, le produit de la réaction
s’y dissout. Quelques gouttes de l’indicateur coloré bromothymol
sont ajoutées à la solution aqueuse.
Remarque
Le bromothymol est un indicateur coloré
qui indique la présence d’un acide ou d’une
base en solution aqueuse.
En présence d’un acide, le bromothymol
prend la couleur jaune, tandis qu’en
présence d’une base, le bromothymol est
bleu.
bromothymol en milieu
acide
basique
# Acides et bases : voir chapitre 7
5.2.1.
a)
(i)
Combustion des métaux
Combustion du magnésium
Combustion
Le magnésium brûle avec une flamme blanche
éblouissante ; la réaction dégage de la chaleur8.
Le produit de la réaction est l’oxyde de magnésium,
un solide blanc (voir aussi Info 2.2 page 53)
oxyde de magnésium
7
8
combustible : qui a la propriété de brûler (Brennstoff)
dans les équations chimiques, un dégagement de chaleur est indiqué par la
notation | - Q derrière l’équation. Une réaction pendant laquelle de la chaleur
est dégagée est dite exothermique.
91
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
2 Mg
+
magnésium
→
O2
2 MgO
dioxygène
oxyde de magnésium
Attention : Ne pas oublier d’établir la formule de
l’oxyde par la méthode du chiasme
(voir chapitre 3).
(ii)
-Q
Mg O
2
2
Mg 2 O 2
⇒ MgO
Dissolution dans l’eau
L’oxyde de magnésium réagit avec l’eau selon l’équation suivante:
MgO
+ H2O →
Mg ( OH )2
oxyde de magnésium
eau
hydroxyde
de magnésium
Mg OH
2
1
Mg(OH)2
Introduit dans la solution d’hydroxyde de
magnésium, le bromothymol prend la couleur
bleue.
La
solution
aqueuse
d’hydroxyde
de
magnésium a donc un caractère basique.
b)
(i)
Combustion du sodium
Combustion
Le sodium brûle avec une flamme orange.
Le produit de la réaction est l’oxyde de sodium, un
solide blanc.
4 Na
sodium
92
+
O2
dioxygène
→
2 Na 2O
oxyde de sodium
Na
O
1
2
Na2O
-Q
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
(ii)
Dissolution dans l’eau
L’oxyde de sodium réagit avec l’eau selon
l’équation suivante:
Na 2O
+ H2O →
2 NaOH
oxyde de sodium
eau
hydroxyde de sodium
Na
OH
1
1
NaOH
Introduit dans la solution d’hydroxyde de
sodium, le bromothymol prend la couleur bleue.
La solution aqueuse d’hydroxyde de sodium a
donc un caractère basique.
Conclusions
Les métaux brûlent dans le dioxygène en formant un oxyde
métallique.
métal + dioxygène → oxyde métallique
Les oxydes métalliques forment des solutions aqueuses basiques :
oxyde métallique + eau → hydroxyde métallique basique
93
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
5.2.2.
a)
(i)
Combustion des non-métaux
Combustion du carbone
Combustion
avant la réaction
au cours de la réaction
Dans l’oxygène pur, l’incandescence du carbone est plus vive que
dans l’air.
Le produit de la réaction est le dioxyde de carbone,
un gaz incolore.
C
+
carbone
→
O2
dioxygène
CO2
-Q
dioxyde de carbone
En introduisant de l’eau de chaux9
dans le cylindre, celle-ci se trouble. Le
cylindre contient donc du dioxyde de
carbone (CO2).
(ii)
Dissolution dans l’eau
En introduisant de l’eau (au lieu d’eau de chaux) dans le cylindre,
le dioxyde de carbone réagit avec l’eau selon l’équation suivante:
CO2
+ H2O →
H2CO3
H
CO3
dioxyde de carbone
eau
acide carbonique
1
2
H2CO3
9 L’eau de chaux est une solution d’hydroxyde de calcium : Ca(OH) .
2
En présence de dioxyde de carbone (CO2), l’eau de chaux se trouble. L’eau de
chaux est donc un réactif qui permet de démontrer la présence de CO2.
Équation :
94
Ca ( OH )2 +
CO2
→ CaCO3 ↓ + H2O
hydroxyde
dioxyde
carbonate
eau
de calcium
de carbone
de calcium
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Introduit dans la solution aqueuse d’acide
carbonique, le bromothymol prend la couleur
jaune.
La solution aqueuse d’acide carbonique a
donc un caractère acide.
b)
(i)
Combustion du soufre
Combustion
avant la réaction
au cours de la réaction
Le soufre brûle avec
une flamme bleue.
Le produit de la
réaction est le dioxyde
de soufre, un gaz
incolore et suffocant.
Remarque
Dans le dioxyde de soufre, S a la valence 4.
S
soufre
(ii)
+
O2
→
dioxygène
S
O
4
2
SO2
S2O4
⇒ SO2
-Q
dioxyde de soufre
Dissolution dans l’eau
Le dioxyde de soufre réagit avec l’eau selon l’équation suivante:
SO2
+ H2O →
H2SO3
H
SO3
dioxyde de soufre
eau
acide sulfureux
1
2
H2SO3
95
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Introduit dans la solution aqueuse d’acide
sulfureux, le bromothymol prend la couleur
jaune.
La solution aqueuse d’acide sulfureux a donc
un caractère acide.
Conclusions
Les non-métaux brûlent dans le dioxygène en formant un oxyde
non-métallique.
non-métal + dioxygène → oxyde non-métallique
Les oxydes non-métalliques forment des solutions aqueuses acides:
oxyde non-métallique + eau → acide
# voir exercice 5.1 page 102
5.2.3.
A.
Combustion de substances organiques10
Combustion complète
b)
Combustion complète du méthane
Dans la flamme du brûleur Bunsen, il y a combustion du méthane
(CH4) appelé gaz naturel.
Expérience 1
Allumons le brûleur,
puis tenons un verre à
pied au-dessus de la
flamme. Des gouttelettes d’eau se déposent
sur la paroi froide du
verre. Lors de la combustion du méthane, il y
a
donc
production
d’eau (H2O).
10
Chimie organique : voir aussi chapitre 8
96
gouttes d'eau
condensées sur
la paroi du verre
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Expérience 2
Introduisons du méthane dans un cylindre en
verre, puis allumons le gaz. Le gaz brûle du haut
vers le bas.
Après la fin de la combustion,
introduisons de l’eau de chaux
dans le cylindre et agitons le
cylindre.
L’eau de chaux se trouble ; lors
de la combustion du méthane,
il y a production de dioxyde de
carbone (CO2).
Équation de la combustion complète
CH4
+
méthane
2 O2
→
CO2
dioxyde de
carbone
dioxygène
+ 2 H2O
-Q
eau
c) Combustion complète de l’hexane
L’hexane (C6H14, un constituant de l’essence) est un liquide
organique incolore. De même que pour le méthane, il y a
production de dioxyde de carbone et d’eau lors de la combustion
complète de l’hexane.
Équation de la combustion complète
2 C6H14 +
hexane
19 O2
dioxygène
→
12 CO2
dioxyde de
carbone
+ 14 H2O
-Q
eau
Conclusion
Les produits de la réaction de combustion complète d’un
composé organique sont le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O).
composé organique + x O2 → y CO2 + z H2O
97
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Combustion incomplète
a)
Combustion incomplète du méthane
Lors de la combustion du gaz méthane, une partie des molécules
de méthane ne subissent pas la combustion complète ; mais une
autre réaction appelée combustion incomplète.
Raccordons un tube en verre effilé au tuyau
attaché au robinet du gaz naturel (méthane),
et allumons le gaz.
Tenons une capsule en porcelaine au-dessus
du tube en verre. Le fond de la capsule se
couvre progressivement d’un dépôt noir.
Lors de la combustion incomplète, le carbone
du méthane ne réagit pas pour donner du
CO2, mais il y a production de carbone
élémentaire (C) et d’eau.
Combustion du
méthane
Équation de la combustion incomplète
CH4
méthane
b)
+
→
O2
dioxygène
C
carbone
+ 2 H2O
-Q
eau
combustion incomplète de l’hexane
L’hexane est un liquide
incolore
Combustion de
l’hexane
Carbone déposé sur la capsule
en porcelaine
De même que le méthane, l’hexane peut subir une combustion
incomplète. Vu que cette molécule contient six atomes de carbone, le
noircissement de la capsule se fait beaucoup plus rapidement.
98
Chapitre 5 : Oxygène et combustions
Équation de la combustion incomplète
2 C6H14 +
hexane
7 O2
dioxygène
→
12 C
carbone
+ 14 H2O
-Q
eau
Conclusion
Les produits de la réaction de combustion incomplète d’un
composé organique sont le carbone (C) et l’eau (H2O).
composé organique + x’ O2 → y’ C + z’ H2O
# voir exercice 5.2 page 102
99
?
Questions de cours
1. L’oxygène existe dans l’atmosphère sous forme de deux corps
simples. Indiquer les noms et dessiner la structure moléculaire de
ces deux corps simples.
2. Écrire l’équation de la décomposition du peroxyde d’hydrogène.
Indiquer le nom et la formule chimique du catalyseur utilisé dans
cette réaction. Expliquer l’utilité de ce catalyseur.
3. Quelle est la couleur du bromothymol
!
en solution acide ?
!
en solution basique ?
4. Indiquer les noms généraux des produits résultant des réactions
suivantes :
métal + dioxygène →
oxyde métallique + eau →
non-métal + dioxygène →
oxyde non-métallique + eau →
5. Écrire les équations générales des combustions complète et
incomplète d’un composé organique.
6. Écrire les équations de combustion des métaux et des non-métaux
suivants dans le dioxygène. Écrire ensuite les équations des
réactions de dissociation des produits obtenus dans l’eau.
Nommer tous les produits des réactions.
a)
b)
c)
d)
magnésium
sodium
carbone
soufre
7. Écrire les équations des réactions de combustion complète et
incomplète des composés organiques suivants :
a) méthane
b) hexane
8. Par quel réactif peut-on démontrer la présence du dioxyde de
carbone ? Décrire l’expérience.
100
Questions de compréhension
?
9. Quel est l’état du dioxygène aux températures suivantes :
!
!
-190 °C
-250 °C ?
10.
Expliquer comment le dioxygène peut être mis en évidence.
Pourquoi le dioxygène de l’air ne peut-il pas être mis en évidence
de cette façon ?
11.
Indiquer l’ordre dans lequel les corps suivants entrent en
ébullition lors de la distillation fractionnée de l’air :
! CO2 (téb = -78,5°C)
! O2 (téb = -182,9°C)
! N2 (téb = -195,8°C)
12.
Indiquer une utilisation du bromothymol.
13.
Nommer les principaux éléments constituant les composés
organiques.
14.
D’où vient le dioxygène nécessaire à la combustion des
composés organiques ?
Vrai ou faux
Cochez les affirmations exactes :
Le dioxygène est un gaz bleuâtre.
Le dioxygène est plus dense que l’air.
Les poissons respirent du dioxygène dissous dans l’eau.
Le dioxygène liquide a un aspect identique à l’eau, c’est-à-dire il
est incolore.
Le dioxygène est un gaz comburant.
Le dioxygène est un gaz combustible.
En chauffant le dioxygène avec un brûleur Bunsen, il commence
à brûler.
On peut éteindre un feu en empêchant le dioxygène d’atteindre
le feu.
La compression d’un gaz provoque une chute de température.
Les constituants principaux de l’air sont le diazote et le
dioxygène.
En chauffant l’air liquide, le dioxygène s’échappe en premier à
cause de sa température d’ébullition plus basse.
101
?
Exercice 5.1
Écrire les équations de la combustion des éléments suivants :
a)
b)
c)
d)
lithium
calcium
silicium
phosphore
le produit de la réaction est un composé de phosphore (V)
On introduit les produits résultant des réactions de combustion (a), (b)
et (d) dans l’eau.
Écrire l’équation correspondant à la réaction et identifier le caractère
acide-base de la solution résultante.
Remarque
En introduisant le produit résultant de la combustion du phosphore (exemple d)
dans l’eau, on obtient l’acide phosphorique (H3PO4).
Exercice 5.2
Écrire les équations de combustion complète et incomplète des
composés organiques suivants :
a)
b)
c)
d)
e)
102
éthane
propane
octane
éthène
éther
C2H6
C3H8
C8H18
C2H4
C2H6O
i
Info 5.1
Pourcentage du dioxygène dans l’air
Sous une cloche en verre, on pose une capsule en porcelaine
contenant du phosphore blanc sur l’eau contenue dans une vanne ($).
On allume le phosphore blanc en le touchant avec une baguette de
verre chauffée. Sitôt qu’il brûle, on bouche l’ouverture de la cloche (%).
$
%
&
Après un certain temps, la réaction de combustion du phosphore
s’arrête ; tout le dioxygène contenu sous la cloche a été utilisé.
Après refroidissement des gaz contenus sous la cloche, on constate
que le niveau de l’eau est monté d’environ 1/5 (=20 %) (&).
20 % du gaz contenu initialement dans la cloche ont donc disparu.
Lors de la combustion du phosphore, le dioxygène réagit avec le
phosphore pour produire un solide blanc : l’oxyde de phosphore(V).
4P
+
phosphore
→
5 O2
dioxygène
2 P2O5
oxyde de phosphore(V)
L’oxyde de phosphore(V) qui se dégage de la capsule lors de la réaction
se dissout dans l’eau et n’occupe donc plus de place sous la cloche.
P2O5
oxyde de
phosphore(V)
+ 3 H2O →
eau
2 H3PO4
acide
phosphorique
Si on introduit une bougie allumée dans les gaz restants, elle s’éteint
tout de suite ; ces gaz n’entretiennent donc pas la combustion.
Par conséquent, le dioxygène occupe environ 20 % du volume
gazeux de l’air. (Résultat précis : 21 %)
103
i
Info 5.2
Catalyseurs
Le mot catalyse, action du catalyseur, vient du grec katalysis qui signifie
« dissolution » ou « décomposition ».
Les catalyseurs sont des composés chimiques qui sont capables
d’accélérer une réaction chimique, mais qui sont retrouvés inchangés
après la réaction.
Puisque le catalyseur n’est pas consommé lors de la réaction, une très
petite quantité est généralement suffisante pour accélérer la réaction
en question. Ainsi, le même catalyseur est utilisé plusieurs fois de
suite lors d’une réaction chimique.
Mode de fonctionnement des catalyseurs
La plupart des réactions chimiques, même exothermiques nécessitent
une énergie d’activation.
L’énergie d’activation d’une réaction chimique
nécessaire pour faire démarrer cette réaction.
est
l’énergie
Exemples
!
!
!
104
une allumette ne commence à brûler qu’après qu’on lui a fourni de
l’énergie en la frottant sur la boîte d’allumettes ;
un mélange de dihydrogène et de dioxygène ne réagit qu’au contact
d’une flamme ou d’une étincelle qui fournit l’énergie d’activation ;
dans le moteur d’une voiture, l’essence explose en présence d’une
étincelle qui lui fournit l’énergie nécessaire. Dans le réservoir
l’essence ne réagit pas spontanément avec le dioxygène ambiant.
i
Info 5.2 (suite)
Si on utilise les réactifs A et B, le produit final de la réaction est le
produit AB.
énergie d'activation
énergie
Équation de la réaction : A + B → AB
progression
de la réaction
réactifs
A+B
énergie
de réaction
produit
AB
Dans une réaction exothermique, l’énergie totale des produits est
inférieure à l’énergie totale des réactifs. Par conséquent, les produits
de la réaction sont plus stables que les réactifs.
Le catalyseur diminue l’énergie d’activation de la réaction en
subdivisant la réaction en plusieurs étapes dont chacune a une
énergie d’activation plus basse que la réaction sans catalyseur.
Il en résulte que la réaction avec catalyseur se déroule plus
rapidement que la réaction sans catalyseur.
En considérant la même réaction entre les réactifs A et B, en présence
du catalyseur C, la réaction se déroule en deux étapes :
Étape 1 : Réaction entre le réactif A et le catalyseur C : A + C → AC
AC + B
réactifs
A+B
+ catalyseur C
énergie d'activation
avec catalyseur
énergie
Étape 2 : Réaction entre le réactif B et AC : B + AC → AB + C
Ainsi le catalyseur C de la réaction est régénéré.
progression
de la réaction
énergie
de réaction
produit
AB
+ catalyseur C
105
i
Info 5.2 (suite)
Remarque
Chaque réaction catalysée nécessite un catalyseur bien déterminé,
spécifique à cette réaction.
Le pot catalytique
Dans les voitures, le pot catalytique est constitué d’un corps en
céramique dans lequel se trouvent de nombreux minuscules canaux
dont les parois sont poreuses. Ces canaux sont recouverts d’un alliage
de platine et de rhodium qui joue le rôle de catalyseur dans le sens
chimique.
NOx
CxHy
CO
N2
H2O
CO2
Le rôle du pot catalytique est d’accélérer les
réactions de transformation de produits
toxiques (tels que le monoxyde de carbone (CO),
les différents oxydes d’azote (NOx), et les
hydrocarbures non brûlés CxHy en produits non
toxiques comme le dioxyde de carbone (CO2), le
diazote (N2) et l’eau (H2O)).
Remarque
Ces mêmes réactions se déroulent sans catalyseur, mais elles sont
tellement lentes que les produits toxiques s’échappent de la voiture et
polluent l’environnement.
106
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Info 5.2 (suite)
Les enzymes, des catalyseurs biologiques
De nombreuses réactions biochimiques sont catalysées
par des enzymes (protéines qui jouent le rôle de
catalyseur).
L’amylase est une enzyme qui intervient
dans la transformation de l'amidon en
glucose. Cette enzyme est trouvée dans la
salive, le suc pancréatique de l’homme, ainsi
que dans divers micro-organismes et
végétaux.
Exemple : Synthèse de l’éthanol (alcool buvable) à partir du glucose
La fermentation du glucose se déroule en
présence de levure (organisme unicellulaire)
dont les enzymes jouent le rôle de catalyseur
pour cette réaction.
Équation de la réaction
C6H12O6
glucose
levure

→ 2 C2H5OH +
éthanol
2 CO2
dioxyde de
carbone
107
i
Info 5.3
Combattre le feu
Extinction d’un feu
Chaque été des feux ravagent de grandes surfaces forestières. Souvent
une cigarette jetée ou une étincelle sont à l’origine de ces feux.
Analysons les méthodes utilisées pour l’extinction des feux.
L’extinction de tout feu doit obéir à l’une au moins des trois règles
suivantes :
1. Les combustibles doivent être évacués
de la zone enflammée.
Ainsi on peut maîtriser les feux de bois
en perçant des laies (Schneisen); dans
un dépôt, les marchandises sont
souvent stockées de façon à ce que la
propagation du feu soit retardée.
2. Le foyer d’incendie doit être refroidi à
une température inférieure à la
température
d’inflammation
des
combustibles.
En utilisant de l’eau, celle-ci s’évapore
et retire de la chaleur au foyer
d’incendie qui se refroidit de cette
façon.
3. La présence de dioxygène étant
nécessaire pour tout feu, on doit
empêcher celui-ci d’atteindre le foyer.
Pour éteindre un petit feu dans une
friteuse ou une marmite, il suffit
généralement d’étouffer le feu à l’aide
d’un couvercle.
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i
Info 5.3 (suite)
Attention !
Ne jamais essayer d’éteindre un feu de graisse, d’huile ou d’essence à
l’aide d’eau. L’eau, ayant une densité supérieure à ces composés, va se
mettre en dessous des substances en feu et s’évaporer. Lors de
l’évaporation, elle entraîne des gouttes de graisse (d’huile ou d’essence)
enflammées de façon à ce que le feu se propage davantage.
Dans le cas où une personne est en flammes, on utilise une
couverture pour couper l’arrivée du dioxygène au foyer du feu.
Extincteurs
La plupart des extincteurs de feu agissent selon les règles 2 et 3. On
distingue les types d’extincteurs suivants:
!
extincteur à eau
L’eau contenue dans ce type d’extincteurs permet
d’abaisser la température du foyer d’incendie en
dessous du point d’inflammation. Souvent ce type
d’extincteur contient un agent moussant, ce qui
permet de couvrir le foyer par une mousse qui coupe
l’accès du dioxygène.
!
extincteur au dioxyde de carbone
La dilatation que subit le gaz dioxyde de carbone en
sortant de l’extincteur en provoque une chute de
température. À part un refroidissement du foyer
d’incendie, le dioxyde de carbone permet de tenir le
dioxygène à l’écart du foyer.
!
extincteur à poudre
Ces extincteurs contiennent un mélange de sels en
poudre qui sont éjectés de l’extincteur par un gaz
propulseur. La poudre couvre le foyer d’incendie et le
protège ainsi d’une nouvelle arrivée de dioxygène.
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