Réaction chimique

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Schéma de la réaction chimique produite lors de la combustion du méthane.

Une réaction chimique est le nom qu'on donne, en chimie, au fait qu'un atome change sa manière d'interagir avec les autres. Il ne s'agit pas d'une réaction nucléaire, qui change la nature de l'atome, ni d'une réaction physique (usure, érosion…). Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.

Exemples

Il peut s'agir :

  • d'un atome qui s'ionise . Par exemple, la réaction chimique entre l'acide chlorhydrique et de nombreux métaux produit des ions métalliques ;
  • de deux molécules qui réagissent. Par exemple, une molécule de sucre peut réagir avec du dioxygène pour produire du gaz carbonique et de l'eau ;
  • d'un sel qui précipite (c'est-à-dire un produit qui était soluble dans l'eau et qui ne l'est plus).

Etc.

Principe

La branche de la chimie qui étudie la manière dont se comporte l'énergie sous toutes ses formes (dont la matière), s'appelle la thermodynamique. Sa première loi est un principe essentiel de la chimie moderne : c'est la loi de conservation, formulée par le chimiste français Lavoisier au XVIIIe siècle. « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Cette loi implique que lors d'une réaction chimique, la quantité de matière est la même avant et après la réaction. En fait, cela n'est pas la nature des atomes qui change, mais la manière dont ils interagissent pour former des molécules.

Les phénomènes principaux en chimie (cas simples)

Les transformations chimiques impliquent toutes des transferts d'énergie, le plus souvent sous forme de déplacement d'électrons  entre deux molécules ou atomes. Plusieurs cas sont possibles :

  • La réaction chimique provoque une liaison électrique entre des atomes ou des molécules.
    Certains éléments ont le pouvoir de se combiner avec d'autres. Cette puissance, quantifiable, s'appelle valence. Par exemple, le carbone, qui peut se combiner avec 4 atomes d'hydrogène, a une valence de 4.
    Une réaction chimique peut provoquer, entre deux éléments, le partage d'électrons de valence ; les électrons combinés forment alors un pont, et cette liaison, dite covalente, dure tant que les électrons passent d'un élément à l'autre. Un ensemble d'atomes reliés entre eux par des liaisons covalentes est nommé une molécule. L'essentiel de la matière qui nous entoure est fait de molécules. Les molécules peuvent également se combiner entre elles pour former des molécules plus grandes ; ainsi, par exemple, l'amidon est une grande molécule formée de nombreuses molécules de glucose liées entre elles par des liaisons covalentes.
  • La réaction chimique provoque un transfert d'électrons entre des molécules non covalentes.
    La réaction chimique n'a pas provoqué un partage, mais un transfert de charge énergétique. C'est le cas dans une réaction dite oxydo-réduction : une molécule a perdu un électron (c'est le réducteur qui est oxydé), et l'autre en a gagné un (c'est l'oxydant qui a été réduit). C'est ce phénomène qui est utilisé pour fabriquer des piles électriques, ou qui est mis en jeu dans la respiration des cellules. Certaines substances s'oxydent facilement, ce qui revient à dire que ce sont de bons réducteurs, comme le potassium métallique ; réciproquement, certaines substances sont de bons oxydants et se réduisent facilement comme le dioxygène.
  • La réaction chimique provoque un transfert de proton  entre deux molécules non covalentes.
    La réaction chimique a provoqué le transfert d'une charge positive (le proton, au noyau de l'hydrogène) entre deux molécules. C'est le cas lors d'une réaction acido-basique : la molécule acide a perdu un proton et l'a donné à la molécule basique. Les réactions acide-base impliquent souvent des substances corrosives, tel le vinaigre par exemple.

Pourquoi les réactions chimiques se produisent-elles ?

Une réaction chimique se produit spontanément (toute seule) quand au moins une des deux conditions suivantes est atteinte :

  • la réaction libère de l'énergie.
  • la réaction crée du désordre.

La première notion est simple à percevoir : la plupart des réactions chimiques produisent de la chaleur, comme la combustion1 d'une allumette. Certaines sont même explosives tant la chaleur dégagée est grande : c'est ce qui permet aux voitures d'avancer, grâce à l'oxydation de l'essence par l'oxygène.

La seconde notion est plus complexe. La notion de désordre est subtile. Mais le plus simple pour comprendre est de considérer l'expérience suivante.

Expérience

Attention : expérience à faire avec un adulte ! --

Si vous disposez d'alcool à 70° et d'eau dans deux verres lisses et transparents (un demi-verre de chaque suffit), ainsi que d'un thermomètre, vous pouvez faire cette expérience :

  • Soyez sûrs que l'eau et l'alcool soient à la même température, en utilisant le thermomètre.
  • Ajoutez une goutte d'alcool dans le verre d'eau. Vous verrez la petite goutte jaune se déformer puis se disperser, disparaître, diluée dans l'eau.
  • Ajoutez rapidement le reste d'alcool dans l'eau sans mélanger ; vous observerez que pendant quelques instants, le contenu du verre s'est troublé : c'est la marque que le mélange entre l'eau et l'alcool est en train de se faire.
  • Après quelques secondes, relevez la température du mélange. Le mélange est à une température plus élevée que les deux liquides de départ.

NB : l'alcool s'évaporant très vite, il va refroidir, et la température baissera ensuite.

Cette expérience simple met en évidence que l'alcool qui s'est dilué dans l'eau a provoqué une élévation de la température du mélange. Cette élévation de température est la preuve que la dilution a libéré de l'énergie.

En pratique, toute dilution est spontanée, même celle qui ne dégage pas de chaleur, car elle augmente le désordre du mélange. Il est difficile de « dé-mélanger » une solution. Par exemple, la dilution du sel de cuisine dans de l'eau ne change pas la température du mélange et est pourtant spontanée. D'autres dilutions, comme la dilution de sels d'ammonium (souvent utilisés comme engrais) dans de l'eau refroidissent la solution.

Un autre exemple de l'augmentation du désordre est lorsqu'un liquide s'évapore et devient un gaz. Les gaz sont beaucoup plus désordonnés que les liquides et le changement de phase entre le liquide et le gaz demande de l'énergie mais reste spontané. Ainsi, lorsque l'alcool s'évapore dans l'expérience précédente, la solution refroidit. Le même phénomène est observable lorsque l'on sort d'un bain, on a froid car les gouttes d'eau sur notre peau s'évaporent.

Ces deux notions (libération de l'énergie, augmentation du désordre) sont des principes, c'est-à-dire des affirmations qu'on ne peut pas démontrer, mais donc les conséquences sont vérifiées par l'expérience. On les appelle les deux principes de la thermodynamique.

Notes

  1. ↑ Attention! Le feu ne sert qu'à déclencher la combustion, la réaction chimique, elle, se déroule au niveau de l'allumette.

Voir aussi

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