Réaction chimique

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 . ou d'une molécule qui se décompose.
• Par exemple, la réaction chimique entre une goutte de vinaigre ( acide acétique dilué bien moins dangereux que l'acide chlorhydrique qui risque de bruler avec des projections sur les yeux et la peau, donc à ne pas utiliser ) sur des cailloux, du sable, sur une pierre en calcaire ou sur un carbonate, qui dégage des bulles de gaz carbonique CO2 sortant de ce carbonate de calcium CaCO3, que la vie a stocké dedans en formant des coquilles de coquillages fossilisés il y a des millions d'années. C'est un moyen simple rapide d'analyse et de savoir si une roche est calcaire.
• Si le caillou ne donne pas de bulles, il ne contient pas de carbonate de calcium ou calcaire et il contient probablement du silex ou oxyde de silicium, comme pour le sable de la forêt de Fontainebleau ou souvent en région parisienne (silex ou meulière ).
• des acides, vinaigre acétique, citrique du citron, formique projeté par les fourmis, sur de nombreux métaux produisent des ions métalliques, des sels si on évapore la solution et aussi des gaz parfois.
• de deux molécules qui réagissent. Par exemple, une molécule de sucre peut réagir avec du dioxygène O2 pour produire du gaz carbonique CO2 et de l'eau H2O.
• Tout composé organique, bois, herbe, pain, qui brule dans le O2 de l'air fait pareil.
• Le sucre chauffé progressivement donne d'abord du caramel, décomposition partielle du sucre et début léger de combustion avec O2, puis brule de façon plus ou moins complète dégageant CO2, H2O et laissant des goudrons noirs de carbones C et similaires au pétroles, eux toxiques, à ne pas manger car cancérigènes aussi.
• Un autre exemple est celui de viandes, steack trop mal vite cuits, carbonisés en surface comme les sucres, qui ont des goudrons noirs en surface, à ne jamais manger, car cancérigènes avec cancer du colon des décennies après.
• d'un sel qui précipite (c'est-à-dire un produit qui était soluble dans l'eau et qui ne l'est plus), pratique pour les analyses chimiques comme les sel d'argent.

Etc.

Principe

La branche de la chimie qui limite 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 XVIII^e 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 d'oxydoréduction : 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, tout acide réagit par exemple avec la soude ou la potasse bases dangereuses qui surchauffent avec des projections brulantes si on ne fait pas très attention.

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 combustion 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.

Toute la Chimie est expliquée par la Mécanique quantique appliquée aux électrons attirés par les noyaux atomiques des atomes dans les molécules avec une grande précision.

De façon très succincte, en Mécanique quantique plus une particule comme un électron est localisé sur un espace limité, comme un atome, plus son énergie de localisation quantique est élevée. Aussi dans les molécules les électrons sont délocalisés sur plusieurs atomes avec une énergie plus faible avec plus de place pour se déplacer, et le gain en énergie entre l'électron sur un seul atome et l'énergie plus faible de cet électron délocalisé avec liaison sur plusieurs atomes est appelée Énergie chimique ou Énergie de liaison chimique.

Expérience

 : expérience physique de dilution pas chimique 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, par énergie d'attraction entre les molécules d'alcool et d'eau moins l'énergie de désordre ou d'entropie des molécules d'alcool dans l'eau.

En pratique, toute dilution est spontanée souvent (par agitation le désordre est plus facile que de rester bien rangé les molécules séparées, comme pour des tas de billes différentes dans un même sac ), même celle qui ne dégage pas de chaleur, car elle augmente le désordre du mélange. Ce désordre augmenté mesurè en entropie tend à diminuer la température, mais l'attraction par liaoisons hydrogènes entre les atomes H et O des molécules d'eau et d'alcool dégage plus d'énergie et chauffe un peu.

Il est difficile de récupérer les éléments de départ ou de « dé-mélanger » une solution. La raison est la même que si on mélange sans soin des papiers bien classés ou des billes différentes rouges et blanches bien rangées dans des tas séparés au départ, il est extrêmement difficile de tout bien ranger de nouveau, car il faut regarder chaque papier ou bille pour les ranger avec soin, ce qui prend un temps énorme, et si ces billes sont des molécules ou des atomes on imagine le "démon de Maxwell" en triant chaque atome suivant sa vitesse, démon impossible à réaliser, du nom de Maxwell physicien de 1860 qui a établi la mécanique statistique et les lois de l'électromagnétisme. On peut récupérer l'alcool par évaporation dans une colonne de distillation en chauffant.

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 fortement la solution si les molécule diluées sont peu attirées par les molécule d'eau, ce qui par dilution diminue la température par augmentation du désordre rendu quantitatif par l'entropie,C'est similaire à l'évaporation d'un gaz qui fait du froid (visible en évaporant de l'alcool ou de l'eau posé sur le bulbe d'un thermomètre 5 à 10 °C facilement si l'air est bien sec ) en prenant la chaleur nécessaire pour l'évaporer et disperser ses molécules plus désordonnées dans un grand espace..

Un exemple de l'augmentation du désordre est lorsqu'un liquide s'évapore et devient un gaz. Les gaz sont beaucoup plus désordonnés dans un plus grand espace que les liquides et le changement de phase entre le liquide et le gaz demande de l'énergie mais reste spontané si la pression du gaz est faible. 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 dans un air bien sec mais à 100% d'humidité très humide, il n'y a plus d'évaporation et donc aucun froid. Par exemple en sortant de baignade ce froid est observé les jours de mistral vent de terre bien sec et pas .les jours de vent de mer très humides, biein plus agréables alors, sans froid sur la peau des gouttes pas du tout évaporées. On utilise cela dans les réfrigérateurs et évaporant des gaz liquides par pompage comme du butane, des fréons, de l'ammoniac et condensation à nouveau en liquide sous pression dans un cycle.

Ces deux notions (libération de l'énergie, augmentation du désordre) sont des principes essentiels en chimie et physique, c'est-à-dire des affirmations résumant les expériences et démontrées par la physique thermodynamique statistique, et les conséquences sont vérifiées par l'expérience.

On les appelle les deux principes de la thermodynamique, établis vers 1820 et 1840, bizarrement le second par S. Carnot avec le désordre ou entropie utile pour les machines à vapeur et moteur thermiques avant le premier, .par Joule, qui a mesuré la valeur en énergie de la chaleur, premier principe utilisé empiriquement par les hommes préhistoriques depuis des dizaines de milliers d'années pour faire du feu en frottant intelligemment deux morceaux de bois, car l'énergie intense de frottement finit en chaleur qui met le feu !

Voir aussi

• Chimie organique
• Enzyme

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