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Etude des systèmes chimiques

Par Yann le 05/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Les réactions chimiques > Les Systèmes Chimiques

Qu’est-ce qu’un système chimique ?

Un système chimique correspond à un espace aux frontière définies (comme par exemple le contenu d’un bécher) et toutes les espèces chimiques qu’il contient.

On décrit trois types de systèmes :

  1. Dans un système ouvert il y a échange d’énergie et de matière
  2. Dans un système fermé il y a échange d’énergie
  3. Dans un système isolé il n’y a pas d’échanges

Tableau récapitulatif :

Système ouvertEchange de matière et d'énergie
Système ferméEchange d'énergie
Système isoléAucun échange

Rappel : une espèce chimique est un ensemble d’entités chimiques identiques. Une espèce chimique possède des caractéristiques physico-chimiques qui lui sont propres comme par exemple un point d’ébullition, une densité…

On trouve des espèces chimiques atomiques, moléculaires ou ioniques. Les espèces chimiques peuvent être naturelles ou artificielles.

Qu'est ce qu'un système chimique ? Un système chimique

Comment décrire l’état d’un système chimique ?

La description complète d’un système chimique implique de détailler :

  • Les différentes espèces chimiques présentes : il faut détailler toutes les espèces chimiques y compris celles qui n’interviennent pas dans la réaction.
  • L’état de ces différentes espèces chimiques : à savoir l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.
  • La quantité de matière correspondant à chaque espèce. Quand les quantités de matière de tous les réactifs sont proportionnelles à leurs coefficients stoechiométriques on dit que la réaction a lieue dans des conditions stoechiométriques. Si la réaction est totale alors tous les réactifs seront consommés. Ces quantités de matière sont donc très importantes et doivent être calculées finement, notamment dans l’industrie.
  • Les paramètres physiques auxquels sont soumises les espèces chimiques. Il faut donc préciser les conditions expérimentales comme la température et la pression : en effet la pression et la température peuvent influencer le système chimique. A certaines températures, par exemple certaines substances se trouvent sous forme liquide mais à d’autres températures elles se trouvent sous forme solide.

L’IUPAC fixe les conditions standard en chimie comme suit : « Température, 273.15 K(0°C) and pressure of 105 pascals. IUPAC recommends that the former use of the pressure of 1 atm as standard pressure (equivalent to 1.01325 x105Pa) should be discontinued. »

Pour plus de renseignements, le site de l’iupac détaille ces conditions.

Ce qui signifie que l’Union Internationale de chimie pure appliquée fixe les conditions de pratique arbitrairement pour une harmonisation des résultats scientifiques internationaux. Les conditions standard sont donc une température de 0°C (ou 273.15 K) et une pression d’une atmosphère (ou 101 325 Pa).

Cependant d’autres conditions peuvent être appliquées.

(Notamment en biochimie ou les conditions standard imposent une température de 37°C puisque c’est la température de référence du corps humain).

Note : la description de l’état d’un système chimique peut être simplifiée en n’indiquant que le nom des différentes espèces ainsi que leur quantité de matière.

L’évolution d’un système chimique

Quand un système chimique évolue cela signifie qu’il y a transformation chimique. Lors d’une transformation chimique, on met en présence des réactifs et à la fin de la transformation on obtient des produits.

Un système chimique peut subir des modifications au cours du temps :

  • La quantité de matière des différentes espèces peut changer : elle peut augmenter ou diminuer.
  • De nouvelles espèces peuvent apparaître ou au contraire des espèces peuvent disparaître.

Attention si de nouvelles espèces peuvent apparaître et d’autres disparaître au cours d’une transformation, elles peuvent aussi changer d’état mais en aucun cas la nature et les propriétés de la matière n’est changée : les atomes sont toujours présents.

Pour décrire l’évolution d’un système chimique on indique la composition de son état initial et celle de son état final.

L’état initial : cet état désigne l’état ou les substances chimiques n’ont pas encore interagit entre elles. Il s’agit donc de l’état du système avant transformation chimique.

L’état final : la réaction est terminée et les produits se sont formés. Il s’agit de l’état du système après la transformation chimique.

Comment décrit-on l’évolution d’un système chimique ?

La réaction chimique représente la modélisation de la transformation du système chimique. Pour décrire une réaction, on utilise des signes et des abréviations dits conventionnels dont voici les règles :

  • Les réactifs sont les espèces présentes à l’état initial, avant la réaction chimique.
  • Les produits sont les substances chimiques obtenues après la réaction chimique.
  • L’équation d’une réaction chimique se note de gauche à droite.
  • On utilise une flèche orientée vers la droite pour représenter la transformation chimique (c’est-à-dire la réaction).
  • Les réactifs sont placés à gauche de la flèche (au niveau de sa base).
  • Les produits sont placés à droite de la flèche (au niveau de la tête de la flèche).

On doit toujours faire attention aux coefficients stoechiométriques. Ils indiquent les proportions des espèces chimiques en présence (dans les réactifs et les produits) : ils permettent de respecter la règle de conservation de la matière. Ainsi il faut toujours bien faire attention à ce que le nombre d’atomes soit exactement le même à gauche et à droite de la flèche.

La réaction chimique peut être limitée par le fait qu’un des réactifs est épuisé : on appelle ce réactif, le réactif limitant.

Note : attention ! Quand une réaction met en jeu des ions, la charge globale des ions des réactifs doit toujours être égale à la charge globale des ions des produits.

Certaines réactions peuvent modifier l’état des espèces chimiques (solidification, évaporation…).

Certaines réactions dégagent de la chaleur : on parle alors de réaction exothermique, en revanche d’autres réactions consomment de la chaleur : on parle alors de réaction endothermique. Les réactifs qui ne consomment pas de chaleur ou n’en dégagent pas sont appelées réactions athermiques.

Exemple de description d’un système chimique et de sa transformation : la combustion du méthane

Prenons le cas de la combustion du méthane.

Le méthane est un gaz présent à l’état naturel sur la Terre et est connu depuis le XVIIIème siècle, il constitue la troisième ressource énergétique mondiale et est le seul hydrocarbure qui est obtenu par un procédé naturel : en effet le méthane est le principal constituant de gaz issu de la fermentation organique car il est fabriqué par des bactéries méthanogènes.

C’est autrement dit le gaz des flatulences.

Le saviez vous ? Le méthane est un des gaz les plus puissants à effet de serre, et les flatulences des vaches contribuent en France à l’émission de ce gaz. L’INRA a donc décidé de proposer un régime adapté aux ruminants afin de limiter leurs gaz !

Quels sont les animaux produisant le plus de méthane ? Les vaches émettent du méthane

C’est un gaz hautement inflammable.

Description du système…

Dans l’état initial, le système chimique est définit comme suit :

  • CH: méthane
  • O2 : dioxygène
  • Température : 20°C
  • Pression : 1015 hPa

Le méthane et le dioxygène sont des réactifs

Transformation : (le système évolue de l’état initial à l’état final)

Méthane + oxygène                     Dioxyde de carbone + eau

Ce qui peut se traduire par la formule suivante :

CH_{4}+2O_{2}\rightarrow CO_{2}+2H_{2}O

Note : l’équation a été ajustée pour respecter la règle de conservation de la matière : on a donc ajouter des coefficients stœchiométriques pour qu’à gauche et à droite de la flèche il y ait le même nombre d’atome d’hydrogène, de carbone et d’oxygène.

Etat final :

Le dioxyde de carbone et l’eau sont des produits de la réaction.

La combustion du méthane dégage de la chaleur, elle est donc exothermique.

Il y a bien eu transformation d’espèces chimiques. Le méthane et l’oxygène ont disparu car consommés pendant la transformation mais de nouvelles espèces chimiques ont fait leur apparition à l’état final à savoir le dioxyde de carbone et l’eau. Les atomes sont bien conservés, ainsi on compte un atome de carbone, 4 atomes d’hydrogène et 4 atomes d’oxygène parmi les produits comme parmi les réactifs.

Note : on peut établir un tableau d’avancement de la réaction pour mieux décrire l’évolution du système de l’état initial à l’état final. On utilise pour cela une grandeur notée X (qui possède comme unité la mole). Quand la transformation est terminée, cela signifie que les réactifs (ou un seul appelé alors le réactif limitant) sont totalement consommés : nous sommes alors au niveau de l’avancement maximal de la réaction notée Xm.

Pour s’entraîner : pour bien comprendre l’emploi des coefficients stoechiométriques, on peut étudier une autre réaction de combustion, la combustion du propane. Le propane possède la formule suivante : C3H8

Qu'est ce que le propane ? Formule du propane

Le propane est un gaz très souvent utilisé pour les moteurs à combustion interne ou pour faire fonctionner les chaudières.

L’équation de la combustion du propane donne :

C_{3}H_{8}+O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O

Quand elle est écrite ainsi, la règle de la conservation de la matière n’est pas respectée : en effet à gauche de la flèche il y a trois carbones alors qu’a droite il n’y en a qu’un seul, a gauche de la flèche il y a deux oxygène alors qu’a droite il y a en a trois et enfin il y a huit hydrogènes à gauche alors qu’à droite il n’y en a que 2.

Il faut donc adapter les coefficients comme suit :

C_{3}H_{8}+5O_{2}\rightarrow 3CO_{2}+4H_{2}O

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