À propos de cette page
Ce cours de spécialité physique-chimie en première sur « Transformations chimiques et équations de réaction » suit le programme officiel de spécialité physique-chimie de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Transformation chimique : définition et caractéristiques, Réactifs et produits — conservation des éléments, Équation de réaction : écriture et équilibrage, La notion d'avancement $x$. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en spécialité physique-chimie.
Au programme
1 · Transformation chimique : définition et caractéristiques
2 · Réactifs et produits — conservation des éléments
3 · Équation de réaction : écriture et équilibrage
4 · La notion d'avancement $x$
5 · Tableau d'avancement et bilan de matière
6 · Réactif limitant et état final
7 · Rendement et transformation non totale (aperçu)
1Transformation chimique : définition et caractéristiques
Une transformation chimique modifie la nature des substances : des réactifs disparaissent et des produits apparaissent. La transformation s'accompagne souvent de changements observables : dégagement gazeux, précipité, changement de couleur, dégagement de chaleur.
Définition. Une transformation chimique est un phénomène au cours duquel des liaisons chimiques sont rompues et/ou formées. Les atomes sont conservés (ni créés, ni détruits), mais leur arrangement change.
Exemples : combustion du carbone ($\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$), oxydation du fer (formation de la rouille), dissolution d'un acide dans l'eau.
Attention ! Ne pas confondre transformation chimique (changement de nature) et changement d'état physique (fusion, vaporisation…) qui conserve la nature des espèces.
2Réactifs et produits — conservation des éléments
Dans toute transformation chimique :
- Les réactifs sont les espèces chimiques qui se consomment.
- Les produits sont les espèces chimiques qui se forment.
- Les spectateurs (s'il y en a) ne participent pas à la réaction.
Loi de conservation des éléments (Lavoisier). Le nombre d'atomes de chaque élément chimique (C, H, O, N, etc.) est le même avant et après la réaction. La masse totale se conserve.
| Grandeur conservée | Grandeur non conservée |
|---|
| Nombre d'atomes de chaque élément | Nature des espèces chimiques |
| Masse totale | Nombre de molécules |
| Charges électriques (total) | Énergie chimique (chaleur échangée) |
Exemple. Combustion du propane : $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$.
Vérification : 3 C à gauche, 3 C à droite ; 8 H à gauche, 8 H à droite ; 10 O à gauche (2×5), 10 O à droite (6+4).
3Équation de réaction : écriture et équilibrage
Une équation de réaction représente symboliquement la transformation : les réactifs sont à gauche de la flèche (→), les produits à droite. Des coefficients stœchiométriques (entiers, positifs, minimaux) équilibrent l'équation.
Méthode d'équilibrage.
1. Écrire les formules des réactifs et produits.
2. Compter les atomes de chaque élément de chaque côté.
3. Ajuster les coefficients devant les formules (jamais les indices) jusqu'à égalité.
4. Vérifier que les coefficients sont entiers et premiers entre eux.
Exemple détaillé : Combustion de l'éthane $\text{C}_2\text{H}_6$.
- Formule de départ : $\text{C}_2\text{H}_6 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$
- Équilibrage C : 2 C → 2 devant $\text{CO}_2$
- Équilibrage H : 6 H → 3 devant $\text{H}_2\text{O}$
- Équilibrage O : $2\times2 + 3\times1 = 7$ O à droite → $\frac{7}{2}$ devant $\text{O}_2$, puis on multiplie tout par 2 : $2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$
Astuce. Commencer par équilibrer les éléments présents dans une seule espèce de chaque côté, et laisser l'oxygène (souvent présent dans plusieurs produits) pour la fin.
Méthode en 4 étapes pour équilibrer une équation de réaction.
4La notion d'avancement $x$
L'avancement $x$ (en mol) est une variable qui décrit la progression de la réaction. Initialement $x = 0$ ; il croît jusqu'à l'état final.
Définition. Pour la réaction $a\,A + b\,B \rightarrow c\,C + d\,D$ :
- La quantité de A à l'instant $x$ : $n(A) = n_0(A) - a\,x$
- La quantité de B à l'instant $x$ : $n(B) = n_0(B) - b\,x$
- La quantité de C à l'instant $x$ : $n(C) = n_0(C) + c\,x$
- La quantité de D à l'instant $x$ : $n(D) = n_0(D) + d\,x$
Exemple. Pour $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$, avec $n_0(\text{H}_2) = 4\,\text{mol}$ et $n_0(\text{O}_2) = 3\,\text{mol}$ :
$n(\text{H}_2) = 4 - 2x$ ; $n(\text{O}_2) = 3 - x$ ; $n(\text{H}_2\text{O}) = 0 + 2x$
Attention ! $x$ est toujours positif ou nul. Si une quantité calculée devient négative, c'est que l'avancement $x$ ne peut pas dépasser une certaine valeur ($x_{\max}$) : c'est le réactif limitant qui impose cette borne.
5Tableau d'avancement et bilan de matière
Le tableau d'avancement (ou tableau de stœchiométrie) recense, pour chaque état (initial, en cours, final), les quantités de matière de tous les réactifs et produits en fonction de $x$.
Structure du tableau d'avancement.
Colonnes : réactifs (signe −) | produits (signe +)
Lignes : état initial ($x=0$) · état intermédiaire · état final ($x = x_f$)
Exemple complet : Réaction $\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$
| État | Zn (mol) | HCl (mol) | ZnCl₂ (mol) | H₂ (mol) |
|---|
| Initial ($x=0$) | $n_0(\text{Zn})$ | $n_0(\text{HCl})$ | 0 | 0 |
| En cours | $n_0(\text{Zn}) - x$ | $n_0(\text{HCl}) - 2x$ | $x$ | $x$ |
| Final ($x = x_f$) | $n_0(\text{Zn}) - x_f$ | $n_0(\text{HCl}) - 2x_f$ | $x_f$ | $x_f$ |
Évolution des quantités de matière de Zn, HCl et H₂ en fonction de l'avancement $x$ (exemple : $n_0(\text{Zn})=2\,\text{mol}$, $n_0(\text{HCl})=4\,\text{mol}$).
6Réactif limitant et état final
La réaction s'arrête quand au moins un réactif est totalement consommé. Ce réactif est le réactif limitant ; l'autre est en excès.
Méthode de détermination du réactif limitant.
Pour chaque réactif $i$ de coefficient $\nu_i$, calculer le rapport $\dfrac{n_{0,i}}{\nu_i}$.
Le réactif limitant est celui dont ce rapport est le plus petit ; l'avancement maximal est $x_{\max} = \min\left(\dfrac{n_{0,i}}{\nu_i}\right)$.
Exemple. Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂ ; $n_0(\text{Zn}) = 0{,}3\,\text{mol}$, $n_0(\text{HCl}) = 0{,}4\,\text{mol}$.
$\dfrac{n_0(\text{Zn})}{1} = 0{,}3$ ; $\dfrac{n_0(\text{HCl})}{2} = 0{,}2$
HCl est le réactif limitant. $x_{\max} = 0{,}2\,\text{mol}$.
État final : $n(\text{Zn}) = 0{,}3 - 0{,}2 = 0{,}1\,\text{mol}$ (excès) ; $n(\text{HCl}) = 0$ ; $n(\text{H}_2) = 0{,}2\,\text{mol}$.
Astuce. Dans le tableau d'avancement, à l'état final, la quantité du réactif limitant est nulle (= 0).
7Rendement et transformation non totale (aperçu)
Lorsque la réaction est totale, le réactif limitant est entièrement consommé : $x_f = x_{\max}$. C'est le cas de la majorité des réactions rencontrées en terminale et en 1re.
Certaines réactions sont dites limitées (ou non totales) : un équilibre s'établit avant que le réactif limitant soit épuisé. Dans ce cas, $x_f < x_{\max}$ et on définit le taux d'avancement final :
$$\tau = \frac{x_f}{x_{\max}} \times 100 \quad (\text{en \%})$$
Pour une transformation totale : $\tau = 100\,\%$.
Pour une transformation limitée : $\tau < 100\,\%$.
Attention ! Le taux d'avancement $\tau$ ne doit pas être confondu avec le rendement industriel, qui prend en compte d'autres pertes (réactions parasites, pertes de manipulation…).
Astuce. Un indicateur coloré, un pH-mètre ou une mesure de conductivité permettent de vérifier expérimentalement si une réaction est totale ou limitée.
★À retenir
En bref — Transformations chimiques :
• Une transformation chimique consomme des réactifs et produit des produits ; les atomes sont conservés.
• L'équation de réaction est équilibrée par des coefficients stœchiométriques (atomes et charges conservés).
• L'avancement $x$ (mol) décrit la progression : réactifs $\rightarrow n_0 - \nu x$ ; produits $\rightarrow n_0 + \nu x$.
• Le tableau d'avancement liste les quantités de matière en fonction de $x$.
• Le réactif limitant est celui dont $\dfrac{n_0}{\nu}$ est minimal ; $x_{\max} = \min\!\left(\dfrac{n_0}{\nu}\right)$.
• Transformation totale : $x_f = x_{\max}$ (réactif limitant épuisé) ; transformation limitée : $x_f < x_{\max}$.