Ressources · 4ᵉ · Chimie
Conservation de la masse : les atomes se conservent
Peser avant et après une transformation chimique ; la loi de conservation de la masse et Lavoisier ; l’explication par la conservation des atomes ; système fermé ou ouvert, les masses qui semblent disparaître ou apparaître ; calculer une masse manquante.
À propos de cette page
Peser avant et après : la masse se conserve
Si l’on réalise une transformation chimique dans un récipient fermé (bouché), la balance affiche la même masse avant et après, alors que les espèces chimiques ont changé.
Loi de conservation de la masse : au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés.
Cette loi a été établie à la fin du XVIIIe siècle par le chimiste français Antoine Lavoisier, grâce à des pesées très précises. Dans son Traité élémentaire de chimie (1789), il écrit : « rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ». On la résume souvent par la formule « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », qu’il n’a pas écrite telle quelle.
Je prévois : un gaz va se former ; s’il ne peut pas sortir, la masse ne devrait pas changer. Je teste : je verse du vinaigre dans un flacon et je pose dedans, debout, un petit tube contenant du bicarbonate de sodium. Je bouche le flacon et je le pèse : 186,4 g. Je penche le flacon pour mélanger.
J’observe : une effervescence se produit, le bicarbonate disparaît ; quand elle s’arrête, la balance affiche toujours 186,4 g. Je conclus : des espèces nouvelles se sont formées (dont un gaz, le dioxyde de carbone), mais la masse totale s’est conservée.
On pose sur la balance deux béchers : l’un contient une solution de chlorure de calcium, l’autre une solution de carbonate de sodium ; la balance affiche 254,3 g. On verse l’un dans l’autre et on repose les deux béchers : un solide blanc apparaît (une espèce nouvelle), la balance affiche encore 254,3 g. Ici aucun gaz ne se forme, rien ne peut s’échapper.
Une transformation consomme en tout 4,2 g de réactifs : elle forme 4,2 g de produits, ni plus ni moins.
Réflexe — je vérifie que le récipient est fermé ; alors masse totale avant = masse totale après, et masse des réactifs consommés = masse des produits formés.
Attention — c’est la masse qui se conserve, pas le volume : un gaz formé prend beaucoup de place pour une très petite masse. Même pour un simple mélange, les volumes ne s’additionnent pas toujours : 50 mL d’eau (50,0 g) et 50 mL d’alcool (39,5 g) donnent environ 96 mL de mélange, et non 100 mL, mais la masse vaut bien 50,0 + 39,5 = 89,5 g. Et ce sont les réactifs consommés qui comptent : un réactif qui reste à la fin n’a pas réagi.
Rappel : en 6e et en 5e, tu as vu que la masse se conserve aussi lors d’une dissolution et d’un changement d’état.
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Pourquoi : les atomes se conservent
• Aucun atome n’est créé, aucun n’est détruit : on retrouve dans les produits les mêmes sortes d’atomes, et autant d’atomes de chaque sorte.
• Chaque atome garde sa masse : avec les mêmes atomes, la masse totale reste la même. La conservation des atomes explique la conservation de la masse.
• Les molécules, elles, ne se conservent pas : elles changent, et leur nombre peut changer.
Lire un dessin. Ci-dessus, le dihydrogène brûle dans le dioxygène et forme de l’eau. Avant : 4 atomes d’hydrogène et 2 atomes d’oxygène. Après : encore 4 atomes d’hydrogène et 2 atomes d’oxygène. Les atomes se sont conservés, mais il y avait 3 molécules et il n’en reste que 2.
Compter avec des mots. Une molécule de dihydrogène H₂ et une molécule de dichlore Cl₂ donnent deux molécules de chlorure d’hydrogène HCl. Avant : 2 atomes H et 2 atomes Cl. Après : 2 × 1 = 2 atomes H et 2 × 1 = 2 atomes Cl.
Compter dans une écriture donnée. 2 CO + O₂ → 2 CO₂. Avant : 2 atomes C ; 2 + 2 = 4 atomes O. Après : 2 atomes C ; 2 × 2 = 4 atomes O.
Réflexe — je compte les atomes sorte par sorte, d’abord avant la flèche, puis après : chaque nombre doit être le même des deux côtés.
Attention — ne compte pas les molécules pour vérifier la conservation : 3 molécules peuvent en donner 2. Un dessin ou une écriture où un atome apparaît ou disparaît est forcément faux. Écrire soi-même l’équation et l’ajuster se fait dans le chapitre Équation de réaction.
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Système fermé ou ouvert : les fausses disparitions
La balance ne pèse que ce qui est posé sur elle. À l’air libre :
• si un gaz produit s’échappe, la masse affichée diminue ;
• si un gaz de l’air (le dioxygène) est consommé et reste fixé dans un produit solide, la masse affichée augmente.
Ces variations ne contredisent pas la loi : elles montrent seulement qu’on n’a pas pesé tout le système. En récipient fermé, la masse totale ne change pas.
| Expérience, sur une balance | La masse affichée… | Pourquoi |
|---|---|---|
| Un comprimé effervescent dans un verre d’eau, à l’air libre | diminue | le dioxyde de carbone formé quitte le verre |
| De la laine de fer qui brûle à l’air libre | augmente | le fer fixe du dioxygène de l’air, qui n’était pas pesé |
| La même laine de fer, brûlée dans un flacon bouché rempli de dioxygène | ne change pas | rien n’entre, rien ne sort |
L’expérience de Lavoisier (1774). Il chauffe de l’étain dans un récipient fermé qui contient de l’air. Une partie de l’étain se transforme en une poudre, mais la masse de l’ensemble ne change pas. Il montre que l’étain a gagné exactement la masse perdue par l’air enfermé : la masse en plus vient de l’air, pas de nulle part.
Un comprimé effervescent dans un verre d’eau : 168,2 g avant, 167,7 g quand les bulles s’arrêtent. La différence, 168,2 − 167,7 = 0,5 g, est la masse du dioxyde de carbone parti dans l’air.
Réflexe — avant de conclure, je me demande : qu’est-ce qui est entré dans le système, qu’est-ce qui en est sorti ?
Attention — « la masse a diminué, donc de la matière a disparu » est faux : la matière est partie dans l’air, sous forme de gaz. Et « la masse a augmenté, donc la loi est fausse » aussi : le dioxygène venu de l’air n’était pas sur la balance au départ.
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Calculer une masse manquante
1. Je fais la liste de ce qui est présent avant (réactifs) et après (produits, sans oublier les gaz, et le réactif qui reste s’il en reste).
2. Je mets toutes les masses dans la même unité (1 kg = 1 000 g ; 1 g = 1 000 mg).
3. J’écris l’égalité : masse des réactifs consommés = masse des produits formés, puis je calcule la masse inconnue par une addition ou une soustraction.
4. Je vérifie : la masse trouvée est positive, plus petite que la masse totale, avec son unité.
Un produit inconnu. 5,08 g de cuivre chauffé dans du dioxygène se transforment entièrement en 6,36 g d’oxyde de cuivre. Masse de dioxygène consommée : 6,36 − 5,08 = 1,28 g.
Avec un réactif qui reste. Un flacon fermé d’un litre, rempli de dioxygène, en contient 1,30 g. On y brûle 0,36 g de charbon de bois (du carbone) : il disparaît entièrement et il se forme 1,32 g de dioxyde de carbone. Dioxygène consommé : 1,32 − 0,36 = 0,96 g. Il en reste 1,30 − 0,96 = 0,34 g. Masse du contenu au début : 0,36 + 1,30 = 1,66 g ; à la fin : 1,32 + 0,34 = 1,66 g.
Avec des unités différentes. 0,25 kg de réactifs donnent 180 g d’un solide et un gaz : 0,25 kg = 250 g, donc le gaz pèse 250 − 180 = 70 g.
Réflexe — avant · après · même unité · une égalité, une seule inconnue.
Attention — on n’additionne que des masses de réactifs consommés : si 0,34 g de dioxygène restent dans le flacon, ils ne font pas partie des produits. Et un gaz formé compte dans les produits, même s’il est invisible.
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Pour aller plus loin
Dans les chapitres voisins. Reconnaître une transformation chimique, ses réactifs et ses produits, le réactif limitant : Transformation chimique. Les formules des molécules : Formules chimiques. Les combustions, qui consomment le dioxygène de l’air : Combustions.
Chapitre suivant — l’équation de réaction. On traduit le bilan en mots par une écriture avec des formules, puis on place des nombres devant les formules pour qu’il y ait autant d’atomes de chaque sorte des deux côtés : c’est l’ajustement. Il permet aussi de prévoir quel réactif sera entièrement consommé : Équation de réaction : écrire et ajuster.
- Au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés : c’est la loi de conservation de la masse, établie par Lavoisier à la fin du XVIIIᵉ siècle.
- En récipient fermé, la balance affiche la même masse avant et après. C’est la masse qui se conserve, pas le volume : un gaz formé prend beaucoup de place pour une très petite masse.
- Les atomes se conservent : mêmes sortes, même nombre de chaque sorte avant et après ; seules les molécules changent. C’est pour cela que la masse se conserve.
- À l’air libre, la masse affichée diminue si un gaz produit s’échappe, et augmente si un gaz de l’air (le dioxygène) est fixé : la loi reste vraie, le système pesé était incomplet.
- Masse manquante : liste avant / après, même unité, égalité « réactifs consommés = produits formés », puis addition ou soustraction.
Questions fréquentes
Que dit la loi de conservation de la masse ?
Au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés. Dans un récipient fermé, la balance affiche donc la même masse avant et après. Cette loi a été établie par Lavoisier à la fin du XVIIIᵉ siècle.
Pourquoi la masse se conserve-t-elle pendant une transformation chimique ?
Parce que les atomes se conservent : les molécules des réactifs se défont et leurs atomes se réassemblent autrement, mais aucun atome n’est créé ni détruit. Avec les mêmes atomes, en même nombre, la masse totale reste la même.
Lavoisier a-t-il écrit « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ?
Pas sous cette forme : c’est un résumé de son idée. Dans son Traité élémentaire de chimie (1789), il écrit que rien ne se crée et que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après.
Pourquoi la masse affichée diminue-t-elle parfois pendant une transformation à l’air libre ?
Parce qu’un gaz produit s’échappe dans l’air : il n’est plus sur la balance. Le système est ouvert. Si l’on fait la même expérience dans un récipient fermé, la masse ne change pas : la loi n’est pas contredite.
Comment calculer une masse manquante ?
On liste ce qui est présent avant et après, on met toutes les masses dans la même unité, puis on écrit : masse des réactifs consommés = masse des produits formés. La masse inconnue s’obtient par une addition ou une soustraction. Un réactif qui reste à la fin ne compte pas parmi les réactifs consommés.
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