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

Cinq problèmes corrigés pour appliquer la conservation de la masse à de vraies situations : bicarbonate dans le jus de citron en bocal fermé puis ouvert, soudure des rails par aluminothermie, usine d’ammoniac, ruban de magnésium chauffé au creuset et fermentation du raisin en vin.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je délimite le système : ce qui est sur la balance, et si le récipient est fermé ou ouvert.
Je fais le bilan : réactifs consommés avant ; produits (gaz compris) et réactif restant après.
Je convertis toutes les masses dans la même unité.
J’écris l’égalité « masse des réactifs consommés = masse des produits formés » et je calcule l’inconnue.
Je conclus par une phrase avec l’unité ; si la masse affichée a changé, je dis ce qui est entré ou sorti.

Problème 1 · Le bicarbonate dans le jus de citron★★★Facile

Un bocal vide, avec son couvercle, un petit support et une coupelle de papier, pèse 407,4 g. On y verse 200,0 g de jus de citron et on met 1,0 g de bicarbonate de sodium dans la coupelle, posée sur le support au-dessus du jus. On ferme le bocal et on le pèse : 608,4 g. On secoue : le bicarbonate tombe dans le jus, une effervescence se produit, puis tout se calme ; le gaz formé est du dioxyde de carbone.

1. Quand tout s’est calmé, bocal toujours fermé, la balance affiche g.
Le bocal est fermé : rien n’entre, rien ne sort. La masse reste 608,4 g.
2. On ouvre le bocal, puis on le repèse : 608,0 g. Masse du gaz parti : g
$608, 4 - 608, 0 = 0, 4$ g de dioxyde de carbone ont quitté le bocal ouvert.
3. Une fois ouvert, le bocal est un système : de la matière a pu en sortir.
Le bocal ouvert échange de la matière avec l’extérieur : c’est un système ouvert.
4. Masse du contenu (sans le bocal, son support et la coupelle) à la fin : g
$608, 0 - 407, 4 = 200, 6$ g. Au départ : $200, 0 + 1, 0 = 201, 0$ g ; la différence est le gaz parti.

Problème 2 · La soudure des rails★★★Facile

Pour souder deux rails, on enflamme dans un creuset un mélange de poudre d’aluminium et d’oxyde de fer : c’est l’aluminothermie. Il se forme du fer liquide, coulé entre les rails, et de l’alumine (oxyde d’aluminium). Pour une soudure : 2,7 kg d’aluminium et 8,0 kg d’oxyde de fer, entièrement consommés ; il se forme 5,1 kg d’alumine. Aucun gaz n’est consommé ni produit.

1. Masse totale des réactifs consommés : kg
$2, 7 + 8, 0 = 10, 7$ kg.
2. Masse de fer formée : kg
Produits = réactifs : fer $= 10, 7 - 5, 1 = 5, 6$ kg.
3. Masse de fer formée, en grammes : g
1 kg = 1 000 g : $5, 6 \times 1 000 = 5 600$ g.
4. Le creuset est ouvert et pourtant, avant qu’on coule le fer, la masse de son contenu ne change pas : aucun n’entre ni ne sort.
Aucun gaz n’est consommé ni produit : même à l’air libre, rien n’entre et rien ne sort tant que le fer n’est pas coulé.

Problème 3 · L’usine d’ammoniac★★★Moyen

Pour fabriquer des engrais, une usine fait réagir du diazote N₂ avec du dihydrogène H₂ : il se forme de l’ammoniac NH₃. L’écriture de la transformation est : N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃.

1. Nombre d’atomes d’hydrogène avant la flèche :
$3 \times 2 = 6$ atomes d’hydrogène.
2. Nombre d’atomes d’hydrogène après la flèche :
$2 \times 3 = 6$ : les atomes d’hydrogène se conservent (et les 2 atomes d’azote aussi).
3. Nombre de molécules avant la flèche :
$1 + 3 = 4$ molécules avant, 2 après : le nombre de molécules change, pas celui des atomes.
4. En une heure, l’usine consomme 14 t de diazote et 3 t de dihydrogène. Masse d’ammoniac fabriquée : t
Un seul produit : $14 + 3 = 17$ t d’ammoniac.

Problème 4 · Le magnésium au creuset★★★Moyen

Un creuset vide, avec son couvercle, pèse 25,20 g. On y place un ruban de magnésium : l’ensemble pèse 25,92 g. On chauffe fortement, en soulevant de temps en temps le couvercle pour laisser entrer l’air. Le magnésium se transforme en oxyde de magnésium, une poudre blanche. À la fin, l’ensemble pèse 26,39 g.

1. Masse de magnésium : g
$25, 92 - 25, 20 = 0, 72$ g.
2. Masse d’oxyde de magnésium formé : g
$26, 39 - 25, 20 = 1, 19$ g.
3. Masse de dioxygène de l’air fixée par le magnésium : g
Oxyde − magnésium : $1, 19 - 0, 72 = 0, 47$ g. Ce dioxygène vient de l’air, qui n’était pas pesé : voilà pourquoi la masse augmente.
4. Si une fumée blanche d’oxyde s’était échappée quand on soulève le couvercle, la masse finale aurait été plus .
Une partie du produit serait sortie du système : la balance afficherait moins que 26,39 g.

Problème 5 · Du raisin au vin★★★Difficile

Dans une cuve ouverte, des levures transforment le sucre du jus de raisin (du glucose, C₆H₁₂O₆) en alcool (de l’éthanol, C₂H₆O) et en dioxyde de carbone : C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₆O + 2 CO₂. Le gaz forme des bulles qui crèvent à la surface.

1. Nombre d’atomes d’oxygène après la flèche :
$2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$ , autant que dans C₆H₁₂O₆.
2. 45 kg de sucre donnent 23 kg d’éthanol. Masse de dioxyde de carbone formée : kg
$45 - 23 = 22$ kg.
3. Pendant la fermentation, la masse de la cuve ouverte .
Le dioxyde de carbone s’échappe de la cuve ouverte : la masse diminue.
4. Pour le champagne, une seconde fermentation a lieu dans la bouteille bouchée. Pendant cette fermentation, la masse de la bouteille .
La bouteille est fermée : le gaz reste dedans (il fera les bulles). La masse ne change pas.

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