Devoir surveillé : les transformations chimiques et les combustions

1. a)Physique (0,5 pt) : le butane passe de l’état liquide à l’état gazeux (une vaporisation). Ce sont toujours les mêmes molécules de butane, simplement écartées : aucune espèce nouvelle n’apparaît. (0,5 pt) (1)
2. b)Chimique (0,5 pt) : c’est une combustion. L’essence et le dioxygène de l’air sont consommés, et des espèces nouvelles se forment (dioxyde de carbone, eau…), qui sortent avec les gaz d’échappement. (0,5 pt) (1)
3. c)Physique (0,5 pt) : la glace fond (changement d’état) et le sel se dissout dans l’eau formée (dissolution). L’eau et le sel sont toujours là : en faisant évaporer l’eau de la flaque, on retrouverait le sel. (0,5 pt) (1)
4. d)Chimique (0,5 pt) : les molécules H₂ et O₂ sont détruites ; leurs atomes d’hydrogène et d’oxygène se regroupent autrement en molécules H₂O, qui n’existaient pas au départ. (0,5 pt) (1)

Méthode — pose-toi une seule question : les espèces de départ existent-elles encore à la fin ? Un changement d’état ou une dissolution garde les mêmes molécules ; une combustion en fabrique de nouvelles.

1. a)Le méthane est le combustible (ce qui brûle) ; le dioxygène est le comburant (ce qui permet de brûler) ; l’étincelle apporte l’énergie d’activation, qui démarre la combustion. Ce sont les trois côtés du triangle du feu. (1 pt ; 0,5 pt pour deux rôles justes sur trois) (1)
2. b)1 atome de carbone et 4 atomes d’hydrogène (CH₄) ; aucun atome d’oxygène. (0,5 pt) (1)
3. c)méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau (1 pt : 0,5 pt pour les réactifs, 0,5 pt pour les produits). Le diazote de l’air, spectateur, ne s’écrit pas. (1)
4. d)Le dioxyde de carbone (0,5 pt). Je fais passer les gaz d’échappement dans de l’eau de chaux limpide (0,5 pt) ; elle se trouble ; donc les gaz contiennent du dioxyde de carbone. (0,5 pt) (1)

Astuce — pour trouver les produits d’une combustion complète, regarde les atomes du combustible : le carbone donne le dioxyde de carbone, l’hydrogène donne l’eau ; l’oxygène, lui, vient du dioxygène.

1. a)Réactifs : le sulfate de cuivre et la soude, consommés (0,5 pt). Produits : l’hydroxyde de cuivre et le sulfate de sodium, absents au départ (0,5 pt). Espèce spectatrice : l’eau, ni consommée ni formée. (0,5 pt) (1)
2. b)Le sulfate de cuivre : c’est lui qui colorait la solution en bleu ; si le liquide est incolore, il n’en reste plus (0,5 pt). C’est le réactif limitant. (0,5 pt) (1)
3. c)Le dépôt d’hydroxyde de cuivre, le sulfate de sodium dissous, l’eau et la soude en excès, versée en trop. (1 pt ; 0,5 pt si la soude en excès est oubliée) (1)
4. d)sulfate de cuivre + soude → hydroxyde de cuivre + sulfate de sodium. L’eau, spectatrice, ne s’écrit pas. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — croire que l’eau d’une solution est un réactif parce qu’elle est là au départ : elle n’est ni consommée ni formée, c’est une espèce spectatrice, absente du bilan.

1. a)Flammes bleues et nettes : combustion complète (0,5 pt). Brûleur encrassé : flammes jaunes qui fument et dépôt noir, combustion incomplète. (0,5 pt) (1)
2. b)Le dioxygène, le comburant (0,5 pt). La graisse bouche en partie les orifices du brûleur : l’air se mélange mal au gaz, comme sur un bec Bunsen dont on ferme la virole. (0,5 pt) (1)
3. c)Le dépôt est de la suie, du carbone qui n’a pas brûlé (0,5 pt). Il peut aussi se former du monoxyde de carbone, CO, toxique, incolore et inodore : on ne le voit pas et on ne le sent pas. (0,5 pt) (1)
4. d)Par exemple (1 pt : 0,5 pt par geste, deux gestes) : aérer la cuisine et ne jamais boucher les grilles d’aération ; faire nettoyer ou régler le brûleur ; installer un détecteur de monoxyde de carbone ; en cas de maux de tête ou de vertiges, aérer, sortir et appeler le 15, le 18 ou le 112. (1)

Méthode — flamme bleue et nette, sans dépôt : combustion complète ; flamme jaune, fumée, suie : combustion incomplète, donc risque de monoxyde de carbone. On juge la combustion à ce que l’on observe.

1. a)Faux (0,5 pt). L’eau de chaux sert à reconnaître le dioxyde de carbone. Pour le dioxygène, on plonge une bûchette incandescente dans le flacon : elle se rallume si le gaz est plus riche en dioxygène que l’air. (0,5 pt) (1)
2. b)Vrai (0,5 pt). Le dioxygène est le comburant : il réagit avec le combustible et il est consommé. (0,5 pt) (1)
3. c)Faux (0,5 pt). Une effervescence n’est qu’un indice : des bulles peuvent avoir une cause physique (l’air dissous qui s’échappe d’une eau qu’on chauffe, par exemple). La preuve, c’est une espèce nouvelle identifiée par un test. (0,5 pt) (1)
4. d)Vrai (0,5 pt). Le bois est le combustible et le dioxygène de l’air le comburant, mais il manque le troisième côté du triangle du feu : l’énergie d’activation, qui démarre la combustion. (0,5 pt) (1)

Piège — un « faux » se justifie en écrivant ce qui est juste (le bon test, la vraie preuve) ; un « vrai » se justifie avec la règle du cours qui l’explique. Une réponse sans justification ne rapporte que la moitié des points.

1. a)méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau (0,5 pt). La combustion est complète : flammes bleues et nettes, sans dépôt de suie. (0,5 pt) (1)
2. b)Je dépose les gouttes sur du sulfate de cuivre anhydre, une poudre blanche (0,5 pt) ; il devient bleu ; donc les condensats contiennent de l’eau. (0,5 pt) (1)
3. c)D’abord, la combustion du méthane, transformation chimique : les molécules de méthane et de dioxygène sont détruites et leurs atomes se regroupent en molécules nouvelles, dont des molécules d’eau, formées à l’état de vapeur dans les fumées chaudes (0,5 pt). Ensuite, la liquéfaction de cette vapeur au contact des tuyaux plus frais, transformation physique : ce sont les mêmes molécules d’eau, qui passent de l’état gazeux à l’état liquide. (0,5 pt) (1)
4. d)Le dioxyde de carbone : il trouble l’eau de chaux (0,5 pt). Encrassée, la chaudière brûlerait mal : faute d’assez de dioxygène, la combustion deviendrait incomplète et formerait du monoxyde de carbone, un gaz toxique, incolore et inodore. (0,5 pt) (1)

Astuce — une même eau peut naître de deux transformations à la suite : la combustion la fabrique (chimique), puis sa vapeur se liquéfie sur une paroi froide (physique). Juge chaque étape séparément.

1. a)Réactifs : le fer et le dioxygène ; produit : la rouille (0,5 pt). Le diazote est une espèce spectatrice : ni consommé ni formé, il ne s’écrit pas dans le bilan. (0,5 pt) (1)
2. b)Le dioxygène est entièrement consommé : l’emballage est fermé, il n’est pas renouvelé, et il y a beaucoup plus de fer que nécessaire (0,5 pt). Le fer est en excès : il en reste à la fin. (0,5 pt) (1)
3. c)V(dioxygène) = 500 × 21 ÷ 100 = 105 mL (0,5 pt). Il reste 500 − 105 = 395 mL de gaz, surtout du diazote. Le dioxygène, un gaz, a réagi : ses atomes se retrouvent dans la rouille, un solide qui occupe une toute petite place ; le volume de gaz diminue d’environ un cinquième et l’emballage souple se creuse. (0,5 pt) (1)
4. d)La flamme s’éteint quand l’air enfermé devient trop pauvre en dioxygène, alors qu’il en reste encore : elle ne le retirerait pas entièrement (0,5 pt). Sa combustion formerait en plus du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau, qui mouillerait la viande, puis, en manque de dioxygène, de la suie et du monoxyde de carbone. (0,5 pt) (1)

Piège — dans un emballage fermé, le fer peut épuiser le dioxygène : c’est lui le réactif limitant. Une flamme, elle, s’éteint bien avant : il reste toujours un peu de dioxygène autour d’une bougie éteinte.

1. a)Mauvais (0,5 pt). En courant, il fait passer beaucoup d’air sur ses vêtements : il apporte du dioxygène, le comburant, et attise les flammes. Il faut s’arrêter, se laisser tomber et se rouler par terre (ou être enveloppé dans une couverture) : on étouffe les flammes, on supprime le comburant. (0,5 pt) (1)
2. b)Bon (0,5 pt). Porte fermée, l’air ne se renouvelle plus : le feu manque vite de dioxygène, on agit sur le comburant ; en éteignant le four, on arrête aussi de chauffer. On n’ouvre qu’une fois le four refroidi ; si le feu grandit, on appelle le 18 ou le 112. (0,5 pt) (1)
3. c)Bon (0,5 pt). Le sable recouvre les papiers et empêche l’air d’arriver jusqu’à eux : il supprime le comburant, le dioxygène. (0,5 pt) (1)
4. d)Mauvais (0,5 pt). Autour de son visage, l’air est très enrichi en dioxygène, le comburant ; or plus le comburant est concentré, plus la combustion est vive. La moindre flamme peut embraser le tube, les cheveux ou les vêtements et causer de graves brûlures : il est interdit de fumer pendant ce traitement. (0,5 pt) (1)

Méthode — devant un geste, demande-toi quel côté du triangle il enlève… ou lequel il renforce : courir, souffler ou enrichir l’air en dioxygène nourrit le feu au lieu de l’éteindre.

1. a)Non, c’est une transformation physique (0,5 pt) : le dioxyde de carbone était déjà là, dissous, il sort simplement de la boisson. Aucune espèce nouvelle n’apparaît : l’effervescence n’est qu’un indice, et ici il est trompeur. (0,5 pt) (1)
2. b)Indices : une effervescence (un gaz se dégage) et un dégagement de chaleur (0,5 pt). Les deux tests sont négatifs : le gaz n’est pas du dioxyde de carbone, ni un gaz plus riche en dioxygène que l’air. Il n’est pas identifié : un test négatif exclut une espèce, il n’en identifie aucune. (0,5 pt) (1)
3. c)J’approche une flamme de l’ouverture du petit tube qui contient le gaz, tenu loin du visage ; j’entends une petite détonation ; donc le gaz est du dihydrogène (0,5 pt). Pendant le test, le dihydrogène brûle : c’est une combustion, dont le comburant est le dioxygène de l’air ; le dihydrogène ne contient que de l’hydrogène, elle forme donc de l’eau : dihydrogène + dioxygène → eau. (0,5 pt) (1)
4. d)L’acide chlorhydrique, entièrement consommé ; l’aluminium qui reste était en excès (0,5 pt). aluminium + acide chlorhydrique → dihydrogène + chlorure d’aluminium. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — conclure dès qu’on voit des bulles : un gaz déjà dissous peut s’échapper sans aucune transformation chimique. Et deux tests négatifs ne disent toujours pas quel est le gaz.

1. a)L’air n’est pas une espèce chimique mais un mélange (0,5 pt) : le comburant est le dioxygène de l’air ; le diazote, lui, est spectateur. (0,5 pt) (1)
2. b)C’est l’inverse : virole fermée, l’air entre moins et le dioxygène manque (0,5 pt) ; la flamme jaune, éclairante et qui fume, signale une combustion incomplète. Elle éclaire parce que de minuscules grains de carbone très chauds y brillent. (0,5 pt) (1)
3. c)Le dépôt noir est de la suie, du carbone (0,5 pt). Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, invisible : il peut se former aussi, mais aucun dépôt ne le montre. (0,5 pt) (1)
4. d)Fermer la virole réduit l’arrivée d’air, donc de comburant ; la flamme ne s’éteint pas, elle devient jaune (0,5 pt). Pour éteindre, on ferme le robinet de gaz : là, on supprime le combustible. (0,5 pt) (1)

Astuce — pour corriger une phrase, cite l’erreur, puis écris la phrase juste avec le mot du cours : comburant = dioxygène ; dépôt noir = suie, du carbone ; monoxyde de carbone = gaz invisible.

1. a)Réactifs : le carbure de calcium et l’eau ; produits : l’acétylène et l’hydroxyde de calcium (0,5 pt). carbure de calcium + eau → acétylène + hydroxyde de calcium (0,5 pt). Ici, l’eau n’est pas spectatrice : elle est consommée. (1)
2. b)Le carbure de calcium a été entièrement consommé : c’est le réactif limitant. Sans lui, plus d’acétylène, donc plus de combustible pour la flamme (0,5 pt). On trouve la pâte d’hydroxyde de calcium (le produit) et de l’eau, le réactif en excès. (0,5 pt) (1)
3. c)L’acétylène n’est pas de l’eau : c’est une espèce nouvelle, qui contient du carbone ; ces atomes de carbone viennent du carbure de calcium, pas de l’eau. Son carbone donne du dioxyde de carbone, son hydrogène donne de l’eau (0,5 pt). Eau : je tiens un verre froid et sec au-dessus de la flamme ; la buée fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre (0,5 pt). Dioxyde de carbone : je verse de l’eau de chaux dans ce verre et j’agite ; elle se trouble. (0,5 pt) (1)
4. d)Flamme jaune et dépôt noir de suie : la combustion de l’acétylène est en partie incomplète ; du monoxyde de carbone peut donc se former aussi (0,5 pt). La flamme éclaire parce que de minuscules grains de carbone très chauds y brillent ; refroidis sur l’assiette, ils forment la suie. (0,5 pt) (1)
5. e)Sur le combustible : sans eau, la lampe cesse de fabriquer de l’acétylène. Mais l’acétylène déjà formé, et celui que forme encore l’eau restée sur le carbure humide, brûlent encore un moment. (0,5 pt) (1)

Méthode — une flamme peut cacher deux transformations à la suite : la première fabrique le combustible, la seconde le brûle. Traite-les une par une : réactifs, produits, réactif limitant.

1. a)Tort (0,5 pt). Le gaz naturel n’a pas d’odeur : on lui ajoute exprès un produit très odorant pour repérer les fuites. Le monoxyde de carbone, formé par une combustion incomplète, est incolore et inodore : aucun de nos sens ne le perçoit, seul un détecteur peut donner l’alerte. (0,5 pt) (1)
2. b)Tort (0,5 pt). Les pompiers allument parfois un contre-feu devant l’incendie : il brûle d’avance la végétation, c’est-à-dire le combustible. Quand l’incendie arrive sur la zone déjà brûlée, il n’a plus rien à brûler et s’arrête : on a supprimé un côté du triangle. (0,5 pt) (1)
3. c)Raison (0,5 pt). Ces trois tests négatifs excluent le dioxyde de carbone, un gaz plus riche en dioxygène que l’air et le dihydrogène, mais n’identifient aucun gaz. L’air lui-même donne ces trois résultats, alors qu’il contient 21 % de dioxygène. (0,5 pt) (1)
4. d)Tort (0,5 pt). À l’air libre, le dioxygène se renouvelle sans cesse : il n’a pas manqué. La coupelle est vide : c’est la cire, le combustible, qui a été entièrement consommée ; c’est elle le réactif limitant, et le dioxygène était en excès. (0,5 pt) (1)

Piège — une odeur de gaz ne dit rien du monoxyde de carbone, qui n’en a aucune ; et un test négatif n’identifie jamais un gaz : il en exclut seulement un.

1. a)V = 4 × 3 × 2,5 = 30 m³ = 30 000 L (0,5 pt). V(dioxygène) = 30 000 × 21 ÷ 100 = 6 300 L. (0,5 pt) (1)
2. b)500 × 8 = 4 000 L (0,5 pt). 4 000 ÷ 6 300 × 100 ≈ 63 % : près des deux tiers du dioxygène de la chambre. (0,5 pt) (1)
3. c)Le dioxygène consommé n’est pas renouvelé : il vient à manquer et la combustion devient incomplète (0,5 pt). La flamme jaunit et fume ; il se forme de la suie (du carbone) et du monoxyde de carbone. (0,5 pt) (1)
4. d)Le monoxyde de carbone est toxique, incolore et inodore : rien ne le signale. Respiré, il se fixe dans le sang à la place du dioxygène, qui n’arrive plus aux organes (0,5 pt). Ses premiers signes (maux de tête, vertiges, nausées) ne réveillent pas forcément une personne endormie : elle ne peut ni aérer ni sortir, et l’intoxication peut être mortelle. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — croire qu’une flamme ne devient dangereuse qu’une fois tout le dioxygène consommé : bien avant, elle brûle mal et fabrique du monoxyde de carbone. Un appareil à combustion a toujours besoin d’air renouvelé.

1. a)Un dégagement de chaleur n’est qu’un indice d’une transformation chimique, pas la marque d’une combustion (0,5 pt). Une combustion consomme un combustible et du dioxygène, le comburant ; ici, les réactifs sont le zinc et le diiode, sans dioxygène ni flamme. (0,5 pt) (1)
2. b)Une dissolution ne fait pas disparaître la couleur : c’est justement le diiode dissous qui colorait l’eau en brun ; s’il s’était seulement dissous, le liquide serait resté brun (0,5 pt). La couleur disparaît parce que le diiode est consommé : il réagit avec le zinc et forme une espèce nouvelle, l’iodure de zinc. C’est une transformation chimique. (0,5 pt) (1)
3. c)Non : il ne reste plus de diiode, le réactif limitant ; le zinc ajouté n’a plus rien avec quoi réagir (0,5 pt). Il faudrait ajouter du diiode : la couleur brune apparaîtrait puis pâlirait de nouveau, car il reste du zinc en excès. (0,5 pt) (1)
4. d)L’eau n’est ni consommée ni formée : c’est une espèce spectatrice, elle ne s’écrit pas (0,5 pt). Bilan : zinc + diiode → iodure de zinc. (0,5 pt) (1)

Astuce — une couleur peut servir de témoin : tant que la solution reste colorée, l’espèce colorée est encore là ; quand la couleur disparaît, cette espèce a été entièrement consommée.

1. a)2 atomes de carbone, 6 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène. (0,5 pt) (1)
2. b)éthanol + dioxygène → dioxyde de carbone + eau ; l’éthanol est le combustible, le dioxygène le comburant. (0,5 pt) (1)
3. c)Produits : 2 CO₂ contiennent 2 × 2 = 4 atomes d’oxygène et 3 H₂O en contiennent 3, soit 7 (0,5 pt). Réactifs : 1 dans la molécule d’éthanol et 3 × 2 = 6 dans les 3 molécules de dioxygène (0,5 pt). L’élève a tort : 1 atome d’oxygène sur 7 vient de l’éthanol, les 6 autres du dioxygène (0,5 pt). L’éthanol ne peut pas brûler sans dioxygène : son seul atome d’oxygène est loin de suffire, et une combustion a toujours besoin d’un comburant. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — appliquer la règle du méthane à tous les combustibles : « tout l’oxygène vient du dioxygène » n’est vrai que si le combustible ne contient pas d’oxygène. Lis toujours sa formule d’abord.