Réaction chimique — équation et conservation

Introduction

Lors d'une transformation chimique, des espèces chimiques disparaissent (les réactifs) et de nouvelles espèces apparaissent (les produits). Contrairement à une transformation physique (changement d'état), les espèces chimiques sont modifiées : des liaisons sont rompues et de nouvelles liaisons sont formées.

Exemple concret : lorsqu'on fait brûler du méthane $CH_4$ dans le dioxygène $O_2$, il se forme du dioxyde de carbone $CO_2$ et de l'eau $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$0. Le méthane et le dioxygène disparaissent ; le dioxyde de carbone et l'eau apparaissent.

---

Transformation chimique vs transformation physique

Critère	Transformation physique	Transformation chimique
Espèces chimiques	Conservées (même espèce avant/après)	Modifiées (nouvelles espèces formées)
Exemple	Fusion de la glace : $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$1	Combustion du carbone : $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$2
Liaisons chimiques	Inchangées	Rompues puis reformées
Réversibilité	Souvent facilement réversible	Souvent difficilement réversible

---

Réactifs, produits et espèces spectatrices

Définitions

• Réactif : espèce chimique consommée lors de la transformation.
• Produit : espèce chimique formée lors de la transformation.
• Espèce spectatrice : espèce présente dans le milieu réactionnel mais qui ne participe pas à la réaction. Elle est présente en même quantité avant et après la transformation.

Exemple : lorsqu'on verse de l'acide chlorhydrique ($$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$3) sur du zinc $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$4, les ions chlorure $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$5 ne participent pas à la réaction : ce sont des espèces spectatrices.

---

Lois de conservation

Lors d'une transformation chimique, trois grandeurs sont toujours conservées :

1. Conservation des éléments chimiques

Chaque type d'atome est présent en même quantité dans les réactifs et les produits. Les atomes ne sont ni créés, ni détruits : ils sont réarrangés.

2. Conservation de la masse

Conséquence directe de la conservation des atomes :

$$m_{\text{réactifs}} = m_{\text{produits}}$$

C'est la loi de Lavoisier (1789) : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »

3. Conservation de la charge électrique

La charge totale est la même des deux côtés de l'équation.

---

L'équation de réaction

Modélisation

Une équation de réaction (ou équation bilan) est l'écriture symbolique d'une transformation chimique. Elle indique les formules des réactifs (à gauche) et des produits (à droite), séparés par une flèche :

$$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$

Coefficients stœchiométriques

Pour respecter la conservation des éléments et des charges, on place des coefficients stœchiométriques (nombres entiers) devant les formules chimiques.

Convention : un coefficient de 1 n'est pas écrit.

Exemple — combustion du méthane

Équation non équilibrée :
$$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$

Vérification :
| Élément | Côté gauche | Côté droite |
|---------|-------------|-------------|
| C | 1 | 1 ✓ |
| H | 4 | 2 ✗ |
| O | 2 | 3 ✗ |

Équation équilibrée :
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$

Vérification :
| Élément | Côté gauche | Côté droite |
|---------|-------------|-------------|
| C | 1 | 1 ✓ |
| H | 4 | 4 ✓ |
| O | 4 | 4 ✓ |

---

Méthode pour équilibrer une équation

1. Écrire les formules brutes des réactifs et des produits.
2. Compter le nombre d'atomes de chaque élément de chaque côté.
3. Ajuster les coefficients stœchiométriques pour égaliser le nombre d'atomes de chaque élément.
4. Vérifier l'ensemble (éléments + charges si ions).

Règle importante : on ne modifie jamais les formules chimiques (les indices dans les formules). On ajuste uniquement les coefficients devant les formules.

Exemple — combustion du propane

Le propane $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$6 brûle dans le dioxygène :

Étape 1 : $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$7

Étape 2 : Comptage
- C : 3 à gauche, 1 à droite → coefficient 3 devant $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$8
- H : 8 à gauche, 2 à droite → coefficient 4 devant $$\text{Réactifs} \longrightarrow \text{Produits}$$9

Étape 3 : $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$0
- O à droite : $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$1 → coefficient 5 devant $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$2

Résultat :
$$C_3H_8 + 5\,O_2 \longrightarrow 3\,CO_2 + 4\,H_2O$$

Vérification : C : 3 = 3 ✓ | H : 8 = 8 ✓ | O : 10 = 10 ✓

---

Exemples de réactions chimiques courantes

Combustions

Combustible	Équation bilan	Type
Carbone (complète)	$$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$3	Combustion complète
Carbone (incomplète)	$$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$4	Combustion incomplète
Méthane	$$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$5	Combustion complète
Fer (dans l'air)	$$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$6	Combustion vive

Combustion complète : suffisamment de dioxygène → $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$7 et $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$8 uniquement.
Combustion incomplète : dioxygène insuffisant → formation de $$CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O$$9 (monoxyde de carbone, toxique) ou de carbone $$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$0 (suie).

Réaction acide-métal

$$Zn + 2\,H^+ \longrightarrow Zn^{2+} + H_2$$

Le zinc réagit avec les ions hydrogène pour former des ions zinc et du dihydrogène (effervescence).

---

États physiques dans l'équation

On peut préciser l'état physique des espèces entre parenthèses :

Symbole	État
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$1	Solide
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$2	Liquide
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$3	Gazeux
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$4	En solution aqueuse

Exemple :
$$Zn_{(s)} + 2\,H^+_{(aq)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + H_{2\,(g)}$$

---

À retenir

• Une transformation chimique produit de nouvelles espèces chimiques (contrairement à une transformation physique).
• L'équation de réaction modélise la transformation : réactifs → produits.
• Les coefficients stœchiométriques assurent la conservation des éléments et des charges.
• La masse totale est conservée (loi de Lavoisier).
• On ne modifie jamais les formules des espèces chimiques, seulement les coefficients.