COURS CBPH - PREMIERE ST2S
THEME : LES REACTIONS CHIMIQUES
Introduction
Une reaction chimique est un processus au cours duquel des substances, les reactifs, se transforment en de nouvelles substances, les produits. Ces transformations sont omnipresentes, de la cuisine a la meteorologie, et surtout au sein meme des organismes vivants. En ST2S, leur comprehension est cruciale pour saisir le fonctionnement du corps, l'action des medicaments ou les principes de desinfection.
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1. La transformation chimique : un rearrangement des atomes
Une transformation chimique est caracterisee par la rupture et la formation de liaisons chimiques entre les atomes. Les atomes des reactifs se reorganisent pour former les molecules des produits. Ils ne sont ni crees ni detruits.
A retenir : Loi de conservation de la masse (Lavoisier, 1789)
"Rien ne se perd, rien ne se cree, tout se transforme." La masse totale des reactifs est egale a la masse totale des produits. Exemple : la combustion de 12 g de carbone necessite 32 g de dioxygene et produit exactement 44 g de dioxyde de carbone.
Schema : Reactifs → Transformation chimique → Produits
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2. L'equation-bilan : ecrire la reaction
Pour representer une reaction de maniere quantitative, on utilise une equation-bilan equilibre.
- Forme generale : a A + b B → c C + d D
(A, B = reactifs ; C, D = produits ; a, b, c, d = coefficients stoechiometriques, nombres entiers les plus petits possibles).
- Regle fondamentale : Le nombre d'atomes de chaque element doit etre identique dans les reactifs et les produits. C'est l'equilibrage (ou ajustement stoechiometrique).
Exemple concret d'equilibrage : Combustion du methane (gaz naturel)
- Equation non equilibre : CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
- On compte les atomes :
- Reactifs : 1 C, 4 H, 2 O
- Produits : 1 C, 2 H, 3 O → Desequilibre sur H et O.
- On ajuste :
- On equilibre H : CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂O (maintenant 4 H dans chaque membre).
- On recompte O : Reactifs = 2 O, Produits = 2 (CO₂) + 1 (H₂O) = 4 O.
- On equilibre O : CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
- Equation equilibre : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
Verification : C=1, H=4, O=4 de chaque cote.
Exercice d'application : Equilibrer l'equation de la reaction entre l'aluminium (Al) et le dioxygene (O₂) pour former l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), solide tres stable.
*Indice : Commencez par equilibrer l'aluminium.*
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3. Les grands types de reactions chimiques
| Type de reaction | Description | Exemple dans la vie courante | Exemple dans l'organisme |
|---|---|---|---|
| **Synthese (ou combinaison)** | Deux ou plusieurs substances se combinent pour en former une plus complexe. | A + B → AB | Formation de l'hemoglobine (proteine) a partir d'acides amines. |
| **Decomposition** | Une substance se scinde en substances plus simples. | AB → A + B | Digestion des polymeres (amidon → glucose). |
| **Echange (ou substitution)** | Echange d'atomes ou de groupes d'atomes entre deux reactifs. | AB + CD → AD + CB | Neutralisation acide-base (voir partie 7). |
| **Combustion** | Reaction vive avec un comburant (souvent O₂), degageant de l'energie (chaleur et/ou lumiere). | Hydrocarbure + O₂ → CO₂ + H₂O | **Respiration cellulaire** (combustion lente et controlee des nutriments). |
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4. Reactions chimiques dans le corps humain
Le corps est le siege de millions de reactions chimiques regroupees sous le terme de metabolisme.
- Respiration cellulaire aerobie (dans les mitochondries) :
C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ENERGIE (ATP)
- C'est la principale reaction productrice d'energie. Pour 1 mole de glucose (180 g), elle produit environ 38 moles d'ATP, la "monnaie energetique" de la cellule.
- Chiffre : Au repos, le corps humain consomme environ 250 mL d'O₂ par minute et produit environ 200 mL de CO₂.
- Fermentation lactique (en absence d'O₂ suffisant, dans le cytoplasme) :
C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₆O₃ (acide lactique) + un peu d'ATP
- Cette reaction prend le relais dans les muscles lors d'un effort intense, produisant de l'acide lactique responsable des crampes.
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5. Cinetique chimique : la vitesse des reactions
La cinetique etudie l'evolution d'une reaction dans le temps. Plusieurs facteurs l'influencent :
- Temperature : Une augmentation de temperature accelere generalement la reaction (les molecules ont plus d'energie, les chocs efficaces sont plus frequents). Regle empirique : +10°C ≈ vitesse multipliee par 2 ou 3.
- Concentration des reactifs : Plus les reactifs sont concentres, plus la reaction est rapide.
- Presence d'un catalyseur : Substance qui accelere une reaction sans etre consommee.
- Dans le corps, les catalyseurs sont des enzymes (biocatalyseurs). Elles sont specifiques d'une reaction, efficaces a temperature corporelle (37°C) et fonctionnent souvent avec un cofacteur (ex : ions Mg²⁺, Zn²⁺).
- Exemple : l'anhydrase carbonique accelere des millions de fois la transformation CO₂ + H₂O ⇌ H⁺ + HCO₃⁻, cruciale pour le transport des gaz respiratoires.
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6. Les reactions d'oxydoreduction (redox)
Ce sont des reactions ou il y a transfert d'electrons entre les reactifs.
- Oxydation : Perte d'electrons par une espece chimique.
- Reduction : Gain d'electrons par une espece chimique.
- Les deux processus sont inseparables : si une espece s'oxyde, une autre se reduit (c'est l'oxydant).
Application biologique majeure : La chaine respiratoire mitochondriale
C'est une serie de reactions redox ou les electrons, arraches aux nutriments (comme le glucose), sont transferes le long de proteines membranaires (cytochromes) jusqu'a l'oxygene final. Cette "chute" d'electrons libere de l'energie utilisee pour fabriquer l'ATP. L'O₂ est le oxydant final.
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7. Applications medicales et sanitaires
- Neutralisation acide-base (reaction d'echange)
Acide + Base → Sel + Eau
- Principe des antiacides gastriques : Ils contiennent des bases faibles (hydroxyde d'aluminium Al(OH)₃, carbonate de calcium CaCO₃) qui neutralisent l'exces d'acide chlorhydrique (HCl) dans l'estomac.
- Exemple : CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + CO₂(g) + H₂O(l)
- Reactions de desinfection (reactions d'oxydation)
Les desinfectants agissent souvent comme de puissants oxydants, degradant les parois des micro-organismes.
- Eau oxygenee (H₂O₂) : Se decompose en eau et en oxygene naissant (O), tres oxydant. H₂O₂ → H₂O + O.
- Eau de Javel (NaClO) : L'ion hypochlorite (ClO⁻) est un oxydant. Son action est renforcee en milieu acide (presence de vinaigre = DANGER, degagement de chlore toxique).
Conclusion : Les reactions chimiques sont le langage de la matière en transformation. De la production d'ATP dans nos cellules a l'action d'un desinfectant, en passant par le calcul precis des doses medicamenteuses, leur maitrise est un pilier des sciences de la sante et du social.
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EXERCICES D'EQUILIBRAGE (Corrections en fin de cours)
- Equilibrer la reaction de photosynthese : CO₂ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + O₂
- Equilibrer la reaction entre l'acide chlorhydrique (HCl) et le fer (Fe) qui donne du chlorure de fer(II) (FeCl₂) et du dihydrogene (H₂).
- Equilibrer la combustion du propane (C₃H₈), gaz utilise dans certains chauffages.
Corrections :
- 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
- Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂
- C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
