Ce chapitre est le socle de toute la chimie en Terminale. Il te permet de comprendre ce qu'est vraiment la matière à l'échelle microscopique et comment elle évolue lors des réactions chimiques. Tu vas passer de la description des atomes et des molécules à l'écriture et l'équilibrage des équations de réaction, une compétence essentielle pour la suite du programme et pour le baccalauréat.
Objectifs du chapitre
- •Savoir décrire la structure d'un atome et d'une molécule à l'aide de modèles simples.
- •Être capable d'écrire et d'équilibrer une équation de réaction chimique à partir d'une observation.
- •Distinguer les transformations physiques des transformations chimiques et identifier les espèces qui réagissent et qui sont formées.
1L'atome : la brique élémentaire
Toute la matière qui t'entoure est constituée d'atomes, des particules extrêmement petites. Un atome est lui-même composé d'un noyau central, chargé positivement, et d'électrons, chargés négativement, qui gravitent autour. Le noyau contient des protons (charge +) et des neutrons (neutres). Ce qui définit l'élément chimique (comme le carbone C ou l'oxygène O), c'est son nombre de protons, appelé numéro atomique Z. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons. La masse de l'atome est concentrée dans son noyau, car les électrons sont très légers.
L'atome de carbone (symbole C) a un numéro atomique Z=6. Cela signifie que son noyau contient 6 protons. Un atome de carbone neutre possède donc aussi 6 électrons. Sa représentation symbolique est ¹²₆C, où 12 est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
Pour retenir la composition : le noyau est le « centre de masse » (protons + neutrons), les électrons sont « l'habit » qui définit la réactivité. En chimie, ce sont souvent les électrons qui sont mis en jeu.
2Des atomes aux molécules : la liaison covalente
Les atomes se lient rarement seuls. Ils forment des molécules pour gagner en stabilité. La principale liaison en chimie organique et dans de nombreux composés est la liaison covalente. Elle résulte de la mise en commun d'électrons entre deux atomes. Chaque atome apporte un électron pour former une paire d'électrons partagée, appelée doublet liant. La molécule est représentée par sa formule brute (ex: H₂O) et sa formule développée qui montre toutes les liaisons.
La molécule d'eau, H₂O. L'atome d'oxygène (O) a 6 électrons sur sa couche externe. Il a besoin de 2 électrons pour être stable (règle de l'octet). Chaque atome d'hydrogène (H) a 1 électron et en a besoin d'un de plus. L'oxygène forme donc une liaison covalente avec chaque hydrogène, partageant ainsi 2 paires d'électrons. Formule développée : H–O–H.
Pour dessiner une formule développée, compte d'abord les électrons de valence (ceux de la couche externe) de chaque atome. Ils déterminent le nombre de liaisons que l'atome peut former.
3Transformation chimique vs transformation physique
Quand tu observes un changement, il faut savoir l'interpréter. Une transformation physique change l'état ou l'apparence de la matière sans en modifier la nature chimique. Les espèces chimiques présentes au début sont les mêmes à la fin. À l'inverse, une transformation chimique (ou réaction chimique) conduit à la formation de nouvelles espèces chimiques. Les liaisons entre atomes sont rompues et d'autres se forment. C'est ce que tu observes quand tu fais brûler du magnésium ou quand tu verses du vinaigre sur du bicarbonate.
Transformation physique : faire fondre un glaçon (H₂O solide → H₂O liquide). La molécule d'eau reste identique. Transformation chimique : la combustion du méthane CH₄ dans le dioxygène O₂. Les réactifs CH₄ et O₂ disparaissent pour former de nouveaux produits : du dioxyde de carbone CO₂ et de l'eau H₂O.
Le test imparable : si tu peux revenir en arrière par une simple opération physique (refroidir, évaporer), c'est probablement une transformation physique. Si de nouvelles propriétés apparaissent (couleur, odeur, dégagement de gaz, précipité) et que le changement est irréversible simplement, c'est une réaction chimique.
4L'équation de réaction chimique : le langage universel
Pour décrire une transformation chimique de manière précise et quantitative, on utilise une équation de réaction. Elle indique les réactifs (à gauche), les produits (à droite) et leurs proportions. La loi fondamentale à respecter est la conservation des éléments chimiques : aucun atome ne se crée ni ne disparaît lors d'une réaction. Tu dois donc équilibrer l'équation en ajustant les nombres stœchiométriques (les chiffres devant les formules) pour avoir le même nombre d'atomes de chaque type à gauche et à droite.
La combustion complète du butane (C₄H₁₀) dans le dioxygène (O₂) produit du CO₂ et de l'eau. Équation non équilibrée : C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O. Équation équilibrée : 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O. Compte les atomes : 8 C, 20 H, 26 O de chaque côté.
Méthode pour équilibrer : commence toujours par équilibrer les atomes autres que H et O (souvent le Carbone). Puis équilibre l'Hydrogène. Termine par l'Oxygène, car il est souvent présent dans plusieurs molécules. Vérifie systématiquement ton compte final.
5L'avancement d'une réaction : suivre l'évolution
Une fois l'équation écrite, on veut savoir dans quelles proportions les réactifs sont consommés et les produits formés. Pour cela, on introduit la grandeur « avancement de réaction », notée x (en mol). À l'état initial, x=0. Au cours de la transformation, x augmente. Les quantités de matière des espèces sont liées à x par la relation : n(t) = n(initial) ± (coefficient stœchiométrique) * x. Le signe est – pour un réactif et + pour un produit. L'avancement maximal x_max est atteint quand au moins un réactif est entièrement consommé.
Pour la réaction équilibrée : N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Si on part de 2 mol de N₂ et 5 mol de H₂. À un instant t, x = 1 mol. Alors, n(N₂) = 2 - 1 = 1 mol ; n(H₂) = 5 - 3*1 = 2 mol ; n(NH₃) = 0 + 2*1 = 2 mol. Ici, le réactif limitant est H₂ (il déterminera x_max).
Pour trouver le réactif limitant, calcule pour chaque réactif la valeur x_max si ce réactif était entièrement consommé (x_max = n_initial / |ν|). Le plus petit de ces x_max est l'avancement maximal réel, et le réactif correspondant est le limitant.