Transformation chimique et combustion : cours de CAP

Quand tu fais fondre un glaçon, l'eau reste de l'eau : seul son aspect change. Quand tu brûles du papier ou du gaz, c'est autre chose : la matière de départ disparaît et d'autres substances apparaissent. Tu ne peux pas « refaire » le papier à partir de la fumée et des cendres. On est face à une transformation chimique.

Ce cours répond à des questions très concrètes, utiles en atelier comme dans la vie de tous les jours :

• Comment décrire ce qui se passe quand quelque chose brûle ?
• Comment écrire cette transformation avec des symboles ?
• Pourquoi la masse totale ne change-t-elle pas, même si la matière « disparaît » à vue d'œil ?
• Que se passe-t-il quand il manque l'un des ingrédients ?

Tu t'appuieras sur ce que tu as déjà vu : les corps purs et les mélanges, les atomes, les molécules et les ions.

Pour comprendre ce qu'est une transformation chimique, il faut la distinguer de ce qu'on appelle un simple changement d'état. Dans un changement d'état, l'espèce chimique est la même avant et après : l'eau liquide et la glace sont toutes les deux de l'eau. Dans une transformation chimique, les espèces présentes au départ ne sont plus les mêmes à l'arrivée.

Voici un tableau pour t'aider à trancher, à partir d'indices que tu peux observer :

Attention : un indice isolé ne suffit pas toujours. Une flamme, un dégagement de chaleur ou un changement de couleur sont des pistes, mais c'est le changement des espèces chimiques qui fait la transformation chimique.

Pour décrire une transformation chimique, on compare l'état initial et l'état final du système. Le système est l'ensemble de ce qu'on étudie : le contenu d'un bécher, le gaz dans un brûleur, etc. ²

On range ensuite les espèces chimiques en deux familles.

Tu connais déjà beaucoup de combustions : la flamme d'une gazinière, d'un chalumeau, d'une bougie, le moteur d'un véhicule thermique. Toutes ont un point commun : ce sont des transformations chimiques, et pas de simples chauffages. ¹

Un exemple classique est la combustion complète du méthane dans le dioxygène. Le méthane et le dioxygène sont les réactifs : ce sont eux qui sont consommés. ⁵ Dans ce cours, quand un énoncé te donne le méthane, on admet que la combustion produit du dioxyde de carbone et de l'eau : c'est ce que tu retrouveras dans les exercices.

Pour repérer une combustion dans une situation réelle, pose-toi deux questions :

• Qu'est-ce qui brûle ? C'est un des réactifs.
• Dans quoi cela brûle-t-il ? Le dioxygène est le second réactif de l'exemple étudié ici.

Sans le second réactif, la transformation s'arrête, ce que l'on voit très bien quand on pose un verre sur une bougie.

Décrire une transformation avec des phrases est long. Les chimistes utilisent une écriture symbolique : l'équation chimique. Elle modélise la transformation des molécules et des atomes lors de la réaction. ⁵

Lire une équation, c'est lire une recette. Prenons la combustion complète du méthane, écrite avec ses coefficients :

$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$

Elle se lit : « une molécule de méthane réagit avec deux molécules de dioxygène pour former une molécule de dioxyde de carbone et deux molécules d'eau ». Quand le coefficient est 1, on ne l'écrit pas.

Pourquoi équilibrer ? Parce qu'une réaction ne crée ni ne détruit d'atomes : ils se réorganisent. Il doit donc y avoir autant d'atomes de chaque élément à gauche qu'à droite de la flèche. C'est la traduction, atome par atome, de la conservation de la masse que tu verras au paragraphe suivant.

Pesons une transformation chimique dans un récipient fermé. Si rien ne s'échappe, la balance affiche la même valeur avant et après. Les scientifiques le savent depuis les travaux de Lavoisier, en 1777 : la réaction chimique se fait sans variation mesurable de la masse. ⁴

Cette égalité sert à calculer une masse manquante. Si tu connais toutes les masses sauf une, tu l'obtiens par une soustraction.

La conservation de la masse s'explique par les atomes : ils sont tous encore là à la fin, seulement associés autrement. L'équilibrage de l'équation traduit exactement cela.

Dans la pratique, on ne met pas toujours les réactifs dans les proportions exactes de l'équation. L'un d'eux est alors épuisé avant l'autre : la transformation s'arrête à ce moment-là. C'est la notion de réactif limitant, qui sert à étudier une transformation chimique totale. ³

Certaines transformations ne vont que dans un sens : on les représente avec une simple flèche. D'autres sont réversibles : la transformation directe est limitée par la transformation inverse, qui a lieu en même temps. On utilise alors une double flèche $\rightleftharpoons$. ⁵

Certaines transformations chimiques s'interprètent par un transfert d'électrons entre réactifs. L'espèce qui cède des électrons est dite oxydée, celle qui les capte est réduite : ce sont des réactions d'oxydo-réduction. ⁵ Retiens simplement ces mots : le détail est vu dans les classes supérieures.

Si tu bloques sur une équation, recompte les atomes : une erreur de comptage est la cause la plus fréquente d'une équation non équilibrée. Si tu bloques sur un calcul de masse, vérifie que tu as bien additionné tous les réactifs consommés.