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Réactions des matériaux avec quelques liquides

Exercices sur le chapitre

Quels matériaux utilisons-nous pour emballer les liquides ? les matériaux réagissent-ils avec les solutions aqueuses acides ou basiques ? comment décaper les métaux ?
Sommaire
1. Attaque du fer par les acides
1.1 les transformations chimiques 1.2 identification des produits de la transformation chimique 1.2.1 quelle est la nature du gaz
1.2.2 où sont passés les atomes de fer
1.2.2 où sont passés les atomes de chlore et les molécules d'eau
1.2.3 tableau récapitulatif
2. Bilan des transformations chimiques de l'attaque du fer par l'acide chlorhydrique
2.1 inventaire des réactifs et des produits 2.2 écriture de l'équation chimique
3. Réactions des acides et des bases avec d'autres matériaux
3.1 action de l'acide chlorhydrique sur le zinc et aluminium 3.2 action de la soude sur l'aluminium 3.3 Inertie chimique de certains matériaux non métalliques

1. Attaque du fer par les acides

Les boissons sont conditionnées en canettes d'aluminium ou d'acier (99% de fer). Or, un test de conduction électrique montre que celles en acier sont recouvertes d'un vernis protecteur car elles ne conduisent pas le courant. Étudions le pourquoi de cette protection en attaquant du fer avec plusieurs acides.

1.1 les transformations chimiques:

les trois attaques

Tube 1

Tube 2

Tube 3

de la laine de fer en petite quantité  +  acide chlorhydrique

de la laine de fer en grande quantité + acide chlorhydrique

de la laine de fer en petite quantité acide sulfurique

après quelques moment d'attente.... dégagement gazeux important dégagement gazeux important dégagement gazeux dégagement gazeux
au bout de quelques temps .... Il n'y a plus de laine de fer. Si l'on rajoute d'autres brins, la réaction précédente recommence.

plus de laine de fer

Il reste de la laine de fer mais il n'y a plus de dégagement gazeux. Si on rajoute un peu d'acide (acide chlorhydrique ou sulfurique) le dégagement reprend. reste un peu de laine de fer Il n'y a plus de laine de fer.
Que reste - il des réactifs de départ ?.... Tout le fer solide a disparu, il reste de l'acide dans le tube. Tout l'acide a disparu , il reste du fer solide dans le tube. Tout le fer solide a disparu, il reste de l'acide dans le tube.

conclusion: Dans chaque cas, c'est l'ion hydrogène H+, commun aux deux acides, qui réagit avec le métal. Si l'acide est en excès, c'est le métal qui disparaît totalement. Si c'est le métal qui est en excès, c'est l'acide qui disparaît totalement.

1.2 Identification des produits de la transformation chimique

1.2.1 quelle est la nature du gaz apparu ?

réfléchissons... La solution aqueuse d'acide contient: des ions hydrogène H+, des ions chlorure Cl- et des molécules d'eau ( molécules formées d'atomes d'oxygène et d'hydrogène), le métal fer est un empilement ordonné d'atomes de fer. Les gaz possibles qui peuvent se former après réarrangement des atomes à partir des réactifs peuvent être: du dioxygène(O2), du dihydrogène(H2), du dichlore(Cl2).

test du dioxygène  test du dichlore test du dihydrogène
test négatif: la bûchette au bout incandescent ne se ravive pas 

 

test présence dioxygène  test négatif test négatif: le papier imbibé d'iodure de potassium ne noircit pas test présence dichlore test positif: on obtient le "pop" ou "aboiement" qui caractérise la présence du dihydrogène.H2

 

aboiement ou pop du dihydrogène

1.2.2 où sont passés les atomes de fer ?

réfléchissons... Le fer solide a disparu, le fer est dans la solution, les atomes ont perdus des électrons et sont devenus des ions.

Manipulation: On verse quelques gouttes d'hydroxyde de sodium (soude) dans la solution restante après l'attaque de l'acide. Il se forme un précipité vert foncé .

 ion réactif résultat précipité vert identification ion
ion hydroxyde OH- précipité vert foncé ion fer II  (ou ion ferreux) Fe 2+

1.2.3 où sont passés les atomes de chlore et les molécules d'eau ?

Manipulation: On verse quelques gouttes de nitrate d'argent dans la solution restante après l'attaque de l'acide.. Il se forme un précipité blanc de chlorure d'argent qui peu à peu noircit à la lumière.

 ion réactif résultat précipité qui noircit à la lumière identification ion
ion argent Ag+ précipité blanc qui noircit à la lumière chlorure Cl-

 Manipulation: on verse quelques gouttes de la solution restante après l'attaque de l'acide, le sulfate de cuivre anhydre bleuit.test au sulfate de cuivre

Nous admettrons que les ions chlorure et les molécules d'eau sont dans les mêmes proportions qu'au départ de la réaction. 

1.2.3 tableau récapitulatif des corps formés ou restants après les transformations chimiques

Tests test de l'aboiement test à la soude test au nitrate d'argent test au sulfate de cuivre

corps identifiés

dihydrogène (gaz) H2

nouveau corps: produit

ions ferreux (en solution) Fe2+

nouveau corps: produit

ions chlorure (en solution) molécules d'eau (en solution)

La solution aqueuse obtenue est une solution de chlorure de fer II . La solution est électriquement neutre, il faut que le nombre total de charges positives soit égal au nombre total de charges négatives et ceci sans modifier la formule des ions ! .... La formule est: Fe2+ + 2 Cl-

2. Bilan des transformations chimiques de l'attaque du fer par l'acide chlorhydrique

On utilise le modèle de la réaction chimique à l'état macroscopique en faisant  le bilan  avant réaction et après réaction.

2.1  Inventaire des réactifs et des produits

corps avant réaction:  les réactifs  corps  après réaction : les produits
  • acide chlorhydrique (H+ + Cl-): ions hydrogène H+, ions chlorure Cl- et molécules d'eau (H2O).
  • fer sous forme solide: atomes de fer (Fe)
  • Dihydrogène gazeux : molécules H2
  • Solution de chlorure de fer II (Fe2+ + 2 Cl-): ions chlorure Cl-, ions ferreux Fe2+ et molécules d'eau (H2O).

réfléchissons.. 

2.2 Écriture de l'équation chimique

principe pour "ajuster" les nombres stœchiométriques d' une équation chimique: les équations chimiques doivent satisfaire trois critères:

appliquons:.. Équation chimique de l'attaque du métal fer par l'acide chlorhydrique

              Réactifs                                                                  Produits

    fer        +    acide chlorhydrique                               chlorure de fer II + dihydrogène

    Fe         +          (H+ + Cl-)                                                   (Fe2+ + 2Cl-)         +  H2

"ajustage" des nombres stœchiométriques par le bilan des éléments "ajustage" des nombres stœchiométriques par la conservation des charges
Fe+(H+ + Cl- (Fe2+ + 2Cl-) +  H2
  •   fer: 1  et  (hydrogène: 1 avec  chlore : 1) ( fer: 1 avec  chlore : 2  et  hydrogène: 2 
  • l'équation n'est pas "ajustée"; le nombre d'hydrogène doit être le même des deux côtés de l'équation. soit le nombre 2; on multiplie par 2 dans les réactifs x 2
  •    soit   pour les réactifs  fer: 1  et  2x (hydrogène: 1  avec  chlore : 1)  ou encore  hydrogène: 2x1=2  chlore : 2x1 =2  
Fe+(H+ + Cl- (Fe2+ + 2Cl-)  +  H2
  • nombre de charges positives et négatives dans les réactifs : 1 (1 + et 1-)
  • nombre de charges positives et négatives dans les produits : (2+ et 2x1-)
  • l'équation n'est pas "ajustée"; le nombre de charges doit être le même des deux côtés de l'équation. soit le nombre 2; on multiplie par 2 dans les réactifs x 2
  • soit   pour les réactifs    2x(1+ , 1- )  ou encore 2x1+ =2 + et  2x1- 

Fe + 2 (H+ + Cl- (Fe2+ + 2Cl-)  +  H2

Fe +  2H+ + 2Cl-    Fe2+ + 2Cl-     +  H2

Les ions chlorure n'interviennent pas dans la réaction même s'ils sont indispensables pour que la solution soit électriquement  neutre. Ce sont les ions "spectateurs". On peut donc simplifier l'écriture de l'équation en ne les mentionnant pas.                   

Fe + 2 H+      Fe2+ H2

       

3.  Réactions des acides et des bases avec d'autres matériaux

3.1 action de l'acide chlorhydrique sur le zinc

3.1.1 expérience

PRÉPARONS L’ EXPÉRIENCE DÉCLENCHONS L’ EXPÉRIENCE DÉCRIVONS NOS OBSERVATIONS

 grenaille de zinc

animation

  • dégagement gazeux au niveau du solide. 
  • disparition d'une partie du zinc(les morceaux de grenaille ont diminué en taille) et de l'acide (le pH a augmenté).

attaque acide sur zinc

  • Pour réaliser l'expérience nous avons besoin :  de zinc solide en grenailles, d'acide chlorhydrique, d'un tube, d'un bouchon.
  • Pour tester les corps disparus ou formés nous avons besoin de papier pH, de soude(Hydroxyde de sodium), d'une allumette allumée.

  

Pour amorcer l'attaque, nous plongeons la grenaille de zinc dans le tube contenant l'acide en évitant les éclaboussures. On ferme le tube pour garder un éventuel dégagement gazeux.

 

 

tests de reconnaissances des produits formés

  • test du "pop": mise en évidence du gaz dihydrogène
  • test à la soude: précipité blanc gélatineux qui met en évidence la présence d'ions zinc.précipité blanc gélatineux
Nous observons  Le Zinc a disparu et est passé en solution, l'acide a disparu et du dihydrogène est apparu Or nous savons que la disparition des corps de départ (réactifs) et l'apparition de nouveaux corps (les produits) sont dues à une réaction chimique   donc nous en déduisons  que l'attaque du zinc par l'acide chlorhydrique est une réaction chimique dont les produits sont du dihydrogène et du chlorure de zinc.

3.1.2 écriture de l'équation chimique de l'attaque de l'acide chlorhydrique sur le zinc:

                Réactifs                                                                  Produits

    Zinc        +    acide chlorhydrique                               chlorure de zinc + dihydrogène

    Zn         +          (H+ + Cl-)                                                   (Zn2+ + 2 Cl-)         +  H2

Zn         +         2 (H+ + Cl-)            (Zn2+ + 2 Cl-)         +  H2 

Zn         +         2 H+ + 2 Cl-            Zn2+ + 2 Cl-       +  H2       

Zn + 2 H+      Zn2+ H2

3.1.3 cas des  autres métaux:

Les observations et les conclusions seraient de même nature en remplaçant le zinc par de l'aluminium (Al).

2 Al + 6 H+      2Al3+ 3H2

 Tous les métaux et alliages ne sont pas attaqués par les tous les acides. L'or (Au), l'argent (Ag) le cuivre (Cu).. ne réagissent pas avec l'acide chlorhydrique par contre peuvent réagir avec d'autres solutions ainsi, le cuivre réagit avec l'acide nitrique. acide chlorhydrique + cuivre    aucune réaction entre l'acide chlorhydrique et de la tournure de cuivre
acide nitrique + cuivre réaction entre l'acide nitrique et de la tournure de cuivre avec production d'un gaz roux, la solution devient bleue (présence d"'ions cuivre). Cette réaction est utilisée par la gravure sur cuivre dite à  "l'eau forte"

3.2 action de la soude sur l'aluminium

3.2.1 expérience

PRÉPARONS L’ EXPÉRIENCE DÉCLENCHONS L’ EXPÉRIENCE DÉCRIVONS NOS OBSERVATIONS

       poudre aluminium 

                                         

  • dégagement gazeux au niveau du solide. 
  • disparition d'une partie de l'aluminium  et de la base (le pH a diminué).

soude sur Al

  • Pour réaliser l'expérience nous avons besoin :  d'aluminium solide en poudre, d'hydroxyde de sodium (base) assez concentré , d'un tube, d'un bouchon.
  • Pour tester les corps disparus ou formés nous avons besoin de papier pH, de soude(ou hydroxyde de sodium), d'une allumette allumée.

  

Pour amorcer l'attaque, nous versons la base sur la poudre d'aluminium. On ferme le tube pour garder un éventuel dégagement gazeux.

La réaction est lente au démarrage mais peut s'emballer....

 

 

tests de reconnaissances des produits formés

  • test du "pop": mise en évidence du gaz dihydrogène
  • test à la soude: précipité blanc  qui met en évidence la présence d'ions aluminium.précipité blanc
Nous observons  L'aluminium a disparu et est passé en solution , la base a disparu et du dihydrogène est apparu Or nous savons que la disparition des corps de départ (réactifs) et l'apparition de nouveaux corps (les produits) sont dues à une réaction chimique   donc nous en déduisons  que l'attaque de l'aluminium par l'hydroxyde de sodium est une réaction chimique dont les produits sont du dihydrogène et de l' aluminate de sodium .

3.2.2 écriture de l'équation chimique de l'attaque de l'hydroxyde de sodium sur l'aluminium:

                    Réactifs                                                  Produits

   aluminium        +    hydroxyde de sodium       aluminate de sodium + dihydrogène

La soude ne réagit que peu ou pas du tout avec les autres métaux.

3.3 Inertie chimique de certains matériaux non métalliques

avantages: Les produits chimiques sont contenus dans des récipients en   verre ou en plastique car ce sont des matériaux qui ne réagissent pas en général avec les solutions acides ou basiques. De même cette propriété va être utilisée dans le domaine de l'emballage car les aliments et les boissons sont souvent acides alors que les produits ménagers sont basiques. Lorsque le choix d'un emballage métallique est fait (canettes, boîte de conserves ...), le métal doit être obligatoirement protégé!.

utiliser un bec bunsenLes blouses de chimie ne sont pourtant pas en nylon (polyamides) car cette matière provoque des gouttes lors de sa combustion ( tableau) et est attaquée par les solutions acides!.

 

inconvénients: Le verre ou le plastique  sont des matériaux qui sont difficilement décomposés par les micro-organismes: ils ne sont pas biodégradables. Cette propriété va être une cause de pollution durable, car abandonné dans la nature, ils ont une longue vie même si certaines matières plastiques se dégradent très lentement dans l'atmosphère....   

Le recyclage  est donc impératif!...

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