Concepts Clés en Chimie Générale

Stoechiométrie

La stoechiométrie est le domaine de la chimie qui étudie les relations entre les quantités de substances impliquées dans une réaction chimique.

Lois fondamentales de la stoechiométrie

• La loi des proportions définies : Lorsque deux ou plusieurs éléments se combinent pour former un composé donné, ils le font toujours selon une relation de masse constante.
• La loi de conservation de la masse : La matière n'est ni créée ni détruite, elle est seulement transformée.

Concepts clés en stoechiométrie

• Le réactif limitant : C'est le réactif qui est entièrement consommé dans une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit pouvant être obtenue.
• Le rendement de la réaction : C'est la quantité de produit réellement fabriquée lors d'une réaction chimique.

Les solutions

Une solution est un mélange homogène d'un soluté dans un solvant.

• Le soluté : C'est la substance dissoute.
• Le solvant : C'est la substance qui dissout le soluté.

Types de solutions

• Solution diluée : La quantité de soluté est faible par rapport à la quantité de solvant.
• Solution saturée : Le solvant et le soluté sont en équilibre ; le solvant ne peut plus dissoudre de soluté supplémentaire à une température donnée.
• Solution sursaturée : La quantité de soluté est supérieure à celle que le solvant peut normalement dissoudre à une température donnée, créant un état instable.

Solubilité

La solubilité est la quantité maximale de soluté qui peut se dissoudre dans une quantité donnée de solvant à une température donnée.

Facteurs affectant la solubilité

• Surface de contact : L'interaction solvant-soluté augmente lorsqu'il y a une plus grande surface de contact, ce qui permet au soluté de se dissoudre plus rapidement (par exemple, en pulvérisant le soluté).
• Agitation : Agiter la solution permet de séparer les couches de molécules de soluté déjà dissoutes, exposant de nouvelles surfaces au solvant et favorisant ainsi la dissolution continue.
• Température : L'augmentation de la température favorise le mouvement des molécules et augmente l'énergie cinétique des particules solides, ce qui leur permet de quitter plus facilement la surface et de se dissoudre.
• Pression : La pression affecte principalement la solubilité des gaz ; elle est directement proportionnelle à la solubilité des gaz dans un liquide.

Concentration des solutions

La concentration représente la quantité de soluté présente dans une solution.

Classification des unités de concentration

• Unités physiques :
  • % P/P (pourcentage masse/masse)
  • % P/V (pourcentage masse/volume)
  • % V/V (pourcentage volume/volume)
• Unités chimiques :
  • Molarité
  • Molalité
  • Normalité
  • Fraction molaire

Propriétés colligatives des solutions

Les propriétés colligatives des solutions sont des propriétés qui dépendent uniquement du nombre de particules de soluté dissoutes dans une quantité donnée de solvant, et non de la nature du soluté.

Pression de vapeur

Cette propriété est décrite par la loi de Raoult, qui énonce le principe suivant : « La diminution de la pression de vapeur du solvant est proportionnelle à la fraction molaire du soluté. »

Point d'ébullition

C'est la température à laquelle la pression de vapeur d'un liquide est égale à la pression exercée sur sa surface (généralement la pression atmosphérique).

Point de congélation

Le point de congélation d'un liquide est la température à laquelle les pressions de vapeur du liquide et du solide sont égales. Le point de congélation d'une solution est atteint lorsque l'énergie cinétique des molécules diminue avec la température. Les solutions gèlent toujours à une température inférieure à celle du solvant pur.

Pression osmotique

Cette propriété est basée sur le phénomène de l'osmose, où il y a un passage sélectif de substances à travers une membrane semi-perméable. Cette membrane possède de minuscules pores qui permettent le passage des molécules de solvant, mais pas celles du soluté.

Cinétique chimique

La cinétique chimique est la branche de la chimie qui étudie la vitesse des réactions chimiques en fonction de la concentration des espèces réactives et de toutes les variables pouvant affecter cette vitesse.

Vitesse de réaction

La cinétique des réactions chimiques vise à établir la relation précise entre la variation de la vitesse de réaction au cours du temps et la nature des collisions intermoléculaires (qui contrôlent la vitesse) impliquées dans la formation des produits. La vitesse de réaction est définie comme la quantité de matière consommée ou produite par unité de temps.

Facteurs affectant la vitesse de réaction

Expérimentalement, quatre facteurs principaux influencent la vitesse de réaction :

• Nature des réactifs : Dans tout processus chimique, une interaction entre les nuages d'électrons des particules doit se produire, et cela dépend des caractéristiques individuelles de chaque réactif.
• Concentration des réactifs : Dans la plupart des cas, la vitesse d'une réaction chimique augmente rapidement avec l'augmentation de la concentration d'un ou plusieurs réactifs. En augmentant la concentration d'un réactif, le nombre de particules dans le milieu réactionnel augmente également, ce qui accroît la probabilité de collisions efficaces. Les variations de vitesse peuvent être mesurées en observant la disparition des réactifs ou la formation des produits.
• Température : L'effet d'une légère augmentation de la température sur la réaction indique que la vitesse de réaction n'est pas linéaire, mais exponentielle. De petites variations de température peuvent produire d'énormes changements dans la vitesse du processus. L'augmentation de la température augmente l'énergie cinétique des molécules, ce qui accroît le nombre de particules possédant l'énergie d'activation nécessaire pour que l'interaction chimique se produise, et par conséquent, augmente la vitesse de réaction.
• Catalyse : La catalyse modifie la vitesse de la réaction en altérant le mécanisme chimique, ce qui permet d'atteindre une diminution de l'énergie d'activation grâce à l'utilisation d'un catalyseur. Ce processus présente trois aspects importants :
  • Le catalyseur est une espèce chimique qui favorise un mécanisme réactionnel alternatif.
  • Cette substance est directement impliquée dans le mécanisme, mais à chaque étape, le catalyseur apparaît comme un réactif dans une étape et comme un produit dans une autre, ce qui signifie qu'il n'y a pas de consommation nette du catalyseur.
  • Le mécanisme catalytique conduit à une réaction plus rapide en diminuant l'énergie d'activation du processus.

Équilibre chimique

L'équilibre chimique est un état où la conversion incomplète de certaines substances est observée expérimentalement, même après un temps suffisant pour la réaction. Cela se produit parce que, dans certaines réactions, les produits formés commencent à interagir chimiquement entre eux dans un processus inverse, régénérant les réactifs et empêchant la conversion complète des réactifs de départ.

Lorsqu'on met en présence les réactifs, la réaction se déroule jusqu'à ce qu'elle atteigne un certain niveau de transformation qui reste constant. Les concentrations des réactifs et des produits obtenus demeurent inchangées. Cet état est appelé équilibre chimique.

Types de réactions

• Réactions directes (irréversibles) : Ce sont des réactions où un ou plusieurs réactifs chimiques sont entièrement consommés et ne peuvent pas être régénérés. La réaction se déroule dans une seule direction.
• Réactions inverses (réversibles) : Ce sont des réactions où les réactifs donnent des produits qui, à leur tour, se décomposent pour reformer les substances initiales. La réaction se produit dans les deux sens. Seules les réactions réversibles peuvent conduire à un état d'équilibre chimique.

L'équilibre est atteint lorsque les vitesses des réactions directe et inverse sont égales, et que les concentrations des espèces chimiques ne changent plus.

Facteurs affectant l'équilibre chimique (Principe de Le Chatelier)

• Ajout d'une espèce chimique : L'ajout d'un composant à un système en équilibre provoque un déplacement de l'équilibre dans la direction qui consomme cet excès (réaction directe ou inverse).
• Retrait d'une espèce chimique : Le retrait d'un élément de l'équilibre entraîne un déplacement de l'équilibre dans la direction qui produit cet élément, afin de compenser la pénurie.
• Changement de concentration : L'influence des variations de concentration sur un système à l'équilibre est régie par la loi d'action de masse : « La vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle au produit des concentrations molaires des réactifs. »
• Changement de température : Une modification de la température du système entraîne un changement de la constante d'équilibre. Une augmentation de la température favorisera le processus qui absorbe la chaleur (processus endothermique). Une diminution de la température favorisera le processus exothermique.
• Changement de pression : La pression est un facteur qui influe sur les systèmes en équilibre impliquant des gaz. L'influence de la pression sur un système en équilibre est décrite par le principe de Le Chatelier : « Lorsqu'un système est en équilibre, une augmentation de pression favorise la réaction qui produit le moins de volume (gaz), tandis qu'une diminution de pression favorise la réaction qui produit le plus de volume (gaz). Si le volume gazeux est égal des deux côtés de l'équation, les changements de pression n'affectent pas l'équilibre. »
• Ajout d'un catalyseur : Les catalyseurs n'ont aucun effet sur la concentration des réactifs et des produits à l'équilibre. En effet, un catalyseur accélère la réaction directe et la réaction inverse dans la même proportion, de sorte qu'il n'y a aucune modification de l'équilibre.