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4eCHAPITRE 56 min de lecture

Équilibrer des réactions chimiques

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M. VERHILLE — Physique-Chimie · 4ème


Objectifs et compétences

Repères du programme de cycle 4 (BO 2020) :

  • Décrire et expliquer des transformations chimiques
  • Utiliser une équation de réaction chimique équilibrée

Compétences du socle :

  • D1.3 : Écrire et équilibrer une équation chimique
  • D4 : Appliquer la conservation de la matière (Lavoisier)

À la fin de ce chapitre, l'élève sait :


« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »
— Antoine Lavoisier (1743–1794)


1. Réactifs et produits

Terme Définition Position dans l'équation
Réactifs Substances qui disparaissent À gauche de la flèche
Produits Substances qui se forment À droite de la flèche
reˊactifs⟶produits\text{réactifs} \longrightarrow \text{produits}

2. La règle fondamentale — Conservation des atomes

Pour qu'une équation chimique soit équilibrée, le nombre d'atomes de chaque élément doit être identique des deux côtés de la flèche.

Cette règle traduit la loi de conservation de la matière (Lavoisier) : lors d'une réaction chimique, les atomes ne se créent pas et ne disparaissent pas — ils se réarrangent.


3. Exemple complet — Formation de l’oxyde de fer(III)

On étudie ici le modèle Fe₂O₃, oxyde de fer(III). La rouille réelle contient notamment des oxydes et oxyhydroxydes hydratés ; elle ne se réduit pas à une molécule Fe₂O₃. Dans le solide, on raisonne en unités de formule pour compter les atomes.

Étape 1 — Équation non équilibrée

Fe+O2⟶Fe2O3\text{Fe} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3

Bilan :

Atome Réactifs Produits Équilibré ?
Fe 1 2 ❌
O 2 3 ❌

Étape 2 — Ajout des coefficients stœchiométriques

4 Fe+3 O2⟶2 Fe2O3\boxed{4\ \text{Fe} + 3\ \text{O}_2 \longrightarrow 2\ \text{Fe}_2\text{O}_3}

Vérification :

Atome Réactifs Produits Équilibré ?
Fe 4 2 × 2 = 4 ✅
O 3 × 2 = 6 2 × 3 = 6 ✅

4. Méthode en 4 étapes

  1. Écrire les formules chimiques des réactifs et des produits
  2. Compter le nombre d'atomes de chaque élément des deux côtés
  3. Ajuster les coefficients stœchiométriques (les nombres devant les formules)
  4. Vérifier que tous les atomes sont conservés

⚠️ Règle absolue : On ne modifie jamais les indices à l'intérieur des formules.
On ajuste uniquement les coefficients devant les formules.
Exemple : on peut écrire 2 H₂O mais jamais H₄O ou H₂O₂.


5. Exemples d'équations équilibrées

Réaction Équation équilibrée
Formation de Fe₂O₃ (modèle simplifié) 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃
Combustion méthane CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
Combustion hydrogène 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Synthèse ammoniac N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃
Combustion carbone C + O₂ → CO₂ (déjà équilibrée)
Combustion CO 2 CO + O₂ → 2 CO₂
Combustion magnésium 2 Mg + O₂ → 2 MgO
Thermite (Al + rouille) 2 Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2 Fe
Réduction CuO 2 CuO + C → 2 Cu + CO₂
Bonus — Butane 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O

6. Activité 7 — Pourquoi une fuite de gaz peut-elle provoquer une explosion ?

(Source : manuel p.36)

Combustion du méthane

CH4+2 O2⟶CO2+2 H2O\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}

Mélange méthane-air : risque d’inflammation

Une fuite dans une pièce mélange le méthane à l’air, qui contient principalement N₂ et O₂. Il ne faut pas confondre ce mélange avec un mélange de méthane et de dioxygène pur.

L’INERIS donne comme ordre de grandeur un domaine inflammable d’environ 5 % à 15 % de méthane en volume dans l’air, en présence d’une source d’inflammation et dans les conditions de référence de sa ressource. Les limites dépendent des conditions et de la méthode : d’autres références publient des valeurs voisines mais différentes. Ces nombres ne sont pas une consigne permettant de déclarer sans danger une fuite réelle.

Proportion stœchiométrique

L’équation CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O montre que 1 molécule de méthane réagit avec 2 molécules de dioxygène. Ce rapport sert au bilan des atomes. Il ne suffit pas à annoncer une détonation : l’allumage, le confinement et les conditions de propagation interviennent. Une explosion de gaz est souvent une déflagration ; une détonation correspond à un autre régime de propagation.

Source : INERIS — risque explosion.


Bilan — Ce qu'il faut retenir

Notion Résumé
Réactifs Disparaissent — à gauche
Produits Se forment — à droite
Règle Même nombre d'atomes de chaque côté
Coefficient Nombre devant la formule (on peut le modifier)
Indice Nombre dans la formule (on ne le modifie JAMAIS)
Lavoisier Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme

Erreurs fréquentes à éviter

  • Modifier les indices au lieu des coefficients : on ne change JAMAIS les indices dans une formule chimique. Écrire H₄O au lieu de 2 H₂O est interdit — cela créerait une molécule qui n'existe pas
  • Oublier d'équilibrer tous les atomes : vérifier systématiquement CHAQUE élément (C, H, O, N, Fe...) des deux côtés de la flèche. Un seul élément oublié = équation fausse
  • Ne pas vérifier l'équilibrage final : toujours recompter le nombre d'atomes de chaque élément après avoir ajusté les coefficients. L'erreur la plus courante est d'équilibrer un élément tout en déséquilibrant un autre

Différenciation

  • Remédiation : utiliser des jetons de couleur (1 couleur par élément) pour équilibrer visuellement des équations simples (C + O₂ → CO₂, puis H₂ + O₂ → H₂O)
  • Approfondissement : équilibrer des équations plus complexes comme la combustion de l'éthanol (C₂H₅OH + O₂ → CO₂ + H₂O) et vérifier le résultat avec la simulation PhET "Équilibrer les équations chimiques"

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Objectifs et repères pédagogiques

Thème : Organisation et transformation de la matière

Durée prévue : 3 h

Mots-clés : réaction chimique, réactifs, produits, coefficient, Lavoisier, conservation, équilibrage