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 |
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
Bilan :
| Atome | Réactifs | Produits | Équilibré ? |
|---|---|---|---|
| Fe | 1 | 2 | ❌ |
| O | 2 | 3 | ❌ |
Étape 2 — Ajout des coefficients stœchiométriques
Vérification :
| Atome | Réactifs | Produits | Équilibré ? |
|---|---|---|---|
| Fe | 4 | 2 × 2 = 4 | ✅ |
| O | 3 × 2 = 6 | 2 × 3 = 6 | ✅ |
4. Méthode en 4 étapes
- Écrire les formules chimiques des réactifs et des produits
- Compter le nombre d'atomes de chaque élément des deux côtés
- Ajuster les coefficients stœchiométriques (les nombres devant les formules)
- 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
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"
Ressources associées
- PDF cours : ../sources/ch05-equilibrer-reactions/4C5-equilibrer-reactions.pdf
- Activité 7 : ../sources/ch05-equilibrer-reactions/4eme-activite7-p36-fuite-gaz-explosion.pdf
- H5P QCM Ch.5 : ../sources/ch05-equilibrer-reactions/physique-chimie-4eme-equilibrer-reactions-ch5.h5p
- H5P Devoir + Activité 7 : ../sources/ch05-equilibrer-reactions/physique-chimie-4eme-equilibrer-devoir-activite7.h5p
- Liens web — vidéo équilibrage, PhET simulation
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