Réaction entre le Fer et l'Acide Chlorhydrique
Contexte : L'attaque acide des métaux.
En chimie, il est fréquent d'observer des réactions entre des métaux et des acides. Une expérience classique au collège consiste à étudier l'action de l'Acide chlorhydriqueSolution aqueuse contenant des ions hydrogène H+ et chlorure Cl-. Corrosif. sur le FerMétal gris de symbole Fe, constituant principal de l'acier. (souvent sous forme de limaille ou de paille de fer pour accélérer la réaction). Cette expérience permet d'illustrer la notion de transformation chimique : des espèces disparaissent (les réactifs) et de nouvelles espèces apparaissent (les produits).
Remarque Pédagogique : Cet exercice mobilise vos connaissances sur la constitution de la matière (atomes, ions, molécules) et sur les règles d'écriture d'une équation bilan.
Objectifs Pédagogiques
- Savoir identifier expérimentalement un gaz (le dihydrogène).
- Comprendre le passage de l'atome à l'ion (et inversement).
- Savoir écrire et équilibrer une équation de réaction chimique simple.
- Appliquer la loi de conservation de la masse et des charges.
Données de l'expérience
On verse environ 5 mL d'acide chlorhydrique concentré dans un tube à essai contenant un morceau de paille de fer. On observe immédiatement un dégagement gazeux important (effervescence) et la paille de fer diminue de volume. Le tube chauffe légèrement (réaction exothermique).
Fiche Technique / Données
| Espèce Chimique | Formule | État physique |
|---|---|---|
| Fer métal | \(Fe\) | Solide (gris) |
| Acide Chlorhydrique | \( (H^+ + Cl^-) \) | Solution aqueuse (incolore) |
Schéma du Système (État initial)
| Nom du Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse de Fer utilisée | \(m\) | 2,8 | \(\text{g}\) |
| Masse molaire Fer | \(M(Fe)\) | 56 | \(\text{g/mol}\) |
| Volume molaire gaz | \(V_m\) | 24 | \(\text{L/mol}\) |
Questions à traiter
- Comment identifier le gaz qui se dégage lors de cette réaction ?
- Écrire et équilibrer l'équation de la réaction chimique entre le fer et l'acide.
- Calculer la quantité de matière de fer et le volume de gaz produit.
- Pourquoi la masse totale du système semble-t-elle diminuer si le récipient reste ouvert ?
- Quelle est la nature de la solution obtenue à la fin ? Comment le vérifier ?
Les bases théoriques
Avant de répondre, il est crucial de maîtriser les concepts suivants, piliers de la chimie au cycle 4.
Principe 1 : La transformation chimique
Au cours d'une réaction chimique, les atomes ne disparaissent pas, ils se réarrangent. Les réactifs sont consommés et les produits sont formés. La nature des atomes présents reste la même (Conservation des éléments).
Principe 2 : Les Ions
Un ion est un atome (ou groupe d'atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
- Un atome qui perd des électrons devient un ion positif (Cation). Ex: \(Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-\).
- Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif (Anion).
Principe 3 : Conservation de la masse (Lavoisier)
Dans un système fermé (où rien n'entre ni ne sort), la masse totale reste rigoureusement constante avant et après la réaction.
Loi de conservation
Correction : Réaction entre le Fer et l'Acide Chlorhydrique
Question 1 : Identification du gaz produit
Principe
L'effervescence visible à l'œil nu prouve qu'un gaz est produit. En chimie, chaque gaz possède un test d'identification spécifique qui permet de le reconnaître sans ambiguïté en fonction de ses propriétés (comburant, combustible, acide, etc.).
Mini-Cours
Le Dihydrogène (\(H_2\)) : C'est le gaz le plus léger de l'univers (densité d = 0,07 par rapport à l'air). Il est hautement inflammable. Lorsqu'il est mélangé à l'air (qui contient du dioxygène \(O_2\)), une simple étincelle ou flamme provoque une réaction de combustion très rapide (explosion miniature) qui libère beaucoup d'énergie.
Remarque Pédagogique
Le bruit produit est souvent décrit comme un "aboiement" ou un "POP" sec caractéristique. C'est la signature unique du dihydrogène au collège. Le fait que le gaz soit très léger implique qu'il a tendance à monter : il faut donc tenir le tube à essai ouverture vers le bas pour le "piéger" avant le test.
Normes
Le dihydrogène est classé comme gaz inflammable (Pictogramme SGH02 : Flamme).
Formule(s)
Réaction du test
Combustion du dihydrogène
C'est cette réaction brutale entre le gaz produit et l'oxygène de l'air qui crée l'onde de choc sonore.
Hypothèses
On suppose que l'on a recueilli assez de gaz dans le haut du tube à essai pour que le test soit audible et que le mélange avec l'air est dans les proportions stœchiométriques.
Donnée(s)
| Gaz | Test caractéristique | Résultat attendu |
|---|---|---|
| Dioxygène (\(O_2\)) | Bûchette incandescente | La flamme se rallume |
| Dioxyde de carbone (\(CO_2\)) | Eau de chaux | Trouble (précipité blanc) |
| Dihydrogène (\(H_2\)) | Flamme | Détonation ("POP") |
Astuces
Pour réussir le test en pratique : bouchez le tube avec le pouce pendant quelques secondes pendant l'effervescence pour laisser le gaz s'accumuler sous pression, puis approchez l'allumette dès que vous retirez le pouce.
Protocole du Test (Avant)
Calcul(s)
Conversion(s)
Aucun calcul quantitatif n'est requis pour cette étape purement qualitative (identification).
Calcul intermédiaire
On observe simplement le phénomène physique.
Calcul Principal
Déduction Logique
Raisonnement
L'observation d'une détonation permet de conclure directement à la nature du gaz.
Schéma (Résultat du test)
Réflexions
Ce gaz provient nécessairement des atomes d'hydrogène (\(H\)) présents initialement dans la molécule d'acide chlorhydrique (\(HCl\)), car le fer (\(Fe\)) ne contient pas d'hydrogène. C'est une confirmation de la conservation de l'élément Hydrogène.
Points de vigilance
Ne jamais réaliser ce test sur de grandes quantités de gaz (ex: bouteille entière). Un mélange air/hydrogène peut être très explosif et dangereux.
Points à Retenir
À mémoriser : Le gaz qui produit une détonation ("aboiement") à l'approche d'une flamme est le dihydrogène (\(H_2\)).
Le saviez-vous ?
Le dihydrogène est envisagé comme un vecteur d'énergie propre pour le futur (piles à combustible), car sa combustion avec l'oxygène ne rejette que de l'eau (\(H_2O\)) et aucune fumée polluante.
FAQ
Pourquoi le gaz monte-t-il ?
Le dihydrogène est beaucoup moins dense que l'air (environ 14 fois plus léger). Il subit donc une poussée d'Archimède vers le haut, comme un ballon d'hélium.
A vous de jouer
Quel est le symbole chimique de l'atome d'hydrogène ?
📝 Mémo
"Pop" = Hydrogène. (Moyen mnémotechnique : H-Pop !)
Question 2 : Écrire l'équation de la réaction
Principe
L'équation de réaction est le bilan comptable de la transformation. Elle doit respecter deux lois fondamentales :
1. La conservation des atomes : On doit retrouver les mêmes éléments en même quantité de part et d'autre de la flèche.
2. La conservation de la charge électrique : La somme des charges doit être identique à gauche (réactifs) et à droite (produits).
Mini-Cours
Les ions spectateurs : Dans l'acide chlorhydrique (\(H^+ + Cl^-\)), seul l'ion \(H^+\) réagit chimiquement. L'ion chlorure \(Cl^-\) est dit "spectateur" : il est présent au début et à la fin sans modification. Pour simplifier l'écriture et se concentrer sur la réaction réelle, on ne l'écrit pas dans l'équation bilan.
Remarque Pédagogique
Il faut d'abord écrire les formules correctes des réactifs à gauche et des produits à droite, puis ajuster les coefficients stœchiométriques (les chiffres devant les molécules) pour tout équilibrer.
Normes
On indique l'état physique entre parenthèses : (s) pour solide, (aq) pour aqueux/dissous dans l'eau, (g) pour gaz.
Formule(s)
Étape 1 : Écriture brute (Squelette)
Réactifs \(\rightarrow\) Produits
Note : Le fer solide \(Fe\) se transforme en ion \(Fe^{2+}\). L'ion hydrogène \(H^+\) se transforme en gaz \(H_2\).
Hypothèses
On considère la réaction comme totale. Le fer s'oxyde en \(Fe^{2+}\) (et non en \(Fe^{3+}\) qui est la rouille, car nous sommes en milieu réducteur).
Donnée(s)
| Espèce | Charge électrique | Nombre d'atomes |
|---|---|---|
| \(H^+\) | +1 | 1 H |
| \(Fe\) | 0 (neutre) | 1 Fe |
| \(H_2\) | 0 (neutre) | 2 H |
| \(Fe^{2+}\) | +2 | 1 Fe |
Astuces
Commencez toujours par équilibrer les atomes "spéciaux" (comme le Fer), puis l'Hydrogène/Oxygène, et finissez toujours par vérifier les charges électriques. Si les charges ne sont pas bonnes, l'équation est fausse.
Situation avant équilibrage
Calcul(s) et Raisonnement
Étape 1 : Pose de l'équation brute
On écrit les formules des réactifs à gauche et des produits à droite, sans chercher à équilibrer pour l'instant.
On constate un déséquilibre : il y a 2 atomes d'hydrogène (H) à droite dans \(H_2\), mais un seul à gauche dans \(H^+\).
Étape 2 : Équilibrage des atomes d'hydrogène
Pour avoir le même nombre d'atomes H des deux côtés, nous devons ajouter un coefficient "2" devant l'ion hydrogène \(H^+\) à gauche.
Vérifions les atomes : 1 Fe de chaque côté, et 2 H de chaque côté. La matière est conservée.
Étape 3 : Vérification des charges électriques
Calculons la somme des charges électriques du côté des réactifs (gauche) et du côté des produits (droite) pour voir si elles sont égales.
Les charges totales sont identiques (+2). L'équation respecte donc bien la conservation de la charge.
Calcul Principal (Équation Finale)
Résultat
L'équation est maintenant parfaitement équilibrée.
Schéma (Équation Validée)
Réflexions
On voit que l'acide est consommé (les ions \(H^+\) disparaissent pour former \(H_2\)). Puisque l'acidité est liée à la concentration en \(H^+\), le pH de la solution va augmenter (se rapprocher de 7, devenir moins acide) au fur et à mesure que la réaction avance.
Points de vigilance
Attention : Ne jamais modifier les indices (les petits chiffres en bas). Écrire \(H_2^+\) ou \(H_2\) à gauche serait une grave erreur de chimie ! On ne touche qu'aux coefficients devant les molécules.
Points à Retenir
L'essentiel : Pour chaque atome de fer consommé, il faut deux ions hydrogène. Cela produit une molécule de dihydrogène et un ion fer II.
Le saviez-vous ?
C'est exactement ce qui se passe si on laisse un clou en fer dans du vinaigre (acide acétique), mais la réaction est beaucoup plus lente qu'avec l'acide chlorhydrique.
FAQ
Est-ce que le fer disparaît complètement ?
Le fer solide disparaît visuellement car il passe sous forme d'ions dissous dans l'eau. Si l'acide est en excès, tout le fer disparaîtra. Sinon, il restera un morceau de fer non réagi.
A vous de jouer
Si je fais réagir 10 atomes de fer, combien de molécules de H2 vais-je obtenir ?
📝 Mémo
1 Fer + 2 Acides = 1 Gaz + 1 Ion. (Ratio 1:2)
Question 3 : Calcul des quantités de matière
Principe
Pour prédire la quantité de gaz produit, on doit passer par les "moles". La masse ne suffit pas directement car les atomes n'ont pas tous le même poids. La mole est l'unité qui permet de compter les atomes par paquets.
Mini-Cours
Formules à connaître :
1. \( n = \frac{m}{M} \) : Nombre de moles = masse (g) / Masse molaire (g/mol).
2. \( V = n \times V_m \) : Volume gaz (L) = Nombre de moles \(\times\) Volume molaire (L/mol).
Remarque Pédagogique
Imaginez que l'équation de réaction est une recette de cuisine. Elle vous donne les proportions en "moles". Si vous avez la masse des ingrédients (Fer), vous devez d'abord la convertir en moles pour suivre la recette.
Normes
Les résultats doivent être donnés avec un nombre cohérent de chiffres significatifs (ici, 2 ou 3).
Formule(s)
Relation Masse - Mole
Relation Mole - Volume Gaz
Hypothèses
L'acide est en excès, c'est donc tout le fer qui va réagir (Réactif limitant = Fer).
Donnée(s)
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Masse de Fer (\(m\)) | 2,8 g |
| Masse Molaire Fer (\(M\)) | 56 g/mol |
| Volume Molaire (\(V_m\)) | 24 L/mol |
Astuces
Vérifiez les unités ! La masse doit être en grammes. Si on vous donne des kg, convertissez d'abord.
Données du problème
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Calcul de la quantité de matière de Fer
On calcule combien de "paquets" (moles) de fer nous avons dans 2,8 g.
Moles de Fer
Division simple : \(28 \div 56 = 0,5\), donc \(2,8 \div 56 = 0,05\).
Étape 2 : Relation Stœchiométrique
D'après l'équation \(Fe + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2\), les coefficients devant \(Fe\) et \(H_2\) sont tous les deux "1".
Cela signifie que : 1 mole de Fe donne 1 mole de H2.
Calcul Principal : Volume de Gaz
Volume Final
On convertit maintenant les moles de gaz en volume (Litres).
Calcul mental : \(0,05 \times 24\) est la moitié de \(0,1 \times 24\). Or \(0,1 \times 24 = 2,4\). La moitié est \(1,2\).
Schéma (Résultat)
Réflexions
1,2 Litre est un volume conséquent (plus d'une bouteille d'eau standard) pour seulement un petit morceau de fer de 2,8g. Les gaz occupent beaucoup de place !
Points de vigilance
Ne pas oublier de préciser l'unité (L) à la fin. Un résultat sans unité n'a pas de sens en physique-chimie.
Points à Retenir
Passer par les moles est obligatoire. La relation de proportionnalité se lit sur l'équation bilan.
Le saviez-vous ?
Le volume d'une mole de gaz (24 L à 20°C) est le même pour TOUS les gaz parfaits, quelle que soit leur nature chimique !
FAQ
Et si on avait mis 5,6 g de fer ?
C'est le double de 2,8 g. Donc on aurait obtenu le double de gaz, soit 2,4 L.
A vous de jouer
Calculez le volume si Vm = 25 L/mol.
📝 Mémo
Masse \(\rightarrow\) Moles \(\rightarrow\) Volume.
Question 4 : Conservation de la masse (Système ouvert)
Principe
La loi de conservation de la masse est universelle. Cependant, son application expérimentale dépend de l'isolement du système. Dans un système ouvert, les échanges de matière avec l'extérieur sont possibles.
Mini-Cours
Système ouvert vs Fermé :
- Fermé : Rien ne sort (bouchon). Masse constante.
- Ouvert : Le gaz s'échappe. Masse apparente diminue.
Remarque Pédagogique
Si la balance affiche une baisse, ce n'est pas que de la matière a été détruite, c'est qu'elle est partie ailleurs (dans l'air de la classe).
Normes
Principe fondamental de la chimie (Lavoisier).
Formule(s)
Bilan masse
Si le gaz part, la balance n'indique que \(m_{\text{liquide}}\).
Hypothèses
Le récipient est ouvert. Le dihydrogène est moins dense que l'air, il monte et s'échappe facilement.
Donnée(s)
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Masse molaire H2 | 2 g/mol |
| Quantité H2 | 0,05 mol (calculée Q3) |
Astuces
Le dihydrogène est très léger. La perte de masse sera donc très faible, il faut une balance de précision.
Expérience sur balance
Calcul(s)
Calcul de la masse perdue
On calcule la masse du gaz \(H_2\) produit.
Calcul Principal
Résultat
La balance affichera 0,1 g de moins à la fin.
Schéma (Fin de réaction)
Réflexions
Même si 0,1g semble négligeable, c'est mesurable avec une balance de précision de collège (au centigramme près).
Points de vigilance
Ne pas dire "la masse a disparu". Dire "la masse du système ouvert a diminué car du gaz s'est échappé".
Points à Retenir
Loi de Lavoisier : La masse se conserve toujours dans un système fermé.
Le saviez-vous ?
Lavoisier a utilisé des systèmes fermés hermétiquement pour prouver que l'air avait une masse et participait aux réactions, renversant les théories de l'époque.
FAQ
Et si on met un bouchon ?
La masse resterait constante sur la balance. Mais attention, la pression augmenterait dans le tube à cause du gaz produit, risquant de faire sauter le bouchon !
A vous de jouer
Si on produit du CO2 (M=44 g/mol) au lieu de H2, la perte de masse sera-t-elle plus grande ou plus petite ?
📝 Mémo
Gaz qui part = Masse qui baisse.
Question 5 : Analyse de la solution finale (Bilan)
Principe
Après la réaction, il reste un liquide dans le tube. Il faut déterminer sa composition. La disparition du métal gris et le changement de couleur de la solution sont des indices.
Mini-Cours
Couleur des ions : En solution aqueuse, certains ions métalliques ont des couleurs spécifiques.
- \(Cu^{2+}\) : Bleu.
- \(Fe^{3+}\) : Rouille/Orange.
- \(Fe^{2+}\) : Vert pâle.
Remarque Pédagogique
La couleur verte est souvent très claire et difficile à voir si la solution est diluée. Le test à la soude permet de la rendre évidente par précipitation.
Normes
Test chimique standard d'identification des ions métalliques par la soude (NaOH).
Formule(s)
Équation de précipitation
Les ions ferreux réagissent avec les ions hydroxyde de la soude pour former un solide vert insoluble.
Hypothèses
On suppose que la solution finale ne contient que les produits de la réaction fer+acide.
Donnée(s)
| Ion testé | Réactif testeur | Couleur Précipité |
|---|---|---|
| Cuivre II | Soude | Bleu |
| Fer III | Soude | Rouille |
| Fer II | Soude | Vert |
Astuces
Moyen mnémotechnique : Le Fer DEUX est vert comme l'herbe (qui a besoin d'eau... H2O... 2... c'est tiré par les cheveux, mais Fer 2 = Vert !).
Test à la Soude (Avant)
Observation
L'ajout de quelques gouttes de soude provoque l'apparition d'un trouble (précipité) de couleur vert foncé.
Schéma (Résultat)
Réflexions
Ce test confirme que les atomes de fer solide ont perdu 2 électrons pour devenir des ions \(Fe^{2+}\) dissous dans la solution.
Points de vigilance
Le précipité vert s'oxyde à l'air et brunit (devient rouille) si on attend trop longtemps. Il faut observer tout de suite.
Points à Retenir
Bilan Final :
La solution finale contient du Chlorure de Fer II (Ions \(Fe^{2+}\) et ions spectateurs \(Cl^-\)).
Le saviez-vous ?
Le chlorure de fer II est utilisé dans le traitement des eaux usées.
FAQ
La solution est-elle encore acide ?
Cela dépend ! Si on a mis l'acide en excès (comme ici), il reste des ions H+ donc elle est encore acide. Si on avait mis juste assez de fer, elle serait devenue neutre.
A vous de jouer
Quelle est la formule chimique du précipité vert ?
📝 Mémo
Fer + Acide = Solution Verte (Fe2+).
Schéma Bilan Complet
Résumé visuel de toute la transformation.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument
Voici la synthèse des points clés méthodologiques et physiques abordés dans cet exercice :
-
🔑
Point Clé 1 : Réactifs
Le fer (métal) est attaqué par les ions H+ de l'acide chlorhydrique. -
📐
Point Clé 2 : Produits
Formation de gaz dihydrogène (H2, test "POP") et d'ions Fer II (Fe2+, couleur verte). -
⚠️
Point Clé 3 : Sécurité
Le dihydrogène est inflammable. L'acide est corrosif. Manipuler avec précautions. -
💡
Point Clé 4 : Équation Bilan
\( Fe + 2H^+ \rightarrow Fe^{2+} + H_2 \). (Il faut 2 H+ pour équilibrer les charges 2+ du fer).
🎛️ Simulateur interactif
Modifiez les paramètres pour voir l'impact sur la réaction (Volume de gaz produit).
Paramètres
(Dépend de la température et de la pression de la salle)
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Quel est le gaz qui "aboie" (fait POP) à la flamme ?
2. Quelle est la couleur des ions Fer II (\(Fe^{2+}\)) formés dans la solution ?
📚 Glossaire
- Réactif
- Espèce chimique présente au début et qui disparaît au cours de la réaction.
- Produit
- Espèce chimique qui n'était pas là au début et qui apparaît au cours de la réaction.
- Ion Spectateur
- Ion présent dans la solution mais qui ne participe pas à la réaction chimique (ex: Cl-).
- Précipité
- Solide qui se forme spontanément lors du mélange de deux liquides (utilisé pour les tests d'identification).
- SGH
- Système Général Harmonisé : norme internationale des pictogrammes de sécurité sur les étiquettes.
Le Saviez-vous ?
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