Lexcs de formalisme tuetil le formalisme Julien Lalande

L’excès de formalisme tue-t-il le formalisme ? Julien Lalande, Lycée Chaptal, Paris Julien Lalande Lycée Chaptal – Paris

Quelquestions n Vocabulaire n n Symbolisme n n Précision, concision, exactitude (? ), cohérence Éviter l’ambiguïté Notations n n n Cohérence Précision / lourdeur Homogénéité… 2

Vocabulaire n n n Oxonium ou hydronium ? Nombre de moles ? Solution d’acide chlorhydrique, acide fort ? « K zéro » ? Réaction, équation, transformation ? … 3

L’ion hydrogène en solution aqueuse n Hydronium ou oxonium ? n n De quoi parle-t-on ? Sûrement pas hydronium… n ce serait au mieux l’ion H 2+ n n Oxonium ? C’est l’ion H 3 O+ n n n (Robert Panico, maître es nomenclature…) à comparer à ammonium, alkyloxonium, dialkyloxonium Isolé à l’état solide : perchlorate d’oxonium (encapsulé dans un éthercouronne) En solution aqueuse ? Mouais………… C’est l’ion H+(aq) : ion hydrogène ! Analogue à l’ion fer Fe 2+(aq), l’ion sodium… 4

Titrage acide fort – base forte n n n « solution d’acide chlorhydrique » … Pléonasme ! L’acide chlorhydrique est la solution aqueuse de chlorure d’hydrogène L’acide chlorhydrique est-il un acide fort ? 5

Grandeurs standard n n n Notations : K ° ; K 0 ; K , Les seules acceptables (IUPAC) : K ° ; K Prononciation : « K zéro » ? NON !!! n , K standard ! 6

Réaction / Transformation / équation ? n Bien définir les termes… n n n Partir de la transformation n n Niveau macroscopique Mais distinguo franco-français… Modélisée par une (ou plusieurs !) équations de réaction La « réaction chimique » : chemin particulier que suivrait le système en évoluant « selon l’équation » … voir plus loin 7

Transformation réversible / renversable n n Renversable : le retour à l’état initial est possible, mais par un chemin qui peut être différent du chemin direct Réversible : le retour à l’état initial est effectué par le même chemin, avec les mêmes échanges énergétiques. n n n Très contraignant ! Contexte de thermodynamique Toute transformation chimique est irréversible ! 8

Totale, non totale, « équilibrée » n n De quoi parle-t-on ? De la transformation, évidemment… (voir plus loin) n n n Ne pas parler de « réaction totale » Pas de corrélation générale avec les grandeurs standard (constante d’équilibre, par exemple) Bien définir les termes… 9

Electrode n Confusion de vocabulaire n n conducteur métallique (une électrode de fer…) Demi-cellule électrochimique Fe || solution aqueuse | 10

« Équilibrer une réaction » n Provocateur ! On dit : « ajuster les nombres stœchiométriques d’une équation de réaction » (to balance an equation) n Ne pas confondre… n n n Transformation Équation Réaction 11

Chimie organique n Nomenclature systématique à jour n n Éviter « tertiobutylate » … pour… tert-butanolate Noms triviaux : oui, nous ne sommes pas déconnectés de la vie courante… 12

Symbolisme n Flèches, doubles flèches, signe égal n Le signe égal (voir plus loin) : n n dans une équation de réaction, description modélisée à l’échelle macroscopique de la transformation chimique Les flèches : dans les mécanismes réactionnels (description à l’échelle moléculaire) des phénomènes chimiques « La réaction est totale » donc simple flèche ? « La réaction est équilibrée » donc double flèche ? 13

Comment faire… n n Recommandations (IUPAC, BO) Être clair… 14

Différentes étapes du raisonnement n Caractériser la transformation n n Passage d’un état initial à un état final Recensement des espèces (modélisation !) n n n Dans les états extrêmes (thermodynamique) En cours de transformation (cinétique) Aspect essentiel : conservation de la matière (des atomes) ! 15

Un exemple simple n n Isomérisation de Z en E États extrêmes : n n n Z quantité z 0 Equantité e 0 Au cours du temps : n n n Z E quantité z quantité e et un intermédiaire réactionnel I quantité i 16

Représentation 17

Différentes étapes du raisonnement n Bilan des espèces dans les états extrêmes n Formation de l’iodure d’hydrogène n Formation du bromure d’hydrogène 18

Différentes étapes du raisonnement n Bilan des espèces en fonction du temps n Formation de l’iodure d’hydrogène n Formation du bromure d’hydrogène 19

Modélisation : équation de réaction n Iodure d’hydrogène n n n Conservation de la matière Ce sont deux équations de plans… donc celle d’une droite (variété linéaire affine de dimension 1… oui, c’est de l’algèbre linéaire !) Conclusion : toutes les quantités de matière s’expriment à l’aide d’une seule variable… l’avancement de l’équation de réaction ! 20

Représentation graphique 21

Nombre de variables indépendantes n n Cas de l’iodure d’hydrogène : c’est simple (une seule) donc pas besoin des outils complexes… Si l’on veut quand même : n n une espèce physicochimique = un vecteur… écrire la matrice des composantes dans la base des éléments chimiques (ou une autre base de groupes d’éléments) : matrice d’une application linéaire Chercher le rang de la matrice (taille du déterminant non nul le plus petit) : c’est le nombre d’équations indépendantes (de variables…) critère de JOUGUET L’équation : H 2 + I 2 = 2 HI 22

Plus complexe… n Pour le bromure d’hydrogène HBr n n Conservation de la matière : Il faut plusieurs variables indépendantes… plusieurs équations de réaction (au minimum, de quoi faire apparaître les espèces physicochimiques…) ! 23

Recherche des équations indépendantes n n Empirique… on procède par tâtonnement, souvent à partir des processus physiques élémentaires (actes élémentaires) Méthodique : outils de l’algèbre linéaire 24

Symbolisme… les flèches ! n Idées générales n n Le discours doit accompagner le schéma… (au moins quelques mots) On est en cinétique chimique… (on a quitté l’aspect macroscopique pour la vision moléculaire de la transformation chimique) En thermodynamique : le signe = s’accompagne d’un commentaire (la transformation est totale, ou peu avancée…) Rappel : caractère total de la transformation vs constante d’équilibre ! 25

Symbolisme… les flèches ! 26

Les recommandations n n n Simple flèche : processus élémentaire unidirectionnel (vitesse sens 2 nulle) Double flèche : processus élémentaire bidirectionnel (deux vitesses non nulles) Double harpon : processus élémentaire bidirectionnel avec équilibre chimique établi – deux vitesses non nulles mais égales 27

Notations n Exemples ambigus 28

Une solution : n N’écrire que des équations littérales 29

Une solution géniale : Guggenheim n N’écrire que des équations numériques ! 30

Et l’on retrouve « le nombre de moles » 31

Bibliographie succincte n Thermodynamique de la chimie L. Jullien, H. Lemarchand et al, Éd. Hermann n La réaction chimique M. Laffitte et F. Rouquérol, Éd. Masson n Modélisation macroscopique des transformations physicochimiques M. Soustelle, Éd. Masson n La réaction créatrice H. Lemarchand, Ch. Vidal, Éd. Hermann n La réaction chimique, moteur, description et symbolisme A. Gilles, BUP 817, Oct 1999, p 1503 ff 32

Y’a pas que la chimie dans la vie… Merci de votre attention ! 33