Activité documentaire — La réaction chimique

Avant la fin du XVIIIe siècle, on pensait parfois que de la matière pouvait apparaître ou disparaître complètement au cours d'une réaction chimique. Le chimiste français Antoine Lavoisier a voulu vérifier cette idée par l'expérience.

Il a réalisé de nombreuses réactions chimiques dans des récipients bien fermés, en pesant avec une grande précision les réactifs avant la réaction, puis les produits obtenus après. Résultat : dans un système fermé, la masse totale ne change jamais, même si la matière a complètement changé d'aspect.

Lavoisier résume cette découverte dans son Traité élémentaire de chimie (1789) par une formule restée célèbre : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Cette loi de conservation de la masse est aujourd'hui un principe fondamental de la chimie.

Une combustion est une transformation chimique très fréquente dans la vie quotidienne : elle se produit quand on allume une bougie, une flamme de gaz, ou un feu de bois. Pour qu'une combustion ait lieu, trois éléments sont nécessaires en même temps, ce qu'on appelle le triangle du feu : un combustible (la substance qui brûle, comme la cire, le bois ou le gaz butane), un comburant (le gaz qui permet la combustion, le plus souvent le dioxygène de l'air), et une source d'énergie (une flamme, une étincelle, une forte chaleur).

Lors de la combustion d'une bougie, par exemple, la cire (combustible) réagit avec le dioxygène de l'air (comburant) : ce sont les réactifs, qui disparaissent au cours de la réaction. De nouvelles espèces chimiques apparaissent : du dioxyde de carbone et de l'eau, sous forme de vapeur : ce sont les produits.

Pour vérifier qu'un gaz produit est bien du dioxyde de carbone, on utilise un test caractéristique appris en 5e : on fait buller le gaz dans de l'eau de chaux, qui se trouble si le gaz est bien du dioxyde de carbone.

Toute la matière est constituée d'atomes, des particules extrêmement petites. Chaque type d'atome (appelé élément chimique) possède un symbole utilisé dans le monde entier, comme H pour l'hydrogène, O pour l'oxygène, ou C pour le carbone. Ces symboles sont rassemblés dans le tableau périodique des éléments, l'outil de classement utilisé par tous les chimistes pour repérer les atomes constitutifs de la matière.

Une molécule est un groupe de plusieurs atomes liés entre eux. On la note en indiquant le symbole de chaque atome, suivi d'un petit chiffre (l'indice) qui précise le nombre d'atomes de ce type. Par exemple, une molécule de dioxygène, notée O₂, est formée de deux atomes d'oxygène liés ensemble ; une molécule de dioxyde de carbone, notée CO₂, est formée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène.

Lors d'une transformation chimique, les atomes des réactifs ne disparaissent pas : ils se réorganisent pour former les molécules des produits. C'est cette redistribution des atomes qui explique pourquoi la masse totale se conserve, comme Lavoisier l'avait montré par la pesée — bien avant que l'existence des atomes ne soit connue !

On résume une transformation chimique par une équation de réaction : les réactifs à gauche, une flèche, puis les produits à droite. La combustion du carbone (charbon de bois) dans le dioxygène de l'air s'écrit ainsi :

C + O₂ → CO₂

Cette équation se lit : « du carbone réagit avec du dioxygène pour donner du dioxyde de carbone ». On retrouve, de chaque côté de la flèche, le même nombre d'atomes de carbone (1) et d'atomes d'oxygène (2) : l'équation est équilibrée, ce qui traduit la conservation de la masse. Le gaz naturel utilisé dans les cuisinières (le méthane, CH₄) brûle lui aussi dans le dioxygène pour donner du dioxyde de carbone et de l'eau, selon le même principe de réorganisation des atomes.