Comment expliquer une réaction chimique à l’aide des atomes ?

Une réaction chimique est un phénomène fascinant au cours duquel la matière se transforme. Que se passe-t-il exactement lors d’une réaction chimique au niveau microscopique, c’est à dire à l’échelle des atomes et des molécules ? Dans cet article, nous allons voir comment le modèle atomique permet de comprendre et d’expliquer simplement les réactions chimiques.

Qu’est-ce qu’un atome ?

Avant de rentrer dans le vif du sujet, rappelons ce qu’est un atome. Un atome est un élément extrêmement petit qui constitue la matière. C’est en quelque sorte une « brique » élémentaire avec laquelle sont construits tous les corps purs et composés chimiques. Les atomes sont modélisés par des petites sphères.

Chaque atome est représenté par un symbole d’une ou deux lettres (la 1ère est toujours une majuscule) qui permet de l’identifier. Par exemple, l’atome d’oxygène a pour symbole « O » et l’atome de carbone a pour symbole « C ».

Les atomes peuvent se lier entre eux pour former des molécules. Une molécule est un assemblage d’atomes liés les uns aux autres. Les molécules sont représentées par des formules chimiques utilisant les symboles des atomes qui les constituent.

Par exemple, la molécule d’eau de formule H₂O est constituée de 2 atomes d’hydrogène (H) et 1 atome d’oxygène (O). La molécule de dioxyde de carbone de formule CO₂ contient 1 atome de carbone (C) et 2 atomes d’oxygène (O).

Qu’est-ce qui se passe lors d’une réaction chimique ?

Maintenant que ces définitions sont posées, voyons ce qui se produit au niveau des atomes et des molécules au cours d’une réaction chimique. Lors d’une transformation chimique, les atomes se réarrangent pour former de nouvelles molécules.

Plus précisément, les atomes qui constituent les molécules des réactifs (les substances chimiques de départ) se détachent et se lient différemment pour former les molécules des produits (les substances chimiques obtenues après la réaction).

Mais attention, les atomes ne disparaissent pas et de nouveaux atomes n’apparaissent pas non plus lors d’une réaction chimique ! Les atomes présents dans les produits à la fin de la réaction sont exactement les mêmes que ceux qui étaient présents initialement dans les réactifs. C’est pourquoi la masse totale se conserve au cours d’une transformation chimique (loi de Lavoisier).

Exemples de réactions chimiques expliquées

Pour bien comprendre, rien ne vaut quelques exemples concrets. Prenons la combustion du carbone. Dans cette réaction, les réactifs sont le carbone C (sous forme de charbon par exemple) et le dioxygène O₂ (le gaz contenu dans l’air). Le produit formé est le dioxyde de carbone CO₂ (un gaz). Écrivons l’équation de cette réaction :

C + O₂ → CO₂

Au niveau microscopique, voilà ce qui s’est passé : les atomes de carbone C et les atomes d’oxygène O initialement liés dans les molécules de dioxygène O₂ se sont réarrangés pour former les molécules de dioxyde de carbone CO₂.

Autre exemple avec la combustion du méthane CH₄, qui est le principal composant du gaz naturel. L’équation de cette réaction s’écrit :

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Dans ce cas, les atomes de carbone C, d’hydrogène H et d’oxygène O présents dans la molécule de méthane CH₄ et dans les 2 molécules de dioxygène O₂ se réarrangent pour former 1 molécule de dioxyde de carbone CO₂ et 2 molécules d’eau H₂O. Le nombre total de chaque type d’atome reste identique entre les réactifs et les produits.

Énergie d’une réaction chimique

Les réactions chimiques constituent aussi des transferts d’énergie. En effet, de l’énergie est stockée dans les liaisons chimiques entre les atomes d’une molécule ou d’un cristal. Quand ces liaisons sont rompues lors d’une réaction, cette énergie est libérée en partie. D’autre part, de nouvelles liaisons se forment, ce qui nécessite un apport d’énergie.

Après réaction, l’énergie est généralement plus faible dans les liaisons des molécules des produits que dans celles des réactifs. Cette énergie manquante a été transférée au milieu extérieur, souvent sous forme de chaleur : on dit que la réaction est exothermique. C’est le cas des combustions par exemple.

Au contraire, lorsque la réaction nécessite un apport d’énergie (souvent sous forme de chaleur, mais aussi parfois de lumière), on parle de réaction endothermique.

L’étude énergétique des réactions s’appelle la thermochimie. Elle permet de savoir notamment quelle énergie initiale il faut fournir pour qu’une réaction démarre, on parle alors d’énergie d’activation.

Réaction chimique et vitesse de réaction

L’aspect thermodynamique n’est pas le seul à prendre en compte pour comprendre une réaction chimique, il faut aussi s’intéresser à sa cinétique c’est-à-dire sa vitesse.

La vitesse d’une réaction dépend de la température, de la concentration des réactifs, de la présence d’un catalyseur. Certaines réactions sont très rapides (comme les explosions), d’autres très lentes (comme la formation de la rouille).

Conclusion

Le modèle atomique permet donc d’interpréter simplement les transformations de la matière. Les réactifs et les produits sont vus comme des assemblages d’atomes (les molécules). Lors d’une réaction chimique, les atomes se réarrangent en brisant des liaisons chimiques et en en créant de nouvelles, sans apparition ni disparition d’atomes, d’où la conservation de la masse.

Cette vision microscopique basée sur les atomes et les molécules, alliée aux aspects énergétiques et cinétiques, constitue les bases pour comprendre toute la chimie !