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Fiche explicative de la leçon : Décomposition thermique Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactions de décomposition thermique, et à donner des exemples de celles-ci.

Une réaction de décomposition implique la décomposition d’un composé en des composés plus simples ou même en éléments.

Le peroxyde d’hydrogène, un ingrédient clé dans de nombreux produits de coloration pour les cheveux, est une substance qui contient de l’oxygène et de l’hydrogène. Le peroxyde d’hydrogène n’est pas très stable, il se décompose progressivement avec le temps pour former de l’eau et de l’oxygène.

L’équation suivante illustre ce processus de décomposition:peroxydedhydrogèneeau+oxygène2HO()2HO()+O()2222llg

Le type de réaction de décomposition le plus courant est, de loin, la décomposition thermique. Comme son nom l’indique, la décomposition thermique correspond à la décomposition d’une substance lorsqu’elle est chauffée.

De nombreux types de composés chimiques se décomposent lorsqu’ils sont chauffés. Un exemple courant est celui des carbonates métalliques.

Définition : Décomposition thermique

La décomposition thermique est la décomposition d’une substance lorsqu’elle est chauffée, pour former deux substances ou plus.

De nombreux carbonates métalliques sont décomposés par la chaleur pour former un oxyde métallique et du dioxyde de carbone, comme le montre l’équation générale suivante.

Réaction : Décomposition d’un carbonate métallique

carbonatemétalliqueoxydemétallique+dioxydedecarbone

On sait que les réactions de décomposition thermique sont des réactions chimiques car de nouvelles substances se forment, bien qu’on ne fasse pas réagir le carbonate avec d’autres substances chimiques.

Une décomposition thermique peut se produire pour de nombreux carbonates différents, mais pas pour tous les carbonates métalliques. Par exemple, les carbonates de cuivre, de plomb et de zinc se décomposent lorsqu’ils sont chauffés au bec Bunsen. Cependant, d’autres carbonates, tels que le carbonate de potassium, ne subissent pas de décomposition thermique, à moins d’être chauffés à une température très élevée.

Considérons quelques équations pour ces réactions, en mots et en symboles chimiques.

Il est fascinant de suivre la réaction de décomposition thermique du carbonate de cuivre. On peut observer d’intéressants changements de couleur à mesure que le carbonate de cuivre bleu-vert se transforme en oxyde de cuivre noir:carbonatedecuivreoxydedecuivre(II)+dioxydedecarboneCuCO()CuO()+CO()32ssg

De manière similaire, le carbonate de plomb se décompose lorsqu’il est chauffé:dioxydedeplomboxydedeplomb(II)+dioxydedecarbonePbCO()PbO()+CO()32ssg

Exemple 1: Déterminer la masse des produits d’une réaction de décomposition thermique

Une élève place une petite quantité de carbonate de zinc dans un tube à essai. Elle pèse le tube à essai avec le carbonate de zinc et trouve une masse de 55 g. Elle chauffe fortement le tube à essai pendant 5 minutes. Après refroidissement du tube à essai, elle le pèse de nouveau, contenant la poudre restante. Quelle est la nouvelle masse du tube à essai avec le composé de zinc?

  1. Plus de 55 g
  2. Moins de 55 g
  3. 55 g

Réponse

D’après la loi de conservation de la masse, la masse des réactifs au début de la réaction doit être égale à la masse des produits à la fin de la réaction.

Ainsi, à la fin de la réaction, le carbonate de zinc aura réagi pour se transformer en oxyde de zinc et dioxyde de carbone. Cependant, le dioxyde de carbone est un gaz qui s’échappe du tube à essai. Sans le dioxyde de carbone, la nouvelle masse ne représentera que le tube à essai et l’oxyde de zinc restant, et sera donc inférieure à 55 g. La bonne réponse est B.

Le carbonate de zinc peut aussi se décomposer thermiquement, mais pas aussi rapidement que le carbonate de plomb ou de cuivre:carbonatedezincoxydedezinc+dioxydedecarboneZnCO()ZnO()+CO()32ssg

Exemple 2: Identifier de l’équation chimique correcte de la décomposition du carbonate de zinc

Laquelle des équations chimiques suivantes correspond à la décomposition thermique du carbonate de zinc?

  1. ZnCO()ZnO()+CO()32ssg
  2. ZnO()+CO()ZnCO()sgs23
  3. ZnC+O()2ZnO()+CO()222gsg
  4. 2ZnO()+C()2Zn()+CO()sssg2
  5. 2Zn()+O()2ZnO()sgs2

Réponse

Une réaction de décomposition implique la décomposition d’une substance en au moins deux autres substances plus simples. Dans le cas d’un carbonate, cela implique la formation d’un oxyde et de dioxyde de carbone.

Si nous regardons les options disponibles, nous pouvons voir la formule correcte du carbonate de zinc (ZnCO3) dans les réponses A et B. Mais seule la réponse A représente une réaction de décomposition, donc la réponse correcte est A.

Regardons le montage qu’on peut utiliser pour effectuer une réaction de décomposition thermique.

Un tel montage peut avoir plusieurs configurations différentes, mais la plupart des montages comprennent

  • un tube à essai pour le chauffage,
  • un tube d’alimentation,
  • un tube à essai contenant de l’eau de chaux.

On peut chauffer le carbonate, puis détecter le dioxyde de carbone produit pour savoir quand la réaction a eu lieu. Une montage type est illustré dans le schéma ci-dessous.

Dans le cas du carbonate de cuivre, il est assez facile d’observer que la réaction a eu lieu, car on ne voit plus de solide bleu-vert.

Dans le cas du carbonate de zinc, c’est plus difficile à voir, car le carbonate initial et l’oxyde produit sont tous deux de couleur blanche. Pour voir si le carbonate de zinc s’est décomposé, on peut regarder la formation de dioxyde de carbone.

Le dioxyde de carbone gazeux peut être détecté à l’aide d’une solution aqueuse d’hydroxyde de calcium, connue sous le nom d’eau de chaux. Lorsqu’on fait barboter du dioxyde de carbone à travers de l’eau de chaux, une réaction chimique se produit et l’eau de chaux devient trouble.

Exemple 3: Utiliser des affirmations pour décrire une réaction de décomposition

Laquelle des affirmations suivantes est correcte?

Réponse

Dans cette question, l’organigramme nous donne une série de choix. Le premier choix est de savoir si, lors d’une réaction de décomposition, un oxyde se décompose en carbonate ou un carbonate se décompose en oxyde. Un oxyde est une substance plus simple qu’un carbonate.

La décomposition thermique correspond à la décomposition de substances, sous l’effet de la chaleur, pour former des substances plus simples;donc, c’est l’affirmation du bas, « un carbonate se décompose en oxyde », qui est correcte.

Le deuxième choix que nous devons faire concerne l’autre produit de cette réaction. Un carbonate est constitué d’un atome de métal ainsi que d’atomes de carbone et d’oxygène.

Dans une réaction de décomposition, les atomes de carbone et d’oxygène forment du dioxyde de carbone. L’eau de chaux, en revanche, est une solution saturée d’hydroxyde de calcium utilisée pour tester la présence de dioxyde de carbone.

Compte tenu de ces informations, nous pouvons conclure que le deuxième produit de cette réaction de décomposition est le dioxyde de carbone, donc l’affirmation 4 est la bonne réponse.

Il y a un facteur de sécurité important à prendre en compte lors d’une réaction de décomposition thermique. Lorsque la réaction est terminée, il est essentiel que le tube à essai contenant l’eau de chaux soit séparé du tube d’alimentation. Si on ne le fait pas, à mesure que le matériel se refroidit, le gaz va se contracter dans le tube d’alimentation et dans le tube à essai. Cette contraction aspire l’eau de chaux froide dans le tube d’alimentation et dans le tube à essai encore très chaud, ce qui peut provoquer la fissuration ou même le bris du verre. Cet effet est connu sous le nom de réaspiration.

Les réactions de décomposition thermique ont de nombreuses applications partout dans le monde.

Par exemple, le carbonate de calcium est décomposé thermiquement pour former de l’oxyde de calcium (CaO), également appelée chaux vive. La chaux vive est un ingrédient important dans la production du béton.

La décomposition thermique est également utile pour le grillage de certains minerais impurs. La malachite est un minerai de cuivre qui contient une grande proportion de carbonate de cuivre;on peut voir sa couleur caractéristique sur la photo ci-dessous.

caillou de malachite verte

Le carbonate de cuivre contenu dans la malachite peut être transformé en oxyde de cuivre par décomposition thermique.

Exemple 4: Identifier la matière première présente dans la malachite

La malachite est un minerai impur utilisé pour former de l’oxyde de cuivre (II). La production d’oxyde de cuivre (II) implique le grillage de la malachite dans un grand four à des températures élevées. Quel produit chimique doit être présent dans la malachite pour former de l’oxyde de cuivre (II) lors des réactions qui ont lieu à l’intérieur du four?

  1. Carbonate de cuivre (II)
  2. Chlorure de cuivre
  3. Oxyde de cuivre (II)
  4. Cuivre métallique
  5. Sulfure de cuivre

Réponse

Lors du grillage de la malachite dans un four, il n’y a pas d’autres produits chimiques qui réagissent en quantités significatives avec les composés présents dans le minerai.

Dans les réactions de décomposition thermique, les carbonates métalliques sont décomposés par la chaleur pour former des oxydes métalliques et du dioxyde de carbone.

Pour qu’il y ait de l’oxyde de cuivre à la fin du processus de grillage, un composé de cuivre capable de décomposition thermique doit avoir été présent dans la malachite.

En regardant la liste des différentes options disponibles, le seul composé de cuivre capable de se décomposer thermiquement pour former facilement de l’oxyde de cuivre (II) est le carbonate de cuivre (II), donc la réponse correcte est A.

Un dernier exemple est la décomposition d'une substance connue sous le nom d'azoture de sodium. L'azoture de sodium (NaN3) est un produit chimique présent dans certains types d'airbags de voiture.

Airbags

Un contrôleur électronique fait exploser un mélange d'azoture et d'autres produits chimiques lorsqu'un impact important est détecté. La détonation produit suffisamment de chaleur pour décomposer l'azoture de sodium et produire de grands volumes d'azote gazeux, remplissant l'airbag:azoturedesodiumsodium+azote2NaN()2Na()+3N()32ssg

Les carbonates ne sont pas les seuls types de produits chimiques qui peuvent être décomposés thermiquement:

L'hydroxyde de cuivre, un solide bleu clair, peut également être décomposé par chauffage:hydroxydedecuivreoxydedecuivre(II)+eauCu(OH)()CuO()+HO()22ssg

Un autre composé du cuivre, le sulfate de cuivre, peut également se décomposer thermiquement pour produire du trioxyde de soufre acide et de l'oxyde de cuivre:sulfatedecuivreoxydedecuivre(II)+trioxydedesoufreCuSO()CuO()+SO()43ssg

Une réaction de décomposition rendue célèbre par les travaux de Joseph Priestley et Antione Lavoisier était la décomposition de l'oxyde mercurique, HgO:oxydedemercuremercure+oxygène2HgO()2Hg()+O()slg2

L'oxygène produit dans cette réaction peut provoquer le rallumage d'une attelle incandescente.

Le dernier exemple de décomposition thermique que nous considérerons est la décomposition thermique du nitrate de sodium pour former le sel de nitrite de sodium jaune-blanc et l'oxygène gazeux:nitratedesodiumnitritedesodium+oxygène2NaNO()2NaNO()+O()322ssg

Exemple 5: Identifier le produit de décomposition thermique commun à plusieurs composés de cuivre

Certains des composés de cuivre suivants peuvent être décomposés thermiquement, et d’autres sont thermiquement stables:

  • Cu(OH)2
  • CuBr2
  • CuCO3
  • CuSO4
  • CuCl2
  • CuO
  • CuS

Parmi ceux qui se décomposent, quel produit est présent dans tous les cas?

  1. Cu
  2. CuO2
  3. O2
  4. CuO
  5. CO2

Réponse

Il existe différents composés de cuivre pouvant subir des réactions de décomposition thermique.

En regardant la liste des substances qui nous sont présentées, l’hydroxyde de cuivre, le carbonate de cuivre et le sulfate de cuivre sont tous susceptibles de se décomposer lorsqu’ils sont chauffés.

Pour chacune de ces substances, la décomposition produit un gaz différent. Dans le cas de l’hydroxyde, de l’eau est libérée sous forme de vapeur;avec le carbonate, du dioxyde de carbone est libéré;et enfin, avec le sulfate, c’est du trioxyde de soufre qui est libéré.

Cela dit, bien que les gaz produits soient différents, ces trois réactions produisent toutes de l’oxyde de cuivre (II). La bonne réponse est donc D, CuO.

Points Clés

  • Les réactions de décomposition thermique sont des réactions de décomposition qui se produisent sous l’effet de la chaleur.
  • La décomposition thermique est un changement chimique entraînant la formation de nouvelles substances.
  • Les carbonates métalliques se décomposent thermiquement en oxydes métalliques et en dioxyde de carbone.
  • La formation de dioxyde de carbone peut être testée avec de l’eau de chaux.
  • Lors d’une réaction de décomposition thermique, il est important d’éviter la réaspiration à la fin de l’expérience.
  • Les réactions de décomposition thermique des applications essentielles, telles que la production de béton, le grillage de minerais impurs et les réactions dans les airbags des voitures.
  • L’oxyde de mercure, le carbonate de cuivre, le sulfate de cuivre, l’hydroxyde de cuivre, le nitrate de sodium, le carbonate de plomb et le carbonate de zinc peuvent tous subir des réactions de décomposition thermique.

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