La conservation de la masse — exercices corrigés

Dans un four de potier à Safi, $12$ g de carbone brûlent complètement avec $32$ g de dioxygène ($O_2$) et forment du dioxyde de carbone ($C{O}_2$). Quelle masse de $C{O}_2$ obtiens-tu ?

La loi de Lavoisier sur la conservation de la masse s'énonce par la célèbre phrase :

Au cours d'une transformation chimique, la masse totale des réactifs est égale à la masse totale des produits.

Yasmine chauffe du fer avec du soufre dans un tube fermé et obtient $\mathrm{8,8}$ g de sulfure de fer. Elle sait qu'elle a utilisé $\mathrm{5,6}$ g de fer. Quelle masse de soufre a-t-elle utilisée ?

Pourquoi la masse se conserve-t-elle au cours d'une transformation chimique ?

Quand une bûche brûle à l'air libre dans une cheminée à Ifrane, les cendres pèsent beaucoup moins que la bûche : cela prouve que la masse ne se conserve pas.

Amine fait réagir $7$ g de fer avec $16$ g de dioxygène ($O_2$) dans un récipient fermé. Tout se transforme en oxyde de fer. Quelle masse d'oxyde de fer obtient-il ?

Lors de la combustion du carbone : carbone $+$ dioxygène $\to$ dioxyde de carbone. Lequel de ces corps est un produit de la transformation ?

Un gaz comme le dioxyde de carbone ($C{O}_2$) possède une masse, même s'il est invisible.

À Rabat, Karim brûle complètement $9$ g de carbone dans un flacon fermé et obtient $33$ g de dioxyde de carbone ($C{O}_2$). Quelle masse de dioxygène ($O_2$) a réagi ?

Pour vérifier expérimentalement la conservation de la masse sur une balance, dans quel type de système dois-tu réaliser la transformation ?

Au cours d'une transformation chimique, le nombre et le type des atomes sont les mêmes avant et après la réaction.

Salma plonge un comprimé effervescent dans un verre d'eau ouvert posé sur une balance à Marrakech. Avant la réaction, l'ensemble (verre $+$ eau $+$ comprimé) pèse $210$ g. Une fois l'effervescence terminée, la balance affiche $\mathrm{209,5}$ g. Quelle masse de dioxyde de carbone ($C{O}_2$) s'est échappée dans l'air ?

À Essaouira, Amine brûle $3$ g de magnésium avec $2$ g de dioxygène ($O_2$) dans un creuset fermé. Tout se transforme en oxyde de magnésium. Quelle masse d'oxyde de magnésium obtient-il ?

À Fès, Yasmine chauffe $7$ g de fer avec du soufre dans un tube fermé et obtient $11$ g de sulfure de fer. Quelle masse de soufre a-t-elle utilisée ?

Dans un laboratoire à Tanger, Karim fait réagir $2$ g de dihydrogène ($H_2$) avec $16$ g de dioxygène ($O_2$) dans une enceinte fermée. Il se forme uniquement de l'eau ($H_{2}O$). Quelle masse d'eau obtient-il ?

Un clou en fer laissé à l'air libre à Agadir rouille : il capte le dioxygène de l'air. Posé sur une balance, le clou rouillé pèse davantage que le clou neuf. Comment l'expliquer ?

Quelle égalité traduit correctement la loi de Lavoisier au cours d'une transformation chimique ?

Pendant une transformation chimique, qu'arrive-t-il aux atomes des réactifs ?

Un système fermé est un système qui n'échange pas de matière avec l'extérieur.

Dans une bouteille de gaz à Marrakech, $44$ g de propane ($C_3{H}_8$) brûlent complètement avec $160$ g de dioxygène ($O_2$). La combustion produit de l'eau ($H_{2}O$) et du dioxyde de carbone ($C{O}_2$). On recueille $72$ g d'eau. Quelle masse de $C{O}_2$ s'est formée ?

À Fès, Amine plonge un comprimé effervescent dans un bécher ouvert posé sur une balance. L'ensemble (bécher, eau et comprimé) pèse $250$ g avant la réaction. Une fois l'effervescence terminée, la balance n'indique plus que $\mathrm{247,8}$ g. Quelle masse de gaz s'est échappée dans l'air ?

Une grille en fer abandonnée dans la cour d'une école à Meknès rouille lentement. Un morceau de $\mathrm{5,6}$ g de fer ($Fe$) capte $\mathrm{1,6}$ g de dioxygène ($O_2$) pris dans l'air pour former de l'oxyde de fer. Quelle est la masse d'oxyde de fer obtenue ?

Dans un brasero à Tanger, $12$ g de carbone ($C$) brûlent dans un récipient fermé contenant $32$ g de dioxygène ($O_2$). La réaction produit uniquement du dioxyde de carbone ($C{O}_2$). Quelle masse de $C{O}_2$ se forme ?

Karim fait brûler $16$ g de méthane ($C{H}_4$) dans une enceinte fermée. La combustion produit $44$ g de dioxyde de carbone ($C{O}_2$) et $36$ g d'eau ($H_{2}O$). Quelle masse de dioxygène ($O_2$) a été consommée ?

Dans la cheminée d'un riad à Ifrane, une bûche de $2000$ g brûle entièrement à l'air libre et ne laisse que $160$ g de cendres. Tout le reste est parti sous forme de gaz ($C{O}_2$ et vapeur d'eau). En te limitant au bilan de la bûche et des cendres, quelle masse de matière a quitté le foyer sous forme de gaz ?

Au laboratoire d'un lycée de Casablanca, on chauffe $217$ g d'oxyde de mercure dans un tube fermé. Il se décompose en mercure ($Hg$) et en dioxygène ($O_2$). On récupère $201$ g de mercure. Quelle masse de dioxygène s'est formée ?

Salma réalise la synthèse de l'eau dans un eudiomètre fermé. Elle fait réagir $4$ g de dihydrogène ($H_2$) avec $32$ g de dioxygène ($O_2$). La réaction ne donne que de l'eau ($H_{2}O$). Quelle masse d'eau obtient-elle ?

Yasmine place une bougie allumée sous une cloche en verre hermétiquement fermée, posée sur une balance. L'ensemble pèse $420$ g. La bougie brûle un moment puis s'éteint, faute de dioxygène. Que lit-on sur la balance après extinction ?

Le réchaud d'un campeur près d'Agadir brûle $58$ g de butane ($C_4{H}_{10}$) avec $208$ g de dioxygène ($O_2$), dans des conditions où l'on recueille tous les produits. La combustion forme du dioxyde de carbone ($C{O}_2$) et de l'eau ($H_{2}O$). On mesure $176$ g de $C{O}_2$. Quelle masse d'eau s'est formée ?

Karim laisse un clou en fer dans une coupelle ouverte sur le rebord d'une fenêtre à Tétouan. Au bout de plusieurs semaines, il le repèse : le clou rouillé est plus lourd qu'au départ. Karim affirme : « C'est impossible, la masse devrait se conserver. » Quelle est la bonne interprétation ?

Salma dissout un comprimé effervescent dans l'eau de deux récipients identiques posés chacun sur une balance : l'un est un flacon bouché, l'autre un verre ouvert. Le même comprimé libère du $C{O}_2$. Que constate-t-on sur les deux balances après réaction ?

Lors de la combustion du méthane, on part de molécules $C{H}_4$ et $O_2$ et on obtient des molécules $C{O}_2$ et $H_{2}O$. Avant la réaction, on compte au total $4$ atomes d'oxygène, $1$ atome de carbone et $4$ atomes d'hydrogène. Combien d'atomes d'oxygène doit-on retrouver dans les produits ?

Amine doit retrouver une masse manquante dans une transformation. Il connaît la masse des deux produits et celle d'un seul des deux réactifs. Quelle méthode doit-il appliquer pour trouver la masse du réactif inconnu ?

En classe à Oujda, un ruban de magnésium ($Mg$) brûle à l'air libre avec une lumière vive et se transforme en une poudre blanche, l'oxyde de magnésium. On pèse la poudre obtenue : elle est plus lourde que le ruban de départ. Pourquoi ?

Dans un erlenmeyer fermé par un bouchon, Yasmine fait réagir une solution de sulfate de cuivre avec de la soude : il se forme un précipité bleu. La balance affiche $186$ g avant la réaction. Que devrait-elle afficher juste après, le bouchon toujours en place ?

Karim affirme : « Quand une bûche brûle à l'air libre et qu'il ne reste que des cendres légères, c'est la preuve qu'une partie de la masse a été détruite. » Cette affirmation est-elle correcte ?

Salma affirme : « Le dioxygène est un gaz invisible, donc il n'a pas de masse ; on n'a pas à le compter quand on applique la loi de Lavoisier à une combustion. » Cette affirmation est-elle correcte ?

Amine affirme : « Pour vérifier la conservation de la masse sur une balance lors d'une réaction qui dégage un gaz, il faut réaliser la transformation dans un récipient fermé. » Cette affirmation est-elle correcte ?

Yasmine affirme : « Quand un objet en fer rouille à l'air libre, sa masse augmente. » Cette affirmation est-elle correcte ?

Karim fait sa réaction dans un gros bécher en verre épais, ouvert en haut, posé sur la balance à Oujda. Il affirme : « Mon bécher est solide et bien rigide, donc c'est un système fermé : la balance va forcément afficher la même masse avant et après. » A-t-il raison ?

Salma affirme : « La loi de Lavoisier ne marche que pour les solides et les liquides qu'on peut peser. Un gaz, ça n'a pas de masse, donc la conservation ne s'applique pas quand une réaction produit du gaz. » A-t-elle raison ?

Dans une cheminée à Ifrane, une bûche de $5$ kg brûle complètement en captant $12$ kg de dioxygène de l'air. La transformation libère $\mathrm{16,5}$ kg de gaz (dioxyde de carbone et vapeur d'eau), qui montent dans le conduit. Le reste demeure dans le foyer sous forme de cendres. Quelle masse de cendres récupères-tu, en grammes ?

Sur une cuisinière à Fès, $8$ g de méthane ($C{H}_4$) brûlent complètement avec $32$ g de dioxygène ($O_2$). La réaction produit de la vapeur d'eau ($H_{2}O$) et du dioxyde de carbone ($C{O}_2$). On mesure $18$ g d'eau formée. Quelle masse de dioxyde de carbone a été produite ?

Amine enferme des réactifs dans un ballon hermétique bien bouché, à Rabat. Avant la réaction, l'ensemble (ballon + contenu) a une masse totale de matière transformée de $\mathrm{1,5}$ kg. Après la réaction, il récupère $\mathrm{0,9}$ kg de solide au fond du ballon ; tout le reste s'est transformé en gaz, retenu prisonnier par le bouchon. Quelle masse de gaz a été produite, en grammes ?

Yasmine pèse un verre d'eau ouvert posé sur une balance à Tanger : il affiche $\mathrm{185,0}$ g. Elle y plonge un comprimé effervescent de $\mathrm{4,0}$ g, qui réagit avec l'eau en libérant du dioxyde de carbone ($C{O}_2$) sous forme de bulles qui s'échappent dans l'air. Une fois l'effervescence terminée, la balance n'indique plus que $\mathrm{185,8}$ g (en plus de la valeur initiale). Quelle masse de $C{O}_2$ s'est échappée ?

Une grille en fer abandonnée dans une cour de Meknès pèse $56$ g. Avec le temps, le fer se combine au dioxygène de l'air pour former de la rouille. Après plusieurs mois, la grille entièrement rouillée pèse $68$ g. Quelle masse de dioxygène ($O_2$) le fer a-t-il captée dans l'air ?

Au laboratoire de son collège à Oujda, Karim fait réagir $24$ g de magnésium avec du dioxygène. Il obtient $40$ g d'oxyde de magnésium. Il refait l'expérience avec $36$ g de magnésium, dans les mêmes conditions et avec les mêmes proportions de réactifs. Quelle masse de dioxygène ($O_2$) sera consommée lors de la seconde expérience ?

Une bouteille de gaz butane utilisée dans un riad à Marrakech contient $\mathrm{2,8}$ kg de butane. Il brûle complètement en consommant $\mathrm{10,0}$ kg de dioxygène ($O_2$). La combustion produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau ; on mesure que la vapeur d'eau formée pèse $3600$ g. Quelle masse de dioxyde de carbone ($C{O}_2$) est libérée, en kilogrammes ?

Dans un système fermé à Agadir, on chauffe $50$ g d'un solide. Il se décompose en trois produits : un résidu solide, un premier gaz et un second gaz. On récupère $31$ g de résidu solide et on mesure que le premier gaz produit pèse $14$ g. Quelle masse a le second gaz ?

Yasmine veut vérifier la loi de Lavoisier en posant sa réaction sur une balance, à Rabat. Elle fait réagir du vinaigre avec du bicarbonate de sodium, une réaction qui dégage du dioxyde de carbone. Parmi les quatre montages suivants, lequel lui permet de lire une masse inchangée entre le début et la fin de la transformation ?

Amine cherche l'explication profonde de la loi de Lavoisier. Il se demande pourquoi la masse totale ne change jamais au cours d'une transformation chimique. Quelle justification est correcte ?

Dans un four à pain de Fès, une bûche de bois de $3$ kg brûle dans l'air libre. À la fin, il ne reste que $90$ g de cendres au fond du foyer. Karim s'écrie : « La loi de Lavoisier est fausse, la masse a presque entièrement disparu ! » Quelle interprétation correcte dois-tu lui opposer ?

Dans un système fermé, à Casablanca, on fait réagir $\mathrm{1,2}$ kg de réactif A avec $800$ g de réactif B. La transformation est totale. Salma veut connaître la masse totale des produits formés et écrit : « $\mathrm{1,2}+800=\mathrm{801,2}$ g ». Quelle est en réalité la masse totale des produits ?

Voici quatre transformations réalisées à l'air libre, donc en système ouvert. Dans laquelle la masse de l'objet posé sur la balance augmente-t-elle au cours du temps ?

Lors de la combustion du méthane, on écrit le bilan suivant :

$C{H}_4+2O_2\to C{O}_2+2H_{2}O$

Karim affirme : « Cette écriture est une autre façon de dire que la masse se conserve. » Quelle est la raison la plus exacte qui justifie son affirmation ?

Salma observe qu'un comprimé effervescent posé sur une balance fait diminuer la masse affichée pendant qu'il se dissout. Elle en conclut : « C'est la preuve que la loi de Lavoisier est fausse, puisque de la masse a réellement disparu. » Cette affirmation est-elle vraie ou fausse ?

Karim soutient : « Quand un clou rouille à l'air libre, sa masse augmente, et pourtant la loi de Lavoisier est toujours respectée. » Cette double affirmation est-elle vraie ou fausse ?

Yasmine réalise une transformation chimique dans un ballon en verre fermé par un bouchon étanche, posé sur une balance. Aucun gaz ne peut entrer ni sortir. Elle affirme : « Quelle que soit la transformation à l'intérieur, la balance affichera la même masse au début et à la fin. » Vrai ou faux ?

Au collège de Marrakech, Yasmine veut prouver à toute sa classe que la masse se conserve au cours d'une réaction chimique. Elle dispose de vinaigre, de bicarbonate de sodium (qui ensemble dégagent du dioxyde de carbone), d'une balance précise, d'un verre ouvert et d'une bouteille en plastique avec son bouchon.

Lors d'un premier essai, elle verse le bicarbonate dans le verre ouvert posé sur la balance, ajoute le vinaigre, et observe que la masse affichée diminue de plusieurs grammes pendant l'effervescence. Déçue, elle se demande si la loi de Lavoisier est fausse.

Explique-lui pourquoi son premier montage échoue à prouver la conservation, puis décris précisément le protocole qu'elle doit suivre pour réussir sa démonstration, et ce que la balance affichera alors.

Karim regarde son père griller des brochettes sur un barbecue à Essaouira. Au bout d'une heure, les gros morceaux de charbon de bois ne laissent qu'une fine couche de cendres très légère. Karim propose le raisonnement suivant à sa sœur Salma :

« Au départ, il y avait peut-être $800$ g de charbon. À la fin, il reste à peine $40$ g de cendres. Donc $760$ g de matière ont été purement et simplement détruits par le feu. La loi de Lavoisier, qui dit que rien ne se perd, est donc clairement contredite par ce que je vois. »

Le raisonnement de Karim est faux. Identifie précisément l'erreur, explique où est passée la matière manquante, et montre comment la loi de Lavoisier reste parfaitement vérifiée dans cette situation.

Salma a pesé une vieille grille de portail en fer dans le jardin familial à Tanger : elle affichait $2$ kg lorsqu'elle était neuve. Quelques années plus tard, entièrement recouverte de rouille, la même grille pèse désormais $\mathrm{2,3}$ kg. Salma est perplexe :

« C'est impossible ! On nous a appris que dans une transformation chimique la masse se conserve, donc la grille aurait dû rester à $2$ kg, ou alors perdre de la masse comme une bûche qui brûle. Comment une réaction pourrait-elle faire augmenter la masse de $300$ g, à partir de rien ? Soit la loi est fausse, soit la matière a été créée. »

Explique à Salma d'où viennent ces $300$ g supplémentaires et montre-lui que, loin de contredire la loi de Lavoisier, ce gain de masse en est une illustration parfaite.