Transformations physiques et chimiques

Quand la matière change sans changer de nature : la transformation physique

Reprends l'image de la glace qui fond. Avant, tu avais de l'eau solide ; après, de l'eau liquide. Le mot important est « eau » : il est le même avant et après. Si tu pouvais zoomer jusqu'aux molécules, comme au chapitre sur les atomes et les molécules, tu verrais exactement les mêmes molécules H₂O dans le glaçon et dans la flaque. Elles se sont seulement rapprochées ou éloignées, réorganisées dans l'espace, mais aucune n'a été cassée ni transformée. C'est cela, une transformation physique.

Les changements d'état que tu connais sont tous des transformations physiques : la fusion (solide → liquide, la glace qui fond), la solidification (liquide → solide, l'eau qui gèle à Ifrane en hiver), la vaporisation (liquide → gaz, l'eau qui s'évapore d'une bassine au soleil), la liquéfaction (gaz → liquide, la buée qui se dépose sur une vitre froide). Dans tous les cas, ce sont les mêmes molécules d'eau qui passent d'un arrangement à un autre.

Une transformation souvent réversible

Une transformation physique peut généralement se faire dans les deux sens. L'eau gelée peut fondre, puis l'eau liquide peut regeler, indéfiniment, sans jamais cesser d'être de l'eau. On dit qu'elle est réversible. C'est un indice utile, mais pas une preuve : on verra plus loin que la réversibilité seule ne suffit pas à classer une transformation.

Exemple 1. Yasmine plie une feuille de papier en avion. La forme change, mais le papier reste du papier : transformation physique. Elle peut le déplier : c'est réversible.

Exemple 2. Amine casse un morceau de sucre en deux. Il a maintenant deux morceaux, mais c'est toujours du sucre, avec les mêmes molécules. Changer de forme n'est pas changer de nature.

Le cas de la dissolution

Voici le point qui piège le plus souvent. Quand Salma verse du sel dans un verre d'eau et qu'il « disparaît », elle pourrait croire que le sel a été détruit. Il n'en est rien. Les particules de sel se sont seulement dispersées dans l'eau, trop petites et trop éparpillées pour être visibles. Si tu fais s'évaporer l'eau, le sel réapparaît, intact. La dissolution est donc une transformation physique : le sel n'a pas été transformé en une autre substance, il a juste été éparpillé.

Quand la matière devient autre chose : la transformation chimique

Reviens maintenant au charbon qui brûle. Avant : un morceau de charbon noir et solide, et l'air autour. Après : des cendres, de la fumée, un gaz invisible. Le charbon a bel et bien disparu en tant que charbon, et de nouvelles substances sont apparues. On ne peut pas, en refroidissant les cendres, reconstituer le charbon de départ. Quelque chose de bien plus profond qu'un changement d'état s'est produit : c'est une transformation chimique.

Le mot clé est nouveau. Dans une transformation physique, on retrouve la même substance ; dans une transformation chimique, on obtient des substances aux propriétés différentes, qui n'existaient pas avant.

Ce qui se passe au niveau des atomes

Comment relier cela à ce que tu sais des atomes ? Souviens-toi de la dernière leçon du chapitre précédent : les atomes ne se créent ni ne se détruisent, ils se réarrangent. C'est exactement ce qui se produit ici. Lors d'une transformation chimique, les liaisons entre les atomes des réactifs sont cassées, puis les atomes se regroupent autrement pour former les molécules des produits. Les molécules changent, mais les atomes, eux, sont tous conservés : aucun atome ne disparaît, aucun n'apparaît de nulle part.

Exemple. Quand le carbone brûle, chaque atome de carbone (C) se lie à deux atomes d'oxygène (provenant des molécules de dioxygène O₂ de l'air) pour former une molécule de dioxyde de carbone (CO₂). Les molécules de départ (C et O₂) ont disparu, une molécule nouvelle (CO₂) est apparue, mais on retrouve exactement le même atome de carbone et les mêmes atomes d'oxygène, simplement assemblés différemment.

Reconnaître une transformation chimique

Comment savoir, en observant une expérience, si l'on a affaire à une transformation chimique plutôt que physique ? Tu ne vois pas les molécules, mais une transformation chimique laisse souvent des indices observables. En voici cinq que tu dois savoir repérer.

• Changement de couleur durable : une pomme coupée qui brunit, un objet en fer qui rougit de rouille.
• Dégagement de gaz (effervescence) : des bulles qui apparaissent alors qu'on ne chauffe pas, comme quand on verse du vinaigre sur du bicarbonate.
• Apparition d'un solide (un précipité) qui se forme dans un liquide qui était limpide.
• Dégagement de chaleur et/ou de lumière : une combustion qui chauffe et éclaire, comme le charbon des brochettes.
• Apparition d'une substance aux propriétés différentes : du bois qui devient du charbon et de la cendre, impossibles à retransformer en bois.

Attention : tous les changements visibles ne sont pas chimiques

Un indice est une présomption, pas une preuve absolue, et certains phénomènes ressemblent à des transformations chimiques sans en être. La buée qui apparaît sur une vitre froide n'est pas une nouvelle substance : c'est de l'eau liquide formée à partir de la vapeur d'eau de l'air — une simple liquéfaction, donc une transformation physique. De même, des bulles dans une casserole d'eau qui bout ne sont pas un « dégagement de gaz chimique » : c'est de l'eau qui passe à l'état de vapeur, toujours de l'eau. Le bon réflexe : demande-toi toujours si la substance obtenue est nouvelle ou si c'est la même substance sous une autre forme.

Décrire une transformation chimique

Une fois identifiée, une transformation chimique se décrit avec un vocabulaire précis et une écriture simple. On nomme les réactifs et les produits, puis on écrit le bilan de la transformation, en toutes lettres, avec une flèche.

On écrit le bilan en toutes lettres au collège. L'écriture avec des formules équilibrées, comme C + O₂ → CO₂ avec des coefficients ajustés, viendra au lycée : ce n'est pas attendu de toi cette année. Voici trois transformations chimiques de référence.

Exemple 1 — La combustion du carbone. Le carbone du charbon de brochette réagit avec le dioxygène de l'air et dégage beaucoup de chaleur et de lumière. Son bilan :

$\text{carbone}+\text{dioxyg}\grave{\text{e}}\text{ne}\to \text{dioxyde de carbone}$

Le carbone et le dioxygène sont les réactifs ; le dioxyde de carbone est le produit.

Exemple 2 — L'action d'un acide sur un métal. Quand Amine verse un acide sur du zinc, des bulles apparaissent : c'est un dégagement de dihydrogène, un gaz. Son bilan :

$\text{zinc}+\text{acide}\to \text{dihydrog}\grave{\text{e}}\text{ne}+\text{autre produit}$

L'effervescence (dégagement de gaz) est l'indice qui signale ici la transformation chimique.

Exemple 3 — La formation de la rouille. Un portail en fer laissé sous la pluie à Casablanca se couvre peu à peu d'une couche brun-orange : la rouille. Le fer réagit lentement avec le dioxygène de l'air (en présence d'eau). Son bilan simplifié :

$\text{fer}+\text{dioxyg}\grave{\text{e}}\text{ne}\to \text{rouille}$

Le changement de couleur (gris du fer → brun de la rouille) et l'apparition d'une substance nouvelle, friable, sont les indices.

Vers la suite du programme

Ces exemples ne sont pas choisis au hasard. La combustion du carbone ouvre le prochain chapitre, Les combustions, où tu étudieras en détail les combustions du carbone, du méthane et d'autres combustibles. Et l'idée que les atomes sont tous conservés — qu'aucun ne se perd ni ne se crée pendant le réarrangement — débouchera sur l'une des lois les plus importantes de la chimie : la conservation de la masse, qui affirme que la masse totale des produits est égale à la masse totale des réactifs.

Pièges classiques

Piège 1 : croire que « ça disparaît » veut dire « transformation chimique ». Quand le sel se dissout ou que la glace fond, la substance semble disparaître, mais elle est seulement dispersée ou changée d'état. Ce sont des transformations physiques. La vraie question n'est jamais « est-ce que ça disparaît à l'œil ? » mais « obtient-on une nouvelle substance ? ».

Piège 2 : confondre dissolution et transformation chimique. Le sel dissous dans l'eau n'est pas détruit : fais évaporer l'eau, il revient intact. Aucune nouvelle espèce chimique n'est apparue. La dissolution est une transformation physique, malgré l'apparence de disparition.

Piège 3 : croire que tout dégagement de bulles est une transformation chimique. L'eau qui bout fait des bulles, mais ce sont des bulles de vapeur d'eau : toujours de l'eau, donc transformation physique. Le dégagement de gaz n'est un indice chimique que si le gaz formé est une nouvelle substance (comme le dihydrogène d'une réaction acide-métal).

Piège 4 : penser que les atomes disparaissent dans une transformation chimique. Les molécules changent, c'est vrai. Mais les atomes, eux, sont tous conservés : ils se réarrangent. Confondre « les molécules disparaissent » avec « les atomes disparaissent » empêche de comprendre la conservation de la masse.

Piège 5 : inverser réactifs et produits. Les réactifs sont à gauche de la flèche (ils disparaissent), les produits à droite (ils apparaissent). La flèche pointe des réactifs vers les produits, dans le sens « ce qu'on avait → ce qu'on obtient ». Ne mets jamais le produit à gauche.

Piège 6 : croire que réversible = physique et irréversible = chimique, à coup sûr. La réversibilité est un indice, pas une règle absolue. La plupart des transformations physiques sont réversibles et beaucoup de transformations chimiques sont difficiles à inverser, mais le critère décisif reste toujours : les molécules sont-elles conservées (physique) ou de nouvelles espèces apparaissent-elles (chimique) ?

Application concrète

Karim prépare un thé à la menthe pour ses invités, à Fès. Il observe plusieurs phénomènes et affirme : « Tout ce qui change ici, c'est de la chimie. » Yasmine n'est pas d'accord. Aidons-les à trier, phénomène par phénomène, en utilisant la question décisive : la substance obtenue est-elle nouvelle, ou la même sous une autre forme ?

Étape 1 — L'eau qui bout dans la bouilloire.

L'eau liquide se transforme en vapeur d'eau. Avant comme après, ce sont des molécules H₂O : la substance est la même, seul son état change (vaporisation). C'est une transformation physique. Karim a tort sur ce point : les bulles de l'eau bouillante ne sont pas un indice chimique, ce sont des bulles de vapeur d'eau.

Étape 2 — Le sucre qui se dissout dans le thé.

Karim ajoute du sucre, qui « disparaît » dans le liquide. Mais s'il laissait l'eau s'évaporer, le sucre réapparaîtrait. Le sucre n'a pas été transformé en autre chose : il est seulement dispersé. C'est une dissolution, donc une transformation physique.

Étape 3 — Le charbon du brasero qui brûle.

Pour chauffer la théière, Karim utilise un brasero. Le charbon rougeoie, dégage de la chaleur et de la lumière, et se réduit en cendres qu'on ne pourra jamais retransformer en charbon. Trois indices, et surtout une substance nouvelle : c'est une transformation chimique, une combustion. Son bilan : carbone + dioxygène → dioxyde de carbone. Ici, Karim a raison.

Étape 4 — La théière en métal qui rouille.

Karim remarque une tache brun-orange sur le pied en fer de son réchaud, resté dehors sous la pluie. Le fer gris s'est couvert d'une substance brune et friable, la rouille : changement de couleur durable, substance nouvelle. C'est une transformation chimique : fer + dioxygène → rouille.

Conclusion.

Sur quatre phénomènes, deux sont physiques (l'ébullition, la dissolution) et deux sont chimiques (la combustion, la rouille). Karim avait tort de tout mettre dans le même sac : le bon réflexe n'est pas de juger sur l'apparence du changement, mais de se demander si une nouvelle espèce chimique est apparue. C'est ce tri que tu affineras dès le prochain chapitre, Les combustions, en étudiant en détail ces réactions où le carbone et d'autres combustibles s'unissent au dioxygène.

À retenir

Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.