016 – La loi de conservation de la masse

La loi de conservation de la masse énonce que la matière n'est ni créée ni détruite lors d'une réaction chimique : les atomes présents avant la réaction sont exactement les atomes présents après, simplement réagencés en molécules différentes. Antoine Laurent de Lavoisier a établi ce principe dans les années 1780 en pesant des récipients de réaction scellés, et c'est la raison pour laquelle toute équation chimique doit être équilibrée et la raison pour laquelle un chimiste industriel peut prédire la masse de produit qu'un procédé générera avant de l'exécuter.

Démontrer la loi est plus difficile qu'il n'y paraît, car une réaction qui libère un gaz semble perdre de la masse lorsqu'elle est effectuée dans un récipient ouvert. La masse n'a pas disparu, elle a simplement quitté le plateau de la balance. La conservation ne peut donc être démontrée que dans un fermé système, un dans lequel chaque produit, gaz compris, est retenu et pesé avec le reste. Cette seule exigence expérimentale est l'idée centrale de ce laboratoire.

Vous testerez la loi deux fois, en utilisant deux réactions qui se comportent très différemment. Dans la partie A, le bicarbonate de sodium réagit avec l'acide acétique et libère du dioxyde de carbone ; le gaz est capturé dans un ballon en caoutchouc fixé sur le col d'un erlenmeyer, et une pince sur le col du ballon permet de peser le gaz piégé de manière isolée une fois la réaction terminée. Dans la partie B, des solutions de chlorure de calcium et de carbonate de sodium sont mélangées et un précipité solide de carbonate de calcium se forme ; rien ne peut quitter le b", "beaker", "le bécher", "le bécher, donc le bilan massique se ferme exactement. Dans chaque cas, vous pèse le système avant et après la réaction, vous comparez les totaux et vous expliquez toute différence que vous trouvez.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Localisez et identifiez la balance électronique, la coupelle de pesée, l'éprouvette graduée, l'erlenmeyer de 250 mL, les deux béchers de 50 mL, le ballon en caoutchouc et la pince en bois avant de commencer, et reconnaissez quel appareil rend le système fermé.

Utilisation d'équipements de protection

• Portez des gants et des lunettes de protection lors de la manipulation de l'acide acétique 1 M et des deux solutions salines, et gérez une réaction qui génère de la pression à l'intérieur d'un récipient scellé sans laisser le ballon se détacher de l'erlenmeyer.

Construction et test d'un système fermé

• Assemblez un récipient de réaction étanche aux gaz à partir d'un ballon, d'un ballon de_1 de_2 baudruche et d'une pince, et expliquez pourquoi la même réaction menée dans un ballon ouvert semblerait violer la conservation de la masse.
• Pesez le ballon et le gaz qu'il contient séparément afin de mesurer directement la masse d'un produit gazeux.

Technique de pesée quantitative

• Utilisez correctement la fonction de tare pour qu'une coupelle de pesée ne contribue en rien à la masse enregistrée d'une poudre, et enregistrez chaque masse avec toute la précision que la balance indique (0,01 g).
• Peser un système complet comme un seul objet, en comprenant que la pince, le ballon à fond rond, le ballon de baudruche, les réactifs et l'air à l'intérieur font tous partie du total.

Stœchiométrie et réactif limitant

• Convertir un volume et une concentration en nombre de moles, identifier le réactif limitant et prédire la masse de gaz ou de précipité que la réaction peut produire.

Interprétation d'un bilan massique

• Comparez une différence de masse mesurée à la précision de l'instrument et décidez si un écart représente une perte réelle de matière ou la dispersion ordinaire d'une lecture.

Protocole

Partie A : La réaction entre le bicarbonate de sodium et l'acide acétique

1. Pesez le ballon en caoutchouc à l'aide de la balance.
2. À l'aide de la nacelle de pesée, pesez environ 2,2 g de bicarbonate de sodium (NaHCO₃).
3. Introduire la poudre pesée dans le ballon de caoutchouc.
4. Fixez le serre-joint en bois à la base du flacon.
5. Mesurer 25 mL d'acide acétique (CH₃(COOH) 1M à l'aide de la éprouvette graduée et versez-la dans le erlenmeyer.
6. Attachez le ballon à l'ouverture du ballon Erlenmeyer, en veillant à ne pas laisser tomber le solide dans le liquide.
7. Pesez le système (ballon, pince, erlenmeyer et les deux réactifs) avant la réaction. La masse est indiquée dans le tableau des résultats.
8. Détachez le clip du ballon.
9. En appuyant sur la tige de verre sur le ballon, laissez le solide tomber dans le ballon Erlenmeyer.
10. Agitez doucement la solution jusqu'à dissolution complète en faisant basculer le flacon Erlenmeyer de gauche à droite.
11. Fixer le collier à la base du ballon.
12. Pesez à nouveau le système une fois la réaction terminée. La masse est indiquée dans le tableau des résultats.
13. Détacher le ballon de l'erlenmeyer et garder la pince attachée à la base du ballon.
14. Pesez le ballon avec la pince attachée.

Partie B : La réaction entre le dichlorure de calcium et le carbonate disodique

1. Mesurer 15 ml de dichlorure de calcium (CaCl2) 1M₂) solution avec le cylindre gradué.
2. Versez la solution dans le bécher de 50 mL 1.
3. Pesez le bécher 1 sur la balance.
4. Mesurer 15 mL de carbonate de sodium 1 M (Na2CO₃)₃) solution à l'aide de l'éprouvette graduée.
5. Versez la solution dans le bécher 50 mL 2.
6. Pesez le bécher 2 sur la balance.
7. Versez le contenu du bécher 1 dans le bécher 2.
8. Agiter le contenu du bécher 2 avec la tige de verre.
9. Pesez le bécher 2 après la réaction et notez la masse dans le tableau des résultats.

Résultats attendus

Partie A — bicarbonate de sodium et acide acétique dans un ballon fermé

La réaction est une réaction acide-carbonate qui produit du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'acétate de sodium :

Bicarbonate de sodium₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂g)

Les deux réactifs sont présents en quantités comparables, il faut donc identifier le réactif limitant avant de pouvoir prédire toute masse de produit. Pour l'acide, n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. Pour le bicarbonate, n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. L'acide acétique est épuisé en premier, il détermine donc l'étendue de la réaction : 0,0250 mol de CO₂ est produite, avec une masse de m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Environ 0,0012 mol (0,10 g) de bicarbonate de sodium n'a pas réagi au fond du fiole.

L'étape 14 permet d'isoler ce gaz. En soustrayant le ballon et la pince du poids final, on obtient 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g de gaz retenu dans le ballon, contre les 1,10 g prévus par la stœchiométrie. Les deux chiffres concordent à environ 8 % près. Le point important est la comparaison entre 237,09 g et 237,12 g : si la même réaction avait été réalisée dans un ballon ouvert, environ 1,10 g se serait échappé et la balance aurait indiqué une perte d’environ 0,47 % du total — une valeur faible, mais bien supérieure à l’écart de 0,03 g observé lors de la mesure en milieu fermé, et facilement confondue avec une violation de la loi.

Partie B — dichlorure de calcium et carbonate de sodium dans un bécher ouvert

Il s'agit d'une réaction de double déplacement (précipitation), favorisée par la très faible solubilité du carbonate de calcium :

CaCl₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → CaCO₃(s) + 2 NaCl(aq)

Des volumes égaux de concentrations égales sont utilisés, de sorte que les deux réactifs sont fournis exactement dans le rapport 1:1 requis par l'équation : n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol de chacun. Aucun n'est en excès, et la réaction peut en principe aller jusqu'à son terme. Le précipité formé est m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g de CaCO₃, laissant 0,0300 mol de NaCl (1,75 g) dissous dans le surnageant. Une suspension blanche et trouble apparaît dès que les solutions se rencontrent et se dépose en un fin solide blanc lorsque l'agitation s'arrête.

Le changement visible est spectaculaire — deux liquides limpides deviennent une bouillie blanche — et pourtant la balance ne bouge pas du tout une fois le béquer pris en compte. C'est précisément le point : un changement d'état et un changement d'identité chimique ne constituent pas un changement de masse. En divisant le contenu par leurs volumes, on obtient également les densités des deux solutions mères, 16,25 g ÷ 15,0 mL = 1,08 g/mL pour le dichlorure de calcium et 16,59 g ÷ 15,0 mL = 1,11 g/mL pour le carbonate de sodium, toutes deux plus denses que l'eau pure comme on peut s'y attendre pour des solutions salines à 1 M.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Concentre-toi — observer qu'un changement chimique modifie l'apparence sans modifier la masse, et apprendre le vocabulaire associé : réactif, produit, précipité, système fermé, conservation.
• Activités — réalisez les deux parties, consignez les sept masses de la partie A et les trois masses de la partie B dans le tableau de résultats, décrivez ce que l'on observe au moment de la réaction (bulles et gonflage d'un ballon dans la partie A, nuage blanc dans la partie B), et indiquez en une seule phrase si la masse a changé. Répondez à la question guidée : où le dioxyde de carbone serait-il allé sans le ballon ?

11e année

• Concentre-toi — traiter l'expérience de manière quantitative, avec des équations équilibrées et une prédiction basée sur les moles plutôt que sur une comparaison qualitative.
• Activités — équilibrer les deux équations ; convertir 25 mL d'acide acétique à 1 M et 2,20 g de NaHCO₃₃ en moles et identifier le réactif limitant ; prédire la masse de CO₂ et comparez-le avec les 1,19 g pesés dans le ballon à l'étape 14 ; prédisez les 1,50 g de CaCO₃ formés dans la partie B ; montrez arithmétiquement que 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g et expliquez pourquoi la masse d'un bécher doit être soustraite.

12e année / Niveau universitaire

• Concentre-toi — analyse des erreurs, et interprétation d'un écart au lieu de l'écarter.
• Activités — exprimer les deux bilans massiques sous forme d'écarts en pourcentage et les comparer avec la résolution de la balance ; expliquer les 0,09 g par lesquels le gaz piégé dépasse son maximum stœchiométrique, en estimant quelle quantité de vapeur d'eau un volume de gaz saturé à température ambiante pourrait transporter ; utiliser la loi des gaz parfaits pour prédire le volume que le ballon devrait atteindre à 101 kPa et 22 °C à partir de n = 0,0250 mol ; discuter du CO₂/H₂CO₃/HCO₃⁻ équilibre et la quantité de carbone pouvant rester en solution ; et concevoir une modification de la Partie A qui permettrait d'obtenir un joint étanche aux gaz défendable, en expliquant ce qu'elle améliorerait.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Balance électronique (précisera à 0,01 g, avec tare)
• Coupelle de pesée (0,5 g)
• Spatule
• Ballon en caoutchouc (7,5 g)
• Pince en bois (0,45 g)
• Baguette de verre
• Erlenmeyer de 250 mL (200 g)
• 2 béchers de 50 mL (75 g chacun)
• Éprouvette graduée de 25 ml

Produits

• Bicarbonate de sodium NaHCO₃ (poudre, 2,2 g)
• Acide acétique CH₃COOH 1 M (25 ml de solution)
• Dichlorure de calcium CaCl₂ 1 M (15 mL de solution)
• Carbonate de sodium Na₂CO₃ 1 M (15 mL de solution)