Verse quelques gouttes de vinaigre sur une vieille lame de zinc : de petites bulles apparaissent. Ce phénomène, spectaculaire avec un acide plus concentré, est une vraie réaction chimique : le métal est attaqué, un gaz se forme, et de nouveaux ions apparaissent dans la solution. Ce chapitre t’apprend à observer cette réaction, à identifier le gaz produit et surtout à écrire l’équation qui la résume.

1L’expérience de référence : acide chlorhydrique et zinc

L’acide chlorhydrique est une solution qui contient des ions hydrogène $\mathrm{H^{+}}$ et des ions chlorure $\mathrm{Cl^{-}}$ .

Exemple — activité expérimentale

Matériel : un tube à essai, de la grenaille de zinc, de l’acide chlorhydrique dilué, un second tube pour recueillir le gaz, une cuve à eau, des lunettes de protection.

Protocole : verse $2$ cm d’acide chlorhydrique dans le tube, ajoute deux ou trois grains de zinc, coiffe le tube d’un tube à dégagement plongeant dans la cuve, et recueille le gaz par déplacement d’eau.
Observation : une effervescence se produit ; le zinc est rongé peu à peu ; le tube de recueil se remplit d’un gaz incolore ; le tube de réaction tiédit.
Interprétation : une transformation chimique consomme le zinc et les ions $\mathrm{H^{+}}$ , produit un gaz et libère de l’énergie (réaction exothermique).

Figure 1 — Montage : l’effervescence dans le tube de gauche, le recueil du gaz par déplacement d’eau à droite.

Attention

Sécurité. L’acide chlorhydrique est corrosif : porte des lunettes et une blouse, manipule au-dessus de la paillasse, et rince immédiatement à grande eau en cas de contact. Pour diluer, on verse toujours l’acide dans l’eau, jamais l’inverse.

2Identifier le gaz : le test du dihydrogène

Propriété

Approché d’une flamme, le dihydrogène $\mathrm{H_2}$ brûle avec une légère détonation — un « aboiement » caractéristique. C’est son test d’identification.

Figure 2 — Le test de l’allumette : la petite détonation prouve que le gaz recueilli est du dihydrogène.

On peut aussi mettre en évidence les ions zinc $\mathrm{Zn^{2+}}$ formés dans la solution : quelques gouttes de soude y font apparaître un précipité blanc d’hydroxyde de zinc.

3Écrire l’équation de la réaction

Le bilan de l’expérience s’écrit d’abord en toutes lettres :

zinc + ions hydrogène $\longrightarrow$ ions zinc + dihydrogène

Théorème — conservation des éléments et de la charge

Dans une équation chimique, on doit retrouver les mêmes éléments, en même nombre, de chaque côté de la flèche, et la charge électrique totale doit être identique des deux côtés. On ajuste pour cela des coefficients devant les formules — jamais les formules elles-mêmes.

Exemple — ajuster l’équation zinc + acide

$\mathrm{Zn + H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$ équation non ajustée
à droite : $2$ atomes H et une charge $2+$ comptage
à gauche : il faut donc $2$ ions $\mathrm{H^{+}}$
$\Rightarrow$ $\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$ éléments et charges conservés

Vérification. Éléments : $1$ Zn et $2$ H de chaque côté. Charges : $2 \times (+1) = +2$ à gauche, $+2$ à droite. L’équation est ajustée.

Figure 3 — Bilan particulaire de la réaction du fer : les atomes et les charges se conservent, ils se réorganisent.

Note : Les ions chlorure

\mathrm{Cl^{-}}

ne figurent pas dans l’équation : ils ne participent pas à la transformation. Ce sont des ions spectateurs.

4Tous les métaux ne réagissent pas

Exemple — comparer quatre métaux

On place un échantillon de fer, de zinc, d’aluminium puis de cuivre dans quatre tubes contenant le même acide chlorhydrique.

Observation : effervescence avec le fer, le zinc et l’aluminium ; rien avec le cuivre, même après plusieurs heures.

Figure 4 — Fer, zinc et aluminium sont attaqués par l’acide chlorhydrique ; le cuivre ne l’est pas.

Propriété

L’acide chlorhydrique attaque le fer, le zinc et l’aluminium, en produisant du dihydrogène et les ions métalliques correspondants. Il n’attaque pas le cuivre : le cuivre est moins réactif que l’hydrogène.

Les trois équations à connaître :

$\mathrm{Fe + 2\,H^{+} \longrightarrow Fe^{2+} + H_2}$
$\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$
$\mathrm{2\,Al + 6\,H^{+} \longrightarrow 2\,Al^{3+} + 3\,H_2}$

Math & Co — Lavoisier et la naissance de la chimie moderne

C’est Antoine Lavoisier (1743-1794) qui impose l’usage systématique de la balance en chimie : dans son Traité élémentaire de chimie (1789), il montre que la masse totale se conserve au cours d’une réaction. C’est cette idée — « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », formule qu’on lui attribue en écho au philosophe grec Anaxagore — qui fonde l’ajustement des équations que tu pratiques dans ce chapitre.

Le dihydrogène, lui, avait été isolé en 1766 par Henry Cavendish, qui l’appelait « air inflammable » — précisément à cause du test de l’allumette.

5Applications et dangers

Décapage : les industriels nettoient les pièces d’acier à l’acide avant de les peindre ou de les galvaniser.
Batteries au plomb : l’acide sulfurique y côtoie des plaques métalliques — d’où l’interdiction de les ouvrir.
Canalisations : un déboucheur acide versé sur une tuyauterie en zinc ou en aluminium l’endommage et dégage du dihydrogène inflammable.
Transport : le dégagement de dihydrogène dans un local fermé crée un risque d’explosion — on aère toujours.

Grandeur ou espèce	Symbole / formule	Remarque
Ion hydrogène	$\mathrm{H^{+}}$	présent dans toute solution acide
Ion chlorure	$\mathrm{Cl^{-}}$	spectateur ici
Ion zinc	$\mathrm{Zn^{2+}}$	précipité blanc avec la soude
Ion fer (II)	$\mathrm{Fe^{2+}}$	précipité vert avec la soude
Ion aluminium	$\mathrm{Al^{3+}}$	précipité blanc avec la soude
Dihydrogène	$\mathrm{H_2}$	gaz qui « aboie » à l’allumette

Fiche mémo

Acide chlorhydrique $=$ ions $\mathrm{H^{+}}$ $+$ ions $\mathrm{Cl^{-}}$ .
Fer, zinc, aluminium : attaqués, avec effervescence de $\mathrm{H_2}$ . Cuivre : non attaqué.
Test du dihydrogène : détonation (« aboiement ») à l’allumette.
Équation ajustée $=$ mêmes éléments et même charge totale des deux côtés.
On ajuste avec des coefficients, jamais en modifiant les formules.
$\mathrm{Cl^{-}}$ est un ion spectateur.
Réaction exothermique : le tube tiédit.

Niveau 1 — Application directe

Quels ions contient une solution d’acide chlorhydrique ? Donne leurs formules.

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Elle contient des ions hydrogène $\mathrm{H^{+}}$ et des ions chlorure $\mathrm{Cl^{-}}$ , en quantités égales : la solution est électriquement neutre.

Comment identifie-t-on le dihydrogène ? Décris le test et son résultat.

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On approche une allumette enflammée de l’ouverture du tube : le dihydrogène brûle avec une légère détonation, le « aboiement » caractéristique.

Parmi le fer, le cuivre, le zinc et l’aluminium, lesquels réagissent avec l’acide chlorhydrique ?

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Le fer, le zinc et l’aluminium réagissent (effervescence de dihydrogène). Le cuivre ne réagit pas.

Recopie et complète : $\mathrm{Zn + \ldots\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + \ldots}$

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$\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$
Éléments : $1$ Zn, $2$ H de chaque côtévérification
Charges : $+2$ de chaque côtévérification

Vérifie que l’équation $\mathrm{Fe + 2\,H^{+} \longrightarrow Fe^{2+} + H_2}$ conserve les éléments et la charge.

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Fer : $1$ à gauche, $1$ à droite ✔
Hydrogène : $2$ à gauche, $2$ à droite ✔
Charge à gauche : $0 + 2 \times (+1) = +2$
Charge à droite : $(+2) + 0 = +2$ ✔
$\Rightarrow$ l’équation est bien ajustée.

Quel test permet de mettre en évidence les ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ formés lors de l’attaque du fer ?

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On ajoute quelques gouttes de soude (hydroxyde de sodium) : il se forme un précipité vert d’hydroxyde de fer (II), caractéristique des ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ .

Pourquoi les ions $\mathrm{Cl^{-}}$ n’apparaissent-ils pas dans l’équation de la réaction ?

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Parce qu’ils ne participent pas à la transformation : on les retrouve intacts dans la solution finale. Ce sont des ions spectateurs.

Niveau 2 — Approfondissement

Ajuste l’équation de l’attaque de l’aluminium : $\mathrm{Al + H^{+} \longrightarrow Al^{3+} + H_2}$ .

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Un ion $\mathrm{Al^{3+}}$ demande $3$ ions $\mathrm{H^{+}}$ équilibre des charges
or $3$ atomes H ne font pas un nombre entier de $\mathrm{H_2}$
$\Rightarrow$ on double tout
$\Rightarrow$ $\mathrm{2\,Al + 6\,H^{+} \longrightarrow 2\,Al^{3+} + 3\,H_2}$
Éléments : $2$ Al et $6$ H de chaque côté ✔
Charges : $+6$ de chaque côté ✔

Dans l’expérience zinc + acide, la masse du tube et de son contenu diminue légèrement au cours du temps alors que « la masse se conserve ». Explique ce paradoxe.

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La masse totale se conserve bien, mais le dihydrogène formé s’échappe du tube ouvert : la masse qui manque est exactement celle du gaz parti dans l’air. Dans un récipient fermé (et assez solide !), la masse resterait constante.

On verse de la soude dans la solution obtenue après attaque complète du zinc. Qu’observe-t-on ? Écris le nom du produit formé.

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Un précipité blanc apparaît : c’est l’hydroxyde de zinc, formé par la rencontre des ions $\mathrm{Zn^{2+}}$ et des ions $\mathrm{OH^{-}}$ . Ce test prouve que des ions zinc sont bien passés en solution.

Un élève affirme : « L’acide chlorhydrique n’attaque pas le cuivre, donc l’acide est trop faible. » Corrige son raisonnement.

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Ce n’est pas une question de « force » de l’acide : le même acide attaque le fer ou le zinc. C’est le cuivre qui est moins réactif que l’hydrogène : il ne peut pas céder ses électrons aux ions $\mathrm{H^{+}}$ . Même concentré, l’acide chlorhydrique n’attaque pas le cuivre.

Pour chaque proposition, indique vrai ou faux en justifiant : 1° la réaction acide-métal est exothermique ; 2° on peut ajuster une équation en changeant $\mathrm{H_2}$ en $\mathrm{H_3}$ ; 3° le gaz formé est du dioxygène.

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Vrai : le tube tiédit, la réaction libère de l’énergie.
Faux : on ne modifie jamais une formule ; on ajuste seulement les coefficients. $\mathrm{H_3}$ n’existe pas.
Faux : le gaz « aboie » à l’allumette, c’est du dihydrogène. Le dioxygène, lui, rallume une bûchette incandescente.

L’attaque du fer par l’acide sulfurique (ions $\mathrm{H^{+}}$ et $\mathrm{SO_4^{2-}}$ ) produit-elle aussi du dihydrogène ? Écris l’équation.

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Oui : ce sont les ions $\mathrm{H^{+}}$ qui réagissent, quel que soit l’acide
$\Rightarrow$ $\mathrm{Fe + 2\,H^{+} \longrightarrow Fe^{2+} + H_2}$
les ions $\mathrm{SO_4^{2-}}$ sont spectateurs, comme $\mathrm{Cl^{-}}$

Niveau 3 — Défi

On fait réagir $6{,}5$ g de zinc avec un excès d’acide. Sachant qu’une « unité » de $65$ g de zinc libère $2$ g de dihydrogène, quelle masse de dihydrogène obtient-on ? Quel volume cela représente-t-il, sachant qu’un gramme de dihydrogène occupe environ $12$ L ?

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$6{,}5\ \mathrm{g} = \dfrac{65\ \mathrm{g}}{10}$ proportionnalité
$\Rightarrow$ $m_{\mathrm{H_2}} = \dfrac{2}{10} = 0{,}2\ \mathrm{g}$
$V = 0{,}2 \times 12$
$=$ $2{,}4\ \mathrm{L}$ de dihydrogène

Un mélange de grenaille contient du cuivre et du zinc. Propose un protocole complet pour récupérer le cuivre pur, en citant le matériel de sécurité.

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Avec lunettes et blouse, verser le mélange dans un excès d’acide chlorhydrique : le zinc est entièrement dissous ( $\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$ ), le cuivre reste intact.
Attendre la fin de l’effervescence — signe que tout le zinc a réagi.
Filtrer : le cuivre est recueilli sur le filtre.
Rincer à l’eau distillée puis sécher : on obtient le cuivre pur.

L’étiquette d’un déboucheur indique « contient de l’acide sulfurique concentré — ne pas utiliser sur l’aluminium ». Justifie cet avertissement par une équation et par un argument de sécurité.

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$\mathrm{2\,Al + 6\,H^{+} \longrightarrow 2\,Al^{3+} + 3\,H_2}$

L’acide attaque l’aluminium des siphons et canalisations : la tuyauterie est percée à terme. De plus, la réaction dégage du dihydrogène inflammable dans un espace confiné et de la chaleur — double risque d’explosion et de projection d’acide.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante

Le forgeron de Ndjamena. Mahamat, forgeron au quartier Moursal, décape ses pièces d’acier (alliage de fer) dans un bain d’acide chlorhydrique avant de les peindre.

Écris l’équation de la réaction qui nettoie la surface des pièces.
Pourquoi Mahamat travaille-t-il porte ouverte, loin de sa forge allumée ?
Pourquoi le bain d’acide « s’use »-t-il au fil des semaines ?

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$\mathrm{Fe + 2\,H^{+} \longrightarrow Fe^{2+} + H_2}$

2. La réaction dégage du dihydrogène inflammable : près des braises de la forge, une poche de gaz pourrait exploser. Il faut aérer et éloigner toute flamme.

3. Chaque pièce décapée consomme des ions $\mathrm{H^{+}}$ : leur concentration diminue, l’acide devient de moins en moins efficace, et le bain s’enrichit en ions $\mathrm{Fe^{2+}}$ . Il faut le renouveler.

La gouttière d’Awa (Dakar). Awa remarque que la gouttière en zinc de sa maison de la Médina est percée juste sous un mur d’où ruisselle un produit détartrant acide utilisé sur la terrasse.

Explique l’origine du trou à l’aide d’une équation.
Le voisin propose de remplacer le morceau par une plaque de cuivre. Qu’en penses-tu pour la résistance à l’acide ?

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$\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}$

Le détartrant acide qui ruisselle attaque le zinc : le métal se dissout peu à peu, jusqu’à percer la gouttière.

2. Le cuivre n’est pas attaqué par les acides usuels : la plaque résisterait. (En pratique on évite quand même le contact direct zinc-cuivre, qui accélère la corrosion du zinc voisin — tu le verras au chapitre 6.)

Le laboratoire du lycée d’Abidjan. Pour un TP, le professeur de Yasmine veut produire du dihydrogène pour remplir un petit ballon de baudruche de $2{,}4$ L. Un gramme de dihydrogène occupe environ $12$ L, et $65$ g de zinc libèrent $2$ g de dihydrogène.

Quelle masse de dihydrogène faut-il produire ?
Quelle masse de zinc faut-il prévoir ?
Cite deux consignes de sécurité indispensables pendant ce TP.

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$m_{\mathrm{H_2}} = \dfrac{V}{12}$
$=$ $\dfrac{2{,}4}{12} = 0{,}2\ \mathrm{g}$

2. Par proportionnalité :

$0{,}2\ \mathrm{g}$ de $\mathrm{H_2}$ $= \dfrac{2\ \mathrm{g}}{10}$
$\Rightarrow$ $m_{\mathrm{Zn}} = \dfrac{65}{10} = 6{,}5\ \mathrm{g}$ de zinc

3. Lunettes et blouse obligatoires (acide corrosif) ; aucune flamme à proximité et salle aérée (dihydrogène inflammable) ; verser l’acide dans l’eau pour toute dilution.

Action des acides sur les métaux

Ce que tu sauras faire à la fin

1L’expérience de référence : acide chlorhydrique et zinc

2Identifier le gaz : le test du dihydrogène

3Écrire l’équation de la réaction

4Tous les métaux ne réagissent pas

5Applications et dangers

Fiche mémo

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Atome, ions et classification périodique