Corrigé du TP de chimie

Combustion des corps simples, distinction entre éléments métalliques et éléments non métalliques

Combustion du sodium

Expérience
Le sodium est un corps simple (c’est-à-dire formé d’un seul élément chimique : l’élément sodium, Na). Il se présente sous la forme d’un solide mou, ayant la consistance de la pâte à modeler, gris pâle, conservé dans de l’huile de pétrole.
On en coupe un morceau au couteau. À la cassure, il présente l’éclat métallique (pouvoir réflecteur propre aux métaux). Son aspect terne n’est dû qu’à la couche superficielle d’oxyde de sodium qui se forme dès qu’il est en contact avec l’air. C’est pour le protéger de cette oxydation et de toute réaction (vive) avec l’eau qu’on le conserve dans l’huile de pétrole (mélange d’alcanes avec lesquels il ne réagit pas.Le morceau coupé est séché avec du papier filtre (éviter tout contact avec les doigts car il réagit avec l’eau et provoque donc des brûlures par déshydratation, par la chaleur que provoque cette déshydratation et par la soude qui se forme lors de cette réaction avec l’eau. On en fait une boule que l’on place dans un têt à combustion (petit creuset de forme adaptée à ce type d’expériences).On plonge la flamme du bec Bunsen (réglage d’une flamme pointue en ouvrant complètement l’arrivée d’air). Le sodium fond facilement (à 97,8 °C) mais la croûte d’oxyde de sodium qui se forme lors de son chauffage à l’air retarde cette fusion. Puis il devient incandescent, on l’introduit alors dans un flacon de dioxygène (rempli sur une cuve à eau avec une bouteille de dioxygène comprimé).Dans le dioxygène la combustion (réaction avec O2) produit une vive lumière jaune orangé et une fumée blanche.
(Une « fumée » est formée de particules solides alors qu’un bouillard est formé de gouttelettes liquides).La fumée blanche est très soluble dans l’eau. L’addition de quelques gouttes de phénolphtaléine (incolore) donne une teinte magenta à la solution aqueuse obtenue. La solution est basique (la phénolphtaléine prend cette teinte à partir de pH = 9 environ).
Le sodium n’ayant pas brûlé est éliminé par dissolution dans l’éthanol (formation d’une solution d’éthanolate de sodium).

Équations bilans
* combustion du sodium : 2 Na(sol) + O2 (gaz) = Na2O(sol)
Na2O est l’oxyde de sodium, composé ionique (2 Na+,O22), blanc, très soluble dans l’eau
* réaction de l’oxyde de sodium avec l’eau : Na2O(sol) + H2O = 2 Na+(aq) + 2 OH(aq)
Cette réaction donne bien une solution basique : solution de soude (ou hydroxyde de sodium).

Remarques
Cette dernière réaction s’explique par la grande solubilité de Na2O et le fait que O2 est une base très forte. Son mécanisme est donc : Na2O(sol = 2 Na+(aq) + O2(aq) puis O2(aq) + H2O = 2 OH(aq)
La combustion du sodium produit aussi, surtout si la température s’élève beaucoup et si le dioxygène est en excès, du peroxyde de sodium Na2O2 (ou (2 Na+,O22)) voire du superoxyde de sodium NaO2 (ou (Na+,O2)).
Le peroxyde de sodium se dissout dans l’eau avec formation d’une solution de soude et dégagement de dioxygène. Il servait (sous le nom d’oxylithe) à la préparation de O2 avant la généralisation de l’usage des bouteilles de dioxygène comprimé (obtenu par distillation fractionnée de l’air liquide) : Na2O2(sol) + H2O = 2 Na+(aq) + 2 OH(aq) + 1/2 O2(gaz)
Un autre alcalin, le potassium, K, est très semblable au sodium et réagit de même, mais il est plus dangereux à manipuler car sa combustion peut s’amorcer spontanément si la chaleur due à son oxydation lente à l’air est mal évacuée.

Combustion du fer

Expérience

La paille de fer (fils de fer fins, entrelacés), portée à l’incandescence à l’air, brûle avec une incandescence bien plus vive dans le dioxygène (lumière presque blanche). Il y a formation de gouttes d’oxyde magnétique de fer, immédiatement solidifiées pour donner des globules gris.Pour éviter que les l’oxyde magnétique de fer, très chaud, projeté sur la paroi en verre ne casse le flacon, on a mis un peu d’eau au fond du récipient. Même après un long contact avec l’eau, il n’y a aucune dissolution observable. Par contre, dans une solution acide concentrée, l’oxyde magnétique de fer peut être dissous.

Équations bilans

* combustion du fer : 3 Fe(sol) + 2 O2 (gaz) = Fe3O4(sol)
Fe3O4 est l’oxyde magnétique de fer, composé ionique (2 Fe3+, Fe2+, 4 O22), gris, insoluble dans l’eau. Son nom vient du fait qu’il s’aimante, comme le fer ou l’acier, dans un champ magnétique ; certains échantillons sont naturellement aimantés.
* réaction de l’oxyde magnétique de fer avec une solution acide : Fe3O4(sol) + 8 H3O+ = 2 Fe2+(aq) + Fe2+(aq) + 12 H2O

Remarques
D’autres oxydes de fer existent : l’oxyde de fer(II) FeO (ou Fe2+,O2)) et l’oxyde de fer(III) Fe2O3 (ou (2 Fe3+,3 O2)) mais ils ne se forment pas dans les conditions de l’expérience réalisée.

Combustion de l’aluminium

Expérience
La combustion de l’aluminium est très difficile à amorcer car il est très oxydable et par conséquent il est recouvert d’une couche d’alumine, imperméable et difficile à fondre. On place de la poudre d’aluminium dans un cornet en toile métallique (fer). C’est la combustion du fer qui amorce celle de l’aluminium car elle élève suffisamment ma température pour faire fondre la couche d’alumine. Dans le dioxygène, la combustion de l’aluminium produit une lumière blanche aveuglante (très riche en ultraviolet).L’alumine, solide blanc, est insoluble dans l’eau mais il se dissout en solution acide et en solution basique.

Équations bilans
* combustion de l’aluminium : 4 Al(sol) + 3 O2(gaz) = 2 Al2O3(sol)
Al2O3 est l’oxyde d’aluminium ou alumine, composé ionique (2 Al3+,3 O2), blanc, insoluble dans l’eau.
* réaction de l’alumine en solution acide :
Al2O3 (sol) + 6 H3O+(aq) = 2 Al3+(aq) + 9 H2O
* réaction de l’alumine en solution basique :
Al2O3 (sol) + 2 OH(aq) + 3 H2O = 2 Al(OH)4(aq)

Combustion du zinc
Expérience
On verse de la poudre de zinc dans l flamme du bec Bunsen. La poudre brûle en produisant une lumière bleu-vert. On obtient une poudre blanche, l’oxyde de zinc.
L’oxyde de zinc n’est pas soluble dans l’eau mais il se dissout dans les solutions acides et dans les solutions fortement basiques.

Équations bilans
* combustion du zinc : Zn(sol) + O2(gaz) = ZnO(sol)
ZnO est l’oxyde de zinc, composé ionique (Zn2+,O2), blanc, insoluble dans l’eau.
* réaction de l’oxyde de zinc en solution acide :
ZnO(sol) + 2 H3O+(aq) = Zn2+(aq) + 3 H2O
* réaction de l’oxyde de zinc en solution basique :
ZnO(sol) + 2 OH(aq) + H2O = Zn(OH)42(aq)

Conclusion
Les oxydes des corps simples métalliques sont des composés ioniques. Ceux de la famille des alcalins (Li, Na, K…) sont solubles dans l’eau et leur solutions aqueuses sont basiques. Les autres sont peu solubles ou insolubles dans l’eau mais peuvent tous se dissoudre dans les solutions acides (certains sont aussi solubles en solution basique). Ce sont des « oxydes basiques » (certains sont « amphotères ».

6) Combustion du soufre
Expérience
L’élément soufre forme plusieurs corps simples différents : S8, S6, Sn. Le plus stable est le cyclooctasoufre de formule S8, solide de couleur jaune, utilisé souvent sous forme de poudre (fleur de soufre).
On enflamme le soufre à l’air avec la flamme du bec Bunsen. On voit se former des gouttes brunes (S8 fondu) mais les flammes bleues obtenues sont peu visibles. On sent une odeur suffocante, c’est celle du dioxyde de soufre (hotte aspirante nécessaire).

Le soufre ainsi enflammé est introduit dans un flacon de dioxygène contenant un peu d’eau. La combustion devient bien plus vive ; la flamme bleue devient très lumineuse et on voit se former un peu de fumée blanche de trioxyde de soufre