Savon, ciment, sucre, eau de Javel, chaux, robinets en laiton : derrière les objets de tous les jours, il y a des réactions chimiques menées à grande échelle. L'Exetat pose des questions de connaissance sur ces procédés : à quoi sert une étape, quel produit se forme, de quoi est fait un alliage.
L'essentiel
- Électrolyse du sel (procédé chlore-soude) : 2 NaCl + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + Cl₂. Le dichlore se dégage à l'anode, le dihydrogène à la cathode, et la soude reste en solution. Eau de Javel : dichlore dans de la soude froide, Cl₂ + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H₂O ; l'hypochlorite de sodium NaClO blanchit et désinfecte.
- Chaux : le calcaire chauffé dans un four à chaux donne la chaux vive, CaCO₃ → CaO + CO₂. Arrosée d'eau, elle devient la chaux éteinte (réaction d'extinction, très chaude) : CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
- Ciment Portland : un mélange broyé de calcaire et d'argile est cuit vers 1 450 °C ; on obtient le clinker, que l'on broie finement (avec un peu de gypse) pour faire le ciment.
- Savon : on cuit des graisses ou des huiles avec de la soude (saponification), ce qui donne du savon et du glycérol. Le relargage consiste à ajouter beaucoup de sel : le savon devient insoluble et remonte, séparé de la lessive qui garde la glycérine. Raffinage des huiles : la neutralisation par la soude élimine les acides gras libres sous forme de savons.
- Sucrerie : le jus de canne est épuré par chaulage (la chaux fait précipiter les impuretés), puis par carbonatation (le CO₂ élimine l'excès de chaux sous forme de carbonate de calcium) ; on concentre ensuite le jus et on fait cristalliser le sucre.
- Aluminothermie : l'aluminium réduit l'oxyde d'un autre métal, avec un fort dégagement de chaleur (Cr₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Cr). Elle sert à préparer le chrome ou le manganèse, et à souder des rails.
- Alliages : bronze = cuivre + étain (statues, cloches) ; laiton = cuivre + zinc (robinets, trompettes) ; maillechort = cuivre + zinc + nickel (couverts, clés) ; acier = fer + un peu de carbone ; acier inoxydable = fer + chrome (+ nickel) ; duralumin = aluminium + cuivre (+ magnésium), léger et résistant.
- Un produit cosmétique est destiné à l'hygiène et à la beauté du corps (peau, cheveux, dents, ongles) : savon de toilette, dentifrice, crème, shampooing. Un médicament, lui, sert à soigner.
Les formules
- Électrolyse du sel
- 2 NaCl + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + Cl₂
- Cl₂ à l'anode ; H₂ à la cathode
- Eau de Javel
- Cl₂ + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H₂O
- à froid
- Four à chaux et extinction
- CaCO₃ → CaO + CO₂ ; CaO + H₂O → Ca(OH)₂
- chaux vive CaO ; chaux éteinte Ca(OH)₂
- Aluminothermie
- Cr₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Cr
- très exothermique
La méthode
- 1Repère le procédé dont parle la question (savon, ciment, sucre, chaux, eau de Javel, alliage).
- 2Rappelle-toi le but de chaque étape : séparer (relargage), épurer (chaulage, carbonatation), cuire (clinker), réduire un oxyde (aluminothermie).
- 3Pour un produit, écris l'équation et vérifie la conservation des atomes : elle permet souvent de trouver la formule demandée (NaClO dans l'eau de Javel).
- 4Pour un calcul de production, applique la stœchiométrie : moles de matière première, coefficients, moles de produit, puis masse.
- 5Pour un alliage, associe le métal principal (souvent le cuivre) au métal ajouté : étain pour le bronze, zinc pour le laiton, zinc et nickel pour le maillechort.
Un exemple résolu
Un four à chaux traite 500 kg de calcaire pur (CaCO₃). Quelle masse de chaux vive obtient-on ? Quelle masse de chaux éteinte peut-on ensuite préparer ? (Ca = 40 ; C = 12 ; O = 16 ; H = 1)
- 1.Équation de cuisson : CaCO₃ → CaO + CO₂. M(CaCO₃) = 40 + 12 + 48 = 100 g/mol, M(CaO) = 56 g/mol.
- 2.Une mole de CaCO₃ donne une mole de CaO : 100 g de calcaire donnent 56 g de chaux vive.
- 3.Par proportion, 500 kg donnent 500 × 56/100 = 280 kg de CaO (et 220 kg de CO₂ partent dans l'air).
- 4.Extinction : CaO + H₂O → Ca(OH)₂, avec M(Ca(OH)₂) = 40 + 2 × 17 = 74 g/mol.
- 5.Une mole de CaO donne une mole de Ca(OH)₂ : 280 × 74/56 = 370 kg.
Réponse : 280 kg de chaux vive, puis 370 kg de chaux éteinte.
Les pièges à éviter
- Confondre chaux vive (CaO) et chaux éteinte (Ca(OH)₂), ou avec le calcaire (CaCO₃).
- Croire que l'électrolyse d'une solution de sel donne du sodium métallique : en solution aqueuse, on obtient H₂ à la cathode et de la soude ; le sodium ne s'obtient qu'avec le sel fondu.
- Confondre bronze (cuivre + étain) et laiton (cuivre + zinc).
- Penser que le relargage blanchit ou parfume le savon : il sert à séparer le savon de la lessive glycérineuse grâce au sel.
- Écrire NaClO₃ (chlorate) au lieu de NaClO (hypochlorite) pour le principe actif de l'eau de Javel.
À retenir
Chlore-soude : Cl₂ à l'anode, H₂ à la cathode, NaOH en solution, et Cl₂ + soude froide donne l'eau de Javel (NaClO) ; bronze = Cu + Sn, laiton = Cu + Zn.