Sciences · Chimie
Conservation de la masse
Au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs consommés est égale à la masse totale des produits formés. Les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils se réarrangent.
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Quand une bûche brûle, il ne reste qu’un petit tas de cendres. La matière a-t-elle disparu ? Non : elle est partie sous forme de gaz. Si l’on pouvait tout récupérer, la masse des produits serait exactement égale à celle de la bûche et du dioxygène consommés. C’est la loi de conservation de la masse, établie expérimentalement à la fin du XVIIIᵉ siècle par Antoine Lavoisier et étudiée en 4e en France.
L’énoncé
On la résume souvent par la formule attribuée à Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », qui est une reformulation tardive de ses idées plutôt qu’une citation exacte. Voir Lavoisier.
L’explication par les atomes
Une transformation chimique réorganise les atomes : les liaisons entre atomes se rompent et de nouvelles se forment. Mais les atomes eux-mêmes ne disparaissent pas et n’apparaissent pas. Il y a donc, avant et après, le même nombre d’atomes de chaque élément, et la masse totale ne change pas.
C’est pour cela qu’une équation chimique doit être équilibrée : on vérifie que chaque élément figure le même nombre de fois de chaque côté (voir équilibrer une équation chimique).
Pourquoi la balance semble parfois contredire la loi
La loi ne s’observe que si le système est fermé : rien ne doit entrer ni sortir.
| Expérience en récipient ouvert | Ce que montre la balance | Explication |
|---|---|---|
| Craie ou bicarbonate dans du vinaigre | La masse diminue | Le dioxyde de carbone formé s’échappe dans l’air |
| Combustion d’une bougie | La masse diminue | Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau partent dans l’air |
| Combustion de laine de fer (paille de fer) | La masse augmente | Le fer fixe le dioxygène de l’air, qui n’était pas pesé au départ |
| Rouille d’un clou | La masse augmente | Le fer fixe du dioxygène et de l’eau |
L’augmentation de masse des métaux chauffés à l’air était connue avant Lavoisier ; c’est lui qui l’expliqua par la fixation d’une partie de l’air, en travaillant en récipients clos et en pesant tout avec soin.
Expérience classique : vinaigre et bicarbonate en flacon fermé
Matériel : une balance au 0,1 g, un flacon en plastique avec un bouchon ou un ballon de baudruche, du vinaigre, du bicarbonate de sodium (hydrogénocarbonate de sodium), une petite coupelle ou un sachet de papier, lunettes de protection.
- Verser 50 mL de vinaigre dans le flacon, placer 2 g de bicarbonate dans le ballon de baudruche et fixer le ballon sur le goulot sans laisser tomber la poudre.
- Peser l’ensemble : par exemple 128,4 g.
- Redresser le ballon pour faire tomber le bicarbonate dans le vinaigre : effervescence, le ballon gonfle.
- Peser à nouveau, une fois la réaction terminée : la balance indique toujours environ 128,4 g.
- Retirer le ballon pour laisser le gaz s’échapper, puis peser : la masse a diminué de quelques dixièmes de gramme.
Remarque : le ballon gonflé subit une poussée d’Archimède de l’air un peu plus grande, ce qui peut fausser la pesée de quelques dixièmes de gramme. Un flacon rigide bien bouché donne une mesure plus juste, à condition de rester avec de très petites quantités.
Et les transformations physiques ?
La masse se conserve aussi lors d’une transformation physique : 100 g de glace donnent 100 g d’eau liquide ; 10 g de sel dissous dans 200 g d’eau donnent 210 g d’eau salée. Le volume, en revanche, peut varier.
Les limites de la loi
La conservation de la masse est vérifiée avec une excellente précision pour les réactions chimiques. Selon la relativité, l’énergie libérée ou absorbée correspond à une variation de masse (E = mc²), mais elle est si infime pour une réaction chimique qu’aucune balance ne peut la détecter. Pour les réactions nucléaires, en revanche, la perte de masse est mesurable : c’est l’origine de l’énergie des centrales et du Soleil. Voir E = mc².
Erreurs fréquentes
- Conclure que la loi est fausse parce que la masse varie en récipient ouvert : un gaz est entré ou sorti.
- Oublier la masse des gaz (dioxygène consommé, dioxyde de carbone produit) dans le bilan.
- Confondre conservation de la masse et conservation du volume : le volume ne se conserve pas forcément.
- Additionner la masse des réactifs en excès : seule la masse qui a effectivement réagi compte.
Exercice corrigé
Énoncé. On fait brûler 3,0 g de carbone dans un flacon fermé contenant du dioxygène en excès. On obtient 11,0 g de dioxyde de carbone. 1) Quelle masse de dioxygène a réagi ? 2) Avant la réaction, le flacon et son contenu pesaient 215,6 g : que pèsent-ils après ? 3) Et si le flacon avait été ouvert ?
Corrigé.
m(O₂) = 11,0 − 3,0 = 8,0 g.- Toujours 215,6 g : le système est fermé.
- Le dioxyde de carbone, gazeux, se serait échappé et de l’air serait entré : la masse mesurée ne permettrait plus de vérifier la loi.
Questions fréquentes
D’où vient la masse d’un arbre ?
Pour l’essentiel, du dioxyde de carbone de l’air, fixé par la photosynthèse, et de l’eau. Les minéraux puisés dans le sol ne représentent qu’une faible part.
Lavoisier a-t-il vraiment dit « rien ne se perd, rien ne se crée » ?
La phrase exacte n’apparaît pas sous cette forme dans ses écrits ; c’est un résumé populaire de son principe. Une idée voisine avait d’ailleurs été formulée bien avant lui par des philosophes de l’Antiquité.
Pourquoi un morceau de bois brûlé pèse-t-il moins lourd ?
Parce que la majeure partie de sa matière est partie sous forme de gaz (dioxyde de carbone, vapeur d’eau). Les cendres ne contiennent que les minéraux non combustibles.