COURS-LABORATOIRE DE CHIMIE
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1. on frotte avec un chiffon de soie deux baguettes transparentes de polyacryl les baguettes se chargent d lectricit L une des baguettes tant pos e sur un support lui permettant une libre rotation on en approche la seconde baguette Repr sentons sch matiquement le dispositif et notons nos observations 2 me exp rience on frotte avec un chiffon de laine deux baguettes de PVC noires les baguettes se chargent d lectricit Le dispositif tant le m me que pour la premi re exp rience notons nos observations 3 me exp rience on rapproche de la baguette de PVC charg e et pos e sur son support une baguette de polyacryl frott e avec un chiffon de soie Repr sentons sch matiquement le dispositif et notons nos observations Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 10 Conclusions les baguettes polyacryliques sont charg es de la m me fa on on parle par convention d lectricit positive les baguettes de PVC sont charg es de la m me fa on mais cette charge est diff rente de celle des baguettes de polyacryl on parle par convention d lectricit n gative On voit donc que Atome et forces lectrostatiques Selon le mod le de Rutherford l atome se pr sente comme un syst me solaire en miniature le noyau repr sente le soleil et les lectrons les plan tes Comme dans un syst me solaire la plus grande partie de l espace occup par un atome est2. aide d un spectroscope prisme On voit alors appara tre des raies color es sp cifiques de l atome excit Cette explication tr s simplifi e ne correspond plus aux th ories actuelles mais elle suffit pour aborder l tude de l atome Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 11 F T paoa lectron ayant absorb de l nergie pour monter d une orbite une autre lectron mettant de l nergie sous forme lumineuse pour descendre d une orbite une autre Cette coloration d pend de la structure lectronique de cet atome c est dire de la r partition des lectrons dans les diff rentes orbites ou couches Cette notion sera reprise lorsque nous tudierons le tableau p riodique Bien que le mod le de Bohr ne soit qu un mod le simplifi il est cependant suffisant pour expliquer un grand nombre de ph nom nes chimiques De nos jours avec les th ories de la m canique quantique on consid re l lectron non plus comme une particule sur une orbite autour du noyau mais comme une sorte de nuage lectronique de contour incertain le mod le correspondant est appel mod le quantique Les particules l mentaires de la mati re A la suite de Thompson et Rutherford les physiciens nucl aires ont continu le processus de s paration des atomes en constituants plus simples Ils ont trouv que le noyau lui m me est form de particules appel es nucl ons Il y a deux sortes de nucl
3. atomes tous pareils mais diff rents des atomes de fer Qu est ce qui diff rencie les atomes de fer des atomes de cuivre Ont ils quelque chose en commun Nous allons dans ce chapitre aborder les th ories physiques et chimiques qui permettent de r pondre ces questions Dans l antiquit certains philosophes tel Democrite 460 370 av J C avaient d j postul l existence de particules l mentaires indivisibles en grec a tomos Mais les premi res preuves exp rimentales de l existence des atomes ont t apport es par John Dalton un ma tre d cole anglais en 1805 Il ne disposait pas videmment des techniques extr mement sophistiqu es actuelles qui permettent de visualiser M les atomes d un chantillon Dalton pensait que les atomes sont indivisibles Ce n est que vers la fin du 19e si cle que l on montra par des d couvertes dans les domaines de l lectricit et de la radioactivit que l atome est lui m me constitu de particules encore plus John Dalton 1776 1844 ICrOSCopiques En 1896 J J Thomson physicien britannique a montr qu un atome contient des particules extr mement l g res charg es n gativement les lectrons Thomson tudiait l effet de tensions lev es sur les gaz En appliquant une haute tension entre les lectrodes m talliques d un tube de verre renfermant une faible quantit de gaz il observa que la couleur du rayo
4. HE BE H bii L LES ELEMENTS DE TRANSITION sont des l ments ELECTROPOSITIFS Ce sont tous des m taux ZA LES GAZ RARES sont des l ments qui ont leur couche externe compl te Ils sont STABLES Tous les l ments artificiels sont not s en vid sur votre tableau p riodique ex Te Ils ont t obtenus en laboratoire et n existent pas dans la nature Ils sont radioactifs instables Cependant parmi les l ments trouv s dans la nature certains sont aussi radioactifs par exemple l uranium Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 19 EXERCICES 1 Donnez le symbole de l l ment a dont Z 3 b qui poss de 3 couches lectroniques occup es et 5 lectrons externes c qui contient trois fois plus de protons que l atome d oxyg ne d qui est un m tal liquide 25 C e qui poss de 8 lectrons externes dans la 4 me couche Citez deux m taux qui se trouvent l tat liquide une temp rature de 600 C et l tat gazeux une temp rature de 1600 C Dans le tableau p riodique que repr sente l ensemble des l ments a d une ligne b d une colonne Donnez l criture symbolique d un atome qui poss de 22 particules l mentaires en tout Y a t il plusieurs possibilit s L l ment magn sium est constitu de trois isotopes L abondance du magn sium 24 est de 79 et celle du magn sium 25 de 10 Quel est le troisi me isotope du magn sium
5. Li cation F anion Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 24 Dans ce type de liaison on peut consid rer que l lectron de valence du lithium ne se situe plus dans l environnement proche du lithium mais dans celui du fluor du fait de l lectron gativit de ce dernier Les solides dont les liaisons sont de ce type forment des solides r seaux ioniques o chaque cation est entour d anions et vice versa Un solide dont les particules sont ainsi rigoureusement ordonn es est appel cristal Ainsi dans le chlorure de sodium chaque cation Na est entour de 6 anions CI chaque ion chlorure devant tre galement entour de 6 ions sodium Dans de tels r seaux il n existe pas r ellement de mol cules la formule mol culaire formule brute repr sente en fait la formule la plus simple qui repr sente la constitution du cristal Ces solides sont g n ralement cassants solubles dans l eau et poss dent un point de fusion lev cette derni re propri t montre que les liaisons ioniques sont tr s fortes EXERCICES Compl tez le tableau suivant ion nombre de protons nombre d lectrons Covalence Lorsque la diff rence d lectron gativit entre les atomes qui se lient est inf rieure 1 7 caract re ionique lt 50 on consid re qu il y a mise en commun d lectrons de valence Chaque atome li fournit un ou plusieurs c libataire
6. Posez et r solvez le calcul n cessaire pour justifier votre r ponse Structure de Lewis Les recherches sur les propri t s des lectrons ont montr que deux lectrons ont tendance se coupler On dit qu ils forment alors une paire Il ne faut pas imaginer que ces deux lectrons se collent puisque charg s tous deux n gativement ils se repoussent Mais on verra plus loin que des lectrons appari s sont moins r actifs et qu ils participent plus rarement la formation des liaisons entre atomes Les lectrons externes sont appel s aussi lectrons de valence ce sont eux qui participent aux liaisons entre atomes La repr sentation de Lewis permet de repr senter la structure lectronique externe d un atome Les lectrons y sont repr sent s par des points pour les c libataires et des traits pour des paires Ces signes sont plac s autour du symbole de l atome EXEMPLES Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 20 EXERCICES 1 2 A quel l ment appartient un atome constitu de 120 neutrons et dont A 198 Donnez le symbole chimique d un atome qui poss de un nombre de masse de 66 et dont le noyau poss de 29 protons Quels sont les points communs et les diff rences entre a Deux atomes appartenant la m me colonne du tableau p riodique b Le cation monovalent une seule charge K et un atome d argon c Deux isotopes d un m me l ment Illustrez les r ponses des poi
7. les chimistes ont tent de classer ces l ments A cette poque alors qu il tait impossible de peser un atome des mesures indirectes avaient d j permis de classer les atomes par masses croissantes Dans un tel classement rudimentaire on s tait alors aper u que tous les 8 ou 16 l ments certaines propri t s chimiques taient proches Ainsi le lithium le sodium le potassium s enflamment spontan ment au contact de l eau Dimitri Mendele ev en 1869 propose un tableau tenant compte de ces analogies tableau qui ne sera que l g rement modifi par la suite Il contient actuellement 112 l ments dispos s sur 7 lignes par ordre de num ro atomique croissant Bien qu l poque de Mendele ev les protons n taient pas identifi s et donc le num ro atomique inconnu le tableau qu il imagine est compatible avec cette m thode de classement Le mod le atomique de Niels Bohr dont nous avons parl p 10 permet de comprendre pourquoi les propri t s chimiques se retrouvent tous les 8 ou 16 l ments Rappelons que selon ce mod le les lectrons ne peuvent occuper que certaines orbites autour du noyau organis es en couches concentriques Pour compl ter le mod le il faut pr ciser que la couche la plus proche du noyau peut contenir 2 lectrons au maximum alors que pour les couches suivantes le maximum est de 8 lectrons par couche Electrons externes z a a a a a SH Ep a a i 54 Fe a
8. H a a a H 1 PH Fe a HF a F a a HE Fe a F a HF a H 5 5 HE H 5 E 5 je je H H a a z 5 5 a E ii i i ii FE hi H HE t Fe Hs Hs gi i gi gi Ti t t HE s Es RE HEE E HE 5 5 5 Fe Hi ii a 5 a 5 a 5 HE SE 5 5 n n z z z 5 H 5 z n n 7 j 5 F F HR Hi F HE 5 5 j 2 5 H F S F A ki Hi 5 i ii ii B 7 k f fii fs 2 p 5 5 H p 5 p j p 5 fs 5 p 5 is e p He p 5 p j A zi 4 tete RE RER SEE nE KE nE KE n E EE E E Ei i a zi HE pi FH trt t HE s hs H i 5 i H B i E p pe Bp ti ki H H p 8 7 p riodes correspondant aux 7 couches lectroniques Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 18 EXERCICES En respectant les r gles expos e la page pr c dente et en suivant les indications de l enseignant repr sentons le mod le de Bohr pour les atomes suivants lithium azote sodium phosphore potassium Que remarque t on Pourrait on mettre cette observation en lien avec les propri t s chimiques des l ments et avec leur position dans le tableau p riodique Ainsi le tableau p riodique nous apporte une autre information Il nous permet de retrouver le nombre de couches lectroniques occup es par les lectrons d un l ment ainsi que le nombre d lectrons da
9. elle que des atomes qui ob issent la r gle de l octet et donc devrait correspondre une mol cule stable CH CH4 CH5 Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 28 ke 10 11 12 13 14 En respectant la r gle de l octet crivez les formules brutes des mol cules qu il est possible de former en combinant un ou plusieurs atomes a de sodium et d oxyg ne b de silicium et d hydrog ne c d aluminium et d oxyg ne Pourquoi deux atomes de sodium ne se lient ils pas pour former la mol cule Na alors que deux atomes d hydrog ne peuvent se lier pour former la mol cule H Sachant que l un des deux types d atomes d une mol cule est de l aluminium dans chaque cas trouvez une formule brute possible pour que cette mol cule soit telle que a ses liaisons soient ioniques b ses liaisons soient covalentes Expliquez bri vement comment vous y tes parvenu Ecrivez deux formules d velopp es diff rentes poss dant la m me formule brute C H60 puis pr cisez la nature des liaisons Dessinez les formules d velopp es 3D des mol cules suivantes puis pr cisez si elles sont polaires ou apolaires a CC b BF c NH3 d CHBr e C2H6 Repr sentez les formules d velopp es 3D des mol cules suivantes a CH3CH CH b CHCOOH c CH C CH3 gt La balance la plus pr cise dont nous disposons au coll ge de Saussure poss de une pr cision de 0 1 mg Cette masse corr
10. entre particules atomes ou mol cules sont ici tr s grandes M me si en g n ral nous n observons aux temp ratures o nous vivons qu un seul tat physique pour chaque substance tous les corps peuvent prendre les trois tats physiques Par exemple on observe que la glace fond 0 C et que l eau bout 100 C Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 4 Ainsi tout objet peut passer d un tat l autre cela d pend de sa temp rature mais aussi de la pression ambiante Ces changements d tat peuvent tre r sum s par le sch ma suivant EPERREEEEEERRREEREE EEE RER EREEEREEEEEEREEREPEEEEEEEREEEREEEE ES LIQUIDE a Lorsque l on chauffe un corps l agitation des particules qui le constituent augmente Cette augmentation se traduit par une l vation de temp rature Toutefois lorsque le corps atteint une temp rature de changement d tat point de fusion ou point d bullition toute l nergie transmise au corps est utilis e pour permettre chaque particule de se d solidariser de ses voisines Ainsi le corps change d tat mais sa temp rature reste constante EXERCICES 1 2 Donnez le nom de tous les changements d tats sur le sch ma ci dessus Est il possible de trouver du mercure solide Si oui dans quelle condition A 100 C et sous une pression d une atmosph re dans quel tat physique se trouve a le brome b le phosphore c l eau d le sel de cuisine NaCl Indica
11. est dire les compos s form s d un squelette d atomes de carbone EXEMPLES Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 26 Les formules d velopp es Nous avons vu qu une mol cule est une construction tr s pr cise du point de vue e dela nature des atomes qui la composent e de leurs nombres respectifs e deleur position les uns par rapport aux autres e des caract ristiques des liaisons qui peuvent exister entre eux La formule d velopp e d une mol cule est une repr sentation dans laquelle les liaisons entre les atomes ainsi que les paires libres sont symbolis es par des traits permettant de rendre compte de la structure de cet difice Gr ce la repr sentation de Lewis et des r gles r gissant la formation des liaisons il est facile de repr senter les formules d velopp es 2D des mol cules EXEMPLES Les formules d velopp es permettent de repr senter les liaisons covalentes ainsi que les ions Mais on y indique aussi les paires d lectrons externes qui n ont pas servi la formation des liaisons car ils ont une influence sur la forme des mol cules puisque les paires d lectrons doublets libres ou de liaisons se repoussent En dessinant les mol cules on essaye de repr senter au mieux la disposition r elle des atomes en s effor ant de respecter les angles de liaison selon la r gle de R pulsion des Paires d lectrons de la Couche de Valence La m thode valable pour des ions ou mo
12. rer comme de l eau Cette unit c est g n ralement la mol cule Elle est constitu e d atomes li s entre eux par des liaisons chimiques et peut tre toujours repr sent e par une formule chimique ou formule brute Dans un corps simple chaque mol cule est constitu e d une seule sorte d atomes Dans un corps compos chaque mol cule est form e d au moins deux sortes d atomes diff rents La formule chimique de l eau H20 nous donne sa composition exacte une mol cule est compos e de deux atomes d hydrog ne et d un atome d oxyg ne L eau est donc un corps La formule chimique de l oxyg ne est O Chaque mol cule est donc compos e de 2 atomes d oxyg ne L oxyg ne est donc un corps sessssssssssessessssseesseese Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 7 Remarque les atomes ne se groupent pas toujours pour former des mol cules Dans les solides ils constituent souvent des r seaux dans lesquels on ne peut discerner de v ritables mol cules C est le cas du diamant vaste r seau cristallin constitu uniquement d atomes de carbone Dans le cas de certains gaz les atomes c est le cas du n on par exemple ne forment aucune liaison Seules des m thodes chimiques ou r actions chimiques permettent de casser les liaisons qui lient les atomes au sein d une mol cule C est le cas de l lectrolyse de l eau qui permet de casser la liaison entre les atomes d hydrog ne et l atome d oxyg ne Les a
13. 43 On peut d finir un m lange homog ne comme tant un m lange o d un point de vue macroscopique les propri t s physiques sont identiques en tout point Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 6 EXERCICES 1 Imaginez un m lange diff rent de ceux vus en classe de 2 gaz 2 liquides d un solide et d un liquide Indiquez si ces m langes sont homog nes ou h t rog nes 2 L air est il un corps pur Recherchez quels sont les constituants de l air et quelle m thode de s paration on utilise pour les s parer 3 Le gaz naturel est un m lange Recherchez quels en sont les constituants principaux 4 A quel type de m lange appartient le smog m lange d air de fum e et de poussi re qui recouvre les villes 5 Recherchez les noms et d finitions de 3 propri t s physiques autres que les points d bullition et de fusion Recherchez galement les valeurs et unit s de ces propri t s physiques pour trois corps de votre choix DU CORPS PUR A LA MOLECULE O l on apprend quelques caract ristiques de l unit de base des corps purs Imaginons que l on essaye de fractionner la mati re contenue dans un corps pur de la diviser en tr s tr s petits chantillons Jusqu o parviendrait on diviser un chantillon d un corps pur sans modifier les propri t s physiques de ce corps Autrement dit pour l eau par exemple quelle est la plus petite unit de mati re que l on peut encore consid
14. CICES Quel est l atome dont le nombre de masse est de 112 et le num ro atomique gal 48 Donnez le nombre de chacune des particules qui le composent 2 Compl tez dans la mesure du possible le tableau ci dessous Nombre de Nombre de Nombre protons neutrons d lectrons 3 Soit un atome de sodium 23 Qu obtiendrait on a si on pouvait lui ajouter un proton b si on pouvait lui ajouter un neutron 4 L isotope principal de l l ment chrome A 52 et celui de l l ment vanadium A 51 ont ils le m me nombre de neutrons Justifiez votre r ponse 5 Soit 5x et ei A quels l ments ces isotopes appartiennent ils Combien contiennent ils chacun de neutrons 6 Combien y a t il de neutrons dans chacun des atomes suivants 2350 60Co 12c 35C 7 L l ment cuivre est constitu de deux isotopes L un poss de 34 neutrons l autre 36 a Notez ces deux isotopes sous forme X b Sur la base de la masse atomique relative figurant sur votre tableau p riodique calculez l abondance de chacun de ces isotopes Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 17 LE TABLEAU PERIODIQUE DES ELEMENTS o l on apprend les crit res de classement des l ments dans celui ci Nous connaissons actuellement une centaine d l ments qui sont fr quemment class s dans un tableau appel tableau p riodique Vers le milieu du XIXe si cle alors qu une soixantaine d l ments seulement taient identifi s
15. COLLEGE DE SAUSSURE Ao t 2008 COURS LABORATOIRE DE CHIMIE o l on apprend se poser des questions sur la mati re dont est fait notre monde et sur les r actions auxquelles elle peut participer O l on d couvre quelques pistes pour y r pondre 1 ann e Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 2 INTRODUCTION o l on d couvre le but du cours de chimie de 1 ann e et le mode d emploi de ce document L objectif du cours de chimie de 1 re ann e est de pr senter les notions de base de la chimie en abordant cette science de mani re intuitive En favorisant une approche exp rimentale o l l ve est actif les enseignants souhaitent d velopper chez les l ves le go t pour une d marche scientifique Ce cours constitue un des l ments qui doivent permettre aux coll giens de confirmer le choix qu ils ont fait ou non d une option sp cifique Biologie et Chimie d s la deuxi me ann e Les compl ments th oriques ainsi que les exercices sont group s dans le pr sent document Celui ci ne constitue qu un r sum de cours il devra tre compl t par les notes prises durant les le ons par les comptes rendus des exp riences par les r ponses aux exercices et par des documents compl mentaires distribu s par l enseignant Les protocoles d exp riences sont s par s du cours bien que ce dernier s y r f re souvent En effet les exp riences constituent le support de la ch
16. Le noyau positif exerce sur les lectrons n gatifs une force d attraction lectrostatique pareille celle que nous avons observ e dans la 3 me exp rience Cette force est quilibr e par la force d inertie centrifuge due la grande vitesse de rotation des lectrons Ce mod le permet galement d expliquer les diff rentes couleurs mises par le tube lors de l exp rience de Thomson D autre part il explique aussi pourquoi lorsque l on introduit certains compos s dans une flamme celle ci se colore C est la th orie propos e par Niels Bohr 1913 qui nous vient en aide D apr s ce mod le les lectrons ne peuvent occuper que certaines orbites sp cifiques autour du noyau ils peuvent cependant sauter d une orbite proche du noyau une autre plus loign e en absorbant de l nergie puis peuvent retourner leur position initiale en mettant de l nergie sous forme lumineuse Lorsqu un atome re oit d une source ext rieure flamme ou autre suffisamment d nergie ses lectrons sont alors excit s et s loignent de leur couche lectronique de base selon la quantit d nergie re ue Lorsque l atome n est plus soumis la source d nergie les lectrons reviennent leur position initiale en rejetant sous forme d onde lectromagn tique l nergie re ue Si cette onde est visible alors on peut observer une coloration sp cifique de la flamme On peut s parer les couleurs l
17. c est le cas par exemple de l aluminium mais la plupart sont compos s de plusieurs isotopes La composition isotopique d un l ment c est dire la proportion de chacun des isotopes naturellement pr sents dans la nature est peu pr s constante Ainsi le chlore est il toujours compos de 75 8 de re et 24 2 de Te Ces deux pourcentage sont nomm s abondance naturelle de chacun des isotopes Discussion Pourquoi le nombre de masse ne figure t il pas sur le tableau p riodique d un l ment Dans le tableau p riodique figure une grandeur la masse atomique relative A qui donne la masse moyenne des atomes d un l ment Cette masse est exprim e dans une unit tr s petite l unit de masse atomique uma qui vaut 1 66 10 g Cette unit a t d finie de fa on nous donner une valeur proche du nombre de masse moyen des atomes de l l ment Exemple isotopes du potassium l ment potassium Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 16 Les isotopes d un l ment poss dent les m me propri t s chimiques mais des propri t s physiques qui peuvent tre diff rentes Ainsi l isotope du plomb de A 205 est radioactif alors que celui de A 207 ne l est pas Les propri t s radioactives de certains isotopes sont parfois exploit es des fins diverses Ainsi le carbone 14 est utilis pour la datation d objets anciens l uranium 235 dans les centrales nucl aires pour la production d nergie EXER
18. e cuivre est constitu de 29 protons et 29 lectrons Le nombre de neutrons dans un noyau atomique est presque toujours sup rieur ou gal celui des protons l hydrog ne tant une exception Nous pouvons pr sent r pondre aux questions que nous nous posions au d but de ce chapitre I Qu ont en commun un atome de fer et un atome de cuivre I Qv est ce qui diff rencie ces atomes EXERCICES 1 Exprimez en grammes la masse d un neutron et celle d un proton Utilisez comme nous le ferons pour toutes les valeurs num riques la notation scientifique avec 3 chiffres significatifs 2 Transcrivez en notation scientifique avec 3 chiffres significatifs les nombres suivants a 107 92 b 0 01036 c 90407 5 d 0 0007362 3 Calculez la masse d un atome d aluminium sachant que celui ci est form de 13 protons et 13 lectrons puisque l atome est lectriquement neutre et 14 neutrons 4 Calculez la masse d une mol cule d eau sachant que chaque atome d hydrog ne poss de 1 proton et 1 lectron mais aucun neutron et que le noyau d un atome d oxyg ne comporte 8 protons et 8 neutrons 5 Combien y a t il de mol cules d eau dans 1 ml d eau et dans une goutte d eau de 0 03 ml Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 13 LES ELEMENTS o l on essaye de classer les atomes De longue date philosophes puis physiciens et enfin chimistes ont tent de d finir la notio
19. e des deux atomes do distance entre les noyaux des deux atomes Il existe d abord une attraction entre les deux atomes partie A le noyau de l un attire les lectrons de l autre les deux atomes se rapprochent ce travail de rapprochement consomme de l nergie l nergie du syst me diminue Lorsque les atomes sont tr s proches partie B il se manifeste une r pulsion entre les deux noyaux et les lectrons il faudrait fournir du travail pour les maintenir si proche l nergie du syst me augmente Une position interm diaire existe entre ces deux situations o l nergie du syst me est minimale partie C cette distance d les atomes sont li s chimiquement Il faudrait fournir une nergie E pour rompre le lien Il existe en fait diff rents types de liaisons ioniques covalentes m talliques hydrog ne etc mais nous nous int resserons principalement aux liaisons ioniques et aux liaisons atomiques aussi appel es covalentes Les plus petites mol cules comportent au minimum 2 atomes mol cules diatomiques et les plus grandes peuvent en contenir des milliers voire des centaines de milliers macromol cules biologiques ou polym res par exemple Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 22 Une mol cule est fr quemment repr sent e par une formule mol culaire formule brute qui indique le nombre et le symbole des l ments qui la constituent sans pr ciser comment les ato
20. espond celle d un minuscule grain de sel de cuisine NaCl En utilisant les masses atomiques figurant sur votre tableau et la valeur d un uma not e en p 15 de ce cours calculer le nombre de mol cules de sel contenues dans ce grain de sel Dans un millilitre d eau il y a environ 3 34 102 mol cules A partir de cette donn e et de votre connaissance de la masse volumique de l eau calculez la masse d une mol cule d eau Comparez ce r sultat avec celui que vous pouvez obtenir partir des masses atomiques de l oxyg ne et de l hydrog ne
21. eur nombre de neutrons se retrouvent la m me place dans le tableau p riodique on les nomme isotopes de iso m me et topos place Les isotopes d un l ment poss dent tous les m mes propri t s chimiques En effet les propri t s chimiques d un corps d pendent de sa structure lectronique c est dire de la fa on dont se r partissent les lectrons autour de chaque atome Les diff rents isotopes d un l ment poss dant le m me nombre d lectrons puisque celui ci est identique au nombre de protons poss dent la m me structure lectronique et donc les m mes propri t s chimiques EXERCICES 1 Compl tez le tableau suivant Nom de l l ment Symbole de l atome 3 Que repr sente dans ce tableau la lettre A Quelle diff rence y a t il entre ces deux atomes Qu ont en commun ces deux atomes Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 15 2 Compl tez le tableau suivant Nom de l l ment Symbole de l atome a E E A EEE Quelle diff rence y a t il entre ces deux atomes Qu ont ils en commun 3 M me question pour Nom de l l ment Symbole de l atome CR RTE nn D ARE TA Sont isotopes d un l ment les atomes qui ont le m me nombre et un nombre diff rent Le tableau p riodique ne d taille pas la composition isotopique de chacun des l ments Certains l ments ne sont naturellement constitu s que d un seul isotope
22. helle compl ter sur la base de votre tableau p riodique peut tre illustr e par le sch ma El de transition gt M taux gt E Non m taux El ments O a El ments lectropositifs lectron gatifs Un m tal a donc tendance donner des lectrons il est dit lectropositif Un non m tal a donc tendance prendre des lectrons il est dit lectron gatif Formation des ions et liaisons ioniques Lorsqu un atome ou groupe d atomes a capt ou perdu un ou plusieurs lectrons il devient charg lectriquement On l appelle alors un ion Les ions positifs sont appel s cations les ions n gatifs anions Les ions form s ont la structure lectronique d un gaz rare Cation Na Anion C1 Structure de Lewis Cette formation d ions a lieu notamment lorsqu un ou plusieurs lectrons c libataires externes appartenant un l ment lectropositif m tal sont attir s et se d placent sur la derni re couche lectronique d un l ment lectron gatif non m tal Si la diff rence d lectron gativit entre les atomes li s est sup rieure ou gale 1 7 caract re ionique gt 50 la liaison est consid r e comme tant ionique sinon elle est appel e covalente C est l attraction lectrostatique entre les ions de signes oppos s ainsi constitu s qui assure la stabilit de la liaison ionique Cas du fluorure de lithium LiF Li atome F atome
23. imie et doivent permettre l l ve de d velopper ses capacit s d observation de d duction et de synth se Les fiches pr sent es contiennent uniquement les manipulations effectuer tay es de quelques questions pour veiller le sens de l observation L enseignant compl tera ces fiches d exp riences par des questionnaires pour exploiter les exp riences de mani re plus approfondie LE DOMAINE DE LA CHIMIE o l on essaye de cerner la notion de m thode scientifique et de d finir la chimie D finir le terme science est une t che ardue Pour simplifier les choses on peut commenter plus simplement l expression m thode scientifique Pour une science exp rimentale comme la chimie les tapes essentielles de cette m thode sont observation d un ph nom ne naturel mission d hypoth ses pour tenter d expliquer son fonctionnement mise sur pied d exp riences permettant de v rifier ou d invalider ces hypoth ses laboration d une fh orie ou mod le v rification par de nouvelles hypoth ses et exp riences modification voire abandon de la th orie Mais l tude d taill e de la d marche scientifique nous porterait beaucoup trop loin et une partie de cette tude sera effectu e dans votre cours d IDS Bornons nous essayer de comprendre ce qu voque pour vous l une des disciplines scientifiques la chimie et essayons de la d finir DISCUSSION a Quel est l objet de l tude de la chi
24. l cules de plus de 2 atomes est bas e sur des consid rations lectrostatiques suivantes Les doublets de la couche de valence pr sents autour d un atome s arrangent dans l espace de fa on tre le plus loin possible les uns des autres La polarit des mol cules Du fait de la nature des liaisons et de la g om trie d une mol cule celle ci peut pr senter des propri t s physiques et chimiques particuli res Une mol cule est dite polaire si le centre des charges ou fractions de charges positives est distinct du centre des charges ou fractions de charges n gatives Elle est apolaire sinon EXEMPLES Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 27 DEMONSTRATION EXERCICES 1 2 Quel est l atome le plus lectron gatif Expliquez bri vement pourquoi les atomes se lient d autres atomes pour former des mol cules A l aide du mod le de Lewis repr sentez les atomes suivants F Cl Br Que constatez vous de particulier Compl tez le tableau suivant Formules Nombre d atomes Nombre d atomes Nombre total d oxyg ne d hydrog ne d atomes 10 H2O AbO 3 Ca OH Dessinez la structure lectronique compl te des atomes ou ions suivants a Ca b F c Si d P e S7 f Ar Indiquez pour chacun le nombre de particules qui les constitue Lesquels devraient tre chimiquement stables Pourquoi Parmi les mol cules suivantes laquelle ne comporte t
25. mes de ces l ments sont li s entre eux R gle de l octet A l aide du mod le de Bohr repr sentez ci dessous la structure lectronique des gaz rares suivants h lium n on et argon Les chimistes ont constat que les gaz rares sont tr s peu r actifs On attribue cette inertie un difice lectronique tr s stable une derni re couche de 8 lectrons group s en 4 paires appel e octet exception He l h lium 2 lectrons On constate que lors des liaisons les atomes ont tendance acqu rir la structure lectronique externe du gaz rare le plus proche Pour r aliser ceci les atomes peuvent c der capter ou mettre en commun des lectrons La nature d une liaison chimique d pend donc de la structure lectronique des atomes qui se lient et plus particuli rement des lectrons externes Une liaison chimique implique alors l appariement de deux lectrons provenant de deux atomes plac s une distance d quilibre Electron gativit L lectron gativit d un l ment d finit la tendance que poss dent ses atomes attirer les lectrons lors de liaisons avec d autres atomes Une chelle d lectron gativit a t tablie en attribuant chaque l ment un indice d lectron gativit caract ristique Ainsi le fluor l ment le plus lectron gatif poss de un indice de 3 98 l hydrog ne un indice de 2 2 Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 23 Cette c
26. mie Sur la page blanche ci contre num rez quelques mots qui pour vous poss dent un lien avec la chimie Trions et organisons les mots que vous avez propos s b Qu est ce que la chimie Elaborons ensemble une d finition Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 3 LES ETATS DE LA MATIERE o l on classifie la mati re en fonction de l tat physique Lorsque l on parle d objets mat riels on pense en g n ral des objets solides Mais les liquides et les gaz sont les 2 autres tats sous lesquels les objets mat riels peuvent se pr senter L tat solide est caract ris au niveau macroscopique par une forme et un volume propre L objet solide est donc rigide Le mod le microscopique illustr ci dessous montre que cet tat est ordonn et que les distances entre particules de solide sont tr s petites chelle macroscopique chelle microscopique Un liquide est fluide il ne poss de pas de forme propre et peut ainsi prendre la forme de son contenant Ceci implique qu au niveau microscopique les particules sont moins fortement li es les unes aux autres Un gaz est lui aussi fluide mais sa particularit r side dans le fait de ne poss der ni de forme ni de volume propre Au niveau microscopique les particules sont presque totalement ind pendantes les unes des autres et sont en mouvement continu et d sordonn Contrairement aux cas des solides et des liquides les distances
27. n d l ment comme substance l mentaire la base de l ensemble de notre univers Dans l Antiquit grecque certains comme Thal s pensent que tout vient de l eau D autres estiment que c est la combinaison des 4 l ments air terre feu et eau qui engendre l ensemble des compos s de la nature Lavoisier chimiste fran ais de la fin du XVII me consid r comme le fondateur de la chimie moderne est l un des premiers remettre fondamentalement en cause cette classification Il propose de relier la notion d l ment celle que nous avons d j tudi e de corps simple Lorsque plus d un si cle plus tard l atome sera d fini comme nous l avons vu dans le chapitre pr c dent on comprendra que l ensemble des atomes poss dant le m me nombre de protons constitue un l ment un corps simple est constitu d atomes d un m me l ment L ensemble des atomes contenant un seul proton constitue l l ment hydrog ne Le gaz hydrog ne que vous avez vu se d gager lors de l lectrolyse de l eau est form de mol cules constitu es chacune par 2 atomes de l l ment hydrog ne Remarque Pour viter cette homonymie le gaz hydrog ne est nomm en France dihydrog ne L ensemble des atomes contenant exactement 6 protons constitue l l ment Le graphite est un corps simple constitu uniquement d atomes de Remarque le diamant est galement constitu uniquement d a
28. n lumineux d pendait du gaz contenu dans le tube Il s aper ut en outre qu un flux de particule passait d une lectrode l autre et que ce flux de particules tait le m me quelque soit la nature de la cathode utilis e fer argent or On explique actuellement que les lectrons faisant partie d une des lectrodes la cathode sont arrach s et attir s par l autre lectrode l anode Leurs chocs avec les atomes du gaz contenu dans le tube sont l origine du rayon lumineux Au d but du XXe si cle on estime qu un atome est form d un noyau charg d lectricit positive autour duquel voluent des particules charg es d lectricit n gative les lectrons l existence du noyau a t mise en vidence par le n o z landais Ernest Rutherford Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 9 Exp riences d lectrostatique Les objets qui nous entourent sont presque tous lectriquement neutres on dit qu ils ne portent pas de charge lectrique Il arrive pourtant que certains corps se chargent d lectricit par exemple lorsqu on les frotte les uns contre les autres dans ce cas il appara t entre eux des forces lectrostatiques d attraction ou de r pulsion Nous allons mettre en vidence ces forces au moyen de trois exp riences simples On s apercevra qu il existe deux sortes d lectricit par convention l une est dite positive et l autre n gative 1 re exp rience
29. ns chacune de ces couches Il nous indique donc directement la structure lectronique de chaque l ment sans qu il soit n cessaire de construire le mod le de Bohr pour la d terminer Pour retrouver cette structure deux r gles sont conna tre Chaque ligne p riode contient des l ments qui ont le m me nombre de couches lectroniques Chaque colonne famille contient des l ments qui ont le m me nombre d lectrons externes Exp rimentalement on constate que les l ments de la derni re colonne sont tous des gaz inertes ils ne r agissent pas chimiquement Des r gles expos es pr c demment il d coule que leur derni re couche est compl te On postulera donc que la structure lectronique des gaz rares savoir 8 lectrons dans la derni re couche est particuli rement stable Cette derni re constatation est la base de la distinction effectu e entre les diff rentes cat gories d l ments du tableau p riodique LES METAUX sont des l ments lectropositifs car ils ont tendance perdre 1 ou plusieurs lectrons pour acqu rir la constitution lectronique des gaz rares qui les pr c dent couche externe compl te Ils deviennent ainsi des ions positifs qu on nomme cations LES NON METAUX sont des l ments lectron gatifs car ils ont tendance gagner 1 ou plusieurs lectrons pour compl ter leur couche externe Ils deviennent ainsi des ions n gatifs qu on nomme anions het
30. nts a et c par des exemples que vous inventerez au besoin De quelle cat gorie d l ments font partie entre autres C P S et Br D crivez la composition d un atome de phosphore Donnez sa structure lectronique avec indication des paires et c libataires Donnez la repr sentation de Lewis des atomes suivants Calcium Azote Brome Donnez le symbole chimique et la repr sentation de Lewis de trois l ments poss dant le m me nombre d lectrons externes que le soufre Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 21 LES LIAISONS CHIMIQUES o l on apprend repr senter les liaisons entre les atomes dans les mol cules Introduction Dans les chapitres pr c dents nous avons vu que les propri t s des l ments peuvent s expliquer par la structure lectronique des atomes consid r s plus pr cis ment par les lectrons de la derni re couche couche de valence Ce sont galement ces lectrons qui seront impliqu s dans les liaisons chimiques que nous allons d crire dans ce chapitre Pour gagner en stabilit diminution de leur nergie les atomes ne restent g n ralement pas isol s mais se lient d autres atomes selon leurs affinit s par des liaisons chimiques pour former des difices de structure bien d finie appel s mol cules Deux atomes li s se trouvent alors une distance fixe l un de l autre distance internucl aire do si vous voulez en savoir plus Energi
31. ons les protons et les neutrons L lectron c est une particule tr s l g re 9 110 10 g il est porteur d une charge 8 Pp 8 lectrique n gative l mentaire celle ci repr sente la plus petite quantit d lectricit n gative que l on puisse isoler Un courant lectrique correspond un d placement d lectrons C est ainsi que se chargent les baguettes utilis es lors de nos exp riences Le proton il est relativement lourd puisque sa masse est environ 1836 fois plus lev e que celle de l lectron il porte une charge lectrique positive l mentaire gale en valeur absolue celle de l lectron Le neutron sa masse proche de celle du proton vaut environ 1839 fois celle de l lectron il ne porte aucune charge lectrique il est neutre On voit que presque toute la masse d un atome est concentr e dans Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 12 Les corps sont en g n ral neutres lectriquement Les atomes qui les composent le sont tr s souvent Nous venons de voir d autre part que la charge lectrique du proton compense exactement celle de l lectron Pour que l atome soit neutre il doit donc poss der autant d lectrons que de protons L atome le plus simple celui d hydrog ne est constitu d un seul proton et d un seul lectron son noyau ne compte aucun neutron L atome de fer comporte 26 protons et 26 lectrons Celui d
32. rog nes sont des m langes de liquide non miscibles Dans d autres cas on pourrait croire qu un objet est fait d une seule substance qu il est pur car il n y a pas de diff rences visibles entre ses parties Mais si on lui applique des m thodes de s paration on se rend compte qu il s agit tout de m me d un m lange Un m lange de ce type est appel homog ne EXEMPLES Les m thodes de s paration permettent d isoler une substance parmi d autres en se basant sur ses propri t s physiques Par exemple dans l exp rience de s paration des solides le fer est s par des autres solides car il est magn tique alors que les autres ne le sont pas Le processus n implique aucun changement dans la nature des substances qui constituent le m lange Les propri t s physiques mises profit pour proc der une s paration peuvent aussi tre les diff rences de temp rature d un changement d tat C est le cas pour la distillation qui permet de s parer des liquides en se basant sur une diff rence du point d bullition Une substance est consid r e comme un corps pur lorsque les m thodes de s paration physique ne permettent plus de le fragmenter en diff rents compos s donc lorsqu elle r siste aux m thodes de s paration Chaque corps pur poss de une collection de propri t s physiques qui lui sont propres EXEMPLES compl ter sur la base des donn es de la table CRM Ed 2004 p 61 178 et 231 2
33. s pour former une ou plusieurs paires de liaison La liaison est appel e covalente pure si la diff rence d lectron gativit est gale 0 sinon elle est appel e covalente polaris e Les liaisons covalentes sont parfois appel es liaisons atomiques car elles relient des atomes et non des ions Ces liaisons font intervenir g n ralement des atomes non m talliques Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 25 Cas de la mol cule de di fluor F2 OO CC F atome F atome F atome li F atome li Structure de Lewis Dans ce type de liaison on peut consid rer que les lectrons de valence des atomes de fluor sont galement r partis autour des deux atomes de fluor du fait d une diff rence d lectron gativit nulle Cas de la mol cule de chlorure d hydrog ne ou acide chlorhydrique HCI H atome H atome li CI atome CI atome li Structure de Lewis Dans ce type de liaison on peut consid rer que l lectron de valence de l atome d hydrog ne se situe plus fr quemment du c t de l atome de chlore du fait de la plus grande lectron gativit de ce dernier La liaison bien que covalente est alors polaris e Les liaisons covalentes peuvent galement g n rer des solides cristallins les liaisons carbone carbone du diamant en sont une preuve Les liaisons covalentes sont les liaisons que l on rencontre le plus souvent dans les mol cules des compos s organiques c
34. tions NaCl Tfus 801 C Tgp 1413 C R f rences table CRM Ed 2004 p 241 e l iode Les hauts fourneaux produisent du fer en fusion Quelle est pression atmosph rique la temp rature minimale de ce fer D finissez les expressions point de fusion et point d bullition Une casserole contient de l eau 20 C On chauffe alors cette casserole et l eau bout apr s 5 minutes On maintient le chauffage pendant encore 3 minutes Tracez et commentez le graphique de l volution de la temp rature de l eau au cours de cette op ration Quel est le contenu des bulles qui se forment dans l eau lorsque celle ci bout Expliquez les ph nom nes observ s lorsque l on introduit un morceau de glace carbonique CO dans de l eau chaude Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 5 DES MELANGES AUX CORPS PURS o l on d finit les diff rentes cat gories de mati res Dans la nature les objets mat riels sont le plus souvent des m langes Dans certains cas cela est vident visible car toutes les parties de l objet ne sont pas dans le m me tat ou n ont pas la m me consistance la m me couleur le m me aspect On dit que ces m langes sont h t rog nes EXEMPLES Les fum es et les brouillards a rosols sont des cas de m langes h t rog nes respectivement solides gaz et liquides gaz Les suspensions sont des m langes h t rog nes solides liquides et les mulsions galement h t
35. tomes ainsi isol s se recombinent sous forme de mol cules H et O3 DEMONSTRATION EXERCICES 1 R sumez sous forme d un sch ma les diff rences entre m lange corps simple corps compos et corps pur 2 Indiquez si les substances suivantes sont des m langes des corps compos s ou des corps simples le lait le fer liode le gaz carbonique Le cholest rol est une mol cule qui joue un r le important dans les membranes des cellules Sachant qu une mol cule de cholest rol est constitu e de 27 atomes de carbone de 46 atomes d hydrog ne et d un atome d oxyg ne a Ecrivez la formule chimique d une mol cule de cholest rol b Comment doit on symboliser 5 mol cules de cholest rol L hydroxyde de sodium est un solide corps pur de formule chimique NaOH Il est soluble dans l eau Peut on dire que le m lange obtenu par dissolution de l hydroxyde de sodium dans l eau poss de une formule brute de NaOH Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 8 LA STRUCTURE ATOMIQUE o l on aborde la brique de base des mol cules l atome Dans le chapitre pr c dent nous avons vu que les mol cules sont constitu es d atomes Nous avons entrevu que ces atomes peuvent parfois sans constituer des mol cules se lier pour former des solides Ainsi un morceau de fer corps simple est constitu d atomes de fer tous pareils entre eux Un morceau de cuivre corps simple galement est constitu d
36. tomes de carbone mais ceux ci arrang s diff remment conf rent au diamant des propri t s tr s diff rentes de celles du graphite Les principales caract ristiques des atomes sont contenues dans les expressions suivantes Z num ro atomique nombre de protons du noyau de l atome N nombre de neutrons A nombre de masse nombre de nucl ons A Z N Les caract ristiques d un atome sont souvent repr sent es ainsi A Ar 7X avec X repr sentant le symbole de l l ment Cette notation est parfois simplifi e sous une des formes suivantes AX ou X A Dans le tableau p riodique que nous d taillerons plus loin les l ments sont class s par num ro atomique croissant Chimie 1 2008 2009 Cours et exercices 14 Exercices 1 Compl tez le tableau ci dessous Nom de Symbole de 7 N A l l ment l atome D re o i jeo o EVE AE ET ES Cres AE AE EE EE Qu ont en commun les deux atomes d oxyg ne figurant dans ce tableau 2 Compl tez Un l ment est un ensemble d atomes poss dant le m me nombre de LES ISOTOPES ou comment deux atomes diff rents se retrouvent dans la m me case du tableau p riodique Dans le chapitre pr c dent nous avons constat que deux atomes pour autant qu ils poss dent le m me nombre de protons appartiennent au m me l ment Le nombre de neutrons de ces atomes peut varier Ainsi deux atomes qui ne diff rent que par l
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