CG3 : Description d un système et évolution vers un état final

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1 CG3 : Description d un système et évolution vers un état final I. Les états de la matière 1. Etats physiques de la matière Toutes les espèces chimiques peuvent exister sous trois états physiques : - L état gazeux - L état liquide - L état solide Ces états sont visualisables dans des conditions de pression et de température particulières et qui ne sont pas toujours facilement accessibles expérimentalement. Les noms des changements d états sont donnés sur la figure suivante : Déf : On appelle phase une forme de la matière qui est uniforme en tout point par sa composition chimique et par son état physique. On peut donc parler de phase gazeuse, liquide ou solide d une espèce chimique. Parfois, une espèce chimique peut exister sous plusieurs phases solides (voir prochains paragraphes) 2. Etat gazeux a. Définition, pression d un gaz Déf : Un gaz est une substance fluide qui occupe uniformément tout contenant. L état gazeux est un état désordonné. Un gaz se compresse facilement et se mélange complètement avec tous les autres gaz. Un gaz exerce une pression sur son environnement et on utilise cette grandeur pour caractériser la quantité de gaz présente dans une enceinte. La pression est notée P et exprimée en Pascal (Pa) (unité SI). On peut aussi utiliser le bar (1 bar = 10 5 Pa).

2 b. Modèle du gaz parfait Un modèle permettant de décrire l état gazeux est le modèle du gaz parfait. Dans ce modèle, on suppose que : - Les molécules de gaz sont sans interaction les unes avec les autres - Les molécules sont supposées ponctuelles (sans volume propre) Dans le cadre de ce modèle, il existe une relation appelée équation d état des gaz parfaits : Avec : P pression du gaz exprimée en Pa V volume de l enceinte en m 3 ngaz nombre de moles de gaz en mole R constante des gaz parfaits R = 8,314 J.K -1.mol -1 T température en K Déf : Le volume molaire d un corps pur noté constituant chimique pur. Dans le cas d un gaz parfait pur : est le volume occupé par une mole de c. Mélange de gaz parfait, pression partielle Déf : Un mélange parfait de gaz parfait est un mélange de gaz parfait et chaque gaz exerce une pression propre égale à celle qu il exercerait s il était seul dans le conteneur. La pression pi exercée par le gaz n i considéré individuellement est appelée pression partielle du gaz n i. Dans ce type de mélange, on a donc : Cas d un mélange de deux gaz : La pression totale vaut donc : Le rapport vaut ainsi : Les grandeurs sont appelées fractions molaires en gaz i dans le mélange gazeux. Généralisation : Dans le cas d un mélange parfait de gaz parfaits,

3 Exercice : 1. Calculer la pression exercée par 1,25 g de diazote N2 contenu dans un flacon de volume à la température. 2. On ajoute dans le même flacon, du dioxygène. La nouvelle pression vaut alors. Calculer la fraction molaire en diazote et en dioxygène dans le mélange. Donnée : Masse molaire du diazote Réponse : 1. Calcul de la quantité de matière de diazote : Température en Kelvin : Equation d état des gaz parfaits : 2. La pression précédemment calculée correspond donc à la pression partielle en diazote : Calcul de la pression partielle en dioxygène : Calcul des pressions partielles : 2. Etat liquide Déf : L état liquide est un état fluide condensé et désordonné. 3. Etats solides Il existe plusieurs types de solides obtenus à partir de refroidissement d un liquide. Déf : Dans un solide cristallin, les molécules, atomes ou ions constitutifs se rangent les uns par rapport aux autres selon une position géométrique régulière. Le solide est ainsi constitué par la répétition régulière de motifs structuraux. Déf : Certains solides peuvent exister sous plusieurs formes cristallines aux propriétés physiques pouvant être très différentes alors qu ils ne diffèrent que par la disposition spatiale relative des atomes de la phase solide. On parle de variétés allotropiques. Les espèces chimiques présentant la propriété d exister sous plusieurs variétés allotropiques sont dites polymorphes. La structure de ces solides sera étudiée au 2 ème semestre.

4 Ex : cas du carbone Variété allotropique Disposition spatiale des atomes Structure macroscopique Carbone graphite Carbone diamant Déf : Lorsqu on refroidit rapidement un liquide visqueux, il se forme une structure rigide avant que les molécules n aient eu le temps de s orienter de façon régulière et ordonnée. On appelle ces solides des solides amorphes ou vitreux. Ex : cas de la silice SiO2

5 Déf : Certaines espèces chimiques sont incapables de former un solide entièrement cristallin et présente une phase solide intermédiaire entre le solide cristallin et le solide amorphe. Il s agit de solide semi-cristallin. Ex : polymère de polyéthylène glycol observé au microscope polarisant II. Les transformations de la matière 1. Transformations physiques Diagramme p,t Déf : On appelle transformation physique une transformation de l état physique sans modification de la structure moléculaire ou nucléaire. Ex : changement de phase, transition entre deux variétés allotropiques Déf : Le diagramme de phase d un corps pur est la représentation graphique des conditions de température T et de p auxquelles les différentes phases sont stables. (T en abscisse et p en ordonnée) Le plan est divisé en régions correspondant aux domaines d existence des chaque état. Les frontières indiquent les conditions de pression et de température pour lesquelles deux phases sont en équilibres : - Courbe de vaporisation : équilibre liquide - gaz - Courbe de sublimation : équilibre solide - gaz - Courbe de fusion : équilibre solide liquide

6 Ex : étude de l évolution d un système gazeux à p > pt lors d un refroidissement. Mettre en avant les différentes transformations physiques et les températures auxquelles elles ont lieues. Deux points particuliers : - Point t : appelé point triple conditions de pression et de température avec coexistence des trois états physiques. - Point C : point critique au-delà de ce point le passage de l état liquide à l état gazeux se fait de façon continue. Pour des pressions supérieures à pc ou des températures supérieures à TC les phases gazeuses et liquides sont confondues sont forme de fluide supercritique. (cf approche documentaire) Vidéo transition supercritique du CO2. (TC = 304 K ; pc = 72,8 bar) 2. Transformation nucléaire Déf : Une transformation nucléaire est une transformation au cours de laquelle une ou plusieurs espèces chimiques change de numéro atomique et éventuellement de nombre de masse. On distingue deux types de transformation nucléaire : - La radioactivité : des noyaux instables émettent spontanément des particules subatomiques et des radiations de haute énergie. - Les réactions nucléaires provoquées artificiellement Il existe plusieurs types de radioactivité : - Radioactivité de type α : émission d une particule d Hélium Équation nucléaire pour l uranium : - Radioactivité de type β : émission d un électron et d un antineutrino Équation nucléaire pour l indium : - Radioactivité de type β + : émission d un positon et d un neutrino Équation nucléaire pour le potassium : Lors de l écriture de l équation bilan d une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre de charge et du nombre de masse.

7 Les émetteurs β sont au-dessus de la courbe de stabilité et s en approchent en conservant N et Z augmentant de 1 au cours de la transformation nucléaire. Les émetteurs β + sont au-dessous de la courbe de stabilité et s en approchent en conservant N et Z diminuant de 1 au cours de la transformation nucléaire. Les émetteurs α sont lourds et doivent à la fois perdre des protons et des neutrons. De la même manière, il existe plusieurs types de transformations nucléaires provoquées. Certaines peuvent se produire par bombardement de certains noyaux par des neutrons. Ex : production de noyaux artificiels (neptunium) Certains isotopes peuvent de fragmenter suite à un bombardement de particules : on parle de fission nucléaire. Ex : processus utilisé dans les centrales nucléaires 3. Transformation chimique Déf : Une transformation chimique est une réorganisation des atomes d une ou plusieurs substances. Il y a rupture et formation de nouvelles liaisons entre atomes. Lors d une transformation chimique, il y a conservation des atomes. L équation bilan traduit la réorganisation des atomes observée. L équation-bilan informe sur : - La nature des réactifs (formule chimique et état physique) - La nature des produits (formule chimique et état physique) - Les proportions dans lesquelles les réactifs réagissent et dans lesquelles les produits se forment. Ex : Le sodium solide réagit avec le dichlore gazeux pour former du chlorure de sodium solide. Donner l équation-bilan de cette transformation chimique. Réponse :

8 4. Description d un système physico-chimique Déf : Un constituant physico-chimique est une espèce caractérisée par sa formule chimique et par son état physique. Un système physico-chimique est défini par la donnée des constituants physico-chimique qui le composent. Plusieurs grandeurs physiques permettent de décrire la composition d un système physico-chimique constitué d une seule espèce chimique (corps pur) : - sa masse m exprimée en g ou kg - son volume V exprimée en L ou en m 3 - sa quantité de matière exprimée en mol - sa pression p pour un corps pur gazeux exprimée en Pa ou bar - sa masse volumique exprimée en kg.m -3 - sa densité : (sans unité!) o pour un liquide ou un solide : o pour un gaz : La composition d un mélange peut être décrite en utilisant : - la fraction molaire d un constituant i dans la phase φ (sans unité!) : - la fraction massique d un constituant i dans la phase φ (sans unité!) : Cas d une solution : Une solution est un système physico-chimique dans lequel un constituant (le solvant) est en large excès. Les autres constituants en faible quantités sont appelés les solutés. La composition en soluté peut être décrite en utilisant la concentration en soluté en mol.l -1 :