Terminale S RAPPELS CHIMIE PERIODE 1 : Constitution de la matière Chimie des solutions

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1 Terminale S RAPPELS CHIMIE PERIODE 1 : Constitution de la matière Chimie des solutions Etats physiques de la matière La matière est composée de trois états physiques : L état solide : c'est un état ordonné et compact, il a un volume propre, les molécules qui le constituent sont quasiment immobiles L état liquide : c'est un état désordonné et compact, il n'a pas de volume propre, sa surface est toujours plane et horizontale, les molécules qui le constituent peuvent «glisser» les unes sur les autres L état gazeux : c'est un état désordonné et dispersé, il n'a pas de volume propre, les molécules qui le constituent occupent tout l'espace mis à leur disposition et sont en mouvement désordonné, c'est un état qui est compressible et expansible Modélisation des trois états de la matière : Atome Elément chimique L atome est le plus petit constituant de la matière. Il est constitué d un noyau, au centre, autour duquel gravitent des électrons (e ). Les électrons sont des particules chargées négativement. Le noyau est constitué de deux particules : les protons (p) et les neutrons (n). Les protons sont chargés positivement et les neutrons n ont pas de charge. L ensemble {proton + neutron} forme les nucléons. Un atome est toujours électriquement neutre. Il possède donc autant de charges positives (les protons) que de charges négatives (les électrons). On peut alors dire que le nombre de protons dans un atome est égal au nombre d électrons dans ce même atome. Dès lors qu un atome perd ou gagne un ou plusieurs électrons, il se charge positivement ou négativement. Il devient alors un ion positif (cation) ou un ion négatif (anion). La charge totale de l entité chimique n est plus neutre. Ex : Ca Ca 2+ : perte de deux électrons ; Cl Cl : gain d un électron Un élément chimique est l ensemble des entités chimiques ayant le même numéro atomique Z, c est-à-dire, ayant le même nombre de proton. Ex : Fe 2+ ; Fe 3+ ; FeCl 2 ; Fe appartiennent à l élément Fer (Fe) et Z = 26. Pour représenter symboliquement un atome, nous utilisons la notation suivante A : nombre de nucléons (nombre de protons Z + nombre de neutrons N) A Z X avec : Z : nombre de protons ou numéro atomique (ce qui correspond aussi au nombre d électron cf. plu haut) X : le symbole de l élément chimique Quantité de matière Masse molaire Concentration molaire et massique La quantité de matière n d une espèce chimique est donnée par la relation suivante : n = m M n : quantité de matière (ou nombre de mol) d un échantillon de matière, en mole (mol) m : masse de l échantillon, en g M : masse molaire atomique ou moléculaire de l échantillon, en g.mol - 1 La quantité de matière n d un échantillon est aussi donnée par la relation suivante : n = N Na n : quantité de matière (ou nombre de mol) d un échantillon de matière, en mole (mol) N : nombre d entités chimiques contenues dans l échantillon, sans unité Na : constante d Avogadro : nombre d entité chimique par mole d entité. Na = 6, mol 1 1

2 La masse molaire atomique M d une entité chimique est la masse d une mole d atomes de cette entité. La masse molaire moléculaire M d une entité chimique est la masse d une mole de molécule de cette entité. Ex : M(O) = 16 g.mol - 1 ; M(H) = 1,0 g.mol - 1 ; M(H 2O) = 2 x M(H) + M(O) = 2 x 1, = 18 g.mol - 1 La concentration massique C m d une solution est la quantité de soluté dissout dans un volume de solvant : C m = m C m : concentration massique d une solution, en g.l -1 m : masse de soluté dissout dans la solution, en g V sol : volume de la solution (ou du solvant), en L La concentration molaire C d une solution est la quantité de matière de soluté dissout dans un volume de solvant : C = n V C : concentration molaire d une solution, en mol.l - 1 n : masse de soluté dissout dans la solution, en mol V : volume de la solution (ou du solvant), en L Concentration molaire et concentration massique sont liées par la relation suivante : C m = M x C C m : concentration massique d une solution, en g.l - 1 C : concentration molaire d une solution, en mol.l - 1 M : masse molaire moléculaire de la solution, en g.mol 1 Faire exercice d application N 1 Description d un système chimique Le système passe d un état initial (instant de mise en contact des réactifs) à un état final (la composition du système n évolue plus). L équation de la réaction s écrit : a.a + b.b c.c + d.d Cette équation indique dans quelles proportions les réactifs (A et B) sont consommés, et les produits (C et D) sont formés. a, b, c et d sont les nombres stœchiométriques. L état final de la transformation chimique est atteint lorsqu au moins l un des réactifs a entièrement disparu : c est le réactif limitant. Si tous les réactifs s épuisent en même temps, le mélange initial est dit stœchiométrique. L avancement de la réaction, noté x, est nul à l état initial, et est noté x f à l état final. Son unité est la mole (mol). La quantité de matière de réactif consommé ou de produit formé est égale au produit du nombre stœchiométrique par l avancement x : Pour le réactif A : n(a) consommé = a.x Pour le produit D : n(d) formé = d.x Faire un bilan de matière à l état final Comment déterminer le réactif limitant? On calcule les rapports n i (A)/a et n i (B)/b. Si les rapports sont égaux, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques. Sinon, le réactif limitant est celui de plus petit rapport. Comment calculer l avancement final x f? Si le réactif limitant est A, ou si le mélange est stœchiométrique : x f = n i (A)/a. Comment calculer les quantités de matières des espèces présentes? Les quantités de matières des espèces présentes sont exprimées en fonction de l avancement final : - Pour un réactif : n f (A) = n i (A) a.x f - Pour un produit : n f (D) = d.x f Faire exercice d application N 2 2 Vsol

3 Couleur et concentration L absorbance A d une solution caractérise sa capacité à absorber une radiation lumineuse. Elle est d autant plus grande que la radiation est davantage absorbée. L absorbance est une grandeur sans unité. Elle dépend de la nature des espèces en solution, de leur concentration, de l épaisseur de la solution traversée et de la longueur d onde. L absorbance est donnée par la loi de Beer-Lambert : A = k.c Avec k en L.mol 1 et c en mol.l 1. Faire exercice d application N 3 Solution Mélange Une solution est le mélange d un solvant et d un soluté. Le soluté est l espèce minoritaire, dissoute dans le solvant et le solvant est l espèce majoritaire, qui dissout le soluté. Lorsque le solvant est l eau, on parle de solution aqueuse. Un mélange hétérogène est un mélange dans lequel les constituants sont visibles à l œil nu. Dans un mélange homogène, les constituants ne sont pas visibles à l œil nu. Dissolution La dissolution consiste à dissoudre un soluté dans un solvant. La dissolution d'un solide ionique peut se décrire en trois étapes : la dissociation des ions, par création des liaisons de Van der Waals entre les molécules du solvant et les ions qui fragilisent les liaisons ioniques la solvatation (ou hydratation) des ions, qui s'entourent de molécules du solvant, en fonction de leur électronégativité. Les ions ne peuvent plus se rapprocher les uns des autres pour former des liaisons entre eux la dispersion des ions solvatés au sein du solvant, et qui forment une solution homogène La dissolution d'un solide ionique dans un solvant donne une solution électrolytique (ou un électrolyte). Une telle solution est électriquement neutre et conduit le courant électrique. Faire exercice d application N 4 Solubilité d'une espèce chimique La solubilité d'une espèce chimique (A) est la masse maximale de cette espèce qui peut être dissout dans un volume de solvant. Elle se note s(a) et s'exprime en g.l -1 (par exemple). Elle est donnée par la relation suivante : s(a) = m max(a) / Vsol 3

4 Dilution La dilution consiste à ajouter de l eau à une solution pour la rendre moins concentrée, c est-t-à-dire pour diminuer sa concentration massique (et donc molaire). La solution initiale S 1, appelée solution mère a donc une concentration C 1 plus élevée que la concentration C 2 de la solution finale S 2, appelée solution fille. Lors d une dilution, la quantité de matière ne varie pas (car la masse de soluté ne varie pas) : n1 = n2 C1V1 = C2V2 Pour réaliser une dilution, on procède de la façon suivante : Les solides ioniques Un solide ionique est constitué d'ions positifs et négatifs, dont la charge totale s'annule : un solide est électriquement neutre, et ne conduit pas l'électricité. La cohésion d'un solide ionique est assurée par des liaisons ioniques, c'est-à-dire des forces électrostatiques respectant la loi de Coulomb. Pour nommer un cristal ionique, on indique en premier le nom de l'anion suivi du nom du cation. Liste de quelques ions à connaître : IONS POSITIFS (Cations) IONS NEGATIFS (Anions) Nom de l'ion Symbole de l'ion Nom de l'ion Symbole de l'ion Ion sodium Na + Ion chlorure Cl - Ion potassium K + Ion iodure I - Ion calcium Ca 2+ Ion fluorure F - Ion cuivre II Cu 2+ Ion bromure Br - Ion fer II Fe 2+ Ion sulfure S Ion fer III Fe 3+ Ion nitrate NO 3 - Ion zinc Zn 2+ Ion sulfate SO 4 Ion argent Ag + Ion acétate CH 3CO - 2 Ion magnésium Mg 2+ Ion carbonate CO 3 Ion plomb Pb 2+ Ion hydroxyde HO - Ion aluminium Al 3+ Ion permanganate MnO 4 - Ion ammonium NH 4 + Ion dichromate Cr 2O 7 Ion oxonium H 3O + Ion oxalate C 2O 4 Faire exercice d application N 5 4

5 EXERCICE D APPLICATION RAPPELS CHIMIE PERIODE 1 Exercice N 1 : Afin de sucrer une tasse contenant 150,0 ml de thé, on ajoute un morceau de sucre de masse 6,0 g. Le sucre est constitué majoritairement de saccharose C 12H 22O 11 de masse molaire 342,0 g.mol / Déterminer la quantité de matière contenue dans le morceau de sucre. 2/ Déterminer la concentration molaire du saccharose dans le thé. 3/ Déterminer la concentration massique du saccharose dans le thé. Exercice N 2 : Avancement Exercice N 3 : Spectrophotométrie 5

6 Exercice N 4 : 1. Compléter le tableau ci-dessous Solide ionique Equation de dissolution du solide ionique dans l'eau ZnCl2 (s) NaNO3 (s) Al 3 + (aq) +... SO4 2 - (aq)... K + (aq) + MnO4 - (aq) Ca(OH)2 (s) 2. La dissolution du chlorure de zinc Afin de préparer une solution aqueuse d iodure de zinc, on prélève une masse m = 50,0 mg de cristal ionique que l'on dissout dans une fiole jaugée de 150 ml à l'aide du solvant eau. Données : Masses molaires : M(Zn) = 65,4 g.mol-1 ; M(I) = 126, 9 g.mol-1 1/ Donner la formule du solide ionique. 2/ Déterminer la quantité de matière prélevée en soluté. 3/ Ecrire l'équation de dissolution de l iodure de zinc dans l'eau. 4/ A l'aide d'un tableau d'avancement, déterminer la concentration molaire des ions en solution. 5/ Déterminer la concentration massique des ions en solution. 6/ Enoncer le protocole de la dissolution afin de préparer la solution d iodure de zinc. Exercice N 5 : Donner le nom du cristal ou la formule du cristal dans les cas suivants : a) Chlorure de fer II b) Sulfate de magnésium c) Permanganate de potassium d) Ca(OH) 2 e) CuI 2 f) LiBr g) Ion carbonate et ion sodium h) ion aluminium et ion phosphate. 6