4 ème PHYSIQUE-CHIMIE TRIMESTRE 1. Sylvie LAMY Agrégée de Mathématiques Diplômée de l École Polytechnique. PROGRAMME 2008 (v2.4)

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1 PHYSIQUE-CHIMIE 4 ème TRIMESTRE 1 PROGRAMME 2008 (v2.4) Sylvie LAMY Agrégée de Mathématiques Diplômée de l École Polytechnique Les Cours Pi site : siège social et centre d expédition : rue de l Épée de Bois, Paris tél. : bureaux et accueil du public : 6 rue Saint Denis, Montpellier tél. :

2 Quelques indications pour votre année en Sciences physiques Vous disposez d un support de cours complet : prenez le temps de bien le lire, de le comprendre mais surtout de l assimiler. Vous disposez pour cela d exemples dans le cours et d «exercices types» corrigés. Vous pouvez rester un peu plus longtemps sur une unité mais travaillez régulièrement. Les devoirs Les devoirs constituent le moyen d évaluer l acquisition de vos «savoirs» (Ai-je assimilé les notions correspondantes?) et de vos savoir-faire (Est-ce que je sais expliquer une démarche, justifier, conclure?). Pour cette raison : N appelez pas votre professeur si vous ne savez pas faire un exercice! Cela peut arriver, comme tout élève en classe, surtout au lycée! Mais si, après avoir reçu la correction, un exercice continue à vous poser problème, n hésitez pas à le faire! Même si vous avez obtenu une bonne note, lisez attentivement les remarques du professeur et le corrigé (la correction peut éventuellement proposer une autre méthode que celle que vous avez utilisée). Il est vivement recommandé d attendre le retour des devoirs antérieurs avant de faire le suivant : cela vous permettra d éviter de faire les mêmes erreurs et de profiter pleinement des remarques qui vous auront été faites. Voici maintenant quelques conseils pour composer vos devoirs Utilisez des copies doubles grand format (pour y insérer par la suite l énoncé et le corrigé). Présentez la copie correctement (Nom, Prénom, Classe, Matière, Numéro de devoir doivent figurer sur chaque copie pour éviter toute erreur ou perte). Laissez de l espace pour le correcteur. Faites les exercices dans l ordre. Si une question n est pas faite, il faut l indiquer sur la copie. Si la question est faite directement sur l énoncé, il faut également l indiquer. Faites attention à l orthographe! Justifiez vos réponses même si l énoncé ne le précise pas. Mettez en valeur vos résultats (ce n est pas au correcteur de chercher où sont les réponses!) et répondez dès que possible aux questions en faisant des phrases complètes (ne pas simplement répondre oui ou non!). Un lecteur n ayant pas lu l énoncé doit pouvoir comprendre votre copie! Vérifiez la cohérence de vos résultats! Rappelez-vous que la présentation et la rédaction comptent dans les notes d examen. Alors, prenez de bonnes habitudes! COURS PI PC 4 T1 (v2.4) 2

3 Calculatrice et informatique Vous devez posséder pour l enseignement scientifique au collège une calculatrice graphique de type CASIO GRAPH 25+. Par ailleurs, vous devez également apprendre à utiliser un tableur comme Microsoft Office Excel (payant) ou Open Office Calc (gratuit à télécharger sur Certains exercices seront faits de préférence en utilisant l un de ces logiciels (mais vous pourrez également utiliser la calculatrice). Bon courage! COURS PI PC 4 T1 (v2.4) 3

4 Sommaire général Trimestre 1 : De l air qui nous entoure à la molécule Unité L air 2. Atomes et molécules 3. Interpréter grâce au modèle moléculaire Unité La combustion 2. Les transformations chimiques Trimestre 2 : Électricité Unité Rappels et compléments sur les circuits électriques 2. L intensité d un courant électrique. Unité La tension électrique 2. La résistance électrique Trimestre 3 : Optique Unité Les lumières colorées 2. La couleur des objets Unité Propriétés de la lumière 2. Les lentilles 3. L œil COURS PI PC 4 T1 (v2.4) 4

5 Sommaire du Trimestre 1 COURS PI PC 4 T1 (v2.4) 5

6 UNITÉ 1. DE L AIR QUI NOUS ENTOURE A LA MOLECULE (I) 1. L AIR La couche d air qui entoure notre planète s'appelle l'atmosphère terrestre. Elle permet la vie sur Terre et régule la température terrestre : sans elle, la température atteindrait environ 100 C le jour et 150 C la nuit. Remarque : La Lune ne possède pas d'atmosphère. Quant à la planète Mars, son atmosphère contient essentiellement du dioxyde de carbone (CO 2 ). A) LA COMPOSITION DE L AIR 1. Les constituants de l air L air est un mélange de gaz constitué de 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1% d autres gaz (argon, dioxyde de carbone, ozone, etc ). On considérera généralement que l air est constitué en volume de 80% de diazote et de 20% de dioxygène. Il y a donc 4 fois plus de diazote que de dioxygène. Exemple : 1 L d air contient 0,8 L de diazote et 0,2 L de dioxygène. 2. Le dioxygène Le dioxygène, présent en quantité importante, est le gaz que nous consommons lorsque nous respirons. Si nous nous mettions à respirer un air dépourvu de ce gaz, nous mourrions en quelques minutes. Le dioxygène est nécessaire à la vie. B) AIR PUR ET GAZ PUR 1. La pollution de l air L'atmosphère terrestre est soumise à diverses pollutions dont les conséquences, à long terme, posent des problèmes : Les gaz CFC (chlorofluorocarbures) (composés constitués de fluor, de chlore et de carbone) détruisent la couche d'ozone. Ces gaz sont utilisés notamment dans les réfrigérateurs et les climatiseurs. La combustion des hydrocarbures (essence, fioul, gaz, kérosène, ), du charbon, rejette du dioxyde de carbone qui contribue à l effet de serre, ce qui provoque, le réchauffement de la planète, la montée du niveau des mers et océans et la désertification de certaines zones. Lorsque l on brûle du charbon ou du fioul, il se produit, en plus du dioxyde de carbone, du dioxyde de soufre qui forme de l'acide sulfurique lorsqu'il entre en contact avec l'eau des nuages. Cela provoque des pluies acides qui détruisent notamment les forêts et certains monuments fabriqués à partir de roches calcaires. Pour réduire la pollution, on cherche à limiter la consommation d hydrocarbures (fioul, essence, kérosène, gaz, ) en développant les transports en commun, en améliorant l isolation thermique des habitations, en fabriquant des moteurs peu consommateurs en carburants COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 6

7 2. L air pur est-il un corps pur? Un corps (solide, liquide ou gazeux) est un corps pur s il est constitué d une seule espèce chimique. On dit qu un air est pur lorsqu il ne contient pas de polluants. D après ces deux définitions, on peut dire que l air pur n est pas un gaz pur. En effet, l air pur n est pas constitué d un seul gaz, mais d un grand nombre de gaz, dont le diazote, le dioxygène, le dioxyde de carbone, C) PROPRIETES DE L AIR 1. L air est un gaz On se place dans des conditions habituelles. A de très basses températures, l air devient liquide! L air est un gaz. Il tend à occuper tout l espace disponible. Il est compressible et expansible. Rappel : A l état gazeux, la matière : n a pas de forme propre. n a pas de volume propre. pompe remplie d air pompe remplie d air comprimé Rappel : L eau à l état gazeux prend le nom de vapeur d eau. L air contient une petite proportion de vapeur d eau. 2. Masse de l air Comme les solides et les liquides, les gaz ont une masse. A 0 C, la masse d 1 L d air vaut environ 1,3 g. La masse d un litre d air dépend, entre autres, de la température. Elle tend à diminuer quand la température augmente. Température ( C) Masse d un litre d air 1,3 g 1,2 g 1,1 g 0,9 g D) LA PRESSION ATMOSPHERIQUE COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 7

8 On a vu que l air avait une certaine masse. La pression atmosphérique en un point est liée au poids de la colonne d air qui surplombe ce point. L unité de pression est le pascal (symbole Pa). On mesure la pression atmosphérique avec un baromètre. En météorologie on utilise généralement comme unité l hectopascal : 1 hpa=100 Pa. On utilise également pour la pression atmosphérique le bar. 1 bar=1000 hpa La pression atmosphérique normale vaut donc environ 1 bar. La pression atmosphérique normale est de 1013 hpa au niveau de la mer. Elle varie en fonction : des conditions météorologiques : la pression atmosphérique varie légèrement (de 950 à 1050 hpa environ). Ces variations permettent des prévisions météorologiques. Une élévation de la pression atmosphérique indique une amélioration du temps (anticyclone). Une baisse de la pression atmosphérique indique une dégradation du temps (dépression). de l altitude : la pression atmosphérique diminue quand l altitude augmente. Plus on s élève, moins il y a d air. Exercice 1 Cocher la ou les bonnes réponses : A. L air pur est : Exercices un corps pur un mélange non pollué B. A 25 C, l air est : solide liquide gazeux C. Dans l air, il y a : plus de diazote que de dioxygène D. La pression atmosphérique : plus de dioxygène que de diazote de la vapeur d eau vaut toujours 1013 hpa augmente quand l altitude augmente diminue quand l altitude augmente Exercice 2 On a une cuve de 1 m 3 remplie d air. Quels sont les volumes exprimés en litres de dioxygène et de diazote? Exercice 3 L air contient, en plus du diazote et du dioxygène, un grand nombre de gaz. Parmi ceux-ci : l argon et le méthane. 1. L argon est présent à raison de 0,93 L par m 3 d air. Quel est le pourcentage d argon dans l air? 2. Le méthane est présent à raison de 5 ml par m 3 d air. Quel est le pourcentage de méthane dans l air? COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 8

9 2. ATOMES ET MOLECULES Dans le chapitre précédent, nous avons utilisé les noms de diazote, dioxygène.ce chapitre va permettre de comprendre ce que signifient plus précisément ces termes. A) LES ATOMES 1. Définition Les gaz, les liquides et les solides sont tous constitués à partir de particules appelées atomes. Ceux-ci ont la forme de boules dont le diamètre vaut un peu moins d un milliardième de mètre 9 ( 10 m ), ce qui signifie qu une chaîne d un milliard d atomes mesure moins d un mètre! Il existe une grande variété d atomes, environ une centaine ; on trouve des atomes de fer, de carbone, d oxygène, d or, etc 2. Représentation Tous les atomes sont représentés par un symbole (appelé symbole chimique). Les symboles des atomes sont généralement constitués par la première lettre du nom écrite en majuscule, suivie, dans certains cas, d une lettre en minuscule. On les représente graphiquement par des sphères de couleurs dont la taille est d autant plus grande que l atome est gros. Exemples Atome hydrogène carbone azote oxygène aluminium or Symbole H C N O Al Au Habituellement, on représente l hydrogène par une sphère blanche, l oxygène par une sphère rouge, l azote par une sphère bleue et le carbone par une sphère noire. Atome d oxygène Illustration 1 Vous verrez en 3 ème que la matière n occupe qu une très petite partie de la sphère. La matière est donc faite essentiellement.de vide! B) LES MOLECULES 1. Définition Les atomes restent rarement seuls. Ils ont tendance à se regrouper. Les molécules sont des groupes d atomes liés entre eux. Certaines molécules sont formés de 2 atomes. Les plus longues molécules comme les molécules d ADN peuvent contenir des milliards d atomes! COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 9

10 2. Représentation des molécules Une molécule est représentée par une formule indiquant de quels atomes elle est constituée. Exemple : Dans la formule de la molécule d eau : HO, 2 les symboles H et O indiquent que cette molécule est formée d atomes d hydrogène et d atomes d oxygène. Le chiffre 2, placé en bas à droite de H, indique que la molécule HOest 2 constituée de 2 atomes d hydrogène. Le symbole O ne comporte pas de chiffre à sa droite : cela signifie que la molécule n a qu un seul atome d oxygène. On peut donc représenter la molécule HO 2 de la manière suivante : dioxygène diazote I Illustration 2 Pour des raisons d affichage, on utilisera parfois d autres représentations des atomes. atome d hydrogène atome d azote atome d oxygène atome de carbone formule O 2 N 2 H 2 O CO 2 représentation nom dioxygène diazote eau dioxyde de carbone 3. Nomenclature Beaucoup de molécules ont un nom qui rappelle leur composition. Exemples : monoxyde de carbone : un atome d oxygène et un atome de carbone ((«mono» : préfixe signifiant : un). dioxygène : molécule constituée de deux atomes d oxygène («di» : préfixe signifiant : deux). diazote : molécule constituée de deux atomes d azote. dioxyde de carbone : deux atomes d oxygène et un atome de carbone. trichlorure de phosphore : trois atomes de chlore et un atome de phosphore. COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 10

11 C) CORPS PURS On peut maintenant donner une définition plus précise des corps purs que celle vue à la page 7. Un corps pur ne contient qu une seule sorte de molécules (ou d atomes isolés). L eau pure est un corps pur constitué de molécules HO. 2 L air n est pas un corps pur (on y trouve des molécules N2 et O 2 ). Le diamant est un corps pur constitué d atomes de carbone C. Exercice 4 Cocher la ou les bonnes réponses : A. La molécule de méthane CH 4 contient : Exercices du carbone de l hydrogène de l oxygène B. Les corps purs: contiennent un seul type d atome. contiennent un seul type de molécules. contiennent un ou plusieurs types de molécules. C. Une molécule contient 1 atome de d azote et 3 atomes d hydrogène. Elle s écrit : NH 1 3 NH 3 Exercice 5 3 NH atome d hydrogène atome d azote Illustration 3 Représenter les molécules de dichlore ( Cl 2 ) et d ammoniac ( NH 3 ). atome de chlore Exercice 6 Donner la formule de cette molécule : Illustration 4 Faire le Devoir U1D1 COURS PI SP 4 U1 (v2.2) 11

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