De l échelle microscopique à l échelle macroscopique.

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1 De l échelle microscopique à l échelle macroscopique. I) Définitions de la mole et du nombre d Avogadro. 1) Etude d un exemple de la vie courante. Comment faire pour obtenir un tas contenant 243 grains de riz? Combien de grains de riz contient un paquet de 1 kg? 2) Mission impossible : mesure de la masse d un atome de fer (oir fiche : mission impossible) Pour trouver le nombre d atomes de fer on propose de mesurer la masse d un atome de fer avec une balance.(la masse du clou masse d un atome de fer = nombre d atomes de fer) 1. Prendre un atome de fer dans le flacon contenant de la limaille de fer et le mettre dans un becher 2. Mesurer la masse de cet atome de fer (n oublier pas de tarer la balance) 3. Commenter vos résultats ) Mission possible. Réaliser l activité expérimentale n 1 p.124 1) masse d un atome de fer 9, kg 3 6,3.10 2) nombre d atome de fer = = 6, atomes 26 9,3.10 3) Il faudrait 6, s soit 2, années Lorsque celle-ci est terminée, passer à l activité n 2 p. 124 / 125 1) masse d un atome de C = kg kg / mol 2) N A = = mol kg 3) nombre de mole de fer = 4) N = n N A nombre d'atome de fer dans les 6,3 g nombre d'atome dans une mole = 6, = 0,11 mole de fer ) Quelques définitions très importantes. Une fois les activités 1 et 2 réalisées, vous pouvez maintenant rédiger une synthèse reprenant : la définition de la mole d atomes. La mole est l unité de quantité de matière. Par définition, une mole contient autant d entités qu il y a d atomes dans 12 g de carbone C le nombre d Avogadro et son unité. La constante d Avogadro N A est égale à 6, mol -1 la formule reliant le nombre N d atomes dans un échantillon au nombre n de moles et au nombre d Avogadro N A N = n N A. II) Que sont les masses molaires atomique et masse molaire moléculaire? Maintenant que la mole a été définie, nous pouvons définir la masse molaire atomique (déjà rencontrée lors du TP sur les éléments chimiques et celui sur le tabl périodique)? 1

2 D après son nom, comment pouvez-vous définir simplement la masse molaire atomique? (Imaginez votre propre définition, puis passer à la suite) C est la masse d une mole d atome 1) La masse molaire atomique. En utilisant l activité documentaire 3 p. 125 (document 1), donner une définition plus précise de la masse molaire atomique. La masse molaire atomique d un élément est la masse d une mole d atome de cet élément à l état naturel Exemple : m fer = n fer M fer Rappeler ensuite la définition du terme isotope. Des isotopes sont des éléments qui ont le même nombre de protons mais des nombres de nucléons différents Puis, réaliser l activité documentaire 3 p. 125 ( document 1 ). 1) masse de la douzaine = = 720 g/douzaine 2) masse molaire de l or (masse d une mole d or) = N A 3, =196,3 g /mol 3) masse moyenne de la douzaine= 0, ,20 70 = 62 g/douzaine 4) masse molaire atomique du chlore = (0,7577 5, ,2423 6, ) N A = 35,44 g/mol 2) La masse molaire moléculaire. En utilisant l activité documentaire 3 p. 125 (document 2), donner la définition de masse molaire moléculaire puis expliquer comment il est possible de la calculer. La masse molaire moléculaire M d une molécule est la masse d une mole de cette molécule. Elle s obtient en effectuant la somme des masses molaires atomiques de chacun des atomes qui composent la molécule considérée. Elle s exprime en g/mol Ensuite, réaliser l activité documentaire 3 p. 125 (document 2). 5) M H20 = 2 M H + M O soit M H20 = 18 g/mol 6) La différence est le nombre d électrons 7) Oui, on peut négliger la masse de l électron devant la masse de l atome ou de l ion Quelle est la masse molaire moléculaire de AlCl 4 (le tétrachlorure d aluminium), CH 4 (le méthane), CuSO 4, 5 H 2 O (le sulfate de cuivre hydraté) de C 12 H 22 O 11 (une molécule de saccharose)? ous pouvez utiliser le tabl périodique placé à la fin de votre livre. M AlCl4 = M Al + 4 M Cl = ,5 = 169 g/mol M CH4 = 16 g/mol M CuSO4,5H20 = 159,6 g/mol = 249,6 g:mol M C12H22O11 = 342 g/mol III) Utilisation des masses molaires atomiques et moléculaires : le cas des solides et des liquides. 1) Comment prélever une quantité de matière donnée d un solide? Exercices : quelle masse faut-il prélever pour avoir 1,2 mol de Fer? m fer = n fer M fer d où m fer = 1,2 56= 67,2 g et quelle masse faut-il prélever pour avoir 0,7 mol de sulfate de fer FeSO 4? m FeSO4 = n FeSO4 M FeSO4 avec M FeSO4 = 152 g/mol m FeSO4 = 0,7 152 = 106,4 g/mol Coller et compléter le tabl 1 de l annexe 1 1. les solides On rappel que : m i = n i M i 2

3 Espèces chimiques Nom Eau glacée itamine C (acide ascorbique) Acide stéarique (constituant des bougies) Formules brutes H 2 O C 6 H 8 O 6 C 18 H 36 O 2 Masse molaires moléculaires M i en g.mol g/mol 176 g/mol 284g/mol Masse m i 24,3 g 500 mg 42,6 g Quantité de matière n i en mole (mol) 1,35 2, mol 0,15 2) comment déterminer la quantité de matière contenue dans un volume d un liquide donné? Pour une espèce solide, la connaissance de la masse molaire et une simple pesée de l échantillon, nous permettent de déterminer la quantité de matière contenue dans celui-ci. Rappels : La masse volumique ρ d un corps est égale au rapport de la masse m d un échantillon de ce corps par le volume qu il occupe. ρ= m La densité d d un liquide pur par rapport à l est égale au quotient de sa masse volumique par la masse volumique de l. NB: ρ = 1 g / cm 3 n = M m or m = ρ X donc le nombre de moles contenues dans un volume de liquide peut s écrire : n = ρ X / M avec ρ la masse volumique du liquide pur, le volume du liquide et M masse molaire des constituants du liquide. En utilisant ces informations, comment déterminer le nombre de moles contenues dans 23 cm 3 d ainsi que dans 23 cm 3 d acétone de formule brute C 3 H 6 O et de densité 0,79? Pour résoudre ce problème il faut utiliser 2 relations : (1) m i = n i M i mi ρi (2) ρ i = et (3) di = i ρ Calculons les masses correspondantes m et m acétone d = 1 donc ρ = 1 g/cm 3. La masse de 23 cm 3 d est donc 23 g (en utilisant la relation (2)) m = 23g d acétone = 0,79 d après la relation (3) ρ acétone = 0,79 g/cm 3 En utilisant la relation (2) on trouve m acétone = 0,79 23 m acétone = 18,2 g Calculons les quantités de matière correspondantes n et n acétone En utilisant la relation (1), on obtient : n = m M n acétone = m M d où n = 1,27 mol acétone acétone 18, 2 d où n acétone = =0,31 mol 58 3) Applications Coller et compléter le tabl 2 de l annexe 1 3

4 2. Les liquides dans les conditions normales de température et de pression ρ i = mi et que la densité di = i ρ ρ i (ici ρ est la masse volumique de l ) Espèces chimiques Nom Ethanol Octane (constituant de l essence) Styrène (conduit au polystyrène qui est une matière plastique) Formules brutes C 2 H 6 O C 8 H 18 C 8 H 8 Masse molaires moléculaires M i en g.mol g/mol 114g/mol 104 g/mol Masse volumique ρ i en g.cm -3 0,789 0,703 0,906 Densité d i 0,789 0,703 0,906 Masse m i 34,1 g 364,8 g 28 g Quantité de matière n i en mol 0,741 mol 3,2 mol 0,269 mol olume i en ml 43,2 ml 519 ml 30,9 ml 3) conclusion Pour les solides, une pesée nous permet de déterminer la quantité de matière correspondante. Pour les liquides, la connaissance de la densité ou de la masse volumique nous permet de déterminer la quantité de matière contenue dans un volume précis. Pour deux liquides différents, pour une quantité de matière identique, les volumes peuvent être différents. I) Qu en est-il pour les gaz? 1) Etude préliminaire. Pour une température de 20 C, une pression P = 1013 hpa, trois bouteilles de 0,572 litres ont été remplies par différents gaz après que les bouteilles aient été tarées. Ainsi, la masse des 0,572 L de gaz a pu être déterminée dans chacun des cas : Compléter le tabl ci-dessous : Pour T = 20 C, P = 1013 hpa, et pour = 0,572 L : Molécule CO 2 CH 4 O 2 masse molaire M (en g.mol -1 ) 44 g/mol 16 g/mol 32g/mol masse m (en g) 0,53 g 0,19 g 0,38 g Quantité de matière n (en mol) 0,012 mol 0,012 mol 0,012 mol Que remarque-t-on? 4

5 Que peut-on conclure? Choisir parmi les deux propositions suivantes : Pour une quantité de matière donnée, un gaz, quel qu il soit, occupe un volume bien défini. Comme pour les liquides et les solides, les volumes occupés par deux gaz différents sont différents pour une quantité de matière identique. Une nouvelle grandeur est utilisée pour rendre compte de cette particularité des gaz : le volume molaire. Notez la définition du volume molaire : Le volume molaire est le volume occupé par une mole de gaz Quelle formule relie le volume molaire noté m au volume de gaz et à la quantité de matière n contenue dans ce volume? (Préciser les unités de ces différentes grandeurs). (oir p 130 de votre livre) i = n i M M volume molaire en L/mol n i nombre de mole de l espèce i (quantité de matière) i volume en L occupé par l espèce i A quoi est égal le volume molaire d un gaz à T = 20 C et à P = 1013 hpa? (oir p 129 de votre livre) Le volume molaire est constante quelque soit la nature du gaz M = 24,0 L/mol ( à 20 C et 1013 hpa) 2) Deuxième étude. oici un tabl montrant l évolution du volume molaire avec la température : Température en ( C) olume molaire (en L.mol -1 ) 22,4 24,0 30,6 63,4 104,0 Que peut on dire de l évolution du volume molaire avec la température? Le volume molaire augmente avec la température 3) Application. Collez et complétez le tabl de l annexe 2. Tabl de l annexe 2 : Gaz Espèce chimique Nom Méthane (gaz de ville) Dioxyde de carbone Butane Formule brute CH 4 CO 2 C 4 H 10 Masse molaire moléculaire (g.mol -1 ) 16 g/mol 44 g/mol 58g/mol olume molaire (L.mol -1 ) à T et p 22,42 0 C ; 1,013 bar 24,47 25 C ; 10,13 bar 24,47 25 C ; 1,013 bar Masse 73 g 6,15 g 0,159 g olume (ml) ml 3420 ml 67,2 ml 5

6 Quantité de matière (mol) 4,56 mol 0,1397 mol 2, mol Exercices de synthèse Exercice N 1 Le saccharose (de formule brute C 12 H 22 O 11 ) se présente sous forme solide. On veut préparer 100 ml de solution 1 de saccharose, de concentration C 1 = 0,2 mol.l -1. 1) Quelle masse m doit-on prélever pour effectuer la dissolution? n 1 : nombre de moles en saccharose n 1 = 0,2 0,100 n 1 = 0,02 mol m 1 = n 1 M 1 avec M 1 masse molaire du saccharose M 1 = 342 g/mol D où m 1 = 6,84 g 2) Décrire le protocole utilisé lors de cette dissolution. Peser la masse de saccharose Dans une fiole dissoudre de glucose dans un peu d puis complété jusqu au rait de jauge pour obtenir 100 ml 3) On prélève alors 50 ml de la solution 1 puis on ajoute 350 ml d distillée. Quelle est la nouvelle concentration c 2 de la solution 2 ainsi préparée? n sac = C 1 1 avec 1 = 50 ml n sac = 0, n sac = 0,01 mol Calculons C 2 n sac C 2 = d où C 2 = 1 + 0,350 C ,350 1 soit C 2 =0,025 mol/l 4) On prélève 20 ml de la solution 2. Quelle quantité de matière n S de saccharose correspond à ce prélèvement? n s = C 2 2 avec 2 = 20 ml n s = 0,025 0,020 n s = 0,0005 mol Exercice N 2 Les conditions de l expérience sont : T = 20 C et P = 1013 hpa. Dans un volume = 100 ml d distillée, on dissout 480 ml de gaz HCl. 1) Quelle quantité de matière de HCl a été dissoute dans la solution? HCl = n HCl M n HCl = 0, doù n HCl = 0,02 mol 2) Quelle est alors la concentration molaire de HCl dans la solution ainsi préparée? n C HCl = HCl 0,02 soit C HCl = d où C HCl = 0,2 mol/l 0,100 Remarque : Pour T = 20 C et P = 1013 hpa, le volume molaire m = 24 L.mol -1 6

7 Exercice N 3 : Une échelle de teinte peut être réalisée par dilution d une solution mère. Pour réaliser une échelle de teinte afin de retrouver une concentration inconnue en permanganate de potassium, on dispose d une solution mère de permanganate de potassium de concentration 0,1 mol.l -1. Comment réaliser, à partir de cette solution mère deux solutions de volume 50 ml et de concentration 0,02 mol.l -1 et 0,01 mol.l -1? Cas de la solution à 0,02 mol/l n : quantité de matière de permanganate de potassium C 1 : concentration de la solution mère C 2 concentration de la solution fille 1 volume de la solution mère 2 volume de la solution fille Calculons la quantité de matière n en permanganate de potassium dans la solution fille. n = C 2 2 n = 0,02 0,050 n = 0,001 mol Quel volume 1 de la solution mère faut-il prendre pour obtenir cette quantité de matière en permanganate de potassium? n = C 1 1 d où 1 = Soit 1 = 0,001 0,1 n C 1 1 = 0,01 L 1 = 10 ml Pour réaliser cette solution on prendra 10 ml de la solution mère et on ajoutera 40 ml d pour obtenir un volume total de 50 ml Cas de la solution à 0,01 mol/l Calculons la quantité de matière n en permanganate de potassium dans la solution fille. n = C 2 2 n = 0,01 0,050 n = 0,0005 mol Quel volume 1 de la solution mère faut-il prendre pour obtenir cette quantité de matière en permanganate de potassium? n = C 1 1 d où 1 = Soit 1 = 0,0005 0,1 n C 1 1 = 0,005 L 1 = 5 ml Pour réaliser cette solution on prendra 5 ml de la solution mère et on ajoutera 40 ml d pour obtenir un volume total de 50 ml 7