Première Résumé de cours de chimie

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1 Première 1 Les molécules 1.1 Formule d'une molécule Dans la formule brute, chaque élément chimique présent est représenté par son symbole. On indique le nombre d'atomes présents de chaque élément en indice à droite du symbole. L'absence d'indice équivaut à 1. Exemple C 2H6 Les éléments de numéro atomique proche de celui de l'hélium adoptent sa structure électronique : K 2. Ils ont alors deux électrons sur leur couche externe. C'est la règle du «duet». Les autres éléments de numéro atomique inférieur à 21 adoptent la structure électronique du néon ou de l'argon. Ils portent donc huit électrons (1 octet) sur leur couche externe. C'est la règle de l'octet. Une liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons par deux atomes. En formant des liaisons covalentes, chaque atome s'entoure des électrons requis pour respecter la règle de l'octet (ou du duet pour l'hydrogène). L'application des règles de l'octet et du duet pour les éléments chimiques dont le numéro atomique est compris entre trois et 20 permet de prévoir avec certitude la charge des ions mono atomiques qui peuvent se former. Pour un élément, le nombre de liaisons à former est égal au nombre d'électrons manquants sur la couche externe de l'atome isolé pour obéir aux règles du duet ou de l'octet (C=4, H=1, O=2, N=3). Une liaison covalente multiple est constituée de deux ou trois liaisons covalentes entre deux atomes. Un doublet liant est constitué de deux électrons mis en commun dans une liaison covalente. Les électrons de la couche externe qui ne sont pas engagés dans une liaison covalente s'associent 2 par 2 pour former des doublets non liants. Dans la représentation de Lewis d'une molécule, les noyaux et les couches internes des atomes sont représentées par les symboles des éléments chimiques correspondant. Les liaisons covalentes (doublets liants) entre les atomes et les doublets non liants sont représentés par des traits. Dans une formule développée, toutes les liaisons covalentes apparaissent. 1/9

2 Exemple : Dans une formule semi développée, les liaisons concernant les atomes d'hydrogène ne sont pas représentées. Exemple : Les doublets d'un atome de carbone, d'azote ou d'oxygène impliqué uniquement dans des liaisons simples adoptent un arrangement tétraédrique. Les doublets d'un atome de carbone, d'azote ou d'oxygène impliqué dans une liaison double se répartissent dans un plan. Les doublets d'un atome de carbone, ou d'azote impliqué dans une liaison triple se répartissent linéairement. L'isomère où les deux atomes d'hydrogène se situent du même côté de la liaison double est appelé Z (zusammen), l'autre est appelé E (entgegen). 2 Matière et interactions Un solide ionique cristallin est une solide constitué d'anions (-) et de cations (+) disposés de façon ordonnée. Plus un atome a la capacité d'attirer les électrons des liaisons covalentes dans lesquelles il est engagé plus il est électronégatif. Dans le tableau des éléments, l'électronégativité augmente vers le haut et vers la droite. Une liaison covalente impliquant deux atomes d'électronégativités différentes est dite polarisée. Le caractère polaire ou non d'une molécule dépend de la présence de liaisons polarisées et de la géométrie. L'eau est un solvant polaire. Les solvants hydrogénocarbonés sont apolaires. Ceux qui contiennent N, O, F ou Cl sont polaires. Un solide moléculaire est un solide constitué de molécules. Si elles sont ordonnées, il est cristallin, sinon il est amorphe. Les interactions de van der Waals sont des interactions le plus souvent attractives qui s'exercent entre les molécules. La liaison hydrogène en est un cas particulier : elle s'établit entre un atome d'hydrogène lié à un atome de forte électronégativité (O, N, F, Cl) et un autre atome de forte électronégativité (O, N, F, Cl). Les liaisons hydrogène assurent la cohésion de la glace. 2/9

3 La solubilité d'une espèce polaire est plus élevée dans un solvant polaire et inversement. 3 Concentration et quantité de matière 3.1 Quantité de matière Une solution est obtenue par dissolution d'une espèce chimique dans un solvant. Une fois dissoute, l'espèce chimique s'appelle soluté. Si le solvant est l'eau, on obtient une solution aqueuse. Une solution moléculaire contient le soluté sous forme de molécules, elle ne conduit pratiquement pas le courant. Une solution ionique contient le soluté sous forme d'ions dispersés, elle conduit le courant. Lors de la dissolution, la masse se conserve. La concentration massique en soluté est : c m= m en grammes par litres. V Une mole d'entités est un «paquet» contenant 6, entités. C'est le nombre d'entités que contient 12g de carbone 12. La quantité de matière d'une espèce chimique est le nombre de moles contenues dans un échantillon de cette espèce, elle se note n est s'exprime en mole (mol). Il y a proportionnalité entre le nombre d'entités N et la quantité de matière n d'un échantillon. N =n N A (N sans unité, n en mol, N A en mol 1. La constante de proportionnalité N A est appelée constante d'avogadro. La constante d'avogadro est égale à : N A=6, mol 1 On appelle concentration molaire C d'une solution (ou concentration molaire du soluté en solution) le rapport de la quantité de matière n de soluté par le volume V de la solution : n C=. V Dans une opération de dilution, la quantité de matière ne change pas. Si l'on appelle C et V la concentration molaire et le volume de la solution mère et C' et V' la concentration molaire et le volume de la solution fille, on peut écrire la relation : CV=C ' V '. C'est la traduction de la conservation du nombre de moles : n=n' La masse molaire atomique d'un élément est la masse d'une mole d'atomes de cet élément à l'état naturel, c'est-à-dire compte tenu de tous ses isotopes et de leur abondance relative. On la note M ; elle s'exprime en g.mol 1. La masse molaire moléculaire 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. La quantité de matière n d'un échantillon de masse m d'entités chimiques de masse m molaire M vaut : n=. M La solubilité d'une espèce chimique dans un solvant donné est égale à la masse maximale de cette espèce pouvant être dissoute dans un volume donné de solvant; elle s'exprime en g/l. 3/9

4 La masse volumique d'un corps est égale au rapport de la masse m d'un échantillon de ce corps par le volume v qu'il occupe. On la note ρ, elle s'exprime en kilogrammes par mètre cube dans le système international, ou plus couramment, en grammes par centimètre m cube : ρ= V La densité d'un corps est le rapport entre sa masse volumique et la masse volumique d'un ρ corps de référence. Elle se note d et s'exprime sans unité : d = ρref Volume molaire Pour relier quantité de matière et volume, on définit le volume molaire Vm (en L.mol -1) (Litre par mole) qui est le volume d une mole de gaz. Ce volume dépend de la température et de la pression du gaz ; ainsi, dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP) c est à dire à 0 C et à la pression atmosphérique, la valeur de Vm est de 22,4 L.mol-1 n= V Vm 4 Transformations chimiques 4.1 Généralités sur les réactions chimiques Un système chimique est un ensemble d'espèces chimiques. Il est décrit : de façon qualitative par la nature de toutes les espèces chimiques, par sa température et par sa pression de façon quantitative par la quantité de matière de chaque espèce. Un système qui évolue au cours du temps passe d'un état initial à un état final. Il se trouve dans l'état final lorsqu'il n'évolue plus. Si la composition d'un système à l'état final est différente de celle de l'état initial, le système a subi une transformation chimique. Une espèce présente dans l'état initial et qui sera consommée durant la transformation chimique est appelé réactif. Une espèce formée au cours de la transformation est appelée produit. Dans le modèle de la réaction chimique étudiée au lycée, on indique simplement la nature des réactifs et des produits, ainsi que les proportions dans lesquelles les réactifs sont consommés et les produits sont formés. L'équation chimique est l'écriture symbolique de la réaction chimique. Au cours d'une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques (et donc de la masse) et conservation de la charge électrique. Un coefficient stœchiométrique est associé à chaque espèce, de manière à ce que l'équation chimique respecte les lois de conservation des éléments et des charges. Ces nombres indiquent les proportions suivant lesquelles les réactifs sont consommés et les produits sont formés. Si tous les réactifs ont été consommés à l'état final, le mélange de réactifs est dit stœchiométrique. 4/9

5 Quand il ne l'est pas, l'un des réactif peut être totalement consommé alors qu'au moins un autre est encore présent. Le réactif totalement consommé est limitant, les autres sont en excès. Tableau d'avancement de la réaction a A + b B c C + d D : Etat Initial Avancement 0 Intermédiaire x Final xf A B C D n i (A) n i (B) 0 0 n i (A) a x n i (B) b x cx dx n i (A) a x f n i (B) b xf c xf d xf L'énergie libérée ou consommé est proportionnelle à l'avancement de la réaction. Le coefficient de proportionnalité est l'énergie de la réaction en J/mol 4.2 Réactions d'oxydoréduction Un oxydant capture un ou plusieurs électrons. Un réducteur cède un ou plusieurs électrons. Toute réaction chimique mettant en jeu un transfert d'électrons est appelée réaction d'oxydoréduction. Le réactif qui fournit les électrons est le réducteur (on dit qu'il s'oxyde). Celui qui capte les électrons est appelé oxydant. Deux entités chimiques qui ne diffèrent que par leur nombre d'électrons, constituent un couple oxydant/réducteur simple. Forme oxydée du couple + n e- = forme réduite du couple. On obtient l'équation chimique correspondant à une équation d'oxydoréduction en combinant les demi-équations relatives aux deux couples de telle sorte que les électrons s'éliminent. 4.3 Les piles électriques et l énergie chimique Une demi-pile est constituée par les deux espèces, oxydante et réductrice, d'un couple oxydant/réducteur en contact. Une pile est constituée de deux demi-piles, chacune relative à un couple oxydant/réducteur donné, reliées par une jonction électrochimique. On appelle cathode, l'électrode qui est le siège d'une réduction, c'est le pôle + On appelle anode l'électrode qui est le siège d'une oxydation, c'est le pôle La valeur absolue de la tension mesurée aux bornes d'une pile qui ne débite pas est sa force électromotrice (fem=e) ; elle dépend de la nature et de la concentration en solution des couples oxydant/réducteur mis en jeu. On symbolise une pile de la façon suivante : M s / M n+ aq // M 'p+ aq / M ' s Loi de Beer-Lambert Une solution colorée absorbe en partie la lumière visible. Une solution incolore a une absorbance A=0 quelle que soit la longueur d'onde utilisée. 5/9

6 La loi de Beer-Lambert permet d'exprimer l'absorbance : A= l c avec l la largeur en cm de la cuve c la concentration en mol/l le coefficient d'extinction molaire en L/mol/cm A dépend de la longueur d'onde (courbe en cloche avec un pic). Cette loi est additive : l'absorbance d'une solution qui contient plusieurs espèce est la somme des absorbances. 5 Chimie organique 5.1 Molécules organiques colorées Deux liaisons doubles séparées par une seule liaison simple sont dites conjuguées. La présence d'un nombre suffisamment grand de liaisons doubles conjuguées au sein d'une molécule organique est à l'origine de sa couleur. La présence d'atomes ou de groupes d'atomes (Cl, -OH, -OCH3, -NH2 etc) dans une molécule organique influe sur le domaine de radiations qu'elle absorbe. La couleur de certaines espèces chimiques dépend du ph de la solution aqueuse dans laquelle elles sont dissoutes. Ces espèces sont appelées des indicateurs colorés. La couleur de certaines espèces chimiques dépend du solvant dans lequel elles sont dissoutes. 5.2 Les alcanes Le nom des alcanes est constitué d'un radical (méth, éth, prop, but, pent, hex, hept, oct) qui dépend du nombre d'atomes de carbone, suivi de «ane». Pour un alcane cyclique, on rajoute «cyclo» devant le nom. Pour les alcanes ramifiés on dit par ex : 3-méthyl-hexane. La température d ébullition d'un alcane augmente avec le nombre d'atomes de carbone qui le composent indépendamment des ramifications. 5.3 Les alcools On appelle alcool un composé dans lequel un groupe caractéristique hydroxyle OH est lié à un atome de carbone tétragonal c est-à-dire ne formant que des liaisons covalentes simples Le nom de l alcool est celui de l alcane correspondant suivi du numéro du carbone fonctionnel et suivi du suffixe «ol» La chaîne principale est la chaîne la plus longue contenant le carbone fonctionnel. La numérotation de la chaîne est choisie de façon que le carbone fonctionnel ait le numéro le plus petit Il existe trois classes d alcools (selon le nombre de groupes alkyle R fixés sur le carbone fonctionnel) : Dans un alcool primaire, le carbone fonctionnel est lié à un seul atome de carbone (ou exceptionnellement zéro), donc à un seul groupe alkyle. Dans un alcool secondaire, le carbone fonctionnel est lié à 2 atomes de carbone, donc à 2 groupes alkyle. Dans un alcool tertiaire, le carbone fonctionnel est lié à 3 atomes de carbone, donc à 3 groupes alkyle. Les températures de changement d état et la densité d un alcane linéaire augmentent 6/9

7 lorsque le nombre d atomes de carbone de la chaîne carbonée augmente, c est-à-dire lorsque la masse molaire de la molécule augmente. La température de changement d état d alcanes isomères diminue lorsque le nombre de ramifications augmente. La température d ébullition des alcools augmente lorsque le nombre d atomes de carbone (donc la masse molaire) augmente. Les alcools sont plus miscibles avec l eau que les alcanes et ce, grâce aux liaisons hydrogène. La miscibilité d un alcool avec l eau diminue lorsque sa chaîne carbonée augmente. 5.4 Les alcènes Les alcènes possèdent une liaison double carbone-carbone; ils sont insaturés. Ils diffèrent par leur géométrie (E (entgegen) ou Z(zusammen)) selon la forme de la chaîne carbonée. Z quand les groupes d'atomes sont du même côté. La transformation d'un alcane en alcène est la déshydrogénation. Les alcènes peuvent être additionnés dans des réactions de polymérisation pour donner des polymères tels que le polyéthylène, le polystyrène, le polychlorure de vinyle 5.5 Groupes caractéristiques et réactivité 7/9

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