États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

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1 Chapitre 1 États de la matière Mélanges - Corps purs Corps simples Si vous avez quelque chose à noter 1 Dans la nature, la matière se trouve le plus souvent sous forme de mélange et dans l un des états suivants : état solide ; état liquide ; état gazeux. C est ce que nous allons développer dans ce chapitre. États de la matière EXPÉRIENCE MATÉRIEL de la glace pilée ; un tube à essais ; une soucoupe froide ; une source de chaleur. MANIPULATIONS - OBSERVATIONS Placez un peu de glace pilée au fond du tube à essais. Chauffez le tube en maintenant la soucoupe au-dessus de celui-ci. > Notez dans le tableau ci-dessous ce que vous observez. Phases Au départ Après un certain À la fin temps (1 min) (tube vide) États de l eau Chapitre 1 9 Solide Tube à essais Soucoupe Glace pilée Source de chaleur États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

2 EXPÉRIENCE 2 CONCLUSIONS L eau est une matière qui peut exister à l état solide (glace), à l état liquide, ou à l état gazeux (vapeur d eau). De plus, elle peut passer d un état à l autre en faisant simplement varier la température. Glace La vapeur d eau, au contact de la soucoupe froide, se transforme en eau. Eau liquide À retenir fusion États de la matière Mélanges Ce sont des matériaux obtenus à partir de plusieurs autres matériaux. Prenons l exemple de l eau sucrée : Chapitre 1 10 eau sucrée = eau + sucre Séparation des constituants d un mélange MATÉRIEL Soit une eau boueuse dans laquelle on a mis du sucre. Un agitateur permet de maintenir le tout sous forme de mélange. Eau liquide liquéfaction Bécher évaporation Vapeur d eau Vapeur d eau La matière peut exister dans la nature à l état solide, liquide ou gazeux ; elle peut changer d état dans des conditions de température ou de pression appropriées. solidification Liquide EXPÉRIENCE fusion liquéfaction Solide évaporation Gazeux Agitateur Eau + terre + sucre États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

3 EXPÉRIENCE MANIPULATIONS OBSERVATIONS a) Cessez d agiter le mélange. Après un moment, il se forme un dépôt de terre au fond du bécher. C est la phase de décantation. b) Filtrez l eau trouble obtenue précédemment. Il se forme sur le papier du filtre un dépôt de terre. On obtient un filtrat composé d eau et de sucre. C est la phase de filtration (faire l opération plusieurs fois pour obtenir un filtrat limpide). c) Distillez le filtrat obtenu précédemment en utilisant un montage défini par la figure ci-dessous. Vapeur d'eau Dépôt de sucre On obtient un dépôt de sucre dans le ballon, et on récupère l eau dans le bécher. C est la phase de distillation. CONCLUSIONS On a pu séparer les différents constituants du mélange (eau + terre + sucre) par phases successives, à savoir : a) phase de décantation ; b) phase de filtration ; c) phase de distillation. À retenir Chapitre 1 11 Dépôt de terre Filtre Entonnoir Eau tiède Eau froide Source de chaleur Dépôt de terre Filtrat (sucre + eau) Réfrigérant Eau trouble Un mélange est constitué de plusieurs matériaux. On peut séparer les constituants d un mélange par des procédés simples : thermiques, mécaniques, magnétiques, dynamiques, etc. Eau États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

4 3 Corps purs Ce sont des matériaux que l on ne peut pas fractionner par les procédés ordinaires (évoqués à propos des mélanges). Exemples : l eau, le sucre, le sel, le gaz carbonique, etc. Les corps purs sont en général les éléments constituant des mélanges. Exemple : Air = {oxygène + azote + gaz carbonique + néon + } 4 Corps simples EXPÉRIENCE MATÉRIEL Soit le schéma de montage d une cuve à électrolyse défini par la figure ci-contre : MANIPULATIONS - OBSERVATIONS Dès que l interrupteur est fermé, on assiste au phénomène de décomposition de l eau. a) Il apparaît du gaz dans les tubes à essais. b) On identifie ces deux gaz : On place dans le tube 1 une allumette qui ne présente plus Gaz 1 Un point d'incandescence qu un point d incandescence ; l allumette s enflamme à nouveau : le gaz contenu dans le tube 1 est du dioxygène ; On présente une flamme à l extrémité du Gaz 2 tube 2 ; il se produit une détonation : le gaz contenu dans le tube 2 est du dihydrogène. Détonation CONCLUSIONS a) La décomposition de l eau montre qu elle est constituée de deux éléments : l élément oxygène et l élément hydrogène. b) Le dioxygène et le dihydrogène ne peuvent être décomposés sans détruire les éléments qui les constituent. On dit que ce sont des corps simples. À retenir Chapitre 1 12 Solution Tube 1 Tube 2 Un corps simple est un corps qui ne peut être décomposé sans détruire l élément qui le constitue. On connaît une centaine de corps simples. Exemples : oxygène (gazeux), mercure (liquide), soufre (solide). États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

5 Entraînement > Exercice 1 Complétez le tableau ci-dessous en donnant des exemples de corps à l état solide, liquide ou gazeux. > Exercice 2 Un apiculteur, après avoir recueilli le miel de ses ruches, veut le débarrasser des larves qu il contient. Il procède par centrifugation en utilisant un tambour percé de petits trous. a) Quel type de procédé utilise l apiculteur pour séparer les constituants de ce curieux mélange? physique Solide Liquide Gazeux Justifiez votre réponse. b) Où se trouve le miel après cette opération de filtrage? Justifiez votre réponse. Chapitre 1 à l intérieur du cylindre dynamique 13 thermique à l extérieur du cylindre magnétique États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

6 Entraînement > Exercice 3 On vous donne un mélange de limaille de fer et de «fleur de soufre». Coupelle En utilisant un moyen simple et approprié, expliquez comment vous pourrez séparer les éléments de ce mélange. Faites un croquis pour illustrer votre réponse. > Exercice 4 On a trouvé, sur un document ancien, le texte suivant : Chapitre 1 «On veut séparer les constituants d une poudre noire qui est un mélange de salpêtre, de carbone et de soufre. Le salpêtre est soluble dans l eau. Le soufre est soluble dans le sulfure de carbone (liquide dangereux à manier). Le carbone n est soluble, ni dans l un, ni dans l autre de ces deux liquides.» 14 Mélange États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

7 a) Expliquez comment vous feriez pour isoler le salpêtre de ce mélange. Faites les croquis nécessaires pour illustrer votre réponse. b) Expliquez, à présent, comment vous feriez pour isoler le carbone de ce mélange. Chapitre 1 15 États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

8 Entraînement > Exercice 5 Au cours de la phase de distillation permettant de séparer l eau du mélange «eau sucrée», l eau subit différents changements d états. Vapeur d'eau Dépôt de sucre a) Que signifie l expression «changement d état»? b) Montrez par un schéma les différents changements d état que subit l eau au cours de cette manipulation. liquide Chapitre 1 16 Eau tiède Eau froide Source de chaleur Réfrigérant Eau États de la matière. Mélanges - Corps purs. Corps simples

9 Chapitre 2 Atomes Ions Classification périodique Si vous avez quelque chose à noter 1 La matière a une structure discontinue. Elle est composée de grains. La figure ci-dessous en est une représentation. Grain Il existe essentiellement trois sortes de grains de matière : l atome ; la molécule ; l ion. Nous allons, dans ce chapitre, nous intéresser plus particulièrement à l atome et à l ion. Atome Un atome est la plus petite partie d un corps simple. Prenons l exemple d un atome de lithium. La figure ci-dessous nous en donne une image. Noyau Chapitre 2 17 Nuage d'électrons } Morceau de matière ATOME Atomes Ions Classification périodique

10 a) Composition de l atome de lithium L atome de lithium est composé Noyau de trois sortes de particules : les protons e + ; les neutrons ; les électrons e. b) Charge électrique de l atome de lithium L atome de lithium est composé de : 4 neutrons (non chargés électriquement) ; 3 protons ; 3 électrons. même nombre La charge électrique de l électron étant égale (en valeur absolue) à celle du proton (e = 1, C.), l atome du lithium est électriquement neutre. (e 3) + (e + 3) = 0 L atome, la plus petite partie du lithium est électriquement neutre. Cette caractéristique est valable pour tous les corps simples. c) Symbole de l atome de lithium L atome de lithium est Li. On lui associe la composition de son noyau (7 particules) et le nombre d électrons (3) qui gravitent autour du noyau. Lettres correspondant au nom du corps concerné À retenir Chapitre 2 18 Li 7 4 neutrons + 3 protons 3 3 électrons Atomes Ions Classification périodique Nuage d'électrons Neutrons Protons L atome est la plus petite partie d un corps simple. Il est composé d un noyau et d un «nuage» d électrons. Il est électriquement neutre. Noyau Nuage d'électrons Pour rappeler les caractéristiques d un élément chimique, on note : Symbole correspondant au nom de l'élément X A A (noyau) = N (neutrons) + Z (protons) Z Composition du noyau Nombre d'électrons

11 2 Représentation d un atome a) On dispose les électrons autour du noyau de l atome en couches concentriques, de la façon suivante : b) Soit à titre d exemple le cas du carbone C Le nombre 6 qui apparaît dans le symbole indique que l atome de carbone possède 6 électrons. La répartition sera donc : Couche K : 2 électrons ; Couche L : 4 électrons. c) Cette représentation correspond au modèle de Bohr. La répartition des électrons sur les différentes couches se fait selon le tableau ci-dessous : Couches K L M Externe Nbre maximum d électrons d) Seule la couche externe d un atome intervient dans les réactions chimiques. On pourra donc simplifier la représentation d un atome en ne dessinant que le noyau et la couche externe d électrons. C est le modèle de Lewis. Reprenons le cas du lithium ; nous aurons : Chapitre 2 Noyau Modèle de Bohr 19 Couche M Couche externe Couche externe Couche L Couche K Modèle de Lewis Atomes Ions Classification périodique

12 3 Classification périodique C est une manière de ranger tous les corps simples (imaginée par le chimiste Mendeleïev) dans un tableau à huit colonnes numérotées de I à VIII. Voici un extrait de ce tableau. H 4 I II III IV V VI VII VIII 1 He 4 HYDROGÈNE 1 Li 7 LITHIUM 3 23 Na SODIUM K POTASSIUM 19 Be 9 BÉRYLLIUM 4 Mg 24 MAGNÉSIUM 12 Ca 40 CALCIUM 20 Ion simple Un ion simple est un atome qui a perdu (ou gagné) un ou plusieurs électrons. Prenons l exemple d un atome de sodium et un atome de chlore représentés selon le modèle de Bohr. Na 23 C 35 SODIUM CHLORE a) L ion sodium Si on enlève (on fait partir) un électron à l atome de sodium, celui-ci change de nature : il devient électriquement positif ; c est l ion sodium ; son symbole est Na +. b) L ion chlorure Si on ajoute (on fait venir) un électron à l atome de chlore, celui-ci change de nature : il devient électriquement négatif ; c est l ion chlorure ; son symbole est C. En «manipulant» les électrons, on a obtenu deux sortes d ions : l ion sodium (Na + ) positif ; l ion chlorure (C ) négatif. À retenir Chapitre 2 B 11 BORE 5 A 27 ALUMINIUM C 12 N 14 O 16 CARBONE AZOTE OXYGÈNE Si 28 P 31 S 32 SILICIUM PHOSPHORE SOUFRE Atomes Ions Classification périodique HÉLIUM 2 F 19 Ne 20 FLUOR NÉON 9 10 C 35 Ar 40 CHLORE ARGON électrons 11 protons 12 neutrons 18 électrons 17 protons 18 neutrons Un ion provient d un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il existe donc : des ions positifs (perte d électrons) ; des ions négatifs (gain d électrons).

13 Entraînement > Exercice 1 Donnez le nombre de protons, d électrons et de neutrons composant les éléments suivants (consultez le tableau périodique des éléments chimiques) : Be 9 BÉRYLLIUM 4 Si 28 Ar SILICIUM ARGON 18 > Exercice 2 Soit le symbole d un élément chimique : a) Donnez son nom. b) Faites-en la représentation selon le modèle de Bohr (complétez le schéma). > Exercice 3 On considère un élément chimique dont le numéro atomique est 16 (le numéro atomique d un élément chimique indique le nombre d électrons qu il possède). a) Faites la représentation de Lewis de son atome. Chapitre 2 Protons Électrons Neutrons Noyau Noyau 16 8 Atomes Ions Classification périodique

14 Entraînement b) Dans quelle colonne du tableau de Mendeleïev se trouve cet élément? c) Donnez le nom et le symbole de cet élément. Cherchez ensuite le symbole de l ion correspondant, sachant que l ion est obtenu en enlevant deux électrons à l atome. Nom de l élément : Symbole de l élément : Symbole de l ion correspondant : > Exercice 4 L atome d un élément X a pour modèle de Lewis celui indiqué dans la figure ci-dessous : a) Donnez le nombre d électrons situés sur sa couche externe. b) Donnez le modèle de Bohr de cet élément, sachant que sa couche externe est la couche M. c) Identifiez cet élément par son nom et son symbole. Nom de l élément : Symbole de l élément : Chapitre 2 22 Noyau Atomes Ions Classification périodique

15 Chapitre 3 Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire Si vous avez quelque chose à noter 1 La plupart des corps purs sont constitués de molécules (certains d entre eux, tels que l hélium, le néon, sont constitués d atomes). Nous allons en étudier quelques-uns dans ce chapitre. Molécules On appelle molécule une association de plusieurs atomes. Ces atomes peuvent être identiques ou différents. Considérons le modèle de Lewis des corps suivants : a) Exemple 1 : Deux atomes d Hydrogène mettent en commun leur électron pour former un groupe unique : la molécule de dihydrogène. Chapitre 3 23 Hydrogène Chlore Oxygène Atome Molécule Nom Formule Hydrogène H + H Dihydrogène H 2 Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

16 b) Exemple 2 : Deux atomes d oxygène mettent en commun deux électrons pour former un groupe unique : la molécule de dioxygène. Atome Molécule Nom Formule Oxygène c) Exemple 3 : Deux atomes de chlore mettent en commun un électron pour former un groupe unique : la molécule de dichlore. d) Exemple 4 : Un atome de chlore et un atome d hydrogène mettent en commun un électron pour former un groupe unique : la molécule de chlorure d hydrogène. Chapitre 3 24 O + O Dioxygène O 2 Atome Molécule Nom Formule Chlore C + C Dichlore C 2 Atome Molécule Nom Formule Hydrogène Chlore À retenir H + C Chlorure d hydrogène HC Une molécule est un assemblage d atomes liés par des liaisons de covalence. Exemples : H 2 molécule de dihydrogène C 2 molécule de dichlore HC molécule de chlorure d hydrogène Une liaison de covalence provient d une mise en commun d électrons entre les atomes composant la molécule. Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

17 2 Représentations des molécules a) On représente l atome par une forme sphérique (boule) comprenant toutes les couches d électrons. Atome de chlore : Atome d hydrogène : Le symbole nm, qui veut dire nanomètre signifie 10 9 m, 1 nm = 0,001 µm = 0, m. b) On représente la molécule à l aide d un modèle qui montre les atomes entrant dans sa composition (d : distance entre les axes). d = 0,13 nm Molécule de HC : (chlorure d hydrogène) Molécule de H 2 O : (eau) 3 Mole a) Pour pouvoir manipuler des éléments chimiques (quelques grammes), il faut en considérer une très grande quantité (des milliards de milliards ). b) On appelle mole (symbole mol) l unité de quantité de matière nécessaire pour pouvoir être manipulée lors d une expérience en chimie. 1 mol de matière = 6, élément de matière c) Le nombre 6, a été calculé par le chimiste Avogadro, de manière à ce que la masse molaire en grammes d un élément chimique soit égale à la valeur A de son noyau. d) Avogadro a également démontré qu une mole de gaz à 0 C, et sous une pression de 76 cm de mercure, occupe un volume de 22,4 litres. Chapitre 3 N = 6, = Nombre d Avogadro 25 Ø = 0,36 nm d = 0,096 nm Ø = 0,23 nm Chlore Oxygène V mol d un gaz = 22,4 litres Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

18 4 Masse molaire On appelle masse molaire (symbole M mol ) la masse, en grammes, d une mole d entité chimique. a) La masse molaire atomique est la masse d une mole d atome de l élément chimique considéré ; elle est égale (en grammes) au nombre A du symbole de l élément. Exemple : pour le carbone C 12 A = 12 d où : 6 b) La masse molaire moléculaire est la masse d une mole de molécules du corps pur considéré ; elle est égale à la somme des masses molaires atomiques des éléments qui composent le corps pur. Exemple : pour une molécule de dioxyde de carbone CO 2 : M mol C = 12 g M mol O = 16 g M mol CO 2 = 12 g + (2 16 g) soit : M mol CO 2 = 44 g. 5 Quantité de matière La quantité de matière (exprimée en mol), symbole n, d une masse m de matière dont la masse molaire est M, est donnée par l expression : Pour 3 g de carbone, par exemple, on a n = 3 12 n = 0,25 mol de C 6 Concentration molaire a) La concentration molaire d une entité chimique en solution est sa quantité dissoute par litre de solution. b) On utilise deux façons de noter la concentration molaire d une entité chimique X en solution : c) L expression [HCl] = 0,04 mol.l 1 signifie que dans un litre de solution, il y a 0,04 mol de HCl. Chapitre 3 26 C = n V n = m M ; n en mol n en mol V en litres C en mol.l 1 Cx ou [X] M mol C = 12 g. Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

19 Entraînement > Exercice 1 La formule chimique de la molécule du monoxyde de carbone est CO. a) Identifiez les atomes des corps simples composant cette molécule. b) Donnez le symbole complet de ces atomes (aidez-vous du tableau périodique donné page 22). c) Calculez la masse molaire du monoxyde de carbone. > Exercice 2 On prépare 200 ml d eau salée en dissolvant dans l eau 9 g de sel (NaC ). Calculer la concentration [NaC ] de la solution obtenue. Masse molaire du sel : Quantité de sel : Concentration du sel : Chapitre 3 27 M mol CO = M NaC = n NaC = [NaC ] = Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

20 Entraînement > Exercice 3 Un mélange intime de fleur de soufre et de poudre d aluminium réagit «en brûlant» pour donner du sulfure d aluminium. 2 A + 3 S A 2 S 3 a) Relevez dans cette écriture, en les distinguant, les atomes et molécules (précisez le nombre de chacun d eux). Molécule : Atome : b) Recherchez les symboles (avec leurs nombres A et Z associés) des atomes des corps présents dans cette réaction. c) Faites la représentation selon le modèle de Bohr de l un d entre eux (au choix). Choix : d) Déduisez sa représentation selon le modèle de Lewis. e) Calculez enfin la masse molaire moléculaire de A 2 S 3. Chapitre 3 M mol = Noyau Noyau Molécules Nombre d Avogadro Masse molaire

21 Chapitre 4 Modèles des états de la matière Si vous avez quelque chose à noter 1 Nous avons vu que la matière se présente dans la nature sous l un des trois états suivants : solide ; liquide ; gazeux. Nous allons étudier les principales caractéristiques de ces états et définir ce qu on appelle des «modèles» de ces états. Modèle de l état gazeux EXPÉRIENCE 1 MATÉRIEL Soit une pompe à vélo dont le piston est en position «sortie». La quantité d air située dans le corps de pompe a un volume V 1. MANIPULATIONS - OBSERVATIONS a) On bouche l extrémité du corps de pompe et on exerce une force sur le piston : celui-ci s enfonce dans le corps de pompe. Le volume d air diminue et devient V 2. b) La même quantité d air contenue dans le corps de pompe occupe des volumes différents tels que : Chapitre 4 Corps de pompe 29 V 2 Volume V 1 V 1 > V 2 Modèles des états de la matière Piston Force

22 CONCLUSION L air a été comprimé dans le corps de pompe. EXPÉRIENCE 2 MATÉRIEL Considérons une fiole de parfum et la salle de classe. MANIPULATION OBSERVATIONS a) Versons une goutte de parfum dans un coin de la salle. b) Au bout de quelque temps, l odeur du gaz provenant du parfum est perceptible dans toute la salle. CONCLUSION Le gaz provenant du parfum occupe tout le volume de la classe. Il s est expansé. EXPÉRIENCE 3 MATÉRIEL Soit un ballon rempli d air, muni d un tube en S et monté selon la figure ci-dessous : MANIPULATION OBSERVATIONS a) Chauffons le ballon quelques instants. b) Les deux niveaux d eau colorée dans le tube en S se décalent et deviennent différents. Chapitre 4 Ballon Tube en S Air 30 Air Source de chaleur Différence de niveaux Eau colorée Mêmes niveaux Eau colorée Modèles des états de la matière

23 CONCLUSION Sous l action de la chaleur, l air s est dilaté et a poussé l eau colorée dans le tube en S. À retenir Modèle de l état gazeux Du fait d une agitation moléculaire intense, tous les gaz vérifient les caractéristiques suivantes : ils sont compressibles ; ils sont expansibles ; ils n ont pas de volume propre ; ils se dilatent à la chaleur. 2 Modèle de l état liquide Les molécules des liquides sont assez proches les unes des autres. Leur agitation est plus calme que celle des molécules dans un gaz. Elles glissent les unes sur les autres (on dit qu elles coulent). On en déduit le modèle des liquides ci-dessous. À retenir Modèle de l état liquide Tous les liquides vérifient les caractéristiques suivantes : ils sont très peu compressibles ; ils ne sont pas expansibles ; ils ont un volume propre ; ils se dilatent à la chaleur. ils n ont pas de forme propre. 3 Modèle de l état solide La matière, à l état solide, est constituée de «grains» très fortement liés entre eux. Ils ne peuvent donc se déplacer les uns par rapport aux autres. Notons que les solides se présentent généralement sous forme de cristaux (formes géométriques simples). Nous allons voir quatre types de structures cristallines : la structure atomique ; la structure moléculaire ; la structure ionique ; la structure métallique. Chapitre 4 31 Modèles des états de la matière

24 4 Structure atomique Considérons un cristal de graphite composé uniquement d atomes de carbone. La structure géométrique du cristal de graphite s organise selon des hexagones situés dans un même plan. C est par plans superposés que le cristal de graphite est constitué. Le graphite a une structure atomique. 5 Couches de carbone Structure moléculaire Le cristal peut être constitué de molécules composées d atomes identiques liés par des liaisons covalentes simples. Ces molécules s attirent suffisamment pour que les unes ne bougent pas par rapport aux autres. À titre d exemple, regardons le cristal d iode : Liaison covalente de deux atomes d iode formant la molécule L iode a une structure moléculaire. Chapitre 4 Atome de carbone Cristal de graphite 32 Modèle éclaté de la molécule d iode Modèles des états de la matière Image du cristal d iode

25 6 Structure ionique Le cristal peut être constitué d ions positifs et d ions négatifs qui s attirent. Considérons un élément de cristal de chlorure de sodium, montré dans la figure ci-après selon un modèle éclaté. Il n y a dans cet élément de cristal que des ions Na + et des ions C. Ces deux ions de signe contraire s attirent très fortement, ce qui assure la cohésion de l édifice. Ces cristaux sont très durs. Si on observe une maille (motif indiqué dans la figure ci-dessous) de ce cristal, on voit qu il y a autant d ions de chlore que d ions de sodium. Le chlorure de sodium a une structure ionique. 7 Motif élémentaire Structure métallique Le cristal est constitué d ions positifs identiques. La cohésion de l ensemble est assuré par un brouillard d électrons qui évoluent entre les ions. Considérons un élément de cristal de fer montré par le modèle éclaté cidessous. Brouillard d'électrons Il n y a que des ions positifs (Fe ++ ) et des électrons libres. La structure géométrique du cristal s organise selon un cube. L élément de cristal de fer montré dans la figure comprend neuf ions. Le fer a une structure métallique. La présence d électrons libres confirme que le fer est conducteur de l électricité. Chapitre 4 33 Modèles des états de la matière C Na + Ion Na + Ion C Ion de fer Fe ++

26 À retenir Modèle de l état solide Tous les solides vérifient les caractéristiques suivantes : ils sont durs ; ils ont une forme propre ; ils se dilatent à la chaleur. Leur structure est essentiellement cristalline. Elle pourra être : atomique (carbone, ) ; moléculaire (iode, ) ; ionique (chlorure de sodium, ) ; métallique (fer, métaux). Certains solides se présentent sous forme macromoléculaire (longue chaîne de molécules identiques (caoutchouc, ). 8 Changement d état Nous avons vu que la matière se présentait dans la nature sous trois états : solide, liquide et gazeux, et qu elle pouvait changer d état sous l action de la chaleur. On retrouve, du point de vue des modèles des états de la matière, ces propriétés : a) En apportant l énergie à un corps. Cet apport provoque un accroissement de l agitation des grains au sein de ce corps et entraîne le changement d état. On montre tout cela dans le schéma suivant : Énergie Exemple : cas d un glaçon que l on chauffe et qui se transforme en eau : GLACON + CHALEUR EAU (solide) (énergie) (liquide) b) En retirant de l énergie à un corps. Cet apport provoque un ralentissement de l agitation des grains au sein de la structure de ce corps et entraîne le changement d état. Énergie Reprenons l exemple du glaçon et de l eau, mais en sens inverse : Eau CHALEUR (+ froid) GLACON (liquide) (énergie) (solide) Chapitre 4 Énergie SOLIDE Énergie LIQUIDE 34 changement d'état Énergie Énergie changement d'état Modèles des états de la matière LIQUIDE SOLIDE

27 Entraînement > Exercice 1 Versez de l eau dans une éprouvette graduée de diamètre 30 mm jusqu à une hauteur h 1. Si on verse cette eau dans une seconde éprouvette de diamètre 20 mm, le niveau d eau atteint une hauteur h 2. a) Comparez les valeurs de h 1 et h 2 et cochez la case qui convient. h 1 > h 2 b) Justifiez en quelques phrases votre choix. > Exercice 2 Le cuivre a une structure analogue à celle du fer. a) De quelle structure s agit-il? b) Sachant que le modèle éclaté d un élément de cristal de cuivre (maille) s inscrit dans un cube, on vous demande : de donner le nom des grains qui composent cet élément, ainsi que leur nombre ; de dessiner le modèle éclaté de cette maille, à partir de la figure cidessous. Chapitre 4 35 h 1 Modèles des états de la matière h 1 < h 2

28 Entraînement c) On veut faire fondre un morceau de cuivre. Faut-il lui apporter ou lui enlever de l énergie? Cochez la case qui convient : lui enlever Faites un schéma montrant cette fusion. > Exercice 3 On donne le modèle éclaté d un élément de diamant (carbone). a) Ce corps a-t-il une structure macromoléculaire? OUI Justifiez votre réponse. b) Donnez le nom du grain composant le diamant (mettre une croix dans la case qui convient). Chapitre 4 Molécule 36 Atome Ion lui apporter NON Modèles des états de la matière

29 Chapitre 5 Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution Si vous avez quelque chose à noter 1 Comment identifier les ions présents dans une solution? Il existe des tests simples pour répondre à cette question. Comment rechercher le «ph» d une solution? Dissolubilité des corps On appelle solution le mélange formé par un corps dissous dans l eau. Tous les corps ne sont pas solubles dans l eau. On est donc amené à établir une classification de solubilité des corps. Soit dans le tableau ci-dessous un exemple de classification. 2 Dissolution d un cristal ionique Prenons le cas du chlorure de sodium (NaC ), corps qui est soluble dans l eau. MATÉRIEL Soit une cuve remplie d eau distillée reliée à un circuit électrique. Chapitre 5 37 Soluble Solide Chlorure de sodium Soufre Gazeux Gaz carbonique Liquide Acide sulfurique Huile EXPÉRIENCE Non soluble Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

30 EXPÉRIENCE MANIPULATIONS OBSERVATIONS a) Réalisez le montage ci-dessus. Fermez ensuite le circuit électrique. Vous constatez que la lampe témoin ne s allume pas. Le courant électrique ne circule pas. b) Versez à présent du chlorure de sodium dans l eau et agitez (figure ci-dessous) ; vous constatez que la lampe témoin s allume ; le courant électrique circule. CONCLUSION L eau a rompu le cristal de chlorure de sodium NaC en ses deux composants : Na + et C. Ces deux ions, chargés électriquement, circulent dans la solution et créent ainsi le courant électrique. À retenir Chapitre 5 Lampe témoin 38 Agitateur C Na + Eau distillée + NaC Lampe témoin allumée Eau distillée + NaC Eau distillée Un cristal ionique, en solution, se dissocie et libère les ions qui le constituent. Dans notre expérience : NaC rupture Na + + C Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

31 3 Présence d ions dans une solution Dans certains cas, la coloration d une solution peut renseigner sur la présence d ions spécifiques dans cette solution. Exemples : a) Une solution bleue est un indice de la présence des ions cuivre Cu ++. b) Une solution violette est un indice de présence des ions MnO 4. Cependant, de nombreuses solutions contenant des ions sont incolores ; une recherche appropriée est donc nécessaire pour détecter la présence d ions dans ces solutions. 4 Recherche d ions La couleur du précipité (corps non soluble dans l eau, obtenu par réaction chimique) et la nature du produit réactif permettent de détecter la présence d ions dans une solution. EXPÉRIENCE MATÉRIEL Soit un tube à essais contenant une solution de chlorure de sodium NaC et une fiole de nitrate d argent AgNO 3 en solution. En solution, ces deux sels libèrent leurs ions : NaC Na + + C et AgNO 3 Ag + + NO 3 Chapitre 5 Solution violette 39 Solution bleue Solution NaC Tube à essais Tube à essais Tube à essais Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

32 EXPÉRIENCE MANIPULATIONS OBSERVATION a) Versez du nitrate d argent dans le tube à essais où il y a la solution de chlorure de sodium et agitez un moment. b) Les ions Ag + du nitrate d argent réagissent avec les ions C du chlorure de sodium. On obtient un «précipité blanc» qui est du chlorure d argent (AgC ). CONCLUSIONS Une solution contient des ions chlorures C si on obtient un précipité blanc quand on ajoute une solution de nitrate d argent. À retenir Test de présence d ions Exemple : Une solution qui réagit avec de la soude en formant un précipité marron contient des ions Fe +++. Chapitre 5 40 Agitateur Solution NaC AgC précipité (blanc) Solution de AgNO 3 La couleur du précipité et le réactif utilisé permettent d identifier les ions présents dans une solution. Réactif Précipité Chlorure de baryum SO 4 Blanc Marron Vert clair Soude Cu ++ Fe +++ Fe ++ Nitrate d argent C Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

33 5 ph d une solution a) Une solution peut avoir une des particularités chimiques suivantes : acide ; neutre ; basique. On caractérise cette particularité par un nombre appelé ph de la solution. Celui-ci a une valeur comprise entre 0 et 14. On distingue : solution acide... ph < 7 ; solution neutre... ph = 7 ; solution basique... ph > 7. Le croquis suivant montre différentes valeurs du ph et leurs significations. b) Pour mesurer le ph d une solution, on utilise un indicateur universel. Celui-ci existe sous deux formes : Un liquide que l on verse dans la solution. Celle-ci prend une couleur caractéristique du ph mesuré. Un papier que l on trempe dans la solution. Celui-ci prend une couleur caractéristique du ph mesuré. Il existe un «code des couleurs», par exemple celui montré dans la figure ci-dessous. Chapitre 5 Solution acide 1 ; 2 ; ; 6 Acidité croissante Orange Jaune orangé 41 Jaune Rouge Jaune pâle Neutre 7 Violet foncé Vert clair Solution basique 8 ; 12 ; Basicité croissante Violet clair Vert Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution Bleu Bleu gris

34 6 Dilution d une solution acide EXPÉRIENCE MATÉRIEL acide sulfurique (à manipuler par le professeur) ; eau ; 2 béchers. MANIPULATION OBSERVATIONS Versez 1 cl d acide sulfurique dans 10 cl d eau. Agitez puis mesurez le ph de la solution 1 obtenue. Versez 1 cl de solution 1 dans 10 cl d eau. Agitez puis mesurez le ph de la solution 2 obtenue. CONCLUSION Vous constatez que le ph de la solution 2 est plus grand que celui de la solution 1. À retenir Chapitre 5 Agitateur ph de la solution 1 = ph de la solution 2 = cl d acide sulfurique Eau 1 cl de solution 1 Une dilution d une solution acide entraîne une augmentation de son ph. Dans notre exemple : ph de la solution 2 > ph de la solution 1 Eau Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

35 Entraînement > Exercice 1 Classez les matériaux suivants selon qu ils sont solubles ou non dans l eau. bicarbonate ; sel de cuisine ; poivre moulu ; farine de blé ; sable. > Exercice 2 Une solution d acide sulfurique (H 2 SO 4 ) conduit le courant électrique! Vérifiez par une manipulation simple, l exactitude de cette affirmation. a) Réalisez le montage suivant : b) Fermez le circuit. Que constatez-vous? c) Montrez à présent, comment le cristal ionique H 2 SO 4 en solution dans l eau, change de structure. Justifiez votre réponse. Chapitre 5 Soluble Cuve à électrolyse 43 Non soluble Solution d'acide sulfurique Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

36 Entraînement d) On ajoute de l eau à la solution d acide sulfurique. Que devient son ph? Mettez une croix dans la case qui convient Il augmente Justifiez votre réponse. > Exercice 3 On donne dans les tableaux ci-dessous les compositions minérales de plusieurs eaux de source. a) Le tableau ci-dessous nous permet de faire un bilan ionique de ces eaux de sources. Complétez-le en mettant des croix dans les cases qui correspondent. Que constatez-vous? b) Expliquez comment vérifier si l eau de source N 1 contient des ions sulfates (SO 4 ). Eau de source N 1 Chapitre 5 44 Il diminue Analyse mg/l Analyse mg/l Ca 2+ : 60 HCO 3 : 476 Mg 2+ : 23 SO 2 4 : 55 K + : 20 Cl : 36 Na + : 92 NO 3 : < 2 Composition moyenne en mg/l Calcium : 4,6 Chlorures : 0,9 Magnésium : 1,2 Nitrates : 0,7 Sodium : 2,6 Sulfates : 0,9 Potassium : 0,7 Bicarbonates : 2,7 Ca ++ Mg ++ Na + K + SO 4 Cl NO 3 Eau N 1 Eau N Ions en solution Tests de présence des ions ph d une solution

37 Chapitre 6 Oxydoréduction Pile Corrosion Si vous avez quelque chose à noter 1 Le fonctionnement des piles électriques, ainsi que la corrosion des métaux sont les conséquences d une réaction chimique importante : l oxydoréduction. C est ce que nous allons voir dans ce chapitre. Oxydoréduction EXPÉRIENCE 1 MATÉRIEL On dispose d une solution de sulfate de cuivre II (SO 4 + Cu ++ ) dans un bécher et d une tige de fer. MANIPULATION - OBSERVATIONS a) Après avoir préparé ce matériel avec votre professeur, et en particulier le sulfate de cuivre II, plongez la tige de fer dans la solution. b) La partie de tige de fer en contact avec la solution s est recouverte d un dépôt rouge : c est du cuivre. CONCLUSION L ion cuivre Cu ++ s est transformé en atome de cuivre en gagnant deux électrons. Cela s écrit : Cu e Cu On dit que l ion cuivre a été réduit ou qu il a subit une réduction. Chapitre 6 Solution de SO 4 Cu (couleur bleue) 45 Partie rouge Nouvelle couleur Réduction = Gain d électrons Oxydoréduction Pile Corrosion Tige de fer

38 EXPÉRIENCE 2 MANIPULATION OBSERVATIONS a) Prélevez dans un tube à essais un échantillon du contenu du bécher (de l expérience 1). Versez ensuite dans le tube un peu de solution de soude (que le professeur aura préparée!) et agitez un instant. b) Un précipité vert clair apparaît : celui-ci révèle la présence d ions Fe ++ dans la solution. CONCLUSION L ion Fe ++ provient de l atome de Fe qui a perdu deux électrons, cela s écrit : Fe 2e Fe ++ ou : Fe Fe e On dit que l atome de fer s est oxydé ou qu il a subit une oxydation. BILAN DES DEUX EXPÉRIENCES En regroupant les deux actions de réduction de l ion Cu ++ et de l oxydation de l atome Fe qui ont lieu en même temps dans le bécher, on obtient : réduction Cette réaction chimique s appelle une oxydoréduction. À retenir Chapitre 6 Tube à essais Oxydation = Perte d électrons Cu ++ + Fe Cu + Fe Solution de soude oxydation Précipité vert clair L oxydoréduction est un transfert d électrons. Dans le bilan : Cu ++ + Fe Cu + Fe ++ l atome de fer (Fe) a cédé deux électrons à l ion cuivre II (Cu ++ ). Oxydoréduction Pile Corrosion

39 2 Couple Métal/Sel de ce métal Dans l expérience de la tige de fer plongée dans la solution de sulfate de cuivre II, on a l équation-bilan d oxydoréduction : Chapitre 6 47 Cu ++ + Fe Cu + Fe ++ Considérons les éléments Cu et Cu ++. Ces deux éléments forment un couple. L ion Cu ++ est présent dans la solution de sulfate de cuivre II qui est un sel de cuivre. On dira finalement que (Cu / SO 4 Cu) est le couple cuivre/sel de cuivre. On écrira : (Cu / SO 4 Cu) = Couple (cuivre / sel de cuivre). Plus généralement, on parlera de couple (Métal /Sel de ce métal). 3 Classification électrochimique des métaux EXPÉRIENCE MATÉRIEL On dispose, pour conduire nos manipulations, des produits suivants : du fer, du cuivre et du zinc ; une solution de sulfate de fer ; une solution de sulfate de zinc ; une solution de sulfate de cuivre II. MANIPULATION 1 OBSERVATIONS a) Vérifiez expérimentalement les résultats des deux expériences suivantes : fer + sulfate de cuivre II cuivre + sulfate de fer Il y a la réaction : Il ne se passe rien. Fe + Cu ++ Fe ++ + Cu b) On en déduit que le fer est plus réducteur que le cuivre (il perd plus facilement ses électrons que le cuivre). MANIPULATION 2 OBSERVATIONS a) Vérifiez expérimentalement les résultats des deux expériences suivantes : zinc + sulfate de fer fer + sulfate de zinc Il y a la réaction : Il ne se passe rien. Zn + Fe ++ Zn ++ + Fe b) On en déduit que le zinc est plus réducteur que le fer. Oxydoréduction Pile Corrosion

40 EXPÉRIENCE CONCLUSION Les deux expériences précédentes permettent de classer le fer, le cuivre et le zinc selon leur pouvoir réducteur croissant. On obtient le schéma suivant : À retenir 4 Action d un acide sur un métal MATÉRIEL solution de chlorure d hydrogène (préparée par le professeur) que l on appelle aussi acide chlorhydrique, de formule HC ; un bécher ; de la paille de fer. Solution de HC MANIPULATION OBSERVATIONS a) Placez la paille de fer dans le bécher contenant la solution de chlorure d hydrogène. b) On observe la formation d un gaz (les bulles). C est du dihydrogène (H 2 ) ; il provient des ions H + de la solution de HC (H + + C ) qui ont été réduits par le fer. Cela s écrit : 2H + + 2e H 2 ou : 2H + H 2 2e. Chapitre 6 Zinc Fer Cuivre pouvoir réducteur croissant Classification électrochimique des métaux On classe les métaux selon un ordre croissant de leur pouvoir réducteur. Aluminium Zinc Fer Cuivre Mercure Argent pouvoir réducteur croissant EXPÉRIENCE Bulle de gaz Solution de HC 48 Paille de fer Oxydoréduction Pile Corrosion Paille de fer

41 EXPÉRIENCE 5 c) Prélevez, dans un tube à essais, un échantillon du nouveau contenu du bécher et ajoutez de la soude en solution. Après avoir agité un moment, il se forme un précipité vert clair. Ce précipité révèle la présence dans la nouvelle solution d ions Fe ++, qui proviennent des atomes Fe qui ont été oxydés. Cela s écrit : ou : CONCLUSIONS Chapitre 6 49 Fe 2e Fe ++ Fe Fe e L action de l acide chlorhydrique sur le fer est une oxydoréduction. Fe + 2H + Fe ++ + H 2 Le fer est plus réducteur que l hydrogène. À retenir Principe des piles MATÉRIEL Tube à essais Action «acide/métal» Solution de soude Précipité vert clair Fer Hydrogène pouvoir réducteur croissant L action d un acide sur un métal est une oxydoréduction où l ion H + est réduit. Métal + 2H + ion métal + H 2 La classification électrochimique des métaux devient : Aluminium Zinc Fer (Hydrogène) Cuivre Mercure Argent EXPÉRIENCE pouvoir réducteur croissant Soit le montage défini par le croquis ci-après et comprenant : une plaque de cuivre ; une plaque de zinc ; un voltmètre et des conducteurs ; un rhéostat (réglé sur 1 ohm). Oxydoréduction Pile Corrosion

42 EXPÉRIENCE 6 MANIPULATION OBSERVATIONS a) Faites le montage ci-dessous (avec l aide de votre professeur). Reliez la borne plus du voltmètre à la plaque de cuivre. b) Le voltmètre, réglé sur le calibre 3 V, enregistre une tension (un peu moins de 1 V). Il y a donc eu création d un courant électrique dans le circuit. CONCLUSIONS a) Ce montage est une pile ; il est générateur de courant électrique. b) Dans le cadre de cette expérience, on dira que l on a créé une pile «cuivre acide sulfurique zinc». Fonctionnement d une pile Reprenons notre montage d expérimentation précédent. Nous allons préciser ce qui se passe à l intérieur de la solution. Cuivre Bulles de gaz Cuivre Solution d'acide sulfurique a) Les électrons circulent dans le circuit ; le voltmètre, en déviant, nous prouve l existence d un courant. Chapitre H + Rhéostat Déplacement des électrons + Oxydoréduction Pile Corrosion V Zn ++ + V 2e Zinc Voltmètre Zinc Déplacement des électrons Solution d'acide sulfurique

43 Ils sortent de la lame de zinc qui cède des électrons. Zn Zn e. Ils entrent par la lame de cuivre dans la solution et viennent réduire les ions H + de la solution pour former du dihydrogène (bulles de gaz le long de la lame de cuivre). 2H + + 2e H 2. b) Ces deux réactions simultanées, qui se produisent au sein de la solution, constituent une oxydoréduction : le zinc a été oxydé ; les ions H + ont été réduits. À retenir Deux métaux différents, en contact avec une solution contenant des ions, constituent une pile. Le fonctionnement d une pile est une application du phénomène d oxydoréduction. Dans notre exemple : Zn + 2H + Zn ++ + H 2 7 Corrosion La corrosion est encore une application du phénomène d oxydoréduction. EXPÉRIENCES MANIPULATION 1 OBSERVATIONS a) Soit la pile cuivre acide sulfurique zinc. b) Les atomes de zinc cèdent des électrons et se transforment en ions Zn ++. On dit qu ils subissent une corrosion. c) Lorsqu une pile se forme entre deux métaux, le métal le plus réducteur subit une corrosion. Zinc Cuivre pouvoir réducteur croissant } Corrosion du zinc Chapitre 6 Plaque de cuivre 51 Fil conducteur Oxydoréduction Pile Corrosion Plaque de zinc Acide sulfurique

44 EXPÉRIENCES MANIPULATION 2 OBSERVATIONS a) Placez un clou autour duquel on a enroulé un fil de cuivre, dans de l eau de Javel. Le clou se recouvre de «rouille». Le fer, en présence d un métal moins réducteur que lui, subit une forte corrosion. b) Si vous enroulez à présent un fil de zinc autour du clou, celui-ci, placé dans l eau de Javel, reste intact. Le fer, en présence d un métal plus réducteur que lui, ne subit pas de corrosion (il est protégé). CONCLUSIONS a) Le fer, en présence du cuivre, subit une corrosion. Il est plus réducteur que le cuivre. b) Le clou (qui contient du fer), en présence du zinc, ne subit pas de corrosion. Il est moins réducteur que le zinc. À retenir Chapitre 6 Fil de cuivre Eau de Javel Fer Cuivre pouvoir réducteur croissant 52 Fil de zinc Eau de Javel Clou en acier Zinc Fer pouvoir réducteur croissant Rouille Lorsqu il se forme une pile entre deux métaux, le plus réducteur des deux subit une corrosion. La corrosion d un métal correspond à une perte d électrons de la part de celui-ci. Oxydoréduction Pile Corrosion

45 Entraînement > Exercice 1 Complétez le texte ci-dessous : Une réduction est d électrons. Le fer est réducteur que le cuivre. Une oxydation est d électrons. L expression (Cu/SO 4 Cu) représente le Chapitre Un électrolyte est une dans laquelle il y a des > Exercice 2 Le fer est-il plus réducteur que le zinc? OUI Justifiez votre réponse. > Exercice 3 Une plaque de fer est plongée dans une solution de sulfate de zinc. a) Va-t-il y avoir une réaction d oxydoréduction au sein de la solution? OUI Plaque de fer Justifiez votre réponse. NON Solution de sulfate de zinc NON Oxydoréduction Pile Corrosion

46 Entraînement > Exercice 4 Une plaque de zinc, plongée dans une solution de sulfate de cuivre II, se recouvre de cuivre. a) Pouviez-vous prévoir cette formation de cuivre? Justifiez votre réponse. b) Si votre réponse est oui, quel est le nom de la réaction au sein de la solution? c) Complétez, dans ce cas, l écriture de la réaction commencée ci-dessous. Zn Cu d) Exprimez enfin le couple (métal/sel de ce métal) mis en évidence dans cette réaction. > Exercice 5 Plaçons des morceaux de zinc (grenaille) dans une solution de chlorure d hydrogène. Il se produit une réaction avec formation d un gaz (bulles). a) Quel est ce gaz? Plaque de zinc b) Pouviez-vous prévoir cette réaction? Justifiez votre réponse. Chapitre Solution de HC Morceaux de zinc Solution de sulfate de cuivre II Bulles de gaz Oxydoréduction Pile Corrosion