Seconde Résumé de cours de chimie

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1 Seconde Résumé de cours de chimie 1 Les éléments chimiques dans l'univers 1.1 Les atomes L'atome est constitué d'un noyau central entouré de vide, dans lequel des électrons sont en mouvement. Le rayon du noyau est environ 10 5 fois plus petit que celui de l'atome. L'atome est donc essentiellement constitué de vide. Le noyau est constitué de particules nommées nucléons. Il existe deux sortes de nucléons : les protons et les neutrons. Le proton est chargé positivement ; sa charge est égale à e soit 1, C (C est le Coulomb). Le neutron est électriquement neutre ; sa charge est égale à 0C. L'électron est électriquement chargé. Il possède une charge négative -e soit 1, C (C est le Coulomb). L'atome isolé est électriquement neutre : la somme des charges électriques des particules qui le composent et nulle. Le numéro atomique est le nombre de protons contenus dans le noyau. Il est noté Z. On l'appelle aussi nombre de charge. Le nombre de nucléons est noté A. Pour représenter le noyau de l'atome de façon symbolique, on utilise son symbole chimique, qu'on note X pour le cas général. En haut à gauche du symbole, ont fait figurer le nombre de nucléons et en bas à gauche le numéro atomique. L'atome isolé étant neutre, il contient autant d'électrons que de protons. Il contient donc Z électrons. Les isotopes sont des atomes de même numéro atomique Z mais de nombres de masse A différent : ils diffèrent par leur nombre de neutrons. La masse des nucléons est environ 2000 fois plus élevée que celle des électrons. La masse du proton est égale à 1, kg (on la note m p ). Celle du neutron est égale à 1, kg (notée m n ). On peut écrire m p m n. La masse des électrons est négligeable par rapport à celle des nucléons. La masse de l'atome est donc concentrée dans son noyau. La masse approchée m d'un atome peut s'exprimer : m=z m p A Z m n. Dans le modèle de Rutherford, on affirme que les électrons de l'atome sont répartis en différentes couches électroniques. Ces couches sont désignées par des lettres : couche K, couche L, couche M, couche N, etc. Chaque couche ne peut contenir qu'un nombre maximum défini d'électrons : A Z X Résumé de cours de chimie 1/7

2 Couche K L M Nombre maximal d'électrons de la couche Donner la structure électronique d'un atome, c'est indiquer le nombre d'électrons sur chaque couche. Les électrons sont d'abord répartis sur la première couche, c'est-à-dire la couche K. Une fois qu'elle est saturée, on passe à la couche L, et ainsi de suite. On procède ainsi jusqu'à ce que tous les électrons soient répartis. La couche externe est la dernière couche contenant des électrons. 1.2 Les ions Un ion mono atomique est formé par un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Un cation porte une charge positive et un anion une charge négative. Dans une entité chimique stable, les éléments adoptent la même structure électronique que celle du gaz noble de numéro atomique le plus proche. Ils peuvent le faire soit par formation d'ions mono atomiques soit par formation de molécules. 1.3 La classification périodique des éléments Des atomes ou des ions dont les noyaux ont le même numéro atomique (nombre de protons) appartiennent aux mêmes éléments chimiques. Les éléments chimiques se conservent au cours des transformations chimiques. Dans le tableau périodique des éléments actuels, les éléments chimiques sont classés horizontalement par numéro atomique croissant. Les éléments ayant le même nombre d'électrons sur leur couche électronique externe sont placés dans la même colonne. Les colonnes du tableau périodique regroupent les éléments qui présentent les mêmes propriétés chimiques : ils constituent des familles chimiques. À l'exception de l'hydrogène, les éléments de la première colonne appartiennent à la famille des alcalins. Les éléments de la 17e colonne forment la famille des halogènes. Les éléments de la 18è et dernière colonne appartiennent à la famille des gaz nobles. La place d'un élément dans la classification périodique permet de prévoir quel type d'ion mono atomique il va former. 2 Les molécules 2.1 L'eau solvant Mélanger un liquide avec l eau Lorsque des liquides se mélangent en formant un mélange homogène, on dit qu ils sont «miscibles». Dans le cas où le mélange obtenu est hétérogène, on dit que les liquides sont «non Résumé de cours de chimie 2/7

3 miscibles». 2.2 Des tests pour reconnaître les ions dans les solutions Analyse chimique : avec des réactifs appropriés, les ions forment des précipités (solides en suspension dans un liquide) caractéristiques. Leur couleur permet d'identifier l'ion. défini d'électrons : Nom de l'ion Formule Réactif Précipité Ion fer II Fe 2 + Soude Vert Ion fer III Fe 3 + Soude Rouille Ion cuivre II cu 2 + Soude Bleu Ion chlorure Cl Solution de nitrate d'argent Ion zinc Zn 2 + Soude Blanc Ion potassium K Solution de picrate de sodium Blanc qui noircit à la lumière Jaune 2.3 Formule d'une molécule Une molécule est une association électriquement neutre d'atomes. 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 2 H 6 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 Résumé de cours de chimie 3/7

4 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. Exemple : Dans une formule semi développée, les liaisons concernant les atomes d'hydrogène ne sont pas représentées. Exemple : Deux molécules sont des isomères si elles ont une même formule brute, mais des enchaînements d'atomes différents. 3 Corps simples et corps composés Un corps pur est un corps constitué d une seule sorte d entité chimique (atome, ion ou molécule). Exemple : l eau pure H2O. Un mélange est un corps constitué de plusieurs sortes d entités chimiques. Exemple : l eau salée : constituée d eau H2O et de sel NaCl. Un corps pur simple est un corps pur constitué d un seul élément chimique. Exemple : le dioxygène O2. Un corps pur composé est un corps pur constitué de plusieurs éléments chimiques. Exemple : l eau pure H2O 4 Concentration et quantité de matière 4.1 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. Résumé de cours de chimie 4/7

5 La concentration massique en soluté est : c m = m V en grammes par litres. 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 : C= n 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 molaire M vaut : n= m 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. 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 cube : ρ= m V La densité d'un corps est le rapport entre sa masse volumique et la masse volumique d'un corps de référence. Elle se note d et s'exprime sans unité : d = ρ ρ ref Résumé de cours de chimie 5/7

6 5 Transformations chimiques 5.1 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. 6 Chimie organique 6.1 Composition des médicaments Un médicament est composé d'un ou plusieurs principes actifs et de divers excipients. Un médicament princeps (ou médicament de référence) est un médicament mis au point par un laboratoire qui en garde l'exclusivité jusqu'à expiration du brevet : d'autres laboratoires ont dès lors le droit de produire des médicaments génériques contenant la même substance active. Les caractéristiques physiques d'une espèce chimique constituent la carte d'identité de cette espèce. Elles la caractérisent, c'est-à-dire qu'elles permettent de l'identifier et de la nommer. La température de fusion ou point de fusion d'une espèce chimique est la température à laquelle elle passe de l'état solide à l'état liquide. La température d'ébullition ou point d'ébullition d'une espèce chimique est la température à laquelle elle passe de l'état liquide à l'état de vapeur. Sous une pression donnée, l'ébullition d'un corps pur se fait à une température constante, caractéristique de ce corps. La chromatographie est une méthode physique de séparation et d'identification des espèces chimiques constituant un mélange. Pour la réaliser on utilise : un solvant ou un mélange de solvants appelés éluant ou phase mobile ; un support solide fixe, appelée phase fixe. Plus une espèce chimique est soluble dans l'éluant, plus elle est entraînée facilement, Résumé de cours de chimie 6/7

7 donc plus elle migrera. La révélation permet de faire apparaître, sous forme de taches, les positions atteintes par les différents constituants des substances déposées initialement. On appelle un rapport frontal d'une espèce chimique le quotient de la distance parcourue par l'espèce par la distance parcourue par l'eau en pendant le même temps : R f = h H Dans les mêmes conditions expérimentales, deux espèces identiques ont le même rapport frontal. L'extraction d'une espèce chimique consiste à la séparer du mélange dans lequel elle se trouve. Une Hydro distillation est la distillation d'un mélange d'eau et d'un produit naturel. Elle consiste à porter à ébullition le mélange, puis à condenser les vapeurs qui se dégagent, c'est-à-dire à les ramener à l'état liquide, afin de récupérer les arômes. La filtration permet de séparer les constituants d'un mélange solide-liquide par passage à travers un milieu filtrant. L'extraction par solvant consiste à faire passer, par dissolution, l'espèce à extraire dans un solvant. Le solvant extracteur est choisi de telle sorte que l'espèce chimique à extraire y soit la plus soluble possible. La synthèse d'une espèce chimique est la préparation de cette espèce par une transformation chimique. Les espèces dont on part et qui sont transformées sont les réactifs. Les espèces obtenues sont des produits de la synthèse. Une espèce chimique est dite naturelle si elle est produite par la nature. Une espèce chimique de synthèse a été fabriquée par l'homme. Un polymère est une molécule de grande dimension dans laquelle un motif de base se répète un grand nombre de fois. Ils sont obtenus par polymérisation, ils sont constitués de monomères. On appelle squelette carboné l enchaînement des atomes de carbone dans une molécule. Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui confère des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules forment une famille chimique : Nom de la famille Alcools Composés halogénés Aldhéydes Cétones Groupe caractéristique -OH Acides carboxyliques -COOH -Cl ou -Br ou -F C=O et l'atome de carbone est lié à au moins un atome d'hydrogène. C=O et l'atome de carbone est lié à deux autres C Amines N est relié à au moins un groupement commençant par C et à 0, 1 ou 2 H Résumé de cours de chimie 7/7

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