Chap1 : L eau et les molécules.

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1 Chap1 : L eau et les molécules. Items Connaissances Acquis Composition d un gaz. Description moléculaire des trois états de l eau. Description moléculaire d un mélange. Capacités Percevoir la différence entre réalité et simulation. C3.1.3 Argumenter en utilisant la notion de molécules pour interpréter : la compressibilité d un gaz. les différences entre corps purs et mélanges. les différences entre les trois états physiques de l eau. la conservation de la masse lors des changements d état de l eau. la non compressibilité de l eau. la diffusion d un gaz dans l air. la diffusion d un soluté dans l eau (sucre, colorant, dioxygène ). I. Les molécules. Activité 1p12 : les molécules existent elles vraiment? 1. Les deux théories opposées, imaginées par les philosophes grecs sont celles de l'«atomisme» (Démocrite) et des «quatre éléments» (Aristote). 2. «Insécable» signifie : que l'on ne peut couper. Étymologiquement, le mot «atome» traduit cette idée : le préfixe «a» est privatif et la racine «tome» (couper) se retrouve par exemple sur la couverture d'un livre découpé en plusieurs épisodes. 3. C'est John Dalton qui apporte la preuve de l'existence de ces grains de matière, qu'il nomme indistinctement atome ou molécule (par exemple, il parle d'atome d'eau). 4. La plus petite parcelle d'eau est la molécule d'eau en forme de tête de «petit Mickey» 5. Dans une goutte d'eau (4 mm de diamètre environ), il y a mille milliards de milliards de molécules d'eau : N = = Selon la théorie atomique de Démocrite, un mélange doit être obtenu par juxtaposition d'une multitude de grains différents de matière représentant chaque substance participant au mélange. 7. Lavoisier rejette la théorie des quatre éléments car il est parvenu à décomposer l'eau en faisant passer de la vapeur d'eau sur de l'acier porté au rouge (un canon de fusil traversant un four). Le gaz recueilli, le dihydrogène, lui a permis de reconstituer l'eau par combustion dans l'air (d'où le nom d'hydrogène : «qui produit de l'eau»). En conséquence, l'eau n'est plus un élément comme l'affirmait Aristote. 8. Non, il n'est pas possible diviser une goutte d'eau à l'infini : il arriverait un moment où on tomberait sur le plus petit grain de matière représentant la substance «eau» : la molécule d'eau. Analogie : un panier contient 64 œufs. On peut diviser en deux ce panier, on obtiendra des œufs et des œufs et ainsi de suite, jusqu'au moment où on obtient un seul œuf, le représentant du panier initial. Si on «divise» cet œuf, on obtiendra du blanc, de la coquille ou du jaune, mais pas quelque chose qui puisse s'appeler «œuf». 9. Oui, les molécules existent. Elles sont le plus petit représentant, le plus petit grain de matière d'une substance. Voir modèle eau La matière est constituée de toutes petites particules invisibles à l œil nu appelées des molécules. Dans un corps pur, toutes les molécules sont identiques. Dans un mélange, il y a plusieurs sortes de molécules. Dans un premier temps, on va considérer qu une molécule est indéformable et incassable. Page 1 sur 7

2 Tests : 2p21 désigne les molécules d eau Remue méninges Exercices : 21p24 : ça fait beaucoup (internet et puissance de dix) Avec un verre doseur de cuisine, on peut mesurer la capacité d'un verre de table : elle est de l'ordre de 25 cl, soit m 3. Par commodité, pour la suite, disons que la capacité du verre est dev 1 = m 3. Le volume d'une molécule assimilée à un cube de 0,3 nm d'arête est V 2 = m 3. Donc dans un verre, il y a N = V 1 / V 2 = molécules d'eau (ordre de grandeur). Les sources Internet fournissent des estimations concordantes des quantités d'eau totale : V 3 = 1,4 milliards de km 3 = 1, m 3. Donc, dans les océans, il y a N = V 3 / V 1 = verres d'eau (ordre de grandeur). En conclusion, il y fois plus de molécules dans un verre d'eau que de verres d'eau dans toute l'eau de la Terre. 22p24 Mesurer les molécules avec une cuillère La couche d'huile, à la surface de l'eau, a pour épaisseur la longueur d'une molécule h. Le volume d'huile V versé par Benjamin Franklin à la surface de l'étang est le volume d'une cuillerée soit V = 2 ml. Or ce volume est aussi le produit de la surface de la tache par sa hauteur : V = S h. Donc h = V / S Avec: S = 2000 m 2 = m 2 V = 2mL =2 cm 3 1cm = 10 2 m 1cm 3 = 10 6 m 3 h = V / S h = /( ) h = 10 9 m = 1 nm Soit un milliardième de mètre ou un millionième de mm II. Interprétation des trois états de la matière. Rappels : Les gaz sont compressibles tandis que les solides et les liquides sont incompressibles. Les gaz et les liquides n ont pas de forme propre tandis que les solides ont une forme propre. AV : C est pas sorcier : «Attention ça glace!» De quoi est constituée une molécule d eau? Une molécule d eau est constituée d un atome d oxygène et de deux atomes d hydrogène. Que change t il entre de l eau à l état solide, liquide ou gazeux? C est l agencement des molécules les unes par rapport aux autres. Quel comportement des molécules permet d expliquer les propriétés des trois états de l eau? États physiques Propriétés des trois états Comportement des molécules Gaz Compressible Très espacées les unes des autres Pas de forme propre Elles n arrêtent pas de bouger dans tous les sens Solide Incompressible En contact les unes avec les autres Forme propre Liées, soudées les unes les autres Elles ne bougent plus Liquide Incompressible En contact les unes avec les autres Pas de forme propre Liées les unes les autres mais n arrêtent pas de bouger Compléter les phrases suivantes en utilisant les qualificatifs compact ou dispersé ; ordonné ou désordonné. L état solide est compact et ordonné L état liquide est compact et désordonné L état gazeux est dispersé et désordonné Page 2 sur 7

3 Pourquoi les molécules sont elles moins liées dans un liquide que dans un solide? Les liaisons existent mais sont plus molles. Comment interpréter la différence de densité entre l eau solide et l eau liquide? Dans l état solide les molécules sont plus éloignées les unes des autres donc la glace occupe plus de place que l eau liquide. Les propriétés des états de l'eau à l'échelle macroscopique (visible à l œil nu) sont une conséquence du comportement des molécules à l'échelle microscopique (invisible à l œil nu). Voir animation moléculaire Les états physiques de l'eau Les molécules sont en contact et immobiles. L état solide est : compact et ordonné Les molécules sont en contact et en mouvement. L état liquide est : compact et désordonné 0,1 nm = 0, mm Les molécules sont espacées et en mouvement. L état gazeux est : dispersé et désordonné Page 3 sur 7

4 Activité p18 quand les molécules se trahissent : 1. R. Brown observe au microscope les mouvements aléatoires et incessants de particules de pollen en suspension dans l'eau : celles ci, heurtés par les molécules d'eau trop petites pour être visibles, rebondissent et semblent changer de direction au hasard. 2. Pour se convaincre que les grains de pollen ne sont pas à l'origine de ces mouvements, Brown observe des particules minérales, donc inanimées, dans les mêmes conditions : les observations sont les mêmes, donc la piste «biologique» de l'origine de ces mouvements est éliminée. Brown refera cette expérience avec des grains de pollen «morts» après être passés au four. 3. Il suffit de faire une recherche sous Google avec les mots clés suivants : mouvement + brownien + animation ; certaines de ces animations sont paramétrables en nombre et vitesse des molécules, visibles ou non, avec tracé ou non de la particule heurtée Exercices* : 12p22 Construire une explication logique Je sais que l'eau est formée de molécules, or j'observe que je ne peux saisir de l'eau entre mes doigts, donc j'en déduis que les molécules ne sont pas liées entre elles. 14p22 Comparer à l aide d un modèle (sable eau liquide) Solution p220 Exercices** : 16p23 liquides ou solides? 1. On peut comparer les cristaux liquides à un liquide, car leurs molécules peuvent glisser les unes sur les autres et s'écouler, comme pour les liquides. Cependant, ces cristaux ont un aussi un comportement comparable à celui des solides, car les molécules ont toutes la même orientation et donc présentent une structure ordonnée comme pour les cristaux solides. 2. Les cristaux liquides sont utilisés dans l'affichage des montres, des calculatrices, les thermomètres, les vitrages à transparence commandée, les écrans de soudeur à l'arc 19p23 Pour aller plus loin 1. Dans un gaz, ici, la vapeur d'eau, les molécules sont séparées par de grands espaces vides, alors que dans un liquide, elles sont en contact les unes avec les autres. 2. On précise «en moyenne», car les molécules de la vapeur d'eau sont animées de mouvements désordonnés incessants très rapides : il peut donc arriver qu'à certains moments, il y ait plus de trois molécules en même temps dans le cube, ou au contraire moins. 3. L'espace entre les molécules est du vide : il n'y a pas de matière entre les molécules! Remue méninges 20p24 je n y vois plus rien Dans la casserole où cuisent les pâtes, l'eau est liquide, les molécules sont dans un état compact et désordonné. Le chauffage de la casserole produit l'ébullition de l'eau, dont les molécules se retrouvent dans la vapeur, état dispersé et désordonné, qui se répand dans la pièce. Leur agitation en amène certaines au contact des verres froids des lunettes d'adrien. Là, la vapeur d'eau se condense en eau liquide (liquéfaction). Les molécules d'eau se rassemblant, forment de minuscules gouttelettes (la buée). Page 4 sur 7

5 III. Interprétation d un changement d état. Rappel : noms des changements d états (voir livre page de présentation) Activité3p14 : pourquoi la masse se conserve t elle lors d un changement d état. 1. Avant congélation, la masse de l'eau liquide est de 94,17 g (ici, la balance est au centième). 2. Après congélation, la masse de la glace est aussi de 94,17 g. 3. On constate que le volume a augmenté grâce au repère placé initialement. 4. Sur le schéma, la balance doit indiquer la même masse que dans le cas de la figure 1 et le nombre de molécules dessinées à l'intérieur doit être aussi identique. Les molécules doivent être ordonnées. 5. Pour les molécules, ce qui a changé, c'est leur répartition: elles occupent un volume légèrement plus grand et elles sont disposées géométriquement. Ce qui n'a pas changé, c'est leur nombre, leur taille, leur forme. 6. Lors d'un changement d'état, la masse se conserve car le nombre de molécules est inchangé. Expérience : Becher Balance Glaçon Eau liquide Interprétation moléculaire : m = 8g Fusion m = 8g Remarques : Ce qui change : ordre désordre Ce qui ne change pas : Forme, taille et nombre Contrairement à ce que laisse penser le dessin, le volume de l eau solide est supérieur au volume de l eau liquide (la forme d une molécule d eau n est pas rectangulaire). Au cours d un changement d état, la masse se conserve car le nombre de molécules reste le même. Les molécules gardent la même forme et la même taille. Exercices** 9p22 Reconnaître un changement d état 1. Les schémas représentent une congélation. 2. Ce qui change pour les molécules : des liaisons se forment entre elles, leur agencement se fait selon un ordre géométrique particulier. Ce qui ne change pas : leur nombre. 10p22 Expliquer la formation du givre Page 5 sur 7

6 1. Lors de la formation du givre, l'eau passe de l'eau gazeux à l'état solide. 2. Il s'agit de la condensation à l'état solide. 3. a. Les molécules d'eau ont quitté le cristal de glace et se sont dispersées dans l'air environnant. b. Les molécules ne sont plus liées entre elles, elles ont acquis un mouvement désordonné et rapide. 15p23 un modèle mal utilisé a. Il s'agit de la fusion ; l'erreur commise : le nombre de molécules n'est pas conservé au cours de ce changement d'état. b. Vaporisation ; la taille des molécules a été modifiée. c. Congélation ou solidification : là, c'est la forme des molécules qui a été modifiée. 17p23 L invasion des molécules 1. L'iode passe de l'état solide à l'état de vapeur directement, sans passer par l'état liquide. 2. Schématisation de cette transformation : 18p23 on m aurait menti? 1. Dix minutes plus tard, la masse du bécher contenant l'eau de fusion de la glace semble avoir augmenté, car de la buée s'est probablement déposée sur les parois froides du flacon : cette buée est due à la condensation de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère du laboratoire du professeur Katastrogov. Mais une heure plus tard, la température de l'ensemble est revenue à la valeur ambiante, la buée a disparu et une partie de l'eau du bécher s'est aussi évaporée dans l'air de la salle. 2. Il aurait fallu que le professeur effectue son expérience dans un flacon hermétiquement bouché et qu'il l'essuie soigneusement avant de procéder à la pesée, pour éliminer la buée sur les parois extérieures du flacon. IV. Interprétation d une dissolution. AE : Masse et dissolution Expérience : Becher Agitateur Balance Sel Eau Eau saléé Dissolution m = g m = g Interprétation moléculaire : Dissolution Page 6 sur 7

7 Les molécules de sucre se dispersent dans les molécules d eau au cours de la dissolution. Au cours d un mélange, la masse se conserve car le nombre total de molécules reste le même. Les molécules gardent la même forme et la même taille. Solubilité à 20 C Sel 37,8g dans 100g d eau. Saccarose 200g dans 100g d eau!!! Tests 8p21 Associe un schéma à une légende Exercices* 11p22 Remettre dans l ordre Pour cette dissolution, l'ordre des schémas est le suivant : c d a b. 13p22 compléter un schéma 1. Le schéma doit représenter un erlenmeyer contenant la solution limpide. La balance indique une masse totale de 135,0 g comme dans le schéma initial. 2. Il est le même avant et après dissolution. 3. Au cours de la dissolution, la masse totale se conserve, car le nombre total de molécules reste le même. 4. Dans le cas d'un corps pur, une seule sorte de molécule est présente ; dans le cas d'un mélange de deux liquides miscibles ou de la dissolution, deux sortes de molécules se côtoient et sont mêlées de façon homogène. V. Bilan. Eau et molécules. Page 7 sur 7