THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

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1 THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE 1. RAPPEL: L ATOME CONSTITUANT DE LA MATIERE Toute la matière de l univers, toute substance, vivante ou inerte, est constituée à partir de particules très petites appelées atomes. Les atomes peuvent être assimilés à des sphères dont le rayon est de l ordre de 0,1 nm (1 nm 10-9 m), soit m. Ils ne peuvent évidemment pas être vus à l oeil nu ni au microscope optique. On détecte leur présence grâce au microscope à effet tunnel ou au microscope à force atomique. Depuis le collège, nous savons qu un atome est constitué: - d un noyau central chargé positivement; - d électrons chargés négativement en mouvement rapide autour du noyau. Un homme de 70 kg compte: de 40 à milliards de cellules fois plus que tous les humains qui crapahutent sur Terre aujourd hui. 6 x cellules. 6 x molécules atomes. ces cellules sont composées de 6 millions de milliards de molécules 60 fois plus qu il n y a d étoiles dans l Univers. ces molécules sont elles-mêmes formées d 1 milliard de milliards de milliards d atomes (essentiellement de l oxygène, du carbone, de l hydrogène, de l azote avec un peu de soufre, de phosphore, de chlore, d arsenic, d or, etc..) un nombre astronomique qui serait équivalent au nombre d étoiles contenues dans Univers comparables au nôtre. Un homme de 70 kg. Si un atome mesurait 1 mm, une cellule friserait les 10 cm et un homme de 1,75 m plafonnerait à km de haut! Le rayon des atomes est de l ordre de 100 picomètres (1 pm m), soit m. Pour se faire une idée de la taille moyenne d un atome, il y a autant de différence entre la taille d une orange et la Terre, qu entre celle d un atome et cette même orange. Autant de différence Terre Orange Orange Atome Chaque élément chimique est représenté par un symbole. Pour décrire sa composition, on précise deux caractéristiques: A ZX le numéro atomique Z le nombre de masse A d un noyau est égal au nombre de protons qu il contient. Il est placé en position inférieure droite d un noyau est égal au nombre de nucléons qu il contient. Il est placé en position supérieure Fe gauche. Symbole de l élément

2 Les masses du neutron et du proton étant très supérieures à celle de l électron, la masse de l atome est essentiellement concentrée dans son noyau. La masse d un atome contenant A nucléons est pratiquement égale à A.m nucléon. Exemple: La masse d un atome de fer m Fer A.m nucléon 56 x 1,67 x ,4 x kg. Dans un clou en fer on compte... d atomes. Diffiicile de les compter 2. COMBIEN DE LENTILLES DANS UNE BOITE DE 500 g Défi. Déterminer le nombre de lentilles dans une boîte de 500 g de lentilles Solution. En chimie un paquet est appelé mole. On prélève, à l aide d une spatule et d une balance, un nombre N... lentilles. On peut en déduire par un produit en croix le nombre de lentilles dans la boîte de 500 g La mole est la quantité de matière d un système contenant autant d entités élémentaires qu il y a d atomes dans 12 g de carbone 12. On parle ainsi d une mole d atomes de cuivre Cu, d une mole de molécules de dioxygène O 2, d une mole d ions sulfate SO Pourquoi le carbone? Parce qu il fallait bien choisir parmi les éléments les plus courants. Pourquoi spécifier carbone 12? A cause des isotopes du carbone (les isotopes 13 et 14 en particulier, présents dans le carbone naturel et qui fausseraient la mesure s ils étaient pris en compte). Pourquoi 12 g? Parce qu il est très astucieux d identifier la masse d une mole d atomes (en gramme) au nombre de nucléons de l atome en question. Les mesures récentes indiquent qu il y a 6, atomes dans 12 grammes de carbone 12. On arrondit cette valeur à 6, Considérons un échantillon de matière conrtenant N individus (entités élémentaires). A chaque fois que l on a 6, individus, on dit que l on a 1 mole. Il y a donc proportionnalité entre le nombre N d individus et la quantité de matière n: N N A x n nombre d individus (sans unité). cste d Avogadro (mol -1 ). quantité de matière (mol). La constante de proportionnalité, notée N A, est appelée constante d Avogadro. Son unité est mol -1 car N A représente le nombre d individus par mole. Amedeo Avogadro ( ) L intérêt de la constante d Avogadro est de pouvoir passer d entités de dimensions microscopiques, dont on peut difficilement mesurer la masse et le volume, à une quantité énorme de ces entités, dont la masse et le volume peuvent être évalués plus facilement. La quantité chimique n d un échantillon contenant N entités chimiques est: N n en mol n avec N sans unité N A N A en mol -1

3 3. QUELLE COUPELLE CONTIENT LE PLUS D ATOMES? Défi. Quelle coupelle contient le plus d atomes? Le bécher à vide a une masse m Coupelle remplie de fer Coupelle remplie de cuivre Coupelle remplie d aluminium Dispositif Masse Poudre... Question Quelle coupelle contient le plus grand nombre d atomes? Question Quelle coupelle contient le plus grand nombre d atomes? En chimie un paquet est appelé mole. La mole est la quantité de matière d un système contenant autant d entités élémentaires qu il y a d atomes dans 12 g de carbone 12. On parle ainsi d une mole d atomes de cuivre Cu, d une mole de molécules de dioxygène O 2, d une mole d ions sulfate SO Pourquoi le carbone? Parce qu il fallait bien choisir parmi les éléments les plus courants. Pourquoi spécifier carbone 12? A cause des isotopes du carbone (les isotopes 13 et 14 en particulier, présents dans le carbone naturel et qui fausseraient la mesure s ils étaient pris en compte). Pourquoi 12 g? Parce qu il est très astucieux d identifier la masse d une mole d atomes (en gramme) au nombre de nucléons de l atome en question.

4 2. LES MASSES MOLAIRES DEFINITION GENERALE. La masse molaire d une espèce est la masse d une mole d entités de cette espèce. On symbolise la masse molaire par M. Conventionnellement, en chimie, on donne les masses en grammes; la masse molaire s exprime donc en g.mol MASSE MOLAIRE ATOMIQUE. La masse molaire atomique M d un élément est la masse d une mole d atomes de cet élément. Son unité est le g.mol -1. Les échantillons naturels d atomes d un même élément contiennent souvent un mélange de plusieurs isotopes. La masse molaire atomique indiquée dans la classification périodique est calculée en tenant compte des masses et des proportions, constantes dans la nature, de chacun des isotopes. A l état naturel un échantillon d atomes de chlore est formé par un mélange de deux isostopes: 35-75,5% de Cl de masse atomique 35,0 g.mol -1 ; 37-24,5 % de Clde masse atomique 37,0 g.mol -1. La masse atomique du chlore à l état naturel Cl vaut donc: M Cl 0,755 x 35,0 + 0,245 x 37,0 35,5 g.mol -1. Le tableau ci-contre indique les masses molaires atomiques arrondies des principaux éléments MASSE MOLAIRE MOLECULAIRE. La masse molaire moléculaire est la masse d une mole de molécules de l espèce considérée. La masse molaire moléculaire s obtient en faisant la somme des masses molaires atomiques des atomes qui constituent la molécule (en tenant compte des coefficients de la formule moléculaire). On écrit par exemple: M H2O 2 M H + M O 2 x 1,0 + 16,0 18,0 g.mol -1. M NH3 M N + 3.M H 14,0 + 3 x 1,0,0 g.mol MASSE MOLAIRE IONIQUE. La masse molaire ionique est la masse d une mole d ions de l espèce considérée. Masses molairs atomiques approchées (g.mol -1 ) hydrogène H 1,0 carbone C 12,0 azote N 14,0 oxygène O 16,0 sodium Na 23,0 aluminium Al 27,0 phosphore P 31,0 soufre S 32,1 chlore Cl 35,5 cuivre Cu 63,5 argent Ag 107,9 On peut négliger la masse des électrons (gagnés ou perdus lors du passage de l atome à l ion) par rapport à la masse du noyau d un atome; la masse molaire d un ion monoatomique est donc pratiquement égale à celle de l atome considéré. M Na+ M Na 23,0 g.mol -1. La masse molaire d un ion polyatomique s obtient en faisant la somme des masses molaires des atomes qui le constituent. M PO43- M P + 4.M O 31,0 + 4 x 16,0 95,0 g.mol DETERMINER D UNE QUANTITE DE MATIERE A PARTIR DE LA MASSE MOLAIRE. La connaissance de la masse molaire d une espèce chimique permet de déterminer directement la quantité de matière d un échantillon par une simple pesée. La quantité chimique n d un échantillon de masse m d entités chimiques de masse molaire M est: m n en mol n avec m en g M M en g.mol -1

5 4. DETERMINER UNE QUANTITE DE MATIERE A PARTIR DU VOLUME D UN LIQUIDE LA MASSE VOLUMIQUE. Par définition, la masse volumique d un corps est égale au quotient d une masse m de ce corps par son volume V: m La masse volumique s exprime en kg.m -3 ou en g.cm -3, avec 1 g.cm kg.m -3. V La masse volumique d un corps dépend de la température et de la pression CALCUL DE LA QUANTITE DE MATIERE. La quantité de matière, d un corps de masse m et de masse molaire M est donnée par la relation m n x V M M La masse volumique de l éthanol est 789 kg.m -3. La quantité d éthanol (C 2 H 5 OH) contenue dans un volume V 25,0 cm 3 est donc: n 789 n x V x 25,0 x ,429 mol M 46,0 x 10-3 m M or, m x V 4.3. LA DENSITE D UN LIQUIDE. La densité d d un corps liquide ou solide, par rapport à l eau, est égale au quotent de la masse m d un volume V de ce corps par la masse m 0 d un même volume d eau, ces deux volumes étant mesurés dans les mêmes conditions de température et de pression: m d La densité s exprime sans unité. m 0 Lorsque deux liquides non miscibles sont introduits dans un même récipient, le moins dense surnage: il constitue la phase supérieure, alors que le plus dense constitue la phase inférieure. La densité d un liquide est numériquement égale à sa masse volumique exprimée en g.ml -1 (ou en kg.l -1 ).