Chapitre 11 L élément chimique Manuel pages 166 à 181 Choix pédagogiques. Ce chapitre s inscrit dans la continuité du programme du collège. En effet, les élèves ont appris qu il existe des espèces chimiques chargées et en ont identifié certaines grâce à des tests de reconnaissance. Dans ce chapitre, l élément chimique est défini à partir du nombre atomique, notion vue dans le chapitre précédent. Les deux règles (du «duet» et de l octet) sont également énoncées et appliquées aux ions. La première activité se présente sous la forme d un sondage et invite les élèves à rechercher des informations pour confirmer ou infirmer leurs premières réponses. La deuxième activité introduit les règles du «duet» et de l octet via une démarche d investigation. La dernière activité, expérimentale, propose de suivre un cycle du fer, preuve de la conservation des éléments chimiques au cours d une transformation. Le cours reprend les différentes notions découvertes lors des activités. Double page d ouverture La fluorite La fluorite est une forme cristalline du fluorure de calcium CaF 2. Les différentes couleurs qu elle peut prendre sont dues à des traces de divers éléments comme le silicium, l aluminium ou encore l yttrium. Les éléments calcium et fluor font partie du vocabulaire usuel des élèves (le lait ou le dentifrice). Les élèves sont alors amenés à réfléchir sur les formes de ces éléments dans ces produits : le calcium est-il un liquide blanc? le fluor une pâte colorée? L alchimiste Cette gravure représente un laboratoire d alchimistes. Elle permet d introduire l histoire des sciences dans ce chapitre. La légende interroge sur les moyens mis en œuvre par les alchimistes pour transformer le plomb en or. C est en effet possible par réactions nucléaires mais les alchimistes ne connaissaient pas les réactions nucléaires et ne pouvaient pas les réaliser. Il faut faire prendre conscience aux élèves que les travaux des alchimistes ont permis de développer la métallurgie, base de la révolution industrielle. Le chlorure de sodium et le Salar Les élèves connaissent les formules des ions sodium et chlorure ; il leur faut expliquer pourquoi l ion sodium est chargé une fois positivement et l ion chlorure une fois négativement. 1
Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : Où sont les éléments chimiques? Objectifs. Réfléchir à l existence des éléments chimiques dans le vivant et dans notre environnement. Argumenter précisément ses réponses à l aide d informations trouvées dans des encyclopédies ou sur des sites Internet. Réponses 1. Tester ses connaissances a. Juste après le big bang. b. Est constituée d éléments chimiques. c. Dans l environnement ; dans notre organisme ; dans les matériaux biodégradables ; dans les aliments bio. d. Sous forme métallique ou ionique ; combiné avec d autres éléments. e. De protons. Quelques pistes de débat a. Qu est-ce que le big bang? Pourquoi le bronze a-t-il revêtu une importance telle que toute une partie de l Histoire porte son nom? Que faisaient les alchimistes? Quelle a été la genèse de la première bombe atomique? b. Que cache la formule «H 2 O»? L encadré présentant les travaux de Macquer, Sigaud de Lafond et Lavoisier (page 180) peut permettre d étoffer l argumentation. c. Que se passe-t-il dans les centrales nucléaires? Qu est-ce qu un aliment bio? Le texte de Primo Lévi (page 180) peut compléter cette approche. d. Quand et comment la notion d élément chimique est apparue puis a été clairement définie au cours de l Histoire? Quelles ont été les différentes approches débattues entre alchimistes, puis entre chimistes et physiciens? e. Rappeler ce qu est un nucléon, un proton, un électron. Procéder par élimination pour trouver la bonne réponse. 2. Conclure b. Les éléments chimiques peuvent se présenter sous plusieurs formes. Toute la matière est constituée d éléments chimiques. 2
Activité documentaire 2 : Comment déterminer la charge des ions? Objectifs. Démarche d investigation à partir d étiquettes pour trouver la règle de l octet. Réinvestir ce qui avait été défini dans le chapitre précédent (numéro atomique, structures électroniques). Réponses 1. Formuler des hypothèses a. Nom de l ion Sodium Magnésium Fluorure Chlorure Formule de l ion Na + Mg 2+ F - Cl - b. c. Atome (Z) Na (11) Mg (12) F (9) Cl (17) Structure électronique (K)²(L) 8 (M) 1 (K)²(L) 8 (M) 2 (K)²(L) 7 (K)²(L) 8 (M) 7 Ion Na + Mg 2+ F - Cl - Structure électronique (K)²(L) 8 (K)²(L) 8 (K)²(L) 8 (K)²(L) 8 (M) 8 d. On constate que la couche externe est à chaque fois occupée par huit électrons. 2. Conclure À partir de cette activité, on peut déduire que les ions portent une charge bien spécifique, telle que leur couche externe contienne huit électrons. 3
Activité expérimentale 3 : Transformation ou disparition? Objectifs. Mettre en œuvre de courts protocoles ; présenter les observations sous forme de diagrammes proches de ceux utilisés pour décrire les réactions chimiques. En déduire que lors d une transformation chimique, les éléments se conservent. Liste du matériel 2 tubes à essais ; 2 bouchons Éprouvette de 10 ml Spatule Entonnoir Papier-filtre Bécher de 50 ml 2 compte-gouttes Boîte de Pétri Poudre de fer Lame de zinc décapée Concentrations des solutions Solution de sulfate de cuivre de 0,1 mol.l -1 environ (10 ml par binôme) Solution d hydroxyde de sodium à 1 mol.l -1 Réponses 1. Observer et interpréter Étape 1 Milieu avant transformation : poudre noire et solution bleue. Milieu après transformation : poudre rouge et solution légèrement verte. Fe, Cu Étape 1 Remarque : les ions sulfate sont spectateurs. Fe, Cu 4
Étape 2 Milieu avant transformation : solution légèrement verte dans le bécher et solution d hydroxyde de sodium incolore. Milieu après transformation : précipité verdâtre. Fe, H, O Étape 2 Fe, H, O Étape 3 Milieu avant transformation : solution légèrement verte. Milieu après transformation : solution légèrement orange. Fe Étape 3 Remarque : les réactions d oxydoréduction sont hors programme ; c est pourquoi l élément oxygène n est pas listé dans le bilan des éléments. Fe 5
Étape 4 Milieu avant transformation : solution légèrement orange et solution incolore d hydroxyde de sodium. Milieu après transformation : précipité orangeâtre, marronâtre. Fe, H, O Étape 4 Fe, H, O Étape 5 Milieu avant transformation : solution légèrement verte et lame de zinc bien décapée. Milieu après transformation : solution incolore et dépôt noir sur la partie immergée de la lame. Fe, Zn Étape 5 Fe, Zn Remarque : il faut préciser aux élèves que le zinc se retrouve sous forme ionique. 6
2. Conclure a. b. L élément fer est commun à tous ces cadres. c. Lors d une transformation chimique, les éléments se conservent. 7
Exercices Exercices d application 5 minutes chrono! 1. Mots manquants a. élément chimique ; numéro atomique b. conservation ; éléments chimiques c. numéro atomique ; nombre de neutrons d. du «duet» ; de l octet e. cation f. anion 2. QCM a. Par gain d un électron sur sa couche externe. b. Sont des noyaux isotopes. c. 17 protons et 36 nucléons. d. L atome de néon. e. L ion Mg 2+. f. L ion F -. g. Respectivement un cation et un anion. Mobiliser ses connaissances L élément chimique ( 1 du cours) 3. Corrigé dans le manuel. 4. Corrigé dans le manuel. 5. Corrigé dans le manuel. 6. La formule de la molécule d eau est H 2 O : les éléments en fin de transformation sont donc H et O. On écrit le bilan des éléments en début et en fin de transformation : Éléments en début de transformation H et O Éléments en fin de transformation H et O Conclusion : il y a bien eu conservation en éléments au cours de cette transformation chimique. 8
Différentes formes d un élément ( 2 du cours) 7. Atome Mg I S Fe Perd / Gagne perd gagne gagne perd des électrons Nombre d électrons 2 1 2 3 perdus ou gagnés Formule de l ion Mg 2+ I - S 2- Fe 3+ Nature cation anion anion cation 8. Atome Formule de l ion Nature de l ion Sodium Na + cation Oxygène O 2- anion 9. Les noyaux 12 6 C ; 13 6 C ; 14 6 C sont isotopes. D autre part, les noyaux 13 7 N ; 14 7 N sont isotopes. 10. Corrigé dans le manuel. 11. 28 14 Si ; 29 14 Si ; 30 14 Si ; 31 14 Si. Les règles du «duet» et de l octet ( 3 du cours) 12. Corrigé dans le manuel. 13. a. Voir 12. a. b. Notation de l élément Na Mg Cl Numéro atomique 11 12 17 Structure électronique (K) 2 (L) 8 (M) 1 (K) 2 (L) 8 (M) 2 (K) 2 (L) 8 (M) 7 Formule de l ion Na + Mg 2+ Cl - 14. Règle du «duet» pour Be 2+ ; règle de l octet pour O 2- et Al 3+ (même raisonnement à partir de la structure électronique). Utiliser ses compétences 9
15. Nom de l élément Étymologie Symbole Hydrogène hydro, «eau» ; gennan, «engendre» H Hélium helios, «soleil» He Carbone carbon, «charbon» C Azote A, «sans» ; zot «vie» N Oxygène oxus, «acide» ; gennan, «engendre» O Argon argon, «neutre» ou argos, «paresseux» Ar Brome bromos, «puanteur» Br plomb plombum, «lourd» Pb 16. Corrigé dans le manuel. 17. a. Le fluor et le sodium. b. 20 10 Ne ; 21 10 Ne ; 22 10 Ne. c. (100 79) / 2 = 10,5 %. 18. a. Un atome de chlore contient 17 électrons ; sa structure électronique s écrit donc (K) 2 (L) 8 (M) 7. En appliquant la règle de l octet, on constate qu il est nécessaire qu un électron soit gagné par la couche M. La formule de l ion chlorure est donc Cl -. b. On écrit le bilan des éléments en début et en fin de transformation : Éléments en début de transformation Ag et Cl Éléments en fin de transformation Ag et Cl Conclusion : il y a bien eu conservation en éléments au cours de cette transformation chimique. 10
Exercices d entraînement 19. 1. a. La structure électronique du calcium s écrit (K) 2 (L) 8 (M) 10. Afin de respecter la règle de l octet, l ion calcium doit avoir sa couche externe occupée par 8 électrons. L atome de calcium doit donc perdre deux électrons. L ion calcium est donc un cation de formule Ca 2+. b. Selon la règle du «duet», la couche K doit contenir deux électrons. Or, la structure électronique du lithium s écrit (K) 2 (L) 1. L électron de la couche L doit être perdu et l ion lithium est donc un cation de formule Li +. 2. a. b. Ions Li + Mg 2+ Ca 2+ Fe 2+ et Fe 3+ I - Aliments Laitages, légumes frais Rôles Besoins journaliers Pomme de terre, tomate, aubergine, radis Contre la nervosité et l anxiété Laitages, céréales complètes, légumes Enzymes ; cellules Croissance des os, dents ; coagulation sanguine ; influx nerveux ; contraction musculaire 2 mg 350 mg 1,2 à 1,5 g jusqu à 25 ans 0,8 g à 1 g à partir de 25 ans Viande, poisson, fruit sec, lentille Respiration ; enzymes 10 mg pour les hommes et 15 mg pour les femmes Poisson, fruits de mer, œufs, viande, épinard Hormones thyroïdiennes 0,15 mg 3. L adolescent devrait boire entre un litre et 1,25 L de lait. 20. a. 11
b. c. Il faut établir un bilan d éléments au début et à la fin de la transformation chimique. Étape Éléments en début de transformation Éléments en fin de transformation 1 Cu, H, N et O Cu, H, N et O 2 Cu, H et O Cu, H et O 3 Cu, H et O Cu, H et O 4 Cu, C et O Cu, C et O Il y a donc conservation des éléments chimiques lors de toutes ces transformations. d. Isotopes Cuivre 63 Cuivre 65 Nombre de protons Z 29 Nombre de nucléons A 63 65 Nombre de neutrons 34 36 21. a. Isotopes Hydrogène Deutérium Tritium Nombre de protons Z 1 1 1 Nombre de nucléons A 1 2 3 Nombre de neutrons 0 1 2 b. L atome de deutérium est deux fois plus lourd que l atome d hydrogène. Dans HDO, un atome de deutérium remplace par un atome d hydrogène ; dans D 2 O, deux atomes de deutérium remplacent les atomes d hydrogène. c. On écrit le bilan d éléments au début et à la fin de la transformation : Éléments présents H, O Éléments présents H, O Il y a donc bien conservation en éléments hydrogène et oxygène lors de cette transformation chimique. d. Non, car l élément hydrogène n est plus présent dans le bilan en fin de transformation et l élément hélium ne faisait pas partie des éléments présents en début de transformation. 12
22. 1. a. Isotope 234 U 235 U 238 U 92 92 92 Masse (en milliards de t) 2,43 10-4 3,2 10-2 4,468 b. Les 1 000 réacteurs consomment 1 000 9 10-6 5 10 6 = 4,5 10 4 t d oxyde d uranium. D après l hypothèse, il faudrait 710 ans pour consommer 3,2 10-2 10 9 milliards de grammes d uranium 235. 2. a. On écrit le bilan d éléments en début et en fin de transformation : Éléments présents U Éléments présents Kr, Ba Il n y a donc pas conservation en éléments chimiques. b. Il faut comparer les nombres atomiques et les nombres de nucléons : Avant la transformation Après la transformation Nombres atomiques 92 + 0 = 92 36 + 56 + 3 0 = 92 Nombres de nucléons 235 + 1 = 236 93 + 140 + 3 1 = 236 On constate que les nombres atomiques globaux et les nombres de nucléons se conservent (ce sont les règles de Soddy). 13