Chapitre 3 Un modèle pour comprendre Un modèle pour compren Un modèle moléculaire pour comprendre Doc. Pourquoi lorsqu une bouteille de parfum est ouverte, l odeur du parfum se répand-elle rapidement? Doc. C Peut-on boucher cette bouteille pleine sans renverser de liquide? Doc. D La masse se conserve lors de la fusion des glaçons. Comment interpréter cette propriété? Doc. L air contenu dans les semelles des chaussures de ce sportif amortit les chocs, car l air est compressible. Comment interpréter cette propriété? Les questions que l on va se poser dans cette leçon : Comment modéliser un gaz, un solide, un liquide pour interpréter leurs propriétés? Comment expliquer que la masse se conserve lors d un changement d état ou lors d un mélange? 34 35
Les activités 1. Modélisation d un gaz Situation problème L air, comme tous les gaz, est compressible. Cette propriété est utilisée dans les chaussures à coussin d air (Doc, page 34) ainsi que dans les bouteilles contenant du dioxygène. Comment interpréter cette propriété? 2. Diffusion d un gaz dans l air Situation problème L odeur d un parfum se répand rapidement dans une pièce (Doc, page 35). Quelle doit être la propriété des molécules pour rendre compte du phénomène? Expérimente Observe Un gaz est constitué de particules appelées molécules. Ces molécules sont indéformables. Elles sont toutes identiques pour un corps pur, comme le dioxygène, par exemple. En revanche, elles sont différentes pour un mélange de gaz, c est le cas pour l air. a Observe les deux représentations proposées, et, pour le dioxygène. b Observe les deux représentations proposées, C et D, pour l air. C Interprète D Vocabulaire Compressible : qui peut être comprimé. a Remplis un erlenmeyer avec du dioxyde de carbone et bouche-le avec un carton. Pose sur le carton un erlenmeyer, retourné, comme l indique la photographie. Retire ensuite délicatement le carton (l erlenmeyer doit rester sur l erlenmeyer ). b u bout de quelques minutes sépare les deux erlenmeyers et verse de l eau de chaux dans l erlenmeyer. 1. Quelle représentation du dioxygène permet d interpréter la compressibilité de ce gaz? 2. Dans un gaz, les molécules sont-elles en contact? 3. Quelle représentation doit-on choisir pour l air sachant que l air est constitué de molécules de diazote et de dioxygène dans les proportions d une molécule de dioxygène pour quatre molécules de diazote? Observe et interprète 1. Que se passe-t-il lorsque tu verses de l eau de chaux dans l erlenmeyer? 2. Quel gaz est apparu dans cet erlenmeyer? D où provient ce gaz? 3. Que s est-il passé? Rédige une conclusion en répondant aux questions suivantes. Comment modéliser un gaz pur? Comment modéliser un mélange de gaz? Rédige une conclusion en répondant à la question suivante. Quelle propriété des molécules d un gaz permet d interpréter le phénomène observé? 36 37
Les activités 3. Modélisation des liquides et des solides Situation problème Nous avons vu que les gaz sont compressibles. Les solides ne le sont pas. Les liquides sont-ils compressibles (Doc C, page 35)? Comment modéliser les liquides et les solides pour interpréter leurs propriétés? 4. DÉMRCHE D INVESTIGTION Situation problème Expérimente Tu disposes de deux seringues et d eau. a Relie les deux seringues remplies d eau par un tuyau. ppuie sur le piston. Que constates-tu? Est-il possible de maintenir le piston immobile? b Schématise l expérience. Énonce des hypothèses Le glaçon fond, c est le phénomène de la fusion. Émets une hypothèse sur le résultat de l expérience proposée par Théo. Expérimente a nalyse le problème Observe et interprète 1. L eau est-elle compressible? 2. Une des représentations proposées ci-contre ne permet pas d interpréter l expérience précédente. Laquelle? Justifie ta réponse. 3. Un liquide coule. Contrairement à un liquide, un solide peut être saisi avec les doigts. C Parmi les représentations, et C, laquelle représente l eau à l état liquide? à l état solide? Justifie ta réponse. Quelles expériences dois-tu effectuer? Quel matériel dois-tu utiliser? b Schématise l expérience et soumets ta proposition au professeur. Réalise l expérience sous le contrôle de ton professeur. Note les résultats sur ton cahier. Exploite les résultats 1. Les résultats confirment-ils ton hypothèse? 2. Recherche une interprétation du résultat à l échelle microscopique. Le sucre se dissout dans l eau : c est le phénomène de dissolution. Rédige une conclusion en répondant aux questions suivantes. Rédige un compte rendu Quel est l objectif de l expérience? Comment sont organisées les molécules d eau dans l état liquide? Comment sont organisées les molécules d eau dans l état solide? Schématise l expérience. Note le résultat. Indique si cette expérience permet de vérifier la conservation de la masse physique : changement d état, dissolution... 38 39
Le cours 1. Molécules et état gazeux ctivité 1 Un gaz est constitué de molécules, très petites et en grand nombre. Entre les molécules règne le vide. Les gaz sont compressibles : leurs molécules sont espacées. Dans les corps purs, les molécules sont identiques. Dans un mélange, il existe plusieurs types de molécules. La matière est constituée de particules indéformables, appelées molécules. L état gazeux est dispersé. Doc., p. 34. L air emprisonné dans les semelles de la chaussure peut se comprimer, mais les molécules qui le constituent restent espacées, ce qui permet d amortir le choc. Représentation moléculaire d un corps pur : la vapeur d eau. (Les flèches indiquent le mouvement des molécules.) 4. Conservation de la masse Démarche d investigation u cours d un changement d état, la masse totale se conserve. Cette propriété s interprète en considérant que lors du changement d état les molécules restent identiques et leur nombre ne varie pas. Il en est de même au cours d un mélange ou d une dissolution. u cours d un changement d état, d une dissolution ou d un mélange, le nombre de molécules ne varie pas. La masse se conserve. Doc. D, p. 35. Lorsque des glaçons fondent dans une boisson, la masse du contenu du verre n est pas modifiée : les molécules d eau des glaçons se retrouvent dans le liquide. vant fusion près fusion 2. Diffusion d un gaz dans l air ctivité 2 Les gaz peuvent se mélanger comme, par exemple, un parfum se mélange à l air : c est le phénomène de diffusion. Dans l état gazeux, les molécules se déplacent dans tous les sens. L état gazeux est désordonné. Doc., p. 35. L odeur d un parfum se répand, car les molécules d un gaz sont en mouvement. L état liquide Il n est pas possible de comprimer de l eau dans une seringue : un liquide est incompressible. Les molécules d un liquide sont en contact. Un liquide coule, car les molécules peuvent glisser les unes sur les autres. L état solide Les solides ont une forme propre et sont, comme les liquides, incompressibles. Leurs molécules sont en contact et occupent des positions fixes. Représentation moléculaire d un mélange : l air. (1 molécule de dioxygène pour 4 molécules de diazote.) 3. Modélisation de l état liquide et de l état solide ctivité 3 Représentation de líeau liquide. Je m évalue a liquide a un corps pur 1. Ce dessin représente l eau à l état c gazeux b solide b un mélange a le changement de forme des molécules a le nombre total de molécules de sucre reste identique 2. Le phénomène de diffusion s interprète par c la masse des molécules b le mouvement des molécules b le nombre total de molécules de sucre diminue 4. Lors de la dissolution du sucre dans de l eau L état liquide est compact et désordonné. L état solide est compact. Dans les solides cristallins les molécules sont ordonnées. Doc. C, p. 35. On ne peut pas boucher une bouteille pleine à ras bord de liquide, car un liquide est incompressible, ses molécules étant en contact. Représentation de la glace (eau solide), solide cristallin. 3. Ce dessin représente c de l eau c le nombre total de molécules de sucre augmente 40 41
Les machines hydrauliques Le principe de fonctionnement d une machine hydraulique est basé sur l incompressibilité d un liquide. Une pelle hydraulique Les différentes parties d une machine hydraulique sont actionnées par des vérins contenant de l huile sous pression, acheminée par des tuyaux flexibles. huile arrivée d huile L huile pousse sur le piston qui entraîne le déplacement de la tige. Le circuit de freinage d une moto Questions piston coulissant tige Vocabulaire Hydrauliqe : qui concerne l eau ou qui met en jeu un liquide sous pression (l huile, par exemple). 4. 2i. Recherche sur Internet si un scooter est équipé d un frein à disque. Est-ce le cas d un vélo? 5. Certaines automobiles sont équipées à l arrière de «freins à tambour». Quelle est la différence avec des freins à disques? Questions 1. Quels travaux peut-on réaliser avec une pelle hydraulique? 2. Combien de vérins observes-tu sur la photo? 3. Pourquoi chaque vérin est-il relié à un tuyau flexible, et que contient ce tuyau? Plaquette Vérin Tuyaux flexibles Disque Frein à disques sur la roue avant d une moto Il comporte un liquide (liquide de frein) qui, sous la pression communiquée par la pédale de frein, serre les plaquettes sur des disques solidaires des roues : la moto ralentit. Profession : conducteur(trice) d engins de travaux publics Le conducteur d engins de travaux publics pilote différentes machines comme les pelles mécaniques, les buldozers. Il effectue, sous les directives du chef de chantier, des travaux de terrassement : il creuse des tranchées, pose des canalisations, charge des engins de transport de matériaux, etc. Ce métier implique des déplacements fréquents (surtout pour les grands travaux : ponts, autoroutes, voies ferrées, etc.) et des horaires de travail parfois variables. Le conducteur est soumis au bruit, à la chaleur, aux vibrations, à la poussière, et doit posséder une bonne résistance physique. Qualités requises Le conducteur d engins doit avoir des connaissances approfondies en mécanique afin de déceler les pannes éventuelles et d exploiter au mieux les possibilités des machines. Il doit pouvoir lire des plans de terrassement (topographie). Niveau d études Certificat d aptitude professionnelle (CP) «Conducteur d engins», obtenu 2 ans après la troisième, la formation dure 4 à 5 mois. Permis de conduire exigé; permis C et E souhaités. Recrutement sur entretien suivi de tests. Il faut avoir 18 ans. ptitude physique Être en bonne condition physique, avoir une bonne appréciation des réactions de l engin, un bon équilibre général et nerveux; il est nécessaire de posséder l esprit d initiative. Évolution de carrière Moyennant une formation continue, le conducteur d engins peut évoluer vers le métier de chef de chantier, profession à responsabilité, mais mieux rémunérée. utre metier : agent de maintenance des engins de travaux publics C est une personne qui assure l entretien et la réparation de tous les éléments qui composent les engins de travaux publics et de manutention. Elle est très souvent intégrée à une équipe. Niveau d études Certificat d aptitude professionnelle (CP) «Conducteur d engins de chantier» obtenu 2 ans après la troisième. ac pro «Maintenance des Matériels» option «Travaux Publics et Manutention». www.onisep.fr 42 43
Les exercices Modélisation de l état gazeux 1 Connaître la représentation d un gaz Voici deux schémas représentant un gaz. 1. Ces schémas représentent-ils un corps pur ou un mélange? Justifie ta réponse. 2. Quel schéma représente le gaz plus comprimé? 2 Connaître la représentation de l air Thibault a modélisé de l air contenu dans une seringue. 1. Que représentent les boules bleues et rouges? Pourquoi sont-elles différentes? 2. La proportion entre le nombre de boules bleues et celui de boules rouges est-elle correcte? 3. Qu y a-t-il dans l espace entre ces boules? Modélisation de l état liquide 3 Connaître le modèle de l état liquide Recopie en corrigeant les propositions fausses. a. L eau est constituée de petites particules appelées molécules. b. On peut comprimer de l eau liquide, car les molécules se déforment. c. Dans l eau liquide, les molécules sont en contact et glissent les unes sur les autres. d. L état liquide est compact et désordonné. 4 Interpréter une représentation vec ce schéma, quel changement d état Nadia a-t-elle voulu représenter? Justifie ta réponse. Je connais l essentiel plaque chauffante Modélisation de l état solide 5 Connaître la représentation d un solide Parmi les mots suivants, lesquels sont relatifs à l état solide cristallisé? Compact; dilué; désordonné; condensé; ordonné. 6 Interpréter une représentation Le schéma suivant représente un glaçon flottant sur l eau, en train de fondre. 1. Que représentent les boules bleues? Pourquoi sont-elles identiques? 2. Reproduis le schéma ci-dessus et indique où se trouve la représentation du solide et celle du liquide. Justifie ton choix. 7 Quel schéma choisir? a b c Quelle représentation moléculaire modélise : a. l état solide? b. l état liquide? c. l état gazeux? Justifie tes réponses. Conservation de la masse 8 Interpréter la conservation de la masse Willy pose sur le plateau d une balance une coupelle contenant de l eau et un morceau de sucre. Il constate que, durant la dissolution du sucre, la masse ne change pas. Les deux propositions qui suivent sont exactes, mais une seule explique la conservation de la masse lors de la dissolution. Laquelle? 1. près dissolution, les molécules de sucre sont libres de se déplacer parmi les molécules d eau. 2. Lors de la dissolution, les nombres de molécules d eau et de molécules de sucre ne changent pas. 9 Exercice résolu 10 Vaporisation Laetitia met une goutte d eau dans un ballon de 1 L. Cette goutte a un volume de 0,05 cm 3. Laetitia chauffe le ballon fermé. L eau est entièrement vaporisée. Je réinvestis mes connaissances 1. Sachant que 1 cm 3 d eau liquide contient 3 10 22 molécules, quel est le nombre de molécules contenues dans la goutte d eau? 2. Quel est le nombre de molécules contenues dans la vapeur d eau obtenue? 3. Sachant que 1 cm 3 d eau liquide a une masse de 1 g, quelle est la masse de la vapeur d eau contenue dans le ballon? Solution 1. Nombre de molécules dans la goutte d eau : 3 10 22 0,05 = 1,5 10 21 Le nombre de molécules contenues dans 0,5 cm 3 d eau est 1,5 10 21. 2. Lors de la vaporisation, le nombre de molécules se conserve. Il y a donc 1,5 10 21 molécules dans la vapeur d eau. 3. La masse d eau liquide introduite dans le ballon est 0,05 1 = 0,05, soit 0,05 g. Lors de la vaporisation, la masse de l eau se conserve. Donc la masse d eau vapeur dans le ballon est 0,05 g. À toi de faire Kim dissout un morceau de sucre dans 1 L d eau. Ce morceau de sucre contient 10 22 molécules de sucre. 1 ml d eau liquide contient 3 10 22 molécules d eau. 1. Convertir 1 L en ml. 2. Quel est le nombre de molécules d eau contenue dans 1 L? 3. Quel est le nombre de molécules de sucre dans l eau sucrée obtenue? Corrige une copie d élève Le professeur a demandé aux élèves de modéliser un corps pur à l état gazeux. Voici la réponse d un élève et la remarque de son professeur : Quelles sont ces erreurs? 11 Donne des explications Explique à l aide du modèle moléculaire. a. qu un gaz est compressible? b. qu un gaz s échappe d un récipient ouvert? c. qu un liquide est incompressible? 12 Le «trou» de la couche d ozone Les chlorofluorocarbones (CFC) sont des gaz qui étaient utilisés dans les réfrigérateurs pour permettre le refroidissement, ou bien comme propulseurs dans les aérosols. Malheureusement, ces gaz ont participé à la destruction d une partie de la couche d ozone en haute atmosphère. Cette couche de gaz est pourtant essentielle à la vie sur Terre, car elle la protège des rayonnements ultraviolets nocifs émis par le Soleil. La commercialisation des chlorofluorocarbones est désormais interdite. En utilisant les propriétés des gaz, explique pourquoi les CFC libérés au niveau du sol peuvent se retrouver en haute atmosphère. 13 Les bons mots au bon endroit Recopie les tableaux et relie par des flèches chaque état physique aux propriétés qui le caractérisent. Eau liquide Sucre solide Méthane gazeux Compact Ordonné Désordonné Dispersé 44 45
Les exercices 14 Une modélisation d expérience 17 On a représenté dans le schéma ci-dessous deux gaz dans deux récipients séparés par une feuille de papier. feuille de papier 1. D après le schéma de l état initial, les gaz sontils identiques? 2. On retire la feuille de papier. Recopie et complète le schéma pour représenter l état final obtenu au bout de quelques minutes. 15 De l eau et de l alcool Natacha verse de l alcool dans de l eau. L eau et l alcool sont miscibles. 1. Les molécules d eau sont-elles identiques aux molécules d alcool? 2. Représente par un dessin les molécules constituant ce mélange. 3. Comment expliquer la conservation de la masse lors du mélange? 16 état initial Jules a-t-il raison? Schéma état final Jules a modélisé les molécules de dioxygène et de diazote constituant l air contenu dans un flacon (schéma ). Le professeur : «Qu y a-t-il entre les molécules constituant l air?» Jules : «Encore de l air!» Le professeur : «Complète alors ton schéma.» Jules dessine le schéma. Le professeur : «Crois-tu que cette nouvelle représentation permet d expliquer la compressibilité Schéma de l air?» 1. Réponds à la question posée par le professeur après que Jules ait réalisé le schéma. 2. Qu y a-t-il entre les molécules du schéma? Chimie et Français 1. Que signifie l expression : «L état solide cristallin est ordonné»? 2. Cite deux autres mots de la même famille que «ordonné», puis écris une phrase avec chacun. 18 Chimie et Mathématiques Dans les conditions usuelles, un millimètre cube d air contient 25 millions de milliards de molécules. 1 million s écrit 10 6 et 1 milliard s écrit 10 9. 1. Écris le nombre de molécules présentes dans un millimètre cube d air avec des puissances de dix. 2. Combien y a-t-il de molécules d air dans la chambre de Lucas dont le volume est de 30 m 3? 19 Prévois le résultat d une expérience On réalise l expérience de la photographie ci-contre : l un des erlenmeyers contient un gaz roux et l autre de l air. Un carton les sépare. 1. Que se passe-t-il lorsqu on retire le carton? À l aide du modèle moléculaire, explique ce que l on observe. 2. Comment s appelle ce phénomène? 20 Des chiens d avalanche Lorsque des personnes sont ensevelies sous la neige après une avalanche, on utilise des chiens pour le sauvetage. Leur odorat très développé leur permet de repérer l odeur des victimes. Mais il faut agir vite, car les odeurs sont mieux diffusées lorsque le corps humain est encore chaud. 1. À l aide du modèle moléculaire, explique pourquoi les odeurs peuvent arriver jusqu au nez d un chien. 2. Pourquoi les chiens sont-ils aptes à rechercher des corps ensevelis sous la neige? 3. Pourquoi faut-il amener le plus rapidement possible les chiens sur les lieux de l avalanche? Chimie et Histoire 21 La mise en évidence des molécules 22 Jusqu au début du XX e siècle, certains scientifiques refusaient d admettre l existence des molécules, car leur observation directe est impossible (même avec un microscope). La première mise en évidence, indirecte, fut réalisée en 1827 par le biologiste Robert ROWN. En observant au microscope des grains de pollen disposés à la surface de l eau, il les vit se déplacer dans toutes les directions. Il en déduisit que ces grains étaient percutés par des particules : il s agissait des molécules d eau, invisibles et agitées en permanence. 1. Pourquoi, jusqu au début du XX e siècle, certains scientifiques n admettaient-ils pas l existence des molécules? 2. Le mouvement observé du grain de pollen est appelé mouvement brownien. Quelle est l origine du mot «brownien»? 3. Justifie le mot «indirecte» utilisé dans la seconde phrase. 4. Pourquoi les grains de pollen se déplacent-ils dans toutes les directions? La Chimie ludique Le mot en pétales Recopie la fleur en plaçant les lettres dans les pétales pour avoir une propriété des molécules dans l état solide ou liquide. Rompez les rangs! «Rompez les rangs!» crie l adjudant aux soldats bien alignés, au garde à vous. Les soldats partent alors en courant en tous sens. Par analogie, quel est l état (gazeux, solide) correspondant : a. aux soldats alignés au garde à vous? b. aux soldats courant dans tous les sens? C C T M P O Le coin du chercheur Charade Fabrication de cristaux de sulfate de cuivre Cette expérience est à réaliser sous la responsabilité d un adulte. Matériel Pour fabriquer un cristal, il te faut : de l eau ; un bocal ; une cuillère ; une assiette ; du sulfate de cuivre (dans une jardinerie) ; du fil de coton. Manipulation Manipuler le sulfate de cuivre avec des gants. Dans de l eau chaude, prépare d abord une solution très concentrée de sulfate de cuivre. Pour cela, continue à ajouter du sulfate de cuivre jusqu à ce qu il ne puisse plus se dissoudre. Un dépôt solide restera alors au fond du bocal. Verse un peu de cette solution dans une assiette. Laisse évaporer. Des petits cristaux commenceront à se former au fond de l assiette de plus en plus gros au bout de quelques jours. Choisis le plus gros cristal et attache-le par un fil de coton à un crayon, puis suspends-le dans la solution de départ. près une semaine, tu obtiendras au bout du fil un cristal de grande taille. Mon premier est un métal précieux. Mon second est une note de musique. Mon troisième est au milieu du visage. Mon tout caractérise un état des solides. Mots croisés Verticalement - Caractérise les états liquide et solide. - Caractérise l état gazeux. Horizontalement 1 - Caractérise l état solide. 2 - La plus petite particule constituant une substance. 2 1 46 47