Cours de chimie ,
classe de 2nde
Table des matières
I Chimique ou naturel ? 4
1 Le monde de la chimie 5
1.1 Inventaire de quelques substances chimiques . . . 5
1.2 Espèces chimiques naturelles. Espèces chimiques de synthèse . . . 5
2 Extraction, synthèse et identification 8 2.1 Introduction : les parfums . . . 8
2.2 Quelques définitions . . . 8
2.2.1 La miscibilité . . . 8
2.2.2 La masse volumique . . . 9
2.2.3 La densité . . . 9
2.2.4 La solubilité . . . 9
2.3 L’extraction . . . 9
2.3.1 Extraction par solvant . . . 9
2.3.2 L’hydrodistillation . . . 10
2.4 Synthèse d’espèces chimiques . . . 11
2.4.1 La chimie de synthèse . . . 11
2.4.2 La synthèse d’une espèce chimique . . . 12
2.5 Identification d’une espèce chimique . . . 12
2.6 Travaux pratiques . . . 13
2.6.1 TP 4 : Présentation du laboratoire de chimie . . . 13
2.6.2 TP 5 : Miscibilité-solubilité . . . 14
2.6.3 TP 6 : Extraction d’un arôme de lavande . . . 15
2.6.4 TP 7 : Synthèse d’un arôme de lavande . . . 16
2.6.5 TP 8 : La chromatographie . . . 17
II Constitution de la matière 19
3 Le modèle de l’atome 20 3.1 Structure de l’atome. . . 203.2 Composition de l’atome . . . 20
3.2.1 Notation symbolique . . . 20
3.2.2 Neutralité électrique . . . 21
3.2.3 La masse d’un atome . . . 21
3.3 Le nuage électronique . . . 21
3.3.1 Répartition des électrons dans l’atome . . . 21
3.4 Les éléments chimiques . . . 22 1
3.4.1 Les isotopes . . . 22
3.4.2 Les ions . . . 22
3.4.3 L’élément chimique . . . 22
3.5 Travaux pratiques . . . 23
3.5.1 Histoire de la conception de la matière : réalisation d’une frise historique 23 3.5.2 TP : Le cuivre dans tous ses états . . . 25
4 De l’atome aux édifices chimiques 27 4.1 Notion de stabilité : les gaz rares . . . 27
4.2 Règles du duet et de l’octet . . . 29
4.3 Ions et molécules . . . 29
4.4 Les molécules : écriture, isomérie et géométrie . . . 31
4.4.1 Comment écrire une molécule . . . 31
4.4.2 Notion d’isomérie . . . 31
4.4.3 La géométrie de quelques molécules . . . 32
5 La classification périodique 33 5.1 Approche historique [TD] . . . 33
5.2 Approche expérimentale [TP] . . . 34
5.2.1 Les corps simples : dichlore, dibrome, diiode. . . 34
5.2.2 Les ions chlorure, bromure et iodure . . . 35
5.2.3 Conclusion . . . 36
5.3 Bilan : le tableau actuel . . . 36
III Transformations de la matière 37
6 La mole 38 6.1 La notion de mole . . . 386.2 Quelques définitions . . . 39
6.3 Le cas des gaz . . . 39
6.4 Travaux pratiques . . . 39
6.4.1 TP : Prélèvements de quantité de matière . . . 39
7 La concentration molaire et espèces en solution 42 7.1 Définitions . . . 42
7.1.1 Solution . . . 42
7.1.2 Concentration molaire . . . 42
7.2 Préparation d’une solution de concentration déterminée . . . 42
7.2.1 Dissolution d’une espèce solide . . . 42
7.2.2 Dilution d’une solution de concentration donnée . . . 42
7.3 Application : réalisation d’une échelle de teinte . . . 43
7.4 Travaux pratiques . . . 43
7.4.1 TP : Les solutions . . . 43
7.4.2 TP : Initiation au dosage . . . 46
8 La réaction chimique 48
8.1 La transformation chimique . . . 48
8.2 Description des états & définitions . . . 49
8.3 L’équation chimique . . . 49
8.4 Travaux pratiques . . . 50
8.4.1 TP : Réaction chimique & bilan de matière . . . 50
Première partie
Chimique ou naturel ?
4
Chapitre 1
Le monde de la chimie
1.1 Inventaire de quelques substances chimiques
Projection de l’image d’un citron→"citron.jpg"
,→Quelles sont les substances présentes dans un citron ?[mise en commun]
,→Trouver 5 autres substances.[mise en commun]
,→Par deux, trouver un critère de classement de ces substances en deux catégories et dresser un tableau.[mise en commun]
Conclusion : il existe plusieurs manières plus ou moins pertinentes de classer les substances chimiques. Nous allons ici nous intéresser au classement synthétique/naturel.
1.2 Espèces chimiques naturelles. Espèces chimiques de syn- thèse
Lorsqu’une substance chimique est pure, c’est-à-dire composée d’une seule sorte d’atomes ou de molécules, on parle d’espèce chimique. Pour repérer la présence d’une espèce chimique on utilise des tests de reconnaissance (Cf. TP 4).
5
Etude de texte : Le caoutchouc (→questions 1 à 4 en classe, questions 5 à 7 à la maison).
Naturel ou synthétique ? Le caoutchouc.
Le caoutchouc naturel
Le mot caoutchouc provient de l’indien : cao (bois) et ochu (pleurer). Quand on pratique une incision (saignée) dans l’écorce de l’hévéa, un liquide laiteux (latex) s’écoule goutte à goutte, composé de 13 de caoutchouc et de 23 d’eau. Le latex est d’abord filtré puis traité par une solution acide diluée. On constate alors qu’il y a coagulation, le caoutchouc apparaît, sous forme solide, en suspension.
Après laminage, les feuilles de caoutchouc sont séchées et pressées en balles, constituant la matière première utilisée dans l’industrie.
Le caoutchouc synthétique
En 1929, on réussit à fabriquer un polymère du butadiène et du styrène en présence de sodium comme catalyseur. Le polymère appelé S.B.R. (styrène - butadiène rubber) fut développé industriellement par l’Allemagne après 1930.
En 1942, les Etats-Unis, privés par les Japonais de leurs approvisionnements en caoutchouc naturel, développèrent la production de S.B.R en améliorant les propriétés mécaniques de ce produit. Cet élastomère synthétique, supérieur au caoutchouc naturel, équipe actuellement l’ensemble de nos automobiles.
D’après une encyclopédie.
Questions :
1. Sous quelle forme se trouve le caoutchouc dans le latex qui s’écoule des saignées de l’hévéa ?
2. Que faut-il faire pour que le latex coagule ? Qu’obtient-on après coagula- tion ?
3. Qu’est-ce que le laminage ? Qu’obtient-on après le laminage ?
4. Pourquoi les industriels fabriquent-ils du caoutchouc de synthèse ? Donner plusieurs raisons.
5. Rechercher (CDI, encyclopédie. . . ) une ou plusieurs propriétés mécaniques concernant le caoutchouc.
6. Le tableau ci-dessous donne, en millions de tonnes, la production annuelle mondiale de caoutchouc naturel (C.N.) et de caoutchouc synthé- tique (C.S.). Sur un graphique porter en abscisse l’année et en ordonnée la production, en millions de tonnes, d’une part du C.N. et d’autre part du C. S. Commenter.
Année 1938 1955 1960 1970 1975 1980 1991
C.N. 0,89 1,95 2,03 3,1 3,1 3,8 5,4
C.S. 0,02 1,5 2,5 5,9 6,9 8,7 8,9
Conclusion :
– Certaines substances sont issues de la chimie de synthèse et ont été créees par l’homme, ce sont les substances synthétiques. D’autres, les espèces naturelles, proviennent de la nature.
– Il n’existe pas de réelle opposition chimique ou naturel. On peut opposer synthétique à naturel, mais tout est chimique. Certains produits sont fabriqués par l’homme d’autres préexistent dans la nature, mais le résultat est parfois identique (exemple : vanille de synthèse, vanille naturelle). Les problèmes sont ceux de l’utilisation à bon escient, de la pollution et des ressources.
– Les hydrocarbures (dérivés du pétrole) sont aujourd’hui omniprésents dans la chimie de synthèse.
La chimie étudie les substances qui composent notre monde et les réactions entre ces sub- stances. Elle comporte également une part de rationnalisation des savoirs ancestraux comme la cuisine, la métalurgie, etc . . .
Chapitre 2
Extraction, synthèse et identification
2.1 Introduction : les parfums
Etude d’un document vidéo : «C’est pas sorcier : les parfums»
C’est pas sorcier : les parfums.
• Combien d’odeurs un nez normal peutil sentir ?
……….
• Et un nez entraîné ?
……….
• A quoi sert le solvant de la cuve ?
……….
• Comment sépareton le solvant de la concrète ?
……….
• Citer les 3 étapes permettant d’obtenir au final « l’absolue ».
• Que contient la concrète ?
……….
• Que contient l’absolue ?
……….
• Existetil d’autres techniques permettant d’obtenir un « concentré d’odeur » ? Si oui, préciser lesquelles.
………
………
………
• Quels sont les avantages des produits de synthèse ?
……….
……….
……….
• Quelles sont les 3 notes d’un parfum ?
Organigramme :
Légende : première Matière
Technique
Masse ou volume Solvant Fleurs (roses) Posées sur une grille dans la cuve
Fleurs+solvant contenant pigments +substances odorantes
Concrète (cires contenant les pigments et substances odorantes)
Solvant
Alcool-chauffage mixage
Absolue de concrète Cires
2.2 Quelques définitions
⇒Travail à faire à la maison : chercher les définitions
2.2.1 La miscibilité
Deux liquides sont miscibles si ils peuvent se mélanger et former un mélange homogène. Si deux liquides ne peuvent pas se mélanger ils sont dits non-miscibles.
8
⇒Cf. TP 5 Miscibilité - Solubilité
Attention :il n’existe pas de règle simple pour prédire la miscibilité.
2.2.2 La masse volumique
Soitµla masse volumique d’un corps, on a
µ=m V
µ masse volumique du f luide en kg.m−3 m masse du corps en kg
V volume du corps en m3
Exemple : Sachant que la masse de 10mL de cyclohexane est de 7,8g , calculer la masse volumique du cyclohexane.
⇒µ= mV =7,8.1010.10−6−3 = 7,8.102kg.m−3
2.2.3 La densité
La densitédd’un corps solide ou liquide, par rapport à l’eau, est égale au rapport de sa masse volumiqueµ par rapport à celle de l’eauµ0 prises dans les mêmes conditions de pression et de température.
d= µ µ0
d densit´e du corps sans unit´e
µ masse volumique du f luide en kg.m−3 µ0 masse volumique de l´eau en kg.m−3
Exemple : Sachant que dans des conditions normales de pression et de température la masse volumique de l’eau est de1g.mL−1, calculer la densité du cyclohexane.
⇒d= µµ
0 =7,8.101.1032 = 0,78
2.2.4 La solubilité
La solubilité d’une espèce en solution est la quantité maximale de cette espèce que l’on peut dissoudre dans la solution.
Exemple : Dans l’eau on peut dissoudre jusqu’à 350 g de sel. Ensuite des cristaux commencent à apparaître, le sel ne se dissout plus. La solubilité du sel dans l’eau est donc de350g.L−1
2.3 L’extraction
2.3.1 Extraction par solvant
Expérience : Cf. TP 5
Pour qu’une extraction liquide/liquide fonctionne, il faut réunir 2 conditions :
1. l’espèce que l’on souhaite extraire doit être plus soluble dans le solvant utilisé pour l’ex- traction que dans le liquide où elle se trouve au départ.
2. le solvant utilisé pour l’extraction doit être non-miscible avec le liquide où se trouve à l’origine l’espèce désirée.
Cette extraction est réalisée à l’aide d’une ampoule à décanter.
Dans le cas d’une extraction solide/liquide (exemple : le sachet de thé dans l’eau chaude) la condition 2 est forcément remplie.
2.3.2 L’hydrodistillation
⇒Cf. TP 6
1. chauffe ballon 2. pierre ponce 3. thermomètre 4. réfrigérant 5. eau
6. éprouvette graduée
7. lavande (dans le cas du TP6)
2.4 Synthèse d’espèces chimiques
2.4.1 La chimie de synthèse
Dans notre quotidien
La chimie de synthèse est aujourd’hui omniprésente dans notre environnement quotidien. Elle a permis de réaliser des progrès importants dans les domaines de la santé et de l’alimentation.
– La chimie est utile car elle crée des produits adaptés.
– Grâce à elle on pourrait éviter de surexploiter l’environnement.
– Notre quotidien a été rendu plus « confortable ».
⇒Débat autour de ces points.
Citer des exemples de produits de synthèse La chimie industrielle
Il existe trois types de chimie :
1. La chimie lourde : quantités importantes et prix peu élevé. Par exemple les plastiques.
2. La chimie fine : faibles quantités et prix élevé, notamment dans les produits pharmaceu- tiques (molécules compliquées).
3. La chimie intermédiaire : médicaments courants, les lessives , etc...
2.4.2 La synthèse d’une espèce chimique
Définition
Une synthèse est une transformation chimique au cours de laquelle des réactifs vont se com- biner pour donner des produits parmi lesquels se trouvent l’espèce chimique désirée.
Réalisation
⇒Cf. TP 7 « Synthèse de l’arôme de lavande »
– Les conditions expérimentales sont les conditions nécessaire à la transformation chimique.(Température, proportion, etc...)
– Le montage choisi va dépendre des conditions expérimentales.
– A la fin, le produit souhaité se trouve souvent mélangé avec d’autres produits. Il faut donc effectuer une extraction.
2.5 Identification d’une espèce chimique
à l’aide des caractéristiques physiques 1. Discussion avec les élèves.
– « Comment peut-on caractériser un corps (quelconque) ? »
– « Plus précisément en physique-chimie, quelles caractéristiques utiliser ? » 2. Faire une liste :
– Couleur (pas un très bon paramètre pour caractériser une espèce)
– Température de changement d’état : propre à un corps, constante si le corps est pur – Densité ou masse volumique (vu précédemment)
– Solubilité
– Indice de réfraction (voir La loi de Descartes en Physique) à l’aide d’une chromatographie
⇒Cf. TP 8 « chromatographie »
Réalisation d’une chromatographie sur couche mince (CCM) pour comparer l’acétate de li- nalyle et l’arôme de lavande.
Remarque : on peut obtenir des espèces de synthèses identiques aux substances naturelles.
2.6 Travaux pratiques
2.6.1 TP 4 : Présentation du laboratoire de chimie
TP 4 2nde
PRÉSENTATION DU LABORATOIRE DE CHIMIE.
RÉALISATION DE TESTS SIMPLES SUR UN PRODUIT COURANT : UNE POMME
Objectifs Présentation des règles simples de comportement d'un chimiste.
• le laboratoire de chimie
• La verrerie de base (celle vue au collège) : reconnaître, nommer et représenter.
• Sécurité : le comportement d'un chimiste, utilisation de verrerie simple, d'appareils de chauffage, lire les étiquettes.
Réalisation de tests simples sur un produit courant : une pomme.
• respecter des consignes.
• Observer et noter ses observations
• Rédiger un compte rendu.
Fiche technique
• La sécurité au laboratoire de chimie. voir fiche 1
• Pictogrammes. voir fiche 2
• La verrerie de base. voir livre p 334
RÉALISATION DE TESTS SIMPLES SUR UN PRODUIT COURANT : UNE POMME Les objectifs sont :
➔ Respecter des consignes et un mode opératoire.
➔ Observer et noter ses observations dans le compte rendu sous forme de schémas.
➔ Tirer une conclusion.
1. Mise en évidence de l'eau : Test au sulfate de cuivre anhydre.
Déposer un peu de sulfate de cuivre anhydre sur un morceau de pomme.
2. Mise en évidence de sucres.
Couper des petits morceaux de pomme dans un erlenmeyer. Ajouter de l'eau distillée et agiter. Ajouter de la liqueur de fehling. Chauffer.
3. Mise en évidence de l'amidon : Test avec de l'eau iodée.
Test de l'eau iodée sur l'amidon puis sur un quartier de pomme. Attention ce test dépend de la maturité de la pomme.
4. Mise en évidence de l'acidité.
Couper de petits morceaux de pomme dans un bécher. Ajouter de l'eau distillée et agiter. Ajouter quelques gouttes de BBT. Préciser ce résultat en plaçant un petit morceau de papier pH sur un quartier de pomme.
Aide
Lorsqu’on ajoute quelques gouttes d’eau distillée dans un tube à essais contenant un peu de sulfate de cuivre anhydre, donc blanc, celuici devient bleu.
Lorsqu’on chauffe au bec Bunsen, un tube à essais contenant une solution de glucose à laquelle on a ajouté de la liqueur de Fehling, le mélange initialement bleu devient rouge brique.
Le bleu de bromothymol, plus souvent appelé BBT, est un indicateur coloré acidobasique ; sa coloration varie en fonction du pH : il est jaune en milieu acide, vert à pH = 7 et devient bleu en milieu basique.
L'eau iodée est un colorant jaune orangé qui devient bleunoir en présence d'amidon.
2.6.2 TP 5 : Miscibilité-solubilité
Miscibilité-solubilité Extraction par solvant
TP de CHIMIE n°1 23 septembre 2003 2nde 6
Objectifs du TP : -Etablir la miscibilité de 2 liquides.
-Interpréter les informations d’une étiquette.
-Etablir un protocole expéri- mental afin de vérifier une hypothèse.
Matériel :
-verrerie : tubes à essais
-produits : eau, cyclohexane, dichlorométhane, éthanol, diiode (au bureau du pro- fesseur).
1) Mélanges eau\autre produit
- Réaliser dans un tube à essai un mélange eau (2 mL) + éthanol (2 mL). Le boucher et agiter. Laisser reposer.
- De même réaliser un mélange eau + dichlorométhane, eau + cyclohexane. Boucher, agiter, laisser reposer.
- L’eau et l’éthanol sont-ils miscibles ? Même question pour le cyclohexane et le dichlorométhane.
- Dans les cas où les produits sont non miscibles, quel est celui qui est au dessus, celui qui est au dessous ? Sur l’étiquette du produit il existe une information qui permet de prévoir la position des produits non misci- bles les uns par rapport aux autres. Quelle est cette information ?
2) Application à d’autres mélanges
- D’après le 1) , prévoir ce que vont donner les mélanges suivants :
-éthanol + cyclohexane -éthanol + dichlorométhane -cyclohexane + dichlorométhane Vont-ils être miscibles, non miscibles ? Lequel va se situer au dessus ?
-Soumettre vos prédictions au professeur, puis passer à la vérification expérimentale.
3) Solubilité du diiode (expérience réalisée par le professeur)
- On réalise un mélange eau +diiode et un mélange cyclohexane + diiode. On agite et on laisse reposer.
Observations et interprétation.
Définition : 2 liquides qui peuvent se mélanger et former un mélange homogène sont dits miscibles
4) Application à l’extraction
On possède une solution d’eau iodée et on souhaite en extraire le diiode. Pouvez vous à l’aide des expériences réalisées précédemment proposez un protocole d’extraction du diiode ?
Décrivez l’expérience envisagée à l’aide notamment de schéma.
Après accord du professeur, réalisez une vérification expérimentale de votre hypothèse.
2.6.3 TP 6 : Extraction d’un arôme de lavande
TP 6 CHIMIE
Extraction de l'arôme de la lavande
Objectifs du TP :
reconnaître et nommer la verrerie de laboratoire
mettre en ouvre une technique d’extraction
Matériel
Un montage d’hydrodistillation moderne...
1. HYDRODISTILLATION
Le texte qui suit est extrait du roman de Patrick Süskind, Le Parfum (éditions Fayard, 1986).
« Il sortait son gros alambic, une chaudière de cuivre rouge coiffée d'un chapiteau un alambic «tête
de maure» [...] tandis que Grenouille coupait en petits morceaux le matériau à distiller, Baldini faisait fiévreusement [...] du feu dans le foyer en maçonnerie, sur lequel il plaçait la chaudière de cuivre, bien garnie d'eau dans son fond. Il y jetait les plantes [...] coupées en morceaux, enfonçait la têtedemaure sur son support et y branchait deux petits tuyaux pour l'arrivée et la sortie de l'eau. [...]
Peu à peu, la chaudière parvenait à ébullition. Et au bout d'un moment, d'abord en hésitant et goutte à goutte, puis en un mince filet, le produit de la distillation s'écoulait de la têtedemaure par un troisième tuyau et aboutissait dans un vase florentin que Baldini avait mis en place [...] peu à peu, [...]
cette soupe se séparait en deux liquides distincts: en bas se ramassait l'eau des fleurs ou des plantes, et audessus flottait une épaisse couche d'huile.Si, par le bec inférieur de ce récipient florentin, on évacuait précautionneusement l'eau des fleurs, qui n'avait qu'un faible parfum, il restait alors l'huile pure, l'essence, le principe vigoureux et odorant de la plante. »
Voici le montage utilisé par Baldini pour réaliser une «hydro
distillation »:
1. Comparez le au montage moderne disponible sur votre table (le fruit choisi est l'orange). Identifiez les parties une à une en établissant la correspondance entre le vocabulaire de l’époque de Baldini (chaudière, têtedemaure, alambic, vase florentin, eau des fleurs, essence) et le vocabulaire moderne.
2. Quel est le rôle de la « tête de maure »?
3. Essayer alors de résumer le principe de l’hydrodistil
lation?
Dans le compte rendu vous décrirez ainsi l’expérience réali
sée et les résultats obtenus. N’oubliez pas de schématiser l’ensemble et d’indiquer la nature et la position des différents liquides.
2.EXTRACTION PAR SOLVANT
Le distillat obtenu ne permet pas de récupérer l’huile essentielle par simple décantation. Il faut réaliser une extraction par solvant. A partir de la fiche de renseignements suivante proposez un protocole.
Eau Cyclohexane Eau salée Huile essen
tielle
TEbullition 100°C 80,7°C > 100°C 220 °C
Densité 1 0,78 1,1 0,89
Solubilité dans l’eau ~ nulle Faible
Solubilité dans l’eau salée ~ nulle Très faible
Solubilité dans le cyclo
hexane
~ nulle ~ nulle Très bonne
2.6.4 TP 7 : Synthèse d’un arôme de lavande
TP de CHIMIE
(TP n°7)
Synthèse d’un arôme de Lavande
Attention au respect des consignes de sécurité & gants + lunettes 1.
Préparation de l'ester
1. Dans un ballon de 50 mL bien sec, introduire 5 mL de linalol à l'aide d'une éprouvette graduée.
2. Sous la hotte, ajouter 10 mL d'anhydride éthanoique mesurés à l'éprouvette bien sèche.
3. Boucher.
4. Agiter quelques instants doucement en maintenant le bouchon.
5. Introduire quelques billes de verre.
6. Réaliser le montage à reflux.
7. Mettre en route la circulation d'eau DOUCEMENT.
8. Chauffer à thermostat 6 pendant une vingtaine de minutes .
9. Arrêter le chauffage. Retirer le chauffe ballon, et mettre le socle du ballon. LAISSER LA CIRCULATION D'EAU !
L’anhydride éthanoïque a été utilisé en excès. Il en reste donc lorsque la réaction est terminée. On l’élimine par réaction avec l’eau et en refroidissant. L’anhydride éthanoïque est transformé en acide éthanoïque miscible à l’eau qui passe dans la phase aqueuse
1. Préparer 25 mL d'eau froide dans un bécher. Attendre que le ballon refroidisse.
2. Les verser doucement par petite quantité par le sommet du réfrigérant dans le ballon.
3. Refroidir si besoin le ballon (tenu par une pince) sous un courant d’eau froide.
4. Verser doucement en agitant, le contenu du ballon dans le bécher.
5. Laisser refroidir, au besoin, le contenu du bécher.
2.
Extraction
1. Verser le mélange dans l’ampoule à décanter.
2. Ajouter 10 mL de solution saturée en NaCl et laisser décanter.
3. Éliminer la phase aqueuse.
4. Verser 30 mL d’hydrogénocarbonate de sodium à 5% par petites quantités et attendre quelques minutes que le dégagement gazeux ralentisse notablement. Dégazer souvent car le dégagement gazeux est important.
5. Décanter. Recueillir la phase organique et laver avec 20 mL d’eau.
6. Éliminer la phase aqueuse.
7. Verser la phase organique dans un bécher propre et sec.
8. Sécher la phase organique avec un tout petit peu de sulfate de magnésium anhydre . 9. Filtrer
10. Récupérer la phase organique dans un flacon au bureau.
3.
Questions
1. Que signifie le mot reflux? A quoi sert le réfrigérant? Que se passeraitil si on ne mettait pas de réfrigérant?
2. Indiquer le rôle du chauffage.
3. Indiquer le rôle des billes de verre.
4. Faire une phrase, qui explique le rôle d'un chauffage à reflux.
5. Pourquoi le réfrigérant doitil rester ouvert à son extrémité supérieure?
6. Dessiner l'ampoule à décanter et y placer la phase aqueuse et la phase organique. Indiquer dans quelle phase se trouve l'acétate de linalyle lors de la décantation. De quel(s) renseignement(s) avezvous besoin pour répondre à cette question?
Conclusion :
En utilisant les mots “réactif”, “produit”, “transformation chimique”, faites une phrase qui explique en quoi l’expérience réalisée est une synthèse.
anhydride éthanoïque acétate de linalyle acide éthanoïque linalol
C10H18O + C4H6O3 C12H20O2 + C2H4O2
2.6.5 TP 8 : La chromatographie
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ligne de dépôt front du solvant
L H S E
Deuxième partie
Constitution de la matière
19
Chapitre 3
Le modèle de l’atome
Le modèle physique actuellement admis pour d’écrire la matière au niveau microscopique est le modèle atomique. Nous allons essayer de décrire la constitution d’un atome.
3.1 Structure de l’atome.
L’atome est constitué de trois particules élémentaires qui ont chacune une charge électrique et une masse.
1. Essayez de remplir le tableau suivant : Particule
Charge électrique Masse
2. Deux de ces particules sont côte à côte dans l’atome. Lesquelles ? Quel nom donne-t-on à l’ensemble formé par ces deux particules ?
3. Réalisez un schéma de l’atome. Vous indiquerez sur le schéma les dimensions en mètres.
4. Où se situe la plus grande partie de la masse d’un atome ?
5. En comparant votre réponse à la question précédente et les dimensions de l’atome, peut-on faire une conclusion supplémentaire au sujet de l’atome ? Laquelle ?
3.2 Composition de l’atome
3.2.1 Notation symbolique
Pour représenter un atome en chimie on utilise une notation symbolique : AZX 1. Que représente X ?
2. Que représente A ? 3. Que représente Z ?
20
3.2.2 Neutralité électrique
On dit que l’atome est électriquement neutre.
1. Qu’est ce que cela veut dire ?
2. Cette information nous permet de prévoir le nombre d’électrons qu’il y a dans un atome.
Comment ?
3.2.3 La masse d’un atome
Comment fait-on à partir de l’ensemble des informations précédentes pour calculer la masse d’un atome ? Expliquez.
3.3 Le nuage électronique
3.3.1 Répartition des électrons dans l’atome
Les électrons sont répartis dans des couches électroniques (modèle de Rutherford ). Pour les éléments étudiés cette année les 3 premières couches suffisent :
1. Quand une couche est remplie, on dit qu’elle est saturée.
2. Règle de remplissage : on remplit à partir de la couche K, la plus proche du noyau, et on ne passe à une couche supérieure que lorsque l’on atteint le nombre d’électrons max.
3. La dernière couche contenant des électrons est la couche externe. Les autres sont les couches internes.
La structure électronique d’un atome nous renseigne sur la répartition des électrons dans l’atome. On la note KxLyMz . Par exemple la structure électronique du carbone qui a 6 électrons est K2L4 .
3.4 Les éléments chimiques
3.4.1 Les isotopes
3.4.2 Les ions
3.4.3 L’élément chimique
Suite aux activités précédentes et au TP sur l’élément cuivre on constate que l’on donne le même nom à différentes formes chimiques. On donne le nom d’élément chimique à l’ensemble des entités (ions, isotopes, atomes) caractérisées par le même numéro atomique Z. Un élément chimique est représenté par son symbole chimique.
3.5 Travaux pratiques
3.5.1 Histoire de la conception de la matière : réalisation d’une frise
historique
TP 12 2nde
La matière
Recherche sur l'histoire du modèle atomique
Réalisation d'une frise chronologique
Objectif :
appréhender le modèle actuel de la matière au niveau microscopique par l’intermédiaire d’une approche historique.
mise en place d’une activité de recherche et restitution des résultats
Ressources :
CDI, bibliothèque
Internet
Vos connaissances antérieures
Autres…
PROJET DE RECHERCHE
Vous devez, par groupe de deux, réaliser une frise chronologique (écrite à la main !) représentant l’évolution des idées sur la matière au cours des siècles passés.
Il s’agit de montrer comment on en est arrivé à la notion d’atome. Quels ont été les modèles proposés avant et par qui ? Pourquoi en aton changé ?
Certaines contraintes vous sont imposées :
Contrainte n°1. Les dates
Les quatre époques principales de notre civilisation doivent y figurer : 1. L'antiquité
2. Le moyenâge (L'alchimie ) 3. La renaissance
4. L'époque moderne
Contrainte n°2. Les théories scientifiques
Chaque modèle pour expliquer la composition de la matière (atomique ou non) proposé doit être accompagné : 1. si possible d’une illustration (schéma)
2. de ses principales caractéristiques
3. de ce que ce modèle permet ou ne permet pas d’expliquer
Contrainte n°3. Les scientifiques
Faire une courte biographie des principaux acteurs (leurs années de vie, le ou les lieux géographiques où ils ont vécu, les relations qu'ils avaient avec les autres acteurs contemporains).
Contrainte n°4. L'histoire générale
Tout au long de votre frise, placer les grands évènements historiques qui se sont produits en parallèle à cette histoire scientifique.
Pour le reste faites preuve d'imagination...
Travail à rendre pour le jeudi 14 janvier 2010
Pour toute question, email : cours.physique@free.fr
3.5.2 TP : Le cuivre dans tous ses états
Sécurité
: Pendant cette séance, vous allez utiliser des réactifs concentrés. Le port de la blouse est obligatoire,.
Réaction 1
:
Protocole :
Placer un petit morceau de cuivre métallique dans un tube à essais.
Introduire sous la hotte 2 mL d’acide nitrique concentré.
Boucher le tube à essais avec le bouchon fourni.
Questions :
a) Quelle est la couleur du métal cuivre ? De la solution d’acide nitrique ? b) Faire un schéma de l’expérience.
c) Qu’observez-vous pendant la réaction ? d) Quelle est la couleur de la solution finale ? e) Qu’est devenu le métal cuivre ? Réaction 2
:
Protocole :
Ajouter un peu d’eau distillée dans le tube précédent, et prélever la moitié de la solution dans un deuxième tube à essais.
Verser 2 à 3 mL de solution d’hydroxyde de sodium.
Questions :
a) Faire un schéma de l’expérience.
b) Quelle est la formule chimique de la solution d’hydroxyde de sodium ?
c) Sachant que le précipité obtenu est de l’hydroxyde de cuivre II, essayer d’écrire l’équation bilan de précipitation.
Réaction 3
:
Protocole :
Prélever une petite quantité du précipité précédent.
Porter le contenu à ébullition à l’aide du bec Bunsen.
Sécurité
: Attention aux risques de projections lors du chauffage.
Questions :
a) Quelle est la couleur du produit final ? b) Faire un schéma de l’expérience.
c) Sachant que vous avez déshydraté l’hydroxyde de cuivre II pour former de l’oxyde de cuivre de formule chimique CuO, écrire l’équation bilan de la réaction.
Réaction 4
:
Protocole :
Garder une partie du tube précédent comme tube témoin.
Verser de l’acide chlorhydrique sur le reste.
Agiter après avoir bouché le tube à essais à l’aide du bouchon.
Questions :
a) Faire un schéma de l’expérience.
b) Quelle est la couleur de la solution ?
c) En quel produit s’est transformé l’oxyde de cuivre ? Réaction 5
:
Protocole :
Introduire un clou en fer dans la solution précédente.
Attendre une à deux minutes avant de le retirer.
Questions :
a) Quelle est la couleur du dépôt ? b) Quelle peut être la nature de ce dépôt ? c) Faire un schéma de l’expérience.
CONCLUSION
: Faire un organigramme représentant les différents états du cuivre dans les réactions étudiées.
Chapitre 4
De l’atome aux édifices chimiques
4.1 Notion de stabilité : les gaz rares
Réalisation de l’activité documentaire 1 sur les gaz nobles issue du Physique-Chimie 2nde, BELIN.
27
Conclusion : Les gaz rares sont stables chimiquement. C’est à dire qu’ils ne réagissent avec rien. On remarque que leur couche externe est toujours pleine. Peut on faire un lien entre cette structure électronique particulière et leur stabilité ?
4.2 Règles du duet et de l’octet
Réalisation de l’activité documentaire 2 sur les ions issue du Physique-Chimie 2nde, BELIN (voir ci-dessus).
Conclusion : un atome instable peut se stabiliser sous la forme d’un ion, c’est-à-dire perdre ou gagner des électrons. Si on observe la structure électronique des ions formés, on constate que leur couche externe est systématiquement pleine et contient donc deux électrons (couche K) ou 8 électrons (couche L et M). On peut alors énoncer deux règles :
– règle du duet : pour se stabiliser, les éléments de numéro atomique proche de celui de l’hélium vont adopter sa structure électronique K2 . Ils ont alors 2 électrons sur leur couche externe.
– règle de l’octet : pour se stabiliser, les éléments de numéro atomique inférieur à 18 vont adopter la structure électronique du néon K2L8 ou de l’argon K2L8M8 . Ils ont alors 8 électrons sur leur couche externe.
On peut se souvenir que pour se stabiliser un élément va chercher à ressembler au gaz rare le plus proche en adoptant sa structure électronique. (Exemples du chlore, de l’oxygène et du sodium)
4.3 Ions et molécules
Cette partie est traitée sous forme de TD :
De l'atome aux édifices chimiques
On l'a vu, les atomes ne sont stables que si leur couche externe est pleine. Pour devenir stables, c'estàdire ressembler au gaz rare le plus proche, ils ont deux possibilités, devenir un « ion » ou former une molécule.
1 Les ions
Prenons, l'exemple de l'oxygène 816O . Sa structure électronique est K2L6 . Pour ressembler au gaz rare le plus proche, c'estàdire le néon, il doit gagner 2 e− . On obtient l'ion O2− qui est stable.
→ Donner la structure électronique, puis l'ion formé par :
• le chlore
• l'azote
• le magnésium
• Le lithium
• le phosphore
• l'aluminium
• le carbone
• le soufre Quelle(s) remarque(s) peuton faire concernant le carbone ?
2 Les molécules
Une autre manière de faire pour un atome qui souhaite gagner en stabilité, est de partager des électrons pour former des liaisons covalentes.
2.1 Principe
Représentation de Lewis : cette représentation consiste à dessiner l'atome avec 1 « point » par électron sur sa couche externe. Par exemple, pour l'oxygène, qui a 6 électrons en couche externe, on obtient : : Ö: .
→Dessiner la représentation de Lewis pour :
• le chlore
• l'azote
• le magnésium
• Le lithium
• le phosphore
• l'aluminium
• le carbone
• le soufre
Mise en commun d'électrons : les électrons mis en commun vont former une liaison et compter deux fois. Ainsi l'oxygène en s'associant à un autre oxygène va partager 2 de ses électrons et avoir ainsi l'impression de gagner les deux qui lui manque.
:Ö::Ö :⇒:Ö=Ö : Chaque atome a toujours 6 e− mais a l'impression d'en posséder 8.
→ Les traits entre les atomes son des doublets liants. Les autres électrons vont se grouper par deux et former des doublets nonliants. On obtient donc au final / O=O/
2.2 Application
→ Proposer la structure (schéma de Lewis) des molécules suivantes :
• dihydrogène
• fluorure d’hydrogène
• l’eau H2O
• le dioxyde de carbone
• le monoxyde de carbone
• le méthane CH4
• le butane CH3−CH3
Réaliser ces molécules à l'aide des modèles moléculaires.
→
2.3 Utilisation d'un logiciel de modélisation
Nous allons maintenant modéliser ces molécules à l'aide d'un logiciel. Il s'agit de chemsketch dont une version est téléchargeable gratuitement sur Internet à l'adresse : www.acdlabs.com/download/
→ Avant de commencer, consulter le tutoriel disponible à partir de http://cours.physique.free.fr
→ Réaliser un modèle des molécules du 2.2. En dessiner au moins 3 sur votre compterendu.
4.4 Les molécules : écriture, isomérie et géométrie
4.4.1 Comment écrire une molécule
Selon les besoins, les chimistes disposent de plusieurs écritures ou formules pour un corps donné.
– La formule brute : elle indique la nature et le nombre des atomes présents dans le composé.
exemple du butane : C4H10
– La formule développée : elle fait apparaitre tous les atomes et toutes les liaisons du composé.
exemple du butane :
H H H H
| | | |
H − C − C − C − C − H
| | | |
H H H H
– La formule semi-développée : elle fait apparaitre tous les atomes et toutes les liaisons entre atomes à l’exception des liaisons avec les atomes d’hydrogène.
exemple du butane :CH3−CH2−CH2−CH3 Exercice :
Écrire les formules développées et semi développées des composés suivants :C2H6etC2H7N
4.4.2 Notion d’isomérie
Lors de l’exercice précédent, on remarque que la formule bruteC2H7N correspond à plusieurs composés de formule développées différentes. Ce sont des isomères.
Définition :
Des isomères sont des composés de formule brute identique mais de formules développées ou semi-développées différentes.
Remarque :
Des isomères n’ont pas le même nom et possèdent des propriétés physiques et chimiques dif- férentes.
Exemple :
Dans le gaz naturel, composé essentielement de méthane (CH4), on trouve en faible propor- tion deux isomères de formule bruteC4H10 :
CH3 − CH − CH3 CH3 − CH2 − CH2 − CH3
| CH3
2−methylpropane butane
Exercice :
Écrire les isomères des composés suivants : C5H12et C3H9N
4.4.3 La géométrie de quelques molécules
Répulsion des doublets électroniques Principe :
Deux charges électriques de mêmes signes se repoussent. Plus les charges sont proches, plus la répulsion est forte. Dans le modèle de Gillespie1, on oriente les doublets liants et non liants d’une molécule de manière à ce qu’ils soient le plus loin possible les uns des autres. De la sorte on minimise les répulsions électriques entres doublets d’électrons.
En classe de seconde on ne s’intéresse qu’aux molécules simples, i.e. les molécules avec un atome central auquel tous les autres sont liés. De plus, pour les atomes étudiés, il y a 1 ou 4 doublets comme vu précédemment pour les règles du duet et de l’octet.
→ Si il y a un seul doublet, la molécule est linéaire (H2)
→ Si il y a 4 doublets, mais deux liaisons doubles, on obtient également une molécule linéaire (CO2). Idem pour 1 doublet non liant et une liaison triple (N2).
→ Si il y a 4 doublets mais 1 liaison double et deux liaisons simples, on obtient une molécule triangle plan (CH2O)
→ Si il y a 4 doublets autour de l’atome central et pas de liaisons multiples, ils sont disposés aux sommets d’un tétraèdre régulier. Selon qu’il y ait des atomes ou non sur ces doublets on obtient des molécules tétraèdrique (CH4), pyramidale (N H3) ou coudée (H2O).
La représentation de Cram
A ce stade se pose à nous le problème de représenter en 2 dimensions sur la page de notre cahier une molécule en 3 dimensions. On utilise la représentation de Cram2dont les conventions sont les suivantes :
– On ne représente pas les doublets non-liants.
– H−C : les atomes H et C sont dans le plan de la page.
– H IC : C est dans le plan de la page et H est en avant de ce plan.
– H BC : C est dans le plan de la page et H est en arrière de ce plan.
Exercice :
Donner la représentation de Cram des molécules citées précédemment.
1. Ronald J. Gillespie, C. M., (né le 21 août 1924), professeur de chimie à l’Université McMaster au Canada, est spécialiste au domaine de la géométrie moléculaire
2. Donald James Cram (22 avril 1919 – 17 juin 2001) était un chimiste américain co-lauréat du prix Nobel de chimie en 1987 avec Jean-Marie Lehn et Charles J. Pedersen pour la « synthèse de molécules tridimensionnelles qui pouvaient mimer le fonctionnement des molécules naturelles ». Il reçut également le Prix de la National Academy of Sciences en sciences chimiques
Chapitre 5
La classification périodique
5.1 Approche historique [TD]
Mendeleïev est né à Tobolsk, en Sibérie. Il étudia la chimie à l’université de Saint-Pétersbourg et, en 1859, il fut envoyé à l’université de Heidelberg. Là-bas, il rencontra le chimiste italien Stanislao Cannizzaro, dont les idées sur le poids atomique influencèrent sa réflexion. Mendeleïev retourna à Saint-Pétersbourg et enseigna la chimie à l’Institut technique en 1863. Il fut nommé professeur de chimie générale à l’université de Saint-Pétersbourg en 1866. Mendeleïev fut un professeur renommé et, aucun bon manuel de chimie n’étant disponible, il rédigea ses Principes de la chimie en deux volumes (1868-1870). Cet ouvrage est devenu un classique.
En écrivant ce livre, Mendeleïev essaya de classer les éléments selon leurs propriétés chimiques.
En 1869, il publia sa première version de ce qui deviendra le tableau périodique. En 1871, il en publia une version améliorée, laissant des cases vides pour des éléments encore inconnus. Son tableau et ses théories furent d’autant mieux accueillis que l’on découvrit successivement trois éléments dont il avait envisagé l’existence : gallium, germanium et scandium.
Les recherches de Mendeleïev portèrent également sur les solutions, la dilatation thermique des liquides et la nature du pétrole. En 1887, il entreprit un vol en ballon en solitaire pour étudier une éclipse solaire.
En 1890, il se dut quitter son activité universitaire à cause de ses idées politiques progressistes et de son plaidoyer pour les réformes sociales. En 1893, il devint directeur du Bureau des poids et mesures de Saint-Pétersbourg et occupa ce poste jusqu’à sa mort.
33
Travail à réaliser
A l’aide de la biographie ci-contre et de l’extrait du manuscrit original de Mendéleïev (au dos), vous répondrez au questionnaire sur une feuille. Vos réponses devront être justifiées à l’aide d’exemples pris dans les textes.
Questionnaire sur les principes de chimie 1. Quel est l’objectif de Mendeleïev au départ ?
2. Quelle est la découverte qui a permis que l’on prenne ses travaux au sérieux ? 3. Dans son texte, Mendeleïev parle de « groupes d’éléments semblables ».
– Quel est le nom que l’on donne à ces groupes ? – Qu’est-ce qui est semblable ?
4. « L’oxygène, [. . . ] possèdent des analogues. . . »
– Qu’est ce que cela veut dire que l’oxygène possède un analogue ?
– A l’aide de vos connaissances précédentes pouvez vous citer un analogue du brome ? – Les ressemblances entre deux analogues sont-elles parfaites ? Pour quelle(s) raison(s) ? 5. Quelle est la propriété d’un corps que l’on peut mesurer exactement ?
6. Quel va alors être le second critère, qui associé aux analogies, va permettre de classer les éléments les uns par rapport aux autres ?
7. Vous avez déjà vu des éléments ayant des propriétés semblables. A l’aide de vos connais- sances et du « bout » de tableau donné par Mendeleïev, pouvez vous donner les analogues du sodium (Na), et les analogues du strontium (Sr).
8. Le magnésium donne l’ion M g2+. Quel ion va donner le calcium (Ca) ? Justifiez.
9. Trois familles chimiques sont citées : les halogènes, les alcalins et les métaux. Pouvez vous citer les éléments appartenant à ces familles ?
10. Que nomme-t-on la loi périodique ?
11. Dans les conclusions de son article, Mendeleïev fait au moins trois prédictions. Quelles sont-elles ?
12. Pouvez vous proposer un modèle du tableau de Mendeleïev, sous forme de schéma, qui obéirait à la loi périodique.
5.2 Approche expérimentale [TP]
Nous allons nous réaliser quelques expériences, telles que les chimistes pouvaient en réaliser auXIXeme` siècle, pour essayer de comprendre quels étaient les éléments de compréhension qu’ils avaient à leur disposition.
Cette étude va porter sur les éléments chlore, iode et brome.
5.2.1 Les corps simples : dichlore, dibrome, diiode.
Le chlore, l’iode et le brome existent dans le nature sous forme de molécules et d’ions mais pas sous forme d’atomes isolés.
