Chimie 3e - Sciences de base - Manuel - Chapitre 3 by VAN IN

Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert

MANUEL

Sciences de base

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Auteurs : Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert Couverture : Primo&Primo Mise en pages : Nord Compo Dessins : Freddy Goossens Crédits photographiques : © Bridgeman Art Library (p. 15 d et 84) ; © akg-images/ullstein bild (p. 29 g) ; © KEYSTONE-FRANCE (p. 35 et 36) ; © AMERICAN INST.PHYSIC/SPL/COSMOS (p. 35) ; Parent Géry/Wikipédia (p. 48 haut) ; © Hulton-Deutsch Collection/CORBIS (p. 57 bas g) ; © Roger Ressmeyer/CORBIS (p. 57 bas d) ; © Federico Gambarini/dpa/Corbis (p. 73 m d) ; gettyimages/Wavebreakmedia Ltd (p. 76) ; gettyimages/ Andy Nowack (p. 78) ; S.P.L./COSMOS (p. 79 g) ; © Collection Dagli Orti/Musée des Beaux Arts Grenoble/Gianni Dagli Orti (p. 88) ; N. Matthys et al., Sciences 3e, De Boeck, 2011, p. 141 (p. 95 bas) ; Toyah/Wikipédia (p. 109 bas) ; http://gwenaelm.free.fr (p. 118) ; © INRS (p. 126) ; © VWR International (p. 142-144) ; © Fotolia : Tomo Jesenicnik (p. VI g), Philippe Devanne (p. VI m), Régis Verger (p. VI d), Eric Cabasse (p. VII g), Sly (p. VII m), Boojoo (p. VII d), Shawn Hempel (p. VIII), marcel (p. 2), Radu-Ion Huculeci (p. 3 g), Oliver Hirte (p. 3 m), Daphné Bourgoing (p. 3 d), Cyril Comtat (p. 7 ht g), Sergiy Serdyuk (p. 7 ht m), Florian Villesèche (p. 7 ht d), Visions-AD (p. 7 bas d), OutdoorPhoto (p. 9), samiramay (p. 10), Toufik Amine TALEB (p. 11 g), tethysimagingllc (p. 16 clous), pioneer (p. 16 aluminium), Adam (p. 16 alliances), fotoknips (p. 16 arrosoir), Silvano Rebai (p. 16 fils), Frog 974 (p. 16 crayons), fox17 (p. 18), Orlando Florin Rosu (p. 19 g), iWorkAlone (p. 19 m), bradcalkins (p. 19 d), Velirina (p. 23 g ht), photogl (p. 27 ht), Szasz-Fabian Erika (p. 27 m d), matteo (p. 27 bas), Mopic (p. 28), Tatiana (p. 29 m), Mopic (p. 29 d), Cédric BASSET (p. 40), Pawel Szczesny (p. 41 m), Dana S. Rothstein (p. 43 g), Demarco (p. 43 d), PixelPower (p. 51 m), Minerva Studio (p. 52), Celso Pupo (p. 53 m), TheJuice (p. 53 d), Araparapup (p. 57 ht d), salita2010 (p. 59), Gennady Poddubny (p. 64 ht), Surflifes (p. 64 bas), Philippe Devanne (p. 65 ht), äquipotentiallinie (p. 65 bas), Marc Roche (p. 67 m), pedrosala (p. 67 d), Bananafish (p. 73 ht d), Marcin Sadlowski (p. 73 m g), Thierry RYO (p. 74 ht), Freesurf (p. 74 bas), Ljupco Smokovski (p. 79 d), Nenov Brothers (p. 91 d), silver-john (p. 95 ht), Dmitry Vereshchagin (p. 99), TwinEA (p. 100), graphlight (p. 101 g), efired (p. 109 ht), helenedevun (p. 110), Coprid (p. 111 d), Dominique LUZY (p. 116 ht), Anne fotolia (p. 116 bas), Cyril Comtat (p. 132).

L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur. Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent. La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages. En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes. Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due. C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi. © Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2021, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur. 1re édition, 2021 ISBN 978-2-8041-9829-9 D/2021/0078/162 Art. 597857/01

Ce manuel de chimie s’adresse aux élèves de troisième année qui suivent le cours de sciences à 3 périodes par semaine (Sciences de base). Il s’inscrit dans le cadre du dernier référentiel élaboré par des représentants des différents réseaux d’enseignement de la Fédération Wallonie-Bruxelles. Ce manuel est organisé en deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA) UAA 1 Constitution et classification de la matière UAA 2 La réaction chimique : approche qualitative Chaque UAA présente plusieurs compétences à développer. Ces développements sont répartis selon trois catégories : – expliciter des connaissances (C) : acquérir et structurer des ressources ; – appliquer (A) : exercer et maîtriser des savoir-faire ; – transférer (T) : développer des compétences. Dans de nombreux chapitres de ce manuel, l’expérimentation, fondamentale en sciences, est privilégiée. Elle est signalée par le logo . Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes de 2 ou 3 ; – soit par le professeur qui veillera à la participation active de ses élèves. Quant aux développements attendus (processus), ils intègrent les ressources (savoirs et savoir-faire) qui y trouvent leur sens. Tout au long des chapitres, des encarts marqués par le logo proposent des ouvertures sur des applications relatives au sujet traité : elles sont ancrées le plus souvent dans l’actualité. Les pages « Pour en savoir plus… » en fin de chapitres poursuivent le même objectif. L’apprentissage à travers ce manuel permettra aux jeunes de décoder des situations auxquelles ils sont confrontés et d’y faire face. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyennes et de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable. Tout en restant fidèles à la démarche pédagogique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition encore plus attractive que les précédentes : présentation revue et actualisée tant sur le fond que sur la forme, réponses à des exercices, nombreuses photos et illustrations… Ce manuel devrait, dès lors, répondre à l’intérêt des élèves pour lesquels il est conçu ainsi qu’aux attentes de nombreux collègues. Nous remercions chaleureusement nos familles pour leur soutien et les éditions De Boeck pour leur professionnalisme. Enfin, nous remercions d’avance celles et ceux qui, par leurs avis et suggestions, voudront bien nous aider à améliorer notre travail. Les auteurs

Ce manuel comporte 2 unités d’acquis d’apprentissage (UAA). Chaque UAA est découpée en chapitres (voir table des matières en fin de manuel) présentant chacun la même structure.

Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir une molécule ; distinguer les corps purs des mélanges.

SAVOIR-FAIRE expliquer, avec le modèle moléculaire, pourquoi la couleur de la solution de bleu de méthylène diminue d’intensité à chacune des dilutions successives ; représenter par un dessin, avec une légende, un modèle :

En début de chapitre, une liste de savoirs, de savoir-faire et de processus (développements attendus) aide les élèves dans leur apprentissage.

➜ d’un grain de bleu de méthylène ou de tout corps solide pur, ➜ d’un certain volume d’eau ou de tout corps liquide pur, ➜ d’une solution aqueuse de bleu de méthylène ou de toute autre solution ; représenter par un dessin, avec une légende, un modèle : ➜ de l’ébullition de l’eau ou de tout autre liquide pur, ➜ d’une des étapes des dilutions successives du bleu de méthylène ou de tout autre corps soluble dans l’eau.

PROCESSUS modéliser un objet ou un matériau comme un ensemble de molécules (lien macroscopique-microscopique) (C1).

Avec le modèle moléculaire, nous pouvons rendre compte de la constitution de la matière et modéliser quelques phénomènes tels que la dilution et l’ébullition. Lors des dilutions réalisées au chapitre précédent, les molécules bleu de méthylène, de moins en moins nombreuses d’étape en étape, se mélangent aux molécules eau pour former chaque fois un liquide homogène de plus en plus clair. Lors de l’ébullition, les molécules eau, sous l’effet de la chaleur, sont fortement agitées et les molécules de surface finissent par s’échapper, formant ainsi la vapeur d’eau. Mais le modèle moléculaire ne suffit pas pour décrire d’autres phénomènes comme, par exemple, l’électrolyse.

Une électrolyse est la décomposition d’un corps pur par le passage d’un courant électrique.

Confronter le modèle moléculaire à l’électrolyse du chlorure de cuivre. Pour ce faire : • remplir un berlin avec une solution diluée de chlorure de cuivre ; • plonger deux électrodes en graphite dans la solution ; • raccorder les électrodes aux bornes d’un générateur de courant continu (tension d’environ 12 V) ; • établir le courant et observer les phénomènes qui se passent au niveau de chacune des électrodes ; • noter les observations ; • confronter ces observations au modèle moléculaire, sachant que l’on disposait, au départ, de molécules chlorure de cuivre et de molécules eau ; • répondre aux questions suivantes : – quel corps pur peut être à l’origine du dépôt rougeâtre sur une des électrodes ? – quel corps pur peut être à l’origine de l’odeur particulière autour de l’autre électrode ?

2 • Modèle atomique de la matière

UAA1 Constitution et classification de la matière

Porteuse de sens, la mise en situation contient un questionnement, dont la réponse est, généralement, amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte. Les activités expérimentales sont toujours signalées par le logo . Parfois, le professeur réalise lui-même les expériences ; souvent, des laboratoires sont proposés aux élèves. L’expérience réalisée par le professeur débute toujours par les termes « Pour ce faire ». Pour les laboratoires, les élèves sont invités à rassembler le matériel et les corps chimiques indiqués avant de réaliser les expériences eux-mêmes. C’est, notamment, à travers la réalisation de ces laboratoires que les élèves acquièrent une démarche scientifique expérimentale. Chaque séance de laboratoire donne lieu à la rédaction d’un rapport de laboratoire dont un canevas est proposé en annexe du manuel. Enfin, lorsque la mise en situation propose l’analyse qui apparaît. d’un texte, c’est le logo

La molécule

Des QR Codes permettent, grâce à l’application Sésame, de visionner des vidéos de contenu pour un apprentissage complet !

Avec ces modèles, nous représentons ci-après une dilution.

Au cours des dilutions successives effectuées lors de l’expérience précédente, le nombre de molécules bleu de méthylène présentes au départ est divisé par 10 à chacune des étapes.

÷ 10

Pour bien comprendre ce qui se passe, schématisons l’expérience en supposant qu’il y a, au départ, 10 000 molécules de colorant. ÷ 10

÷ 10

III

1 000 10 000 100 molécules molécules molécules

÷ 10

10 molécules

1 molécule

Les corps purs et les mélanges

Dans le tube V, il reste une seule molécule ; on a donc atteint la limite de la division du colorant.

Le modèle moléculaire de la matière va aussi nous permettre de classer les corps constituant cette matière.

Si l’on dilue une fois encore, l’unique molécule sera passée dans le tube VI ou sera restée dans le tube V !

Dans un premier temps, distinguons les mélanges des corps purs.

Ce raisonnement nous amène à définir « molécule ».

Ainsi, – l’air est constitué de molécules azote, de molécules oxygène… ; – l’encre est constituée de molécules de colorants et de molécules eau ; – le beurre est constitué de molécules de différents lipides, de molécules eau, de molécules de sel de cuisine… Les corps purs sont constitués d’un seul type de molécules. Ainsi, – l’oxygène est constitué uniquement de molécules oxygène ; – l’eau est constituée uniquement de molécules eau ; – le glucose est constitué uniquement de molécules glucose. Au cours des chapitres suivants, un organigramme sera développé pour décrire la constitution de la matière.

« molecula », « petite masse ») est le corpuscule obtenu à la limite du partage d’un corps.

Une molécule est un corpuscule vraiment minuscule : ainsi la taille d’une molécule eau est de l’ordre de 10– 10 m. Pour te faire une idée de ce que représente cet ordre de grandeur, réfléchis que, pour y arriver, tu dois diviser un millimètre en mille, et le millième de millimètre obtenu encore par dix mille. Alors que la matière que tu manipules appartient au monde macroscopique, les molécules appartiennent, quant à elles, au monde microscopique. Afin de se représenter des corps ou des phénomènes, les chimistes vont parfois utiliser des figures géométriques (cercles, carrés, losanges…) pour modéliser les molécules, puisqu’elles ne sont pas visibles à l’œil nu.

En voici le début montrant la distinction entre les mélanges et les corps purs : Corps constitutifs de la matière

Ainsi, modélisons une molécule bleu de méthylène par un triangle bleu et une molécule eau par un point gris.

Mélanges

En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation, du laboratoire ou de la recherche documentaire, les élèves découvrent de nouvelles notions dont la définition est . signalée par le logo Définies, structurées, développées, ces notions débou chent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.

Les mélanges sont constitués de plusieurs types de molécules.

Une molécule (du latin moderne

Corps purs

UAA1 Constitution et classification de la matière

1 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) Fe2O3

b) H2O

c) NaCl

d) P2O5

e) NO2

f) MgI2

2 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) H2(SO4)

b) Al2(CO3)3

c) Cu(NO3)2

d) Ba3(PO4)2

3 Écris la formule moléculaire d’un corps binaire dont chaque molécule est constituée de :

Les exercices et les problèmes, nombreux et diversifiés, permettent aux élèves tant de consolider les ressources (savoirs et savoir-faire) que de mobiliser les développements attendus (processus).

a) 1 atome Na et 1 atome Cl ; b) 2 atomes K et 1 atome O ;

c) 2 atomes N et 3 atomes O ; d) 1 atome H et 1 atome Br.

4 Écris la formule moléculaire d’un corps ternaire dont chaque molécule est constituée de :

a) 1 atome Ca et 1 groupement (CO3) ; b) 1 atome Mg et 2 groupements (OH) ;

c) 1 atome Al et 1 groupement (PO4) ; d) 1 atome Ba et 2 groupements (NO3).

5 En t’aidant de la légende suivante : atome azote

atome carbone

atome chlore

atome hydrogène

atome oxygène

atome soufre

a) écris la formule moléculaire de chacun des corps purs dont une molécule est représentée ci-dessous ; Modèles des molécules

Formules moléculaires

b) classe les cinq corps purs du tableau ci-dessus en corps purs simples et corps purs composés. Justifie ton classement.

Du bleu de méthylène dans l’aquarium !

3 • Composition des molécules

Chaque chapitre se termine par un document qui étoffe le sujet traité. Ce document culturel est lié à l’actualité et aux domaines scientifique, historique, technologique, éthique, socio-économique.

Entré dans une officine, Henri s’adresse à la pharmacienne et lui demande du bleu de méthylène. Celle-ci l’interroge. « C’est pour une expérience ? – Oh non, répond Henri, c’est pour mes poissons. – Ah, dit alors la pharmacienne en souriant. » Au bout d’un instant, elle revient au comptoir avec un petit flacon de poudre bleue. Si le bleu de méthylène est employé pour colorer des échantillons de tissus végétaux et animaux en microscopie optique, il est aussi utilisé dans quelques applications médicales notamment comme désinfectant. Comme le laisse supposer l’anecdote rapportée ci-dessus, il est également employé en aquariophilie pour traiter la « maladie des points blancs », l’ichtyophiriose. Grâce à ses propriétés fongicide et bactéricide, le bleu de méthylène peut agir préventivement, comme il peut aussi empêcher la maladie de se propager sur des poissons déjà parasités par les champignons. Il est préférable, dans ce cas, d’utiliser une solution diluée de bleu de méthylène, afin que les poissons ne risquent pas d’avaler trop de produit d’un seul coup, ce qui serait le cas avec la poudre. Lors de ce traitement, il faut absolument couper le système de filtration de l’aquarium pour éviter que le bleu de méthylène ne soit absorbé par le charbon de bois actif constituant une partie du filtre. Pour les aquariophiles, sont apparus sur le marché des produits plus élaborés contenant ce colorant, mais en dose moins importante. Il ne faut pas oublier en effet que, si le coût peu élevé du bleu de méthylène reste un avantage, sa toxicité est établie quand il n’est pas utilisé avec modération.

1 • Modèle moléculaire de la matière

1. Télécharge l’application « Sésame » des Éditions Van In.

2. Scanne le QR code sur la page : tu auras directement accès à la vidéo ! VII

Tu vas aborder le cours de chimie. Curieux, tu te poses probablement la question : « Qu’est-ce que la chimie ? » Certains parleraient sans doute des usines flanquées de leurs grandes cheminées d’où s’échappent d’inquiétantes fumées. D’autres penseraient plutôt aux nouveaux médicaments, au plastique sous toutes ses formes ou encore aux parfums et cosmétiques. Les uns associeraient peut-être la chimie à son caractère magique en s’imaginant les alchimistes du Moyen Âge dans leurs laboratoires encombrés de fioles et de cornues où bouillonnaient des liquides rouges et verts. Les autres encore citeraient le nom de ces produits dangereux que l’on range soigneusement à l’abri des enfants (l’esprit de sel, l’eau de Javel, l’alcool à brûler…). La chimie, c’est sans doute un peu tout cela. La chimie fait partie de ta vie : de la minute où tu te lèves jusqu’au moment où tu t’endors, tu es entouré de chimie. Elle est partout.

Dans la vie quotidienne

Dans la salle de bain, tu commences par étaler sur ta brosse à dents en plastique du dentifrice fluoré. Pour ta douche, alimentée en eau de distribution offrant grâce au chlore toutes les garanties d’hygiène, choisiras-tu le savon hydratant au pH neutre ou le gel au pamplemousse sans oublier le shampoing antipelliculaire ? Tu enfiles ensuite ton jean préféré bleu indigo et un tee-shirt en coton avant d’aller déjeuner. Rien de meilleur qu’un bol de lait enrichi en calcium, des céréales aux multi-vitamines ou un yaourt dans son pot en polystyrène (PS). Tu sors alors de son film en polypropylène (PP) le fromage dont tu garnis ton sandwich pour midi, que tu emballes dans une boîte à tartines en polyéthylène (PE). Après avoir enfilé ton polar en PET, tu te mets en route pour l’école. Là encore, le stylo avec lequel tu écris, les chemises en plastique (PE) de ton classeur, l’ordinateur avec ses puces à base de silicium et même la peinture qui recouvre les murs de ta classe sont des produits de l’industrie chimique. Rentré à la maison, tu as peut-être mal à la tête après une grosse journée de cours. Tu prends alors une aspirine pour retrouver la forme avant tes devoirs. Et c’est encore la chimie qui te fournit le matelas confortable en mousse synthétique sur lequel tu t’endors pour une bonne nuit.

Dans la nature

La chimie est présente lors de la photosynthèse réalisée par les plantes vertes, lors de la fabrication de la vitamine C par l’orange…

Dans le corps humain

Quand tu inspires, tes poumons se remplissent d’air et en extraient l’oxygène nécessaire à la vie. Quand tu manges, la nourriture se transforme, notamment grâce à l’acide chlorhydrique présent dans l’estomac, en substances qui te permettent de grandir et de te maintenir en forme. Après une longue course, c’est l’accumulation d’acide lactique dans les tissus musculaires qui est la cause de crampes dans les jambes.

VIII

La chimie a une longue histoire et se perd dans la nuit des temps. Elle était présente à toutes les époques et dans toutes les communautés humaines. Même les peuplades les plus primitives mélangeaient et cuisaient des substances pour manger, se soigner, vivre tout simplement. Et si l’industrie chimique, telle que nous la connaissons aujourd’hui, est récente, il faut savoir que, depuis des milliers d’années, les humains transforment à leur avantage les produits proposés par la nature : • les Sumériens produisaient des alcools à partir de fruits ; • les hommes de l’Âge du Bronze pratiquaient une métallurgie rudimentaire ; • les alchimistes du Moyen Âge essayaient de transformer les métaux en or ; • les drapiers et les peintres, depuis les temps anciens, se servent des couleurs extraites de minéraux, de plantes ou d’animaux ; • les Gaulois préparaient et utilisaient du savon dont l’invention est attribuée aux Syriens mille ans plus tôt ; • les Égyptiens, les Grecs et les Romains de l’Antiquité utilisaient le vinaigre comme condiment et l’ajoutaient à l’eau pour en faire une boisson rafraîchissante ; les Chinois, quant à eux, l’avaient déjà produit il y a plus de 4 000 ans. Aujourd’hui, la chimie touche de nombreux domaines : l’agriculture et la géologie, la biologie et la médecine, la métallurgie et l’électronique… Elle permet de créer de nouveaux médicaments, de fabriquer de nouveaux matériaux pour la construction ou l’habillement, d’inventer de nouvelles façons de protéger nos sources de nourriture. En bref, la chimie est la science qui étudie les propriétés de la matière ainsi que ses transformations. Mais, comme toute médaille a son revers, il en va de même pour la chimie. La pollution est souvent liée à la chimie : marées noires, empoisonnement de lacs et de rivières, fuites de produits toxiques, rejets de déchets qui font la une des médias. Des erreurs sont commises par négligence parfois ou simplement par la non-connaissance de faits qui ne sont découverts que longtemps après. Consciente de ces problèmes et alertée par l’opinion publique, l’industrie chimique s’est formellement engagée à mettre tout en œuvre pour apporter des améliorations durables et mesurables dans divers domaines : santé, sécurité, protection de l’environnement… Depuis le 1er juin 2007, une directive européenne (REACH) réglemente l’enregistrement, l’évaluation et l’autorisation ou les restrictions des substances chimiques. Les principaux objectifs de REACH sont de mieux protéger la santé humaine et l’environnement contre les risques d’utilisation que peuvent poser les produits chimiques. Cette directive fait porter à l’industrie la responsabilité d’évaluer et de gérer ces risques, mais aussi de donner aux utilisateurs toutes les informations indispensables en matière de sécurité. Et c’est à nous, citoyennes et citoyens, de maintenir la pression et d’exiger que l’industrie chimique continue d’exercer la plus grande vigilance afin d’éviter les nuissances préjudiciables à notre planète et aux êtres qui y vivent.

Constitution et classification de la matière

UAA1

Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras les compétences suivantes : • décrire et modéliser les différents niveaux d’organisation de la matière ; • analyser le tableau périodique pour en extraire des informations pertinentes ;

Chapitre 1 Modèle moléculaire de la matière. . . . . 3

Chapitre 5 Tableau périodique des éléments.. . . 43

Chapitre 2 Modèle atomique de la matière. . . . . 11 Chapitre 3 Composition des molécules. . . . . . . . . 19

Chapitre 6 Des ions monoatomiques à l’électronégativité des métaux et des non-métaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Chapitre 4 Évolution du modèle atomique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Chapitre 7 Concentration massique d’une solution.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Composition des molécules Les molécules sont constituées d’atomes. À ces molécules correspondent des formules moléculaires. De la lecture de ces formules moléculaires, le chimiste peut tirer différentes informations.

Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir ➜ molécule, ➜ formule moléculaire, ➜ indice, ➜ corps pur simple, ➜ corps pur composé, ➜ corps binaire, ➜ corps ternaire.

SAVOIR-FAIRE différencier un corps binaire d’un corps ternaire ; donner la composition d’une molécule à partir de sa formule moléculaire ; donner une formule moléculaire à partir du nombre d’atomes ou de groupements qui la composent ; donner les formules moléculaires à partir de modèles de molécules.

PROCESSUS modéliser un objet ou un matériau comme un ensemble de molécules ou d’atomes (lien macroscopique-microscopique) (C1) ; décrire des corps purs simples et des corps purs composés et fournir des exemples d’utilisation de ceux-ci dans la vie courante (C2) ; expliciter la composition d’une molécule (C3).

UAA1 Constitution et classification de la matière

Dans le chapitre 2, tu as découvert que les molécules sont composées d’atomes et nous pouvons dès lors donner une nouvelle définition d’une molécule. Une molécule est une association d’atomes. Tu as aussi appris la manière de symboliser les différents atomes. Puisque les molécules sont composées d’atomes, il est logique de représenter une molécule par l’association des symboles des atomes qui la constituent. Le déchiffrage de quelques étiquettes va te permettre de détailler ces associations.

Observer le symbolisme chimique sur des étiquettes de produits Voici une série de notations chimiques que l’on peut lire sur des récipients de produits se trouvant dans les armoires d’un laboratoire de chimie.

Al2O3

HNO3

NaCl

CuCl2 CaO

H2O KBr H2SO4

NaOH

En observant ces notations, tu peux te poser des questions. • Combien de symboles composent chacune de ces notations ? • Que signifie le chiffre parfois écrit à droite au bas d’un symbole ? Nous allons, dans ce chapitre, expliquer la signification de ces notations identifiant les molécules.

3 • Composition des molécules

Les notations chimiques qui rendent compte de la composition des molécules sont appelées formules moléculaires.

Corps purs simples et corps purs composés

Le chiffre écrit parfois à droite au bas d’un symbole s’appelle indice. Il précise le nombre d’atomes de ce type présents dans la molécule.

Le modèle moléculaire et le modèle atomique permettent de faire une nouvelle distinction entre les corps constituant la matière.

Ainsi, dans une molécule H2O, il y a 2 atomes H et 1 atome O.

Après avoir appris à définir les corps purs au chapitre 2, apprenons à distinguer les corps purs simples des corps purs composés.

Comme tu le vois, l’indice 1 ne s’écrit pas. Une formule moléculaire est la juxtaposition des symboles, avec indice, des atomes constituant une molécule. Un indice est un chiffre situé à droite et au bas d’un symbole atomique figurant dans une formule moléculaire : il indique le nombre d’atomes de ce type présents dans la molécule. Les formules moléculaires sont utilisées constamment par les chimistes aussi bien dans leur langage oral qu’écrit. Il faut cependant distinguer deux niveaux dans leur emploi. Pour le comprendre, reprenons la formule moléculaire H2O. •  Au niveau microscopique, la formule moléculaire H2O représente une molécule du corps pur eau, que nous appelons « molécule H2O ». • Au niveau macroscopique, l’écriture H2O représente aussi le corps pur eau constitué d’un ensemble de molécules identiques. Il est, en effet, plus pratique de désigner un corps par sa formule moléculaire que par son nom. C’est la raison pour laquelle les chimistes se servent habituellement des formules moléculaires pour étiqueter leurs récipients.

UAA1 Constitution et classification de la matière

Un corps pur simple est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes identiques. Ainsi, dans le gaz oxygène, chacune des molécules est constituée uniquement d’atomes O. Pour certains gaz, les atomes se regroupent par deux, formant des molécules diatomiques. Ainsi, – le gaz oxygène est constitué de molécules O2 : il s’appelle pour cette raison dioxygène ; – le gaz hydrogène est constitué de molécules H2 : il s’appelle pour cette raison dihydrogène. Cette façon de nommer des corps purs simples gazeux s’applique aussi au diazote, au dichlore, au dibrome, au diiode, etc. Un corps pur composé est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes différents. Ainsi, dans le chlorure d’hydrogène, chacune de ses molécules est constituée d’atomes H et d’atomes Cl. Voici quelques exemples d’utilisation dans la vie courante : • de corps purs simples : – l’argent Ag  : miroirs, couverts, bijoux, monnaie ; – le plomb Pb : protection anti-radiations, batteries, soudure ; – le zinc Zn : piles, corniches et gouttières ;

– le dichlore Cl2 : désinfection de l’eau, agent de blanchiment ; – le diiode I2 : désinfectant ; – le silicium Si : cellules solaires, montres à quartz, puces électroniques, batteries ; • de corps purs composés : – l’acide chlorhydrique HCl : décapage de métaux, détartrage de carrelages ; – l’hydroxyde de sodium NaOH : fabrication de papiers et de savons, débouchage de canalisations ;

– l’oxyde d’aluminium Al2O3 : abrasif (papier émeri) ; – le dioxyde de carbone CO2 : acidifiant dans les boissons gazeuses, extincteurs ;

Corps binaires et corps ternaires Comparons maintenant les formules moléculaires de deux corps purs composés afin de les différencier : CuCl2 et Na2SO4.

Remarquons que : – la formule moléculaire d’un des deux corps (CuCl2) comprend 2 sortes d’atomes (Cu et Cl) ; – la formule moléculaire de l’autre corps (Na2SO4) comprend 3 sortes d’atomes (Na, S et O). Cette même distinction existe pour la plupart des corps chimiques.

– le chlorure de calcium CaCl2 : épandage sur les routes par temps de verglas, préparation du béton ; – le fluorure de sodium NaF : prévention des caries dentaires ; – le nitrate de potassium KNO3 : préparation d’engrais ; – le phosphate de sodium Na3PO4 : additif alimentaire, adoucissement de l’eau. L’organigramme commencé au chapitre 1 peut maintenant être complété. Corps constitutifs de la matière

Mélanges

Corps purs

Corps purs simples

Corps purs composés

Ainsi, – KBr, CO2, Al2S3… sont composés de 2 sortes d’atomes ; – NaOH, H2SO4, C6H12O6… sont composés de 3 sortes d’atomes. Retenons que : Un corps binaire est un corps composé dont chaque molécule est constituée de deux sortes d’atomes. Un corps ternaire est un corps composé dont chaque molécule est constituée de trois sortes d’atomes.

Groupements particuliers d’atomes Analysons plus attentivement les formules de quelques molécules ternaires : Ca(OH)2, HNO3, Al2(SO4)3, Mg(NO3)2, NaOH, H2SO4.

3 • Composition des molécules

Remarquons qu’elles peuvent être classées d’après le groupement particulier d’atomes commun à certaines d’entre elles : Ca(OH)2 et NaOH comprennent le groupement (OH), HNO3 et Mg(NO3)2 comprennent le groupement (NO3), Al2(SO4)3 et H2SO4 comprennent le groupement (SO4). Tu trouves, dans le tableau ci-après, quelques groupements particuliers : (OH)

(NO3)

(CO3)

(SO4)

(PO4)

Ces groupements sont aisément repérables quand ils sont entre parenthèses. Les chimistes omettent traditionnellement les parenthèses quand il n’y a qu’un seul groupement dans la molécule. Nous prendrons cependant l’habitude cette année (en 3e) de les mettre aussi dans ce cas. En effet, – le groupement (OH) est plus repérable dans Na(OH) que dans NaOH ; – le groupement (CO3) est plus repérable dans H2(CO3) que dans H2CO3. Cette façon de faire aura l’avantage de t’habituer à visualiser les groupements généralement indissociables.

Dénombrement des atomes présents dans une molécule Dans un des chapitres suivants, tu vas apprendre à écrire des équations chimiques.

UAA1 Constitution et classification de la matière

Pour ce faire, il est indispensable de bien compter le nombre d’atomes présents dans les molécules. Après quelques exercices, ce dénombrement te deviendra vite familier. Comptons le nombre d’atomes de chaque sorte présents dans quelques molécules binaires et ternaires. Dans la molécule CO2, il y a 1 atome C ; 2 atomes O. Dans la molécule N2O3, il y a 2 atomes N ; 3 atomes O. Dans la molécule H(NO3), il y a 1 atome H ; 1 groupement (NO3) comprenant 1 atome N ; 3 atomes O. Dans la molécule Al2(SO4)3, il y a 2 atomes Al ; 3 groupements (SO4) comprenant chacun 1 atome S et 4 atomes O ; donc, au total, il y a 2 atomes Al ; 3 atomes S ; 12 atomes O. Dans ce dernier exemple, le groupement(SO4)estaffectédel’indice3.Cetindice multiplielenombredetouslesatomescomposant le groupement. Al2(SO4)3

1 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) Fe2O3

b) H2O

c) NaCl

d) P2O5

e) NO2

f) MgI2

2 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) H2(SO4)

b) Al2(CO3)3

c) Cu(NO3)2

d) Ba3(PO4)2

3 Écris la formule moléculaire d’un corps binaire dont chaque molécule est constituée de :

a) 1 atome Na et 1 atome Cl ; b) 2 atomes K et 1 atome O ;

c) 2 atomes N et 3 atomes O ; d) 1 atome H et 1 atome Br.

4 Écris la formule moléculaire d’un corps ternaire dont chaque molécule est constituée de :

a) 1 atome Ca et 1 groupement (CO3) ; b) 1 atome Mg et 2 groupements (OH) ;

c) 1 atome Al et 1 groupement (PO4) ; d) 1 atome Ba et 2 groupements (NO3).

5 En t’aidant de la légende suivante : atome azote

atome carbone

atome chlore

atome hydrogène

atome oxygène

atome soufre

a) écris la formule moléculaire de chacun des corps purs dont une molécule est représentée ci-dessous  ; Modèles des molécules

Formules moléculaires

b) classe les cinq corps purs du tableau ci-dessus en corps purs simples et corps purs composés. Justifie ton classement. 3 • Composition des molécules

6 Complète le tableau en utilisant la légende suivante : atome aluminium

atome azote

Modèle d’une molécule d’un corps pur

atome sodium

Formule moléculaire

UAA1 Constitution et classification de la matière

atome carbone

atome chlore

Nombre d’atomes de chaque sorte

atome hydrogène

Nombre de sortes d’atomes

atome oxygène

Sorte de corps pur (simple ou composé)

Des molécules ordinaires… pas toujours Depuis que tu sais que toute matière est faite de molécules, as-tu perçu que tout ce que tu vois, que tout ce que tu touches est fait de molécules ? Ainsi, en lisant ce livre, tu regardes des molécules sans les voir. Des molécules, tu en avales lorsque tu bois, lorsque tu manges. Tu inspires et tu expires des molécules. Tu es habillé de molécules. Tu es fait de molécules. Nous avons épinglé pour toi des corps contenant des molécules un peu « spéciales ». •   La molécule qui sent la poire : C7H14O2 (acétate d’isoamyle). •   La molécule qui sent l’œuf pourri : H2S (sulfure d’hydrogène). •   La molécule qui sent le plus mauvais : C2H6S (éthylmercaptan). •   La molécule qui calme la douleur : C9H8O3 (acide acétyl

salicylique ou aspirine).

• La molécule qui enivre : C2H6O (alcool éthylique ou éthanol). •   La molécule qui pique : CH2O2 (acide méthanoïque ou acide

formique).

•   La molécule qui fait digérer : NaHCO3 (hydrogénocarbonate

de sodium ou bicarbonate de soude).

•   La molécule qui explose : C7H5N3O6 (trinitrotoluène ou TNT). •   La molécule qui provoque des crampes : C3H6O3 (acide

lactique).

•   La molécule qui fait rire : N2O (hémioxyde d’azote). •   La molécule qui endort : CHCl3 (trichlorométhane ou chloro

forme).

3 • Composition des molécules

Avant-propos �� V Comment utiliser ce manuel ? �� VI Qu’est-ce que la chimie ? ��VIII

UAA1 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5 Chapitre 6 Chapitre 7

Modèle moléculaire de la matière ��3 Pour en savoir plus… Du bleu de méthylène dans l’aquarium ! ��9 Modèle atomique de la matière ��11 Pour en savoir plus… Origine du nom des atomes ��17 Composition des molécules ��19 Pour en savoir plus… Des molécules ordinaires… pas toujours ��27 Évolution du modèle atomique ��29 Pour en savoir plus… Découvrons le « nanomonde » ��40 Tableau périodique des éléments ��43 Pour en savoir plus… À la recherche de la loi périodique ��50 Des ions monoatomiques à l'électronégativité des métaux et non-métaux ��53 Pour en savoir plus… Les alliages, de géniaux mélanges ��64 Concentration massique d’une solution ��67 Pour en savoir plus… À propos du sel… ��74

UAA2 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5

Dissolution, transformation chimique et loi de la conservation de la masse ��79 Pour en savoir plus… Propos sur Lavoisier ��88 Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification ��91 Pour en savoir plus… Une réaction chimique qui sauve des vies… ��99 Établissement des formules moléculaires �� 101 Pour en savoir plus… Il y a eau et « eau » ! �� 109 Classification et obtention des corps minéraux �� 111 Pour en savoir plus… Un déboucheur acide ou un déboucheur basique ? �� 125 Le bon emploi des substances chimiques au laboratoire et au quotidien �� 127 Pour en savoir plus… Signification de quelques pictogrammes commerciaux �� 135

En guise de conclusion �� 137 Annexe �� 139 Annexe 1 Tables de données �� 140 Annexe 2 Matériel de laboratoire �� 142 Annexe 3 Techniques de laboratoire �� 145 Annexe 4 Canevas de rapport de laboratoire �� 149 Annexe 5 Codes et mentions de danger et de prudence �� 150 Annexe 6 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel �� 154 Index �� 155

Table des matières

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