Chimie 3e - Sciences générales - Manuel - Chapitre 3

Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert

MANUEL

Sciences générales

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Tu présentes des difficultés d'apprentissage et tu dois utiliser une version numérique adaptée de ce manuel scolaire ? Contacte NUMABIB à l’adresse suivante : https://www.numabib.be/contact Auteurs : Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert Couverture : Primo&Primo Mise en pages : Nord Compo Dessins : Freddy Goossens Crédits photographiques : https://physiquechimiestbruno.files.wordpress.com (p. 11) ; © Bridgeman Art Library (p. 21 et 132) ; W. Oelen/Wikimedia (p. 32 ht) ; © akg-images/ullstein bild (p. 35 g) ; © KEYSTONE-FRANCE (p. 41 ht et 44) ; © AMERICAN INST.PHYSIC/SPL/COSMOS (p. 41 bas) ; www.plantsciences.ucdavis.edu (p. 52) ; © Collection BASILE/DR/Opale (p. 53 g) ; © Jacques Boyer/Roger-Viollet ; http://img.alibaba.com (p. 66 m) ; www.globalimportexport.ca (p. 68 ht d), Warut Roonguthai/ Wikimedia (p. 68 bas g) ; www.sebastien-lefevre.com (p. 69 g) ; © S.S.P.L./COSMOS (p. 77) ; Dnn87/Wikimedia (p. 80) ; Wikimedia (p. 81 aluminium) ; http:// elements.dp.ua/chemistry/elements (p. 81 phosphore) ; www.societechimiquedefrance.fr (p. 81 iode) ; http://world.openfoodfacts.org (p. 87 d) ; © HultonDeutsch Collection/CORBIS (p. 90) ; © Roger Ressmeyer/CORBIS (p 92) ; O. Ruol (p. 97) ; © INRS (p. 114) ; © Collection Dagli Orti/Musée des Beaux Arts Grenoble/Gianni Dagli Orti (p. 138) ; N. Matthys et al., Sciences 3e, De Boeck, 2011, p. 141 (p. 145 bas) ; Toyah/Wikipédia (p. 161 bas) ; http://gwenaelm.free.fr (p.

170) ; © VWR International (p. 194 à 196) ; © 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), sakkmesterke (p. 2), Radu-Ion Huculeci (p. 3 g), Oliver Hirte (p. 3 m), Daphné Bourgoing (p. 3 d), Sergii Figurnyi (p. 5), Gilles Paire (p. 7), Cyril Comtat (p. 9 ht g), Sergiy Serdyuk (p. 9 ht m), Florian Villesèche (p. 9 ht d), Visions-AD (p. 9 bas d), pictarena (p. 13 a), Gajus (p. 13 b), Moonnoon (p. 13 d), molekuul.be (p. 13 e), samiramay (p. 14), Toufik Amine TALEB (p. 15 g), Frog 974 (p. 22 crayons), Adam (p. 22 alliances), fotoknips (p. 22 arrosoir), Silvano Rebai (p. 22 fils), tethysimagingllc (p. 22 clous), pioneer (p. 22 aluminium), Angela Schmidt (p. 22 désinfectant), kosmos111 (p. 22 lampe), fox17 (p. 24), Orlando Florin Rosu (p. 25 g), iWorkAlone (p. 25 m), bradcalkins (p. 25 d), Velirina (p. 29 ht g), oraziopuccio (p. 29 m), Jean-Paul Bounine (p. 29 bas), fablok (p. 32 m), salita2010 (p. 32 bas fig. 3), tarasov_vl (p. 32 bas fig. 4), photogl (p. 33 m), Szasz-Fabian Erika (p. 33 éthanol), matteo (p. 33 TNT), Mopic (p. 34), Hisoka (p. 35 m), Justaman (p. 42), lamax (p. 50), Douglas Stevens (p. 53 d), Laurence Gough (p. 59), Bluesky6867 (p. 63 g), Celso Pupo (p. 63 m), Demarco (p. 63 d), salita2010 (p. 66 ht), pilotl39 (p. 68 ht g), Thierry Planche (p. 70 g), Karaboux (p. 70 d), Gennady Poddubny (p. 72 ht), Surflifes (p. 72 bas), Philippe Devanne (p. 73 ht), äquipotentiallinie (p. 73 bas), Dana S. Rothstein (p. 74 g), Demarco (p. 75 d), Mexrix (p. 81 carbone), Daoud (p. 81 soufre), Christophe ROURE (p. 81 néon), Minerva Studio (p. 86), Graphies.thèque (p. 87 m), Marc Roche (p. 101 m), pedrosala (p. 101 d), Tuulimaa (p.

108 bas), Thierry RYO (p. 110 ht), Freesurf (p. 111 bas), micromonkey (p. 112), Cyril Comtat (p. 121), pelooyen (p. 126), Ljupco Smokovski (p. 127 d), Yang Yu (p.

141 m), Nenov Brothers (p. 141 d), silver-john (p. 145 ht), Dmitry Vereshchagin (p. 151), zhu difeng (p. 152), graphlight (p. 153 g), efired (p. 161 ht), helenedevun (p. 162), Coprid (p. 163 d), Dominique LUZY (p. 168 ht), Anne fotolia (p. 168 bas), meailleluc.com (p. 178), Iosif Szasz-Fabian (p. 179 m), H-J Paulsen (p. 186).

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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 978-2-8041-9826-8 D/2021/0078/165 Art. 597853/01

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CHIMIE

Ce manuel de chimie s’adresse aux élèves de troisième année qui suivent le cours de sciences à 5 périodes par semaine (Sciences générales).

Il s’inscrit dans le cadre des nouveaux référentiels élaborés 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 privilé. giée. Elle est signalée par le logo Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes (au minimum 6 périodes) : ces expériences permettront de développer l’esprit critique des élèves et de débattre entre eux ; – 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. proposent des ouvertures sur des Tout au long des chapitres, des encarts marqués par le logo 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, de développer leur culture scientifique et d’assurer leur formation en établissant des raisonnements relativement complexes.

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 didactique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition aussi attractive que les précédentes : présentation revue et actualisée tant sur le fond que sur la forme, réponses à des exercices, suggestions de laboratoires et de manipulations, 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

V

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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 choisir les techniques adéquates pour séparer les constituants d’un mélange et les mettre en œuvre˜;

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

reconnaître et nommer les principales pièces du matériel de laboratoire et savoir les utiliser˜;

DU MONDE MACROSCOPIQUE… La matière qui nous constitue ou nous entoure a toujours fasciné les êtres humains.

De tout temps, les scientifiques se sont posé la question : « De quoi est composée toute matière ? ».

Ils ont dû d’abord, comme nous, découvrir que, le plus souvent, la matière est un mélange de plusieurs corps. Ainsi, l’eau du robinet est un mélange d’eau et de sels minéraux ; l’air est constitué de différents gaz comme l’oxygène, l’azote ou le gaz carbonique ; la terre est formée de diverses matières organiques, de sels minéraux et d’eau.

Dans un premier temps, posons-nous la question des scientifiques en nous plaçant au niveau macroscopique et intéressons-nous au contenu d’un aquarium, pour tenter de séparer les différents corps qui le constituent.

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˜: ➜˜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˜:

Séparer les constituants d’un mélange.

Représentons-nous un aquarium, milieu de vie de poissons d’eau douce protégés contre la maladie des points blancs (voir encadré ci-après).

➜˜d’une des étapes des dilutions successives du bleu de méthylène ou de tout autre corps soluble dans un liquide, ➜˜de l’ébullition de l’eau ou de tout autre liquide pur.

PROCESSUS construire un protocole expérimental visant à séparer les constituants d’un mélange et le˜mettre en œuvre (T1)˜; modéliser un objet ou un matériau comme un ensemble de molécules (lien macroscopique-microscopique) (C1).

Ce milieu de vie, facile à reproduire en laboratoire, est constitué : • d’eau de ville, • de sable, • de quelques graviers, • de plantes aquatiques, • de quelques gouttes d’une solution de bleu de méthylène préparée en dissolvant deux ou trois grains de ce composé dans un peu d’eau tiède.

Usages du bleu de méthylène Les passionnés d’aquariophilie se servent du bleu de méthylène 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 ne faut pas oublier toutefois 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. •••

16

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 une méthode qui permet de décomposer un corps pur grâce au passage d’un courant électrique.

ELECTRO- vient du grec elektron signifiant « ambre jaune » (résine fossilisée qui a la propriété de s’électriser par frottement).

– LYSE vient du grec lysis signifiant « action de séparer ».

Confronter le modèle moléculaire à l’électrolyse du chlorure de cuivre.

Pour ce faire : • dans un berlin, verser 200 mL d’eau et y dissoudre 4 g 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

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UAA1 La matière

1 • Séparation des mélanges | Modèle moléculaire 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

VI

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Techniques de séparation des constituants d’un mélange Le milieu de vie d’un aquarium peut être décrit comme un mélange hétérogène1.

La molécule

Pour réaliser la séparation des constituants présents dans l’aquarium, diverses techniques ont été utilisées.

Au cours des dilutions successives d’une solution colorée effectuées précédemment, le nombre de molécules bleu de méthylène présentes au départ est divisé par 10 à chacune des étapes.

Une fois les plant es aquatiques retirées, la filtration a permis d’obtenir, d’une part, les corps solides (sable et graviers) et, d’autre part, l’eau et les corps (sels minéraux et bleu de méthylène) qui y sont dissous constituant un mélange homogène2.

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

Le tamisage a séparé le sable des graviers.

÷ 10

Grâce à la distillation, l’eau a été débarrassée des corps solides qui y étaient dissous.

I

Il existe encore d’autres techniques de séparation des mélanges, comme l’aimantation qui peut isoler un constituant contenant du fer ou encore la décantation utilisée pour séparer un solide en suspension dans un liquide ou séparer deux liquides non miscibles. La cristallisation, quant L’orpaillage, une technique de séparation L’or se trouve généralement dans une roche : le quartz aurifère qui forme des filons dans les montagnes. Ceux-ci sont parfois exploités dans les mines d’or.

Mais, suite à l’érosion des montagnes sous l’action de l’eau et du vent, du quartz aurifère est réduit en morceaux et, par conséquent, de l’or peut se retrouver aussi dans les cours d’eau.

Au xixe siècle, des régions comme la Californie, le Canada ou encore la Sibérie, dont les cours d’eau étaient riches en paillettes et pépites d’or, ont attiré les chercheurs d’or provoquant de véritables « ruées ».

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 débouchent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.

à elle, permet de récupérer un solide dissous dans un liquide. C’est le principe des marais salants dans lesquels le sel est extrait de l’eau de mer par évaporation.

÷ 10

II

÷ 10

III

1 000 10 000 100 molécules molécules molécules

÷ 10

÷ 10

IV

V

VI

10 molécules

1 molécule

?

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

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

Pour prélever un échantillon dans le fond du ruisseau, les chercheurs d’or, appelés orpailleurs, utilisaient un récipient circulaire, souvent leur poêle à frire. En le tenant légèrement incliné, ils lui imprimaient un mouvement de rotation. L’eau agitée soulevait les particules plus légères de sable et de terre, alors que l’or, plus dense, retombait au fond du récipient. Petit à petit, celui-ci se vidait de l’eau, du sable et de la terre. Il n’y restait que l’or sous forme de paillettes ou de pépites et quelques graviers plus lourds.

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

À l’heure actuelle, il y a des ruées vers l’or en Guyane, au Brésil et en Afrique notamment.

La technique traditionnelle subsiste. Le récipient utilisé s’appelle une « batée ».

1. Un mélange hétérogène est un mélange dont on peut distinguer les constituants à l’œil nu.

2. Un mélange homogène est un mélange dont on ne peut distinguer les constituants à l’œil nu.

1 • Séparation des mélanges | Modèle moléculaire de la matière

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donc, au total, il y a 2 atomes Al ; 3 atomes S ; 12 atomes O.

Dans la molécule HNO3, il y a 1 atome H ; 1 groupement (NO3) comprenant 1 atome N ; 3 atomes O.

Dans ce dernier exemple, le groupement (SO4) est affecté de l’indice 3.

Cet indice multiplie le nombre de tous les atomes composant le groupement.

Dans la molécule Al2(SO4)3, il y a 2 atomes Al ; 3 groupements (SO4) comprenant chacun 1 atome S et 4 atomes O ;

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).

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) H2SO4

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.

Minuscules les molécules !

3 • Composition des˜molécules

35

Les molécules sont de taille extrêmement petite, de l’ordre du nanomètre.

Un nanomètre (symbole : nm) correspond à un millionième de millimètre ou un milliardième de mètre.

1 nm = 1.10±–6 mm = 1.10±–9 m La molécule eau a un diamètre d’environ 0,4 nm. Pour se faire une idée de ce que représente 0,4 nm, il faut imaginer que, sur une longueur de 1 cm, prennent place côte à côte non moins de 25 millions de molécules eau.

Dans une goutte d’eau, dont le volume moyen est estimé à 0,05 mL, il y a environ 1700 milliards de milliards (1,7.1021) de molécules eau.

Comment passer de la hauteur de l’Empire State Building à New York à la dimension d’une molécule eau ?

Simplement en sachant diviser par 1000 !

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.

environ 400 m (381 m et 443 m avec l’antenne)

Hauteur de l’Empire State Building

: 1 000

0,4 m= 40 cm

Longueur d’un clavier d’ordinateur

: 1 000

Épaisseur de la couverture d’un livre

0,04 cm= 0,4 mm

Diamètre du Mimivirus

0,0004 mm

: 1 000

dessin d’un Mimivirus

: 1 000

0,0000004 mm = 0,4 nm

Diamètre d’une molécule eau

modèle d’une molécule eau

Mimivirus Le Mimivirus est un virus géant.

Découvert dans les années 1990, il a d’abord été confondu avec une bactérie à cause de sa taille similaire. Il a été identifié comme virus en 2003 par une équipe de scientifiques de Marseille. Le Mimivirus pourrait être1 un agent de pneumonie pour les humains.

• Séparation des mélanges | Modèle moléculaire de la matière

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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

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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

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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.

IX

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Constitution et classification de la matière

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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 ; • décrire les qualités, les limites et le caractère évolutif d’une théorie scientifique.

Chapitre 1 Séparation des mélanges Modèle moléculaire de la matière . . . . 3 Chapitre 2 Modèle atomique de la matière . . . . 15

Chapitre 6 Classification des corps purs simples en métaux et non-métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Chapitre 3 Composition des molécules . . . . . . . . 25

Chapitre 7 Tableau périodique des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Chapitre 4 Évolution du modèle atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Chapitre 8 Ions monoatomiques et électronégativité des atomes . . 87

Chapitre 5 Atomes et éléments : une histoire d’isotopes . . . . . . . . . . . . . . 53

Chapitre 9 Concentration massique d’une solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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3

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 corps purs simples et corps purs composés et fournir des exemples d’utilisation de ceux-ci dans la vie courante (C2) ; expliciter la composition d’une molécule (C3).

26

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

Ca(OH)2

NaCl

CuCl2

CaO Al2(SO4)3 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 ?

• À quoi servent les parenthèses ?

Nous allons, dans ce chapitre, expliquer la signification des notations qui identifient les molécules.

3 • Composition des molécules

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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. Comme il est plus pratique de désigner un corps par sa formule moléculaire que par son nom, les chimistes se servent habituellement des formules moléculaires pour étiqueter leurs récipients.

28

UAA1 Constitution et classification de la matière

Un corps pur simple est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes identiques.

Ainsi, le gaz oxygène est un corps pur simple parce que chacune de ses 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 N2, au dichlore Cl2, au dibrome Br2, au diiode I2, etc.

Un corps pur composé est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes différents.

Ainsi, le chlorure d’hydrogène est un corps pur composé parce que 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, élimination du voile de ciment sur des 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 ;

– 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.

Cartes d’identité du dioxygène et du gaz carbonique Un corps pur est caractérisé par un ensemble de propriétés qui lui est propre, cet ensemble de propriétés ne pouvant s’appliquer à aucun autre corps.

Il serait donc possible de dresser, pour chaque corps pur, une sorte de carte d’identité.

Tout comme la carte d’identité d’une personne rassemble un certain nombre de données (nom, prénom, date de naissance, adresse, état civil…) capables de l’identifier, elle et elle seule, celle d’un corps pur contiendrait des renseignements (état physique dans des conditions précises de t° et de pression, t° d’ébullition, t° de fusion, origine, propriétés bien spécifiques, utilisations…) qui permettraient d’identifier ce corps pur, lui et lui seul.

CARTE D’IDENTITÉ Le gaz dioxygène occupe 1/5 du volume de l’air.

O2

Nom du corps pur simple : dioxygène État physique à température ambiante : gaz Température de fusion : – 218,4 °C Température d’ébullition : – 182,96 °C Caractéristiques : gaz incolore, inodore, indispensable à la vie Test de reconnaissance : ravive un tison incandescent CARTE D’IDENTITÉ L’air pollué a un taux élevé en gaz carbonique.

CO2

Nom du corps pur composé : dioxyde de carbone ou gaz carbonique État physique à température ambiante : gaz Température de sublimation : – 78 °C Caractéristiques : gaz incolore, d’odeur piquante, se trouve dans les boissons gazeuses naturelles ou artificielles, un des gaz responsables de l’effet de serre Test de reconnaissance : trouble l’eau de chaux

3 • Composition des molécules

29

L’organigramme commencé au chapitre 1 peut maintenant être complété.

Corps constitutifs de la matière

Mélanges

Analysons plus attentivement les formules de quelques molécules ternaires :

Corps purs

Corps purs simples

Groupements particuliers d’atomes

Corps purs composés

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

Ca(OH)2, HNO3, Al2(SO4)3, Mg(NO3)2, NaOH, H2SO4.

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 comme dans Ca(OH)2, Al2(SO4)3 ou Mg(NO3)2.

C’est moins évident de les voir dans NaOH, HNO3 ou H2SO4.

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

Cette même distinction existe pour la plupart des corps chimiques.

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.

30

UAA1 Constitution et classification de la matière

Le fait de les reconnaître dans les formules même quand ils ne sont pas entre parenthèse pourra s’avérer très utile dans la suite.

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

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.

donc, au total, il y a 2 atomes Al ; 3 atomes S ; 12 atomes O.

Dans la molécule HNO3, il y a 1 atome H ; 1 groupement (NO3) comprenant 1 atome N ; 3 atomes O.

Dans ce dernier exemple, le groupement (SO4) est affecté de l’indice 3.

Cet indice multiplie le nombre de tous les atomes composant le groupement.

Dans la molécule Al2(SO4)3, il y a 2 atomes Al ; 3 groupements (SO4) comprenant chacun 1 atome S et 4 atomes O ;

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) H2SO4

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

31

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

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)

7 Pour chaque corps ci-dessous, retrouve son modèle en associant un chiffre à une lettre.

Corps (niveau macroscopique)

32

Modèles (niveau microscopique)

1 gaz dichlore : corps pur simple

a

2 cristaux de chlorure de cuivre : corps pur dont les molécules sont binaires

b

3 fil de cuivre : corps pur constitué d’atomes cuivre

c

4 solution de chlorure de cuivre : mélange de plusieurs sortes de molécules

d

UAA1 Constitution et classification de la matière

8 Comme à la page 29, établis sur la base d’une recherche personnelle la carte d’identité :

– du dihydrogène H2 – de l’eau H2O

– du méthane CH4 – de l’or Au

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

33

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

UAA1 Chapitre 1

Chapitre 2

Chapitre 3

Chapitre 4

Chapitre 5

Chapitre 6

Chapitre 7

Chapitre 8

Chapitre 9

Séparation des mélanges. Modèle moléculaire de la matière ���������������������������������������������������������3 Pour en savoir plus… Minuscules les molécules ! ��������������������������������������������������������������������������������13 Modèle atomique de la matière �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������15 Pour en savoir plus… Les symboles atomiques et la magie du 7 �������������������������������������������������23 Composition des molécules �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������25 Pour en savoir plus… Des molécules ordinaires… pas toujours ���������������������������������������������������33 Évolution du modèle atomique �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������35 Pour en savoir plus… Quand la chimie peint le ciel : les feux d’artifice ������������������������������������50 Atomes et éléments : une histoire d’isotopes ��������������������������������������������������������������������������������������53 Pour en savoir plus… Quelques usages des isotopes ����������������������������������������������������������������������59 Classification des corps purs simples en métaux et non-métaux �����������������������������������������������63 Pour en savoir plus… Les alliages, de géniaux mélanges �����������������������������������������������������������������72 Tableau périodique des éléments ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������75 Pour en savoir plus… L’audacieux Mendeléev avait-il une boule de cristal ? ��������������������������84 Ions monoatomiques et électronégativité des atomes �������������������������������������������������������������������87 Pour en savoir plus… Quand ion rime avec nutrition… ��������������������������������������������������������������������97 Concentration massique d’une solution ���������������������������������������������������������������������������������������������� 101 Pour en savoir plus… À propos du sel… ������������������������������������������������������������������������������������������������ 110

UAA2 Chapitre 1 Le bon emploi des substances chimiques au laboratoire et au quotidien �������������������������� 115

Pour en savoir plus… Signification de quelques pictogrammes commerciaux ���������������� 124 Chapitre 2 Dissolution, transformation chimique et loi de la conservation de la masse ��������������������������127

Pour en savoir plus… Propos sur Lavoisier ����������������������������������������������������������������������������������������� 138 Chapitre 3 Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification ����������������������������������������� 141

Pour en savoir plus… Une réaction chimique qui sauve des vies… ������������������������������������������ 151 Chapitre 4 Établissement des formules moléculaires ����������������������������������������������������������������������������������������� 153

Pour en savoir plus… Il y a eau et « eau » ! �������������������������������������������������������������������������������������� 161 Chapitre 5 Classification et obtention des corps minéraux ����������������������������������������������������������������������������� 163

Pour en savoir plus… Un déboucheur acide ou un déboucheur basique ? �������������������������� 177 Chapitre 6 Réaction de dissociation et réaction acide-­base selon Arrhénius ����������������������������������������� 179

Pour en savoir plus… Mesure et danger de la conductivité des solutions aqueuses �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 186

Annexes

209

En guise de conclusion �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 189 Annexes ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 191 Annexe 1 Tables de données ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 192 Annexe 2 Matériel de laboratoire ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 194 Annexe 3 Techniques de laboratoire ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 197 Annexe 4 Canevas de rapport de laboratoire ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 201 Annexe 5 Codes et mentions de danger et de prudence ������������������������������������������������������������������������������������� 202 Annexe 6 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel ��������������������������������� 206 Index ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 207 Tableau de Mendeléev

210

Annexes