Carnet de bord version élève
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SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES FONDAMENTALES ET APPLIQUÉES Année scolaire 2010 – 2011 Chimie La constitution de la matière La matière est constituée d’atomes, d’ions et de molécules. I. L’atome Caractéristiques de l’atome Composition : ……………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………. Charge électrique : …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. Masse de l’atome : …………………………………………………………………... ……………………………………………………………………………………. Pourquoi dit-on que l’atome a une structure lacunaire ? 1. Constitution de l’atome a. Le noyau Les particules présentes dans le noyau atomique sont les …………… Qu’est-ce qu’un nucléon ? ………………………………………................................... …………………………………………………..................................................... …………………………………………………………………………………………………………… Le nombre de nucléons d’un noyau est représenté par la lettre ….. Le nombre de protons d’un noyau est représenté par la lettre ….. : c’est le numéro atomique. Il caractérise l’élément chimique. Qu’appelle-t-on élément chimique ? ................................................................................... ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Le nombre de neutrons n’est pas caractéristique de l’élément chimique. Qu’appelle-t-on des atomes isotopes ?……..……...……………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Exemples : ………………………………………………………………………… Le noyau atomique est représenté symboliquement par la notation : ..... 1 Où X correspond au symbole du noyau atomique considéré. Exemples : l’hydrogène, le deutérium, le tritium, l’oxygène, le carbone, le cuivre ….. ….. ….. ….. ….. ….. b. Le cortège électronique Les électrons du cortège électronique se répartissent dans des couches électroniques. Couche électronique Nombre maximal d’électrons …. …. …. …. …. …. Lorsqu’une couche est pleine, on dit qu’elle est saturée. Comment déterminer la structure électronique de l’atome ? …………………………………….…………………………………………….. ………………………………………………………………………………......... ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. La stabilité chimique des éléments est directement liée à leur structure électronique. Les éléments ayant leur couche électronique externe saturée présentent une grande inertie chimique. Exemples : ………………………………………………………………………… Pour acquérir cette stabilité les atomes des autres éléments s’assemblent en molécules ou donnent des ions. Ils évoluent de manière à avoir une couche externe saturée. On dit qu’ils suivent la règle du « duet » ou de l’octet. Règle du « duet » : …………………………………………………………………….……………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Règle de l’octet : …………………………………………………………………….……………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 2 2. Classement des atomes En 1869, Dimitri Mendeleïev propose une classification basée sur les masses atomiques, mais c’est là son génie, son classement tient aussi compte des propriétés chimiques des éléments. Classification périodique des éléments (simplifiée) Les atomes sont classés par numéro atomique croissant. Le parcours d’une ligne correspond au remplissage d’une couche électronique, les couches inférieures étant saturées. Dans une même ligne (ou période) : …………………………………………………….. …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. Dans une même colonne : ……………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques similaires, ils constituent une famille chimique. Ces ressemblances chimiques sont dues aux structures électroniques externes semblables. Les familles chimiques : - Première colonne (I) : ………………………………………………………….. Deuxième colonne (II) : ………………………………………………………… Avant dernière colonne (XVII) : …………………………………………………. Dernière colonne (XVIII) : ……………………………………………………… II. Les ions Un ion est un atome (ion monoatomique) ou un groupement d’atomes (ion polyatomique) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Afin de gagner en stabilité, l’atome gagne ou perd un ou plusieurs électrons. La structure électronique la plus stable est lorsque la couche externe est saturée. 3 Prévision de la charge d’un ion monoatomique : ………….………………………………... ……………………………………………………………….…………………… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ……………………………………………………………………………………. III. Les molécules Une molécule est un groupement d’atomes. Elle est donc électriquement neutre. 1. Formation des molécules Pour gagner en stabilité l’atome peut former une ou plusieurs liaisons covalentes. Qu’est-ce qu’une liaison covalente ? ……………………………..……………………… ………………………………………………………….………………………… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… Comment prévoir le nombre de liaisons covalentes que peut établir un atome ? ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………….… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. Exemple : l’oxygène ………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….……… ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 4 2. Identifier quelques groupes caractéristiques Nom du groupe Famille chimique Atome ou groupe d'atomes Exemple - nom Famille des composés halogénés halogéno —X hydroxyle —OH Famille des alcools amino —NH2 Famille des amines (F, Cl, Br, I) Famille des composés carbonylés carbonyle Famille des acides carboxyliques carboxyle 3. Représentation des molécules Formule brute : ………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………..... ……………………………………………………………………………………. Exemple : …………………………………………………………………………... À une formule brute peuvent correspondre plusieurs formules semi-développées : ce sont des espèces ………….. Formule semi-développée : ……………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. Exemple : …………………………………………………………………………... Formule développée : ………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………. Exemple : ………………………………………………………………………… 5 Les états de la matière I. Description microscopique La matière peut exister sous trois états différents : ……………………………………………. L’état sous lequel se trouve la matière dépend de 2 paramètres : la pression et la température. La matière est formée de petites particules (atomes, molécules ou ions) représentées par des sphères sur les schémas ci-dessous. Essayez de retrouver les caractéristiques de chaque état en cochant les bonnes cases : Les particules d'un solide sont :Les particules d'un liquide sont :Les particules d'un gaz sont : ordonnées ordonnées ordonnées désordonnées désordonnées désordonnées rapprochées rapprochées rapprochées espacées espacées espacées liées liées liées non liées non liées non liées peu liées peu liées peu liées très agitées très agitées très agitées Remarque : Le mouvement aléatoire et désordonné des atomes ou molécules d’un gaz est appelé…………………. II. Description macroscopique A) Les différents paramètres Il est trop compliqué de faire l’étude de la matière à l’échelle microscopique pour les raisons suivantes: Les molécules sont en nombre extrêmement important, Il faudrait connaître un trop grand nombre de paramètres (vitesse, position, masse, etc...) pour chaque molécule à chaque instant. 6 On utilise alors, des grandeurs macroscopiques ayant un lien avec la nature microscopique de la matière, facilement accessibles à la mesure. Les grandeurs que l'on retient en général sont : - .......................................... ......................................... ......................................... ......................................... 1. La pression P a. Force pressante La force pressante est l’action mécanique de contact qu’exerce un solide, un liquide ou un gaz sur une paroi. Cette force est représentée par un vecteur : - Sa direction : ……………………………. Son sens : ……………………………….. Son point d’application : ……………….. Sa valeur (intensité) :……………………. b. La pression Définition La pression p est …………………………………………………… Formule : Unités des grandeurs ............................................................ ............................................................ ........................................................ Les unités de pression L’unité de pression dans le système international d’unités : …….. mais il existe d’autres unités : Le bar : 1 bar = ……….. Pa L’atmosphère : 1 atm = …………. Pa. Le millimètre de mercure : 1 mmHg=…………. Pa Appareil de mesure : ………………………………….. Remarques : La différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de ……………………. La quantité maximale de gaz dissous dans un volume donné de liquide …………….. avec la pression. 7 2. La température a. Interprétation microscopique. Lorsque la température augmente, l'agitation moléculaire …………………………………………... b. Les appareils de mesure. Les appareils de mesure de la température sont des …………………………………………………. c. Les unités de mesure . Une échelle très utilisée est ………….. dont l'unité est appelée …………………. et notée ………... 3. La quantité de matière a. Définition de la mole …………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………… b. Constante d'Avogadro Le nombre d'atomes contenus dans une mole de carbone 126C est appelé constante d'Avogadro et sera noté NA. NA=…………….. mol-1 Une mole représente une quantité de matière composée de ………… entités élémentaires. 4. Le volume Dans les mêmes conditions de pression et de température, un nombre donné de molécules à l’état gazeux occupe un volume …………………. et quelque soit la nature du gaz. B) Quelques cartes d’identité Nom : Eau Historique : / Formule chimique : H2O Etat physique à température ordinaire : Liquide Pictogrammes : / Propriétés physiques : - Masse molaire M= 18,016 g.mol-1 -Température de fusion : 0°C -Température d'ébullition : 100°C - Densité : deau = 1,00 - Masse volumique : ρeau = 1,00 g.cm-3 - Solubilité : (solvant) 8 Nom : diiode Historique : Découvert en 1811 par le chimiste et salpétrier français Bernard Courtois (1777-1838), qui ne déposa jamais de brevet sur le procédé d'obtention de l'iode, et décéda dans la pauvreté et l'oubli. Formule chimique : I2 Etat physique à température ordinaire : Solide (poudre ou cristaux) noir violet avec un éclat métallique, se sublimant facilement en vapeurs violettes et colorant les matières en brun foncé. Pictogrammes : Masse molaire : M ………………………….. …………………………. H312, H332, H400 Propriétés physiques : -Masse molaire M= 253,81 g.mol -1 -Température de fusion : 113,7°C Densité : d …………………………………… …………………………………. ……………………………………. …………………………………. ………………………………… Température de changement d’état : ………………………… ………………………….. -Température d'ébullition : 184,4°C - Densité : (Solide) d= 4,93 - Masse volumique : (solide) ρ = 4,93 g.cm-3 - Solubilité : s = 0,293 g.L-1 à 20°C Soluté faiblement soluble dans le solvant eau Solubilité : s ………………………………………… ………………………………………….. …………………………………………. 9 Masse volumique : ρ ……………………….. ………………………… ………………………… ……………………….. …………………………. . C) Comment prélever une quantité de matière Prélever une quantité de matière va dépendre de l’état physique de l’espèce chimique utilisée : Espèce chimique ........................, on utilisera une balance et la relation reliant quantité de matière n et masse m à prélever est : Espèce chimique ........................., on utilisera une éprouvette ou pipettes (graduée ou jaugée plus précise), la relation entre quantité de matière n et le volume V à prélever est alors : Espèce chimique ........................... nous permet d’écrire que la relation entre la quantité de matière n et le volume V de gaz prélevé est : D) Phase homogène et hétérogène On distingue deux types de phase, suivant l’aspect macroscopique de celle-ci : Phase ..................................: système dont les propriétés macroscopiques sont identiques en tout point de celui-ci. Exemples : Phase ..................................: système qui n’est pas homogène, c'est-à-dire qui présente à l’échelle macroscopique deux états (identiques ou différents) de la matière. Exemples : III. Solutions 1. Solution, solvant et soluté Lorsqu’une espèce chimique se dissout dans un liquide appelé .............................., on obtient une phase homogène appelée ......................... . L’espèce chimique est appelée le ............................ . Si le solvant est de l’eau, la solution obtenue est appelée ..................................... . Remarque : une solution dans laquelle, après agitation, toute l’espèce chimique introduite n’est pas dissoute, est dite ................................ . Propriétés d’une solution : Une solution peut contenir ............................................................. selon la nature du soluté. Un solution est toujours électriquement ..................... et comporte alors autant de charges . Pour étudier et comparer des solutions, la quantité de matière est insuffisante car si on dissout une même quantité de matière dans des volumes différents, la solution obtenue est différente. 10 2. Concentration massique et concentration molaire La concentration massique Cm de soluté A apporté est égale au rapport de la masse mA de ce soluté A apporté par le volume V de solution : Cm en .............................. mA en ............................. V en ............................... La concentration molaire C de soluté A apporté est égale au rapport de la quantité de matière nA de soluté apporté par le volume V de solution : C en…………………... nA en………………….. V en…………………… La concentration molaire [X] d’une espèce chimique X présente en solution est égale au rapport de la quantité de matière nX de cette espèce dans la solution par le volume V de la solution : [X] en ............................. nX en ..........................…. V en ............................... 3. Préparations de solution Par dissolution d’un soluté solide Etape1: .................................................................................................................................................... Etape 2: .................................................................................................................................................. Etape3: .................................................................................................................................................. Etape 4: .................................................................................................................................................. Etape 5: ................................................................................................................................................. 11 Par dilution d’une solution de concentration connue Diluer une solution, c’est constituer une nouvelle solution moins concentrée que la solution initiale en ajoutant du solvant. La solution de départ est appelée ......................................... (C0, VP). La solution obtenue est appelée ..................................................(C, Vf). Le volume VP de la solution mère de concentration C0 contient une quantité de matière n0 = ................ Le volume Vf de la solution fille contient la même quantité de matière mais à la concentration C dans le volume Vf. soit n0 = ........................... Il y a conservation de la quantité de matière lors de la dilution. Soit n0 = .............................................. Etape1: .................................................................................................................................................... Etape 2: .................................................................................................................................................. Etape3: .................................................................................................................................................. Etape 4: .................................................................................................................................................. Etape 5: ................................................................................................................................................. 12 La chimie de synthèse I. Espèce naturelle, espèce synthétique. On appelle espèce chimique tout constituant de la matière Les espèces naturelles ............................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. Les espèces synthétiques ......................................................................................................................... ................................................................................................................................................................. II. Verrerie et montages. 1. Verrerie diverse ........... ......................... ............... ......................... ................ 10 0 8 0 10 mL 6 0 4 0 20 ............ ................... ....................... ................... ...................... Si je dois prélever ou obtenir un volume précis je peux utiliser.............................................................. .................................................................................................................................................................. Pour un volume moins précis, je peux utiliser.......................................................................................... .................................................................................................................................................................. 2. Montages 1 1 a. Filtration. ....................................................................... 2 ................................................................. Principe de la filtration:........................................................................………. ............................................................................................................................ 2 13 b. Chromatographie sur couche mince (CCM) 1 .................................................................... 2 ..................................................................... 3 3 ...............................................................….. 2 1 Principe de la chromatographie:........................................................................………………………. ........................................................................................................................……………………….... .........................................................................................................................………………………... c. Extraction par solvant 1 2 1 .............................................................. 2 ............................................................... 3 .............................................................. La position relative des phases dépend de la..................... ........................................................................................... ........................................................................................... 3 Principe de l'extraction:................................................................................................................................ ...................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... d. Hydrodistillation 1 2 1 ...................................................................……… 3 2 ............................................................................. 3 ........................................................................…... 4 ........................................................................…... 4 14 Principe de l'hydrodistillation:................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... e. Chauffage à reflux Principe du chauffage à reflux:..........................................................................……………………...... ............................................................................................................................……………………….. ...............................................................................................................................……………………… III. La réaction chimique et son équation. 1. La transformation chimique. a. Description de l’état d’un système chimique. Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques. .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... b. Évolution de l’état d’un système chimique. .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... 15 c. Transformation chimique. On appelle transformation chimique, l’évolution du système qui permet le passage de l’état initial à l’état final. E.I ( T, P ) E.F ( T, P ) Transformation chimique Espèces présentes Espèces formées Produits Réactifs Espèces éventuellement restantes 2. La réaction chimique. .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... Exemples. C + O2 → CO2 Cu + 2 Ag+ → Cu2+ + 2 Ag Cu2+ + 2 OH- → Cu(OH)2 Activité. On considère la combustion du butane C4H10 dans le dioxygène. On obtient du dioxyde de carbone et de l’eau. Écrire l’équation de la réaction modélisant cette transformation chimique avec les nombres stœchiométriques corrects. Ajuster les nombres stœchiométriques des équations chimiques suivantes : HgO Hg + O2 Cu2S + Cu2O Cu + SO2 C2H6O + CO2 Fe2+ + C6H12O6 Fe + Al + C2H6O Fe2O3 O2 + NH3 HCl + Al2O3 + HCl H2O + O2 NO + + O2 CO2 + Cl- Fe Cl2 H2O H2O 16 + H2 Physique Son et lumière I. Comparaison ondes sonores et ondes lumineuses. Son Lumière Milieu de propagation:....................................... .............................................................................. Milieu de propagation:....................................... .............................................................................. Vitesse de propagation: Vair = Veau= Vitesse de propagation: Vair = Veau= Gamme de fréquences : Gamme de fréquences : II. Propagation de la lumière. 1. Propagation de la lumière dans un milieu homogène. Dans un milieu homogène, ....................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... 2. Indice de réfraction d'un milieu transparent, noté n. ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... 3. Passage de la lumière d'un milieu homogène à un autre: le phénomène de réfraction. a. Définition. ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... 17 b. Schéma. c. Lois de Snell-Descartes. Première loi:............................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................... Seconde loi:.............................................................................................................................................. III. La lumière, messagère des étoiles. 1. L'année de lumière. Définition:................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................... 2. Voir loin c'est voir dans le passé. .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... 3. Structure de l'univers. ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. Schéma : 10-15m 10-12m 10-9m 10-6m 10-3m 1m 103m 106m 18 109m 1012m 1015m 1018m 1021m 4. L'analyse de la lumière des étoiles, les spectres. a. Spectre d'émission d'un corps chaud. ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... température Schéma. b. Spectre de raies. ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................. Schéma. Spectre de raies d’émission du Sodium c. Spectre stellaire. ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... Température de surface Couleur Température Etoile de la Galaxie 19 Composition chimique ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................. Mouvements et forces I. Relativité du mouvement. 1. Référentiel. La notion de mouvement est donc relative à l'objet par rapport auquel on l'étudie : le référentiel. Un référentiel est .................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................ 2. Trajectoire. La trajectoire d'un point mobile est .................................................................................................... ................................................................................................................................................................. Elle dépend du ...................................................................................................................................... II. Mouvement d’un point. 1. Vitesse moyenne. Dans le référentiel choisi, la vitesse moyenne d'un point mobile est donnée par la relation Unités des grandeurs : ............................................................ ............................................................ ........................................................ 20 2. Différentes trajectoires, mouvements. Un mouvement est .................................... si la trajectoire du point mobile est une .................................. Si la valeur de la vitesse ......................... , il est ..................... Si la valeur de la vitesse ......................... , il est ...................... Si la valeur de la vitesse ......................... , il est ....................... Un mouvement est .................................... si la trajectoire du point mobile est un .................................... III. La force : modèle d’une action mécanique. 1. Modèle. Une force a pour but de modéliser l'action mécanique d’un corps sur un autre. Une force est une action mécanique exercée par un objet sur un autre. Elle est caractérisée par : - .............................. - .............................. - .............................. - ............................. La valeur de la force s'exprime en ............................ Elle peut être mesurée grâce à un .................................. Chaque force peut être représentée sur un schéma par un vecteur dont l'origine est un point qui modélise le corps étudié. Exemple. Les forces exercées sur une bille immobile posée sur une table sont : la force exercée par la Terre, action à distance, G les forces exercées par la table, action de contact, 2. Force et mouvement. Une force qui s'exerce sur un objet ...................................................................................................... ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. L'effet d'une force sur le mouvement d'un corps dépend de la masse de celui-ci. Plus la masse du corps est faible et plus l'effet de la force sera ................. 21 3. Principe d'inertie. Tout corps ............................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... Réciproquement ...................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... IV. La gravitation universelle. 1. L'attraction gravitationnelle. Au XVII siècle, Isaac Newton affirme que tous les corps ayant une masse sont en interaction, sur Terre comme dans l'espace: C'est l'attraction gravitationnelle aussi appelée gravitation universelle. 2. Interaction gravitationnelle entre deux corps. a. Corps à répartition sphérique de masse. Un corps à répartition sphérique de masse est un corps sphérique dont la matière est répartie uniformément autour de son centre. b. Interaction gravitationnelle. Soient deux corps à répartition sphérique de masse (la Terre et la Lune par exemple), de centres A et B et de masses MA et MB et séparés par une distance d. Les caractéristiques des forces d'interaction gravitationnelle sont: - Origine :........................................................................….. - Direction : .....................................................................…. - Sens :..............................................................................…. - Valeur (Intensité) :...................................................…… Unités des grandeurs dans le système international d’unités : ............................................................ ............................................................ .........................................................… ……………………….. ........................................................... ............................................................ A (MA) B (MB) 22 3. Poids d'un corps. a. Attraction terrestre et pesanteur. A la surface de la Terre, un corps de masse m est soumis à la pesanteur. Son poids, noté P, est modélisé par un vecteur ayant comme caractéristiques: - Origine:............................................................................ - Direction: ........................................................................ - Sens:................................................................................. - Intensité:.......................................................................... Unités des grandeurs dans le système international d’unités : ……………………………………… ............................................................ ............................................................ ........................................................... La valeur du poids d'un corps varie en fonction du lieu où il se trouve. En appliquant la relation exprimant la force d'interaction gravitationnelle, on montre que le poids d'un corps est la force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur un corps situé dans son voisinage immédiat (attraction terrestre). b. Poids d'un même corps sur la Terre et sur la Lune. Le poids d’un objet sur la Lune peut être assimilé à la force gravitationnelle exercée par la Lune sur cet objet. La valeur de la pesanteur sur la Lune , notée gL, est donnée par gL = 1,60 N.kg-1 La valeur de la pesanteur sur la Lune est environ six fois plus petite que sur la Terre. Le poids d’un corps de masse m sur la Lune est environ six fois plus petit que le poids de ce même corps sur la Terre. 23
