Physique-Chimie 1ère Spécialité : Cours Complet

Classe de première
SPÉCIALITÉ PHYSIQUE CHIMIE
Wulfran Fortin - rév. 2020

SPÉCIALITÉ PHYSIQUE CHIMIE 1e
ii

Table des matières
1 Détermination de la composition d’un système chimique à l’état initial 1
1.1 Masse molaire Met quantité de matière n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Spectroscopie d’absorbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Suivi et modélisation de l’évolution d’un système chimique 5
2.1 Réaction d’oxydo-réduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Tableau d’avancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Détermination d’une quantité de matière grâce à une transformation chimique 11
3.1 Titrage par suivi colorimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Dosage des ions Fe2+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Dosage du diiode I2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 De la structure à la polarité d’une entité 15
4.1 Schéma de Lewis d’une entité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Géométrie d’une entité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.3 Électronégativité des atomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.4 Polarisation d’une liaison chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.5 Polarité d’une molécule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 De la structure des entités à la cohésion et à la solubilté/miscibilité d’espèces chimiques 19
5.1 Cohésion des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Cohésion des solides ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.3 Cohésion des solides moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.4 Dissolution des solides ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.5 Solubilité d’une espèce dans un solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.6 Extraction solvant solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.7 Hydrophilie, lipophilie et amphiphilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6 Structure des entités organiques 25
6.1 Molécules organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.2 Formule brutes et semi-développées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.3 Squelette carboné saturé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.4 Groupes caractéristiques et familles fonctionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.5 Spectroscopie infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7 Synthèse d’espèces chimiques organiques 31
7.1 Étapes d’un protocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.2 Rendement de synthèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8 Conversion de l’énergie stockée dans la matière organique 35
8.1 Les combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.2 Problématiques liées aux combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.3 Combustion en chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8.4 Réaction exothermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
iii

SPÉCIALITÉ PHYSIQUE CHIMIE 1e
9 Interactions fondamentales et notion de champ 39
9.1 Interaction électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
9.2 Interaction gravitationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
9.3 Analogies entre interactions de gravitation et électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
10 Description d’un fluide au repos 43
10.1 Les fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
10.2 Description qualitative d’un fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
10.3 Force de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
10.4 Loi de Boyle et Mariotte - XVIIesiècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
10.5 Loi fondamentale de la statique des fluides - XVIIesiècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
11 Mouvement d’un système 47
11.1 Vecteur vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
11.2 Vecteur variation de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
11.3 Variation de la vitesse et résultante des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
12 Aspects énergétiques des phénomènes électriques 53
12.1 Courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
12.2 Source réelle de tension continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
12.3 Puissance et énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
12.4 Effet Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
12.5 Rendement d’un convertisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
13 Aspects énergétiques des phénomènes mécaniques 57
13.1 Énergie cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
13.2 Travail d’une force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
13.3 Forces conservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
13.4 Forces non conservatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
13.5 Théorème de l’énergie cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
13.6 Énergie potentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
13.7 Énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
13.8 Conservation et non conservation de l’énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
14 Ondes mécaniques 63
14.1 Onde mécanique progressive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
14.2 Célérité d’une onde et retard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
14.3 Onde mécanique périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
15 Images et couleurs 69
15.1 Optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
15.2 Colorimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
16 Optique ondulatoire 73
16.1 Ondes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
16.2 Le photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
16.3 Interaction onde-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
iv

Chapitre 1
Détermination de la composition d’un sys-
tème chimique à l’état initial
Introduction
La chimie a pour objectif de modifier des
molécules lors de réactions.
Il faut être capable de compter rapidement
les molécules mises en présences dans le mi-
lieu réactionnel. Ce chapitre présente deux
outils pour faire cela : le concept de masse
molaire qui permet de compter en pesant,
et une technique expérimentale de mesure
de concentration molaire : la spectrophoto-
métrie d’absorption.
1.1 Masse molaire Met quantité de matière
n
1.1.1 Masse molaire atomique
Définition La masse molaire atomique M est la
masse d’une mole d’atomes identiques de masse in-
dividuelle matome en g. Elle est exprimée en g.mol−1.
M=NA×matome
Exemple Un atome d’hydrogène a une masse
mH=1.66 ×10−24 g. Donc si on prend une mole
d’atomes d’hydrogène, la masse M(H)de cette mole
d’hydrogène sera
M(H) = NA×mH
=6.022 ×1023 ×1.66 ×10−24 g
=1.00 g pour une mole
=1.00 g.mol−1
On retrouve la masse molaire atomique de chaque
élément dans le tableau périodique.
1.1.2 Masse molaire d’une espèce chimique
Définition La masse molaire M d’une espèce chi-
mique est la masse d’une mole de cette entité chi-
mique.
Pour calculer cette masse molaire, il faut
connaître la formule brute de l’espèce chimique
pour faire l’inventaire des atomes présents.
Ensuite, connaissant les masses molaires ato-
miques, on peut calculer la masse molaire de l’es-
pèce chimique.
Exemple Le saccharose est le sucre alimentaire
que l’on trouve dans nos cuisines. Il a pour formule
brute C12H22O11, donc une molécule de saccharose
contient 12 atomes de carbone, 22 atomes d’hydro-
gène et 11 atomes d’oxygène, donc pour une mole de
saccharose, on aura 12 moles d’atomes de carbone,
22 moles atomes d’hydrogène et 11 moles atomes
d’oxygène. On peut alors calculer la masse molaire
moléculaire du saccharose
M(C12H22O11) =
12 ×M(C) + 22 ×M(H) + 11 ×M(O)
=12 ×12.0 +22 ×1.0 +11 ×16.0
=342 g.mol−1
1.1.3 Quantité de matière net masse molaire M
Définition Si on a un échantillon de masse men g
d’une espèce chimique de masse molaire moléculaire
Men g.mol−1alors la masse totale mde notre es-
pèce chimique sera le produit entre la masse d’une
mole de l’espèce par la quantité de matière n de cette
espèce
m=n×M
On pourra alors utiliser cette formule pour détermi-
ner la quantité de matière nprésente dans un échan-
tillon de masse md’une espèce chimique de masse
molaire moléculaire Men isolant le paramètre n
dans l’équation précédente
n=m
M
Exemple On a 1 kg de saccharose, calculons la
quantité de matière nprésente dans cet échantillon :
1