HGT - SCB - enseignement Catholique
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HGT - SCB Chimie UAA1 et UAA2 AUTEURS : Philippe Capelle, Caroline Destrée, Pascale Sartiaux 14 décembre 2014 Clarification conceptuelle à l’usage du professeur Difficulté spécifique aux apprentissages en chimie La chimie est la science de la matière et de ses transformations. Le monde de la chimie englobe donc tous les matériaux qui nous entourent – les cailloux que nous foulons, la nourriture que nous mangeons, la chair dont nous sommes faits et le silicium que nous introduisons dans les ordinateurs. L’établissement de connexions entre les phénomènes que nous observons autour de nous et les explications qu’en donne le chimiste en termes d’atomes, de molécules et d’énergie est l’une des difficultés rencontrées lors des apprentissages. La difficulté est donc de développer l’aptitude à relier ce que nous voyons à ce que nous pouvons imaginer sur la façon dont les choses se passent au niveau microscopique. Lors d’un exposé présenté au Congrès des sciences, en 2012, Jeremy Dehon et Philippe Snauwaert (UNamur) ont clairement montré l’existence, en chimie, de 3 niveaux de savoirs entre lesquels on demande à l’élève de naviguer de façon explicite mais souvent également de façon implicite (et il ne sait pas alors à quel niveau on se situe ...). Le schéma ci-dessous montre ces 3 niveaux de savoirs. Il s’inspire librement du schéma proposé lors du Congrès des sciences de 2012. Il serait pertinent, pour chaque situation d’apprentissage, d’expliciter, pour les élèves, le niveau dans lequel on se situe. Niveau macroscopique Monde perceptible Domaine concret des expériences Phénomène chimique, transformation chimique Mode de représentation : image, film, tableau, description ... Monde construit Domaine abstrait de la modélisation Niveau microscopique Niveau symbolique Réaction chimique faisant intervenir molécules, atomes, ions … Equation chimique pondérée faisant intervenir des formules chimiques Mode de représentation : écriture nominative de la réaction chimique, icones … Mode de représentation : symboles (chimiques et mathématiques) SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 1 Phénomène chimique et phénomène physique L’habitude existe de débuter un cours de chimie par la distinction entre ces deux types de phénomènes. Et pourtant, ce n’est pas si simple : dire que, lors d’un phénomène chimique, les substances impliquées voient leurs propriétés modifiées ne suffit pas pour le distinguer d’un phénomène physique puisque cela peut également avoir lieu lors d’un phénomène physique (la glace formée à partir de l’eau liquide, par exemple, n’a pas les mêmes propriétés que l’eau liquide). Pour les scientifiques, la distinction se fait au niveau microscopique, par l’ordre de grandeur des énergies mises en jeu. Ainsi, le domaine propre de la chimie concerne l’ordre de grandeur des énergies de formation et de rupture des liaisons entre atomes alors que la physique est concernée par l’ordre de grandeur des énergies mises en œuvre : dans des phénomènes intermoléculaires, comme les changements d’état, au sein même des atomes (physique nucléaire)1. Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est qu’un phénomène (ou une transformation2) chimique est un phénomène au cours duquel les substances qui entrent en jeu « disparaissent » et donnent naissance à de nouvelles substances. Cette « disparition » est souvent accompagnée de signes perceptibles révélant qu’il « se passe quelque chose » : une production ou une absorption d’énergie, un changement de couleur, une émission d’odeur, … Par exemple, quand on mélange de la poudre de fer et une solution de sulfate de cuivre II, une transformation chimique a lieu : la solution devient vert pâle (couleur des ions Fe2+) et du métal cuivre rouge apparaît. Lors d’une transformation chimique, il y a réaction entre certaines espèces chimiques : celles-ci sont les réactifs. D’autres espèces se forment : ce sont les produits. Réactifs (p = 1 bar et t = 25 °C) Produits (p = 1 bar et t = 25 °C) Métal fer gris Solution incolore d’ions sulfate Solution incolore d’ions sulfate Métal cuivre rouge Solution bleue d’ions cuivre Solution d’ions fer II verts Métal fer gris restant Lors d’un phénomène physique, par contre, les substances qui entrent en jeu restent identiques, même si elles peuvent changer de propriétés, d’aspect … C’est bien sûr le cas des changements d’état qui seront envisagés lors de cette UAA : quand de l’eau liquide bout et se transforme en vapeur d’eau, la substance reste bien la même (c’est de l’eau) mais l’aspect et les propriétés sont bien différents. Note concernant la terminologie utilisée en chimie Un phénomène (une transformation) chimique se situe au niveau de ce que l’observateur peut voir (c’est le niveau macroscopique). On le représentera à l’aide d’une phrase qui décrit ce que l’on voit, par Les scientifiques expriment ces ordres de grandeur en électron-volt (eV) : 1 eV correspond à l’énergie acquise par un électron soumis à une tension de 1 V. La chimie est concernée par des énergies comprise entre 1 et 10 eV alors que la physique étudie les phénomènes dont l’énergie est de l’ordre de 10-1 eV (changements d’état) ou de l’ordre de 108 eV (physique nucléaire). 1 2 Les deux mots sont ici considérés comme synonymes. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 2 exemple : après une mise à feu, le charbon de bois réagit avec l’air pour former des cendres, de la fumée et libérer de la chaleur et de la lumière. Une réaction chimique concerne les événements qui ont lieu au niveau des espèces chimiques 3 qui entrent en jeu lors de la transformation chimique (c’est le niveau microscopique). On la représentera à l’aide d’une phrase qui décrit ce qui se passe à ce niveau (écriture nominative), par exemple : le carbone et le dioxygène de l’air réagissent pour former du gaz carbonique en dégageant de l’énergie. Objets macroscopiques Corps purs et mélanges Toute matière est formée d’espèces microscopiques (atomes, molécules, ions). Un corps pur est une matière formée d’espèces identiques, un mélange est une matière formée de deux ou plusieurs espèces distinctes. Un corps pur simple est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées d’un seul type d’atome. Il existe des corps purs métalliques (symbolisés par M) et des corps purs non métalliques (symbolisés par X). Un corps pur composé est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées de deux ou plusieurs types d’atome. Généralement, on classe le corps purs composés en corps minéraux (eau, acides, bases ou hydroxydes, oxydes et sels) et en corps organiques. Corps pur Corps pur simple Corps pur simple métallique (M) Corps pur simple non métallique (X) Corps pur composé Corps pur composé minéral Corps pur composé organique Un mélange est un ensemble formé de deux ou plusieurs corps purs, chacun des constituants conservant ses propriétés de départ. Scientifiquement, un mélange est dit homogène s’il possède les mêmes propriétés en tout point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme homogène si ses constituants ne sont pas visibles à l’œil nu. Scientifiquement, un mélange est dit hétérogène s’il ne possède pas les mêmes propriétés en tout point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme hétérogène si ses constituants sont visibles à l’œil nu. Solution, soluté, solvant Une solution est le mélange homogène obtenu par dissolution d’une substance 4, appelée soluté dans une autre, appelée solvant. Généralement, le solvant utilisé est l’eau : on parle alors de solution aqueuse. Le soluté est la substance qui se dissout. Le solvant est la substance qui dissout. 3 Les chimistes désignent par « espèce chimique » toute entité microscopique (atome, ion molécule, électron, proton) susceptible d’intervenir dans une réaction chimique. 4 On peut considérer les termes « corps pur » et « substance » comme synonymes. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 3 Concentration massique La concentration massique d’une solution est la masse m de soluté dissoute dans un volume V de solution. Cette grandeur physique, notée γ, est une grandeur caractéristique d’une solution donnée : si l’on verse un peu de cette solution dans deux récipients différents, la concentration massique de la solution n’aura pas varié. Formule de la concentration massique : γ = m/V (Unité SI : kg/m3, unité généralement utilisée en chimie : g/L) Pour faire varier la concentration massique d’une solution, il y a deux possibilités : augmenter la masse de soluté (on considère généralement que, dans ce cas, le volume de la solution ne varie pas) et la concentration massique de la solution augmente (dans ce cas, on a : V= cte = m / ρ = m’ / ρ’); augmenter le volume de solvant (d’eau) et la concentration massique de la solution diminue (dans ce cas, on a : m = cte = ρ . V = ρ’ . V’). Remarque La notion de concentration est difficile à comprendre pour les élèves, par exemple pour les raisons suivantes : la valeur d'une concentration est le résultat d'un quotient de 2 nombres, l'un exprimant la valeur de la masse, l'autre la valeur du volume ; la concentration d’une solution reste identique même après qu’on en ait prélevé une partie. Notion d’élément La notion d’élément renvoie au niveau macroscopique et au niveau microscopique. C’est une substance chimique pure composée d’atomes ayant le même nombre de protons dans le noyau atomique. Dans ce sens, l’élément est une entité macroscopique, il a la même signification que corps pur simple. C’est une sorte d’atome : tous les atomes qui ont le même nombre de protons au sein du noyau atomique sont le même élément. Dans ce sens, l’élément est une entité microscopique : on parlera ainsi du tableau périodique des éléments. Objets microscopiques Une molécule est l’espèce chimique que l’on obtient à la limite de partage d’une substance. Une molécule a des propriétés propres (par exemple liées à sa forme ou à sa composition) mais elle n’a, en tous cas pas, les propriétés de la substance dont elle est une composante : si la substance est colorée, inodore et conductrice de l’électricité, ce n’est pas le cas d’une molécule composant cette substance. Une molécule a généralement une dimension ultra petite, de l’ordre de 10-9 m : il faut toujours se rappeler que, dans 18 g d’eau, il y a environ 6.1023 molécules d’eau ! Un atome est l’espèce chimique composant la molécule. Bien entendu, un atome est encore plus petit qu’une molécule : sa dimension est de l’ordre de l’Å (angström), soit 10-10 m. Depuis très longtemps, l’être humain se pose la question: de quoi est constituée la matière ? et finalement, de quoi est constitué un atome ? Les scientifiques ont alors élaboré des modèles5 de l’atome qui ont beaucoup évolué en fonction du contexte historique et des développements technologiques (voir annexe 1). Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou des électron(s). Dans le cas d’un gain d’électrons, l’ion est négatif, c’est un anion. Dans le cas d’une perte d’électrons, l’ion est positif, c’est un cation. Un modèle est une représentation simplifiée d’un objet, d’un phénomène ou d’un processus. En fonction de l’objectif poursuivi, le scientifique décide quelles caractéristiques il va négliger pour construire son modèle. Un modèle peut être descriptif, explicatif ou prédictif. 5 SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 4 Caractéristiques de l’atome Chaque atome est caractérisé par : un nombre atomique, noté Z, qui correspond au nombre de protons de son noyau et au nombre d’électrons (c’est aussi le numéro d’ordre de l’atome dans le tableau périodique) ; une masse atomique relative, notée Ar, qui est le rapport entre la masse de cet atome et la masse de l’atome d’hydrogène, choisie comme référence6. C’est le rapport de deux grandeurs (deux masses) de même unité : c’est un nombre ; une valence, qui correspond au nombre d’atomes d’hydrogène auquel cet atome peut se lier (on désigne la valence par un chiffre romain); une électronégativité, notée ε, qui correspond à la capacité de cet atome d’attirer des électrons. L’électronégativité est un nombre compris entre 0 et 4, pour l’atome le plus électronégatif, le fluor. Ecriture symbolique des atomes et des molécules Les atomes sont désignés par une lettre majuscule (C pour le carbone, par exemple) ou par une lettre majuscule suivie d’une minuscule (Ca, pour le calcium par exemple). Les molécules, étant constituées d’atomes, sont désignées par la suite des symboles des atomes dont elles sont constituées. Les atomes sont toujours placés dans l’ordre des électronégativités croissantes. Quand une molécule contient plusieurs atomes identiques, le nombre de ces atomes est désigné par un indice : par exemple, la molécule de CaCl2 contient 1 atome de calcium et 2 atomes de chlore. Quand une molécule contient plusieurs fois un groupement d’atomes identiques, ce groupement est placé entre parenthèses auxquelles on ajoute un indice pour désigner le nombre de groupements : par exemple, la molécule Ca3(PO4)2 contient 3 atomes de calcium et 2 groupements PO4 (phosphate). Quand on souhaite mentionner plusieurs molécules, leur nombre est désigné par un coefficient, placé devant le symbole de la molécule : par exemple 2 KOH désigne 2 molécules de KOH. Les ions sont porteurs d’une charge électrique. Celle-ci est désignée par un exposant placé en haut à droite du symbole de l’atome dont est issu l’ion : par exemple, l’ion Mg2+ est l’ion magnésium porteur d’une double charge électrique positive7. Remarque Il peut arriver que l’on souhaite indiquer, pour un atome déterminé, son nombre atomique Z et son nombre de masse A. Ceux-ci seront placés avant le symbole de l’atome, respectivement en exposant et en indice : par exemple 612C désigne l’atome de carbone de nombre atomique égal à 6 et de nombre de masse égal à 12. La réaction de combustion Pour les chimistes, une réaction de combustion est une réaction exothermique d'oxydoréduction. Réaction exothermique, c’est-à-dire une réaction au cours de laquelle il y a dégagement de chaleur. Réaction d’oxydoréduction, c’est-à-dire une réaction au cours de laquelle les espèces chimiques impliquées échangent des électrons. L’espèce chimique qui gagne des électrons (et devient donc généralement négative) est appelée oxydant (dans ce cas, c’est le comburant, généralement l’oxygène). L’espèce chimique qui perd des électrons (et devient donc généralement positive) est le réducteur (dans ce cas, c’est le combustible). Dans le cadre de ce cours, ce qu’il faut savoir, c’est qu’une réaction de combustion est à l’origine des feux et des incendies. Cette réaction ne peut se produire que si trois éléments sont réunis en quantités suffisantes : un A ce niveau, la masse atomique relative est souvent arrondie à l’unité : on désigne alors cette grandeur comme étant le nombre de masse A, qui est en fait la somme du nombre de protons et de neutrons du noyau. 6 7 A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 5 combustible, un comburant et une énergie d’activation 8. Une manière symbolique de représenter cette association est le triangle du feu. Le combustible est toute substance susceptible de brûler. Cela peut être : un solide formant des braises (charbon, bois, papier, carton, tissu, PVC, …) ; un liquide ou un solide liquéfiable (essence, gasoil, fuel, huile, kérosène, ...) ; un gaz (gaz naturel, butane, propane, méthane, dihydrogène, ...) ; un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium, ...). Note : un carburant est un combustible qui alimente un moteur à combustion interne, comme le moteur de la voiture. Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique de combustion : c’est la substance qui provoque et entretient la combustion du combustible. La plupart du temps, il s’agit du dioxygène de l’air ambiant. Dans certains cas très particuliers, le comburant et le combustible sont un seul et même corps par exemple, la célèbre nitroglycérine, dont la molécule comporte une partie oxydante greffée sur une partie réductrice. L’énergie d’activation (généralement de la chaleur ou une flamme) déclenche la réaction. Par exemple, ce sera l'échauffement par frottement pour une allumette, le câble électrique parcouru par un courant trop élevé qui chauffe l'isolant, l'étincelle de l'allume-gaz, une autre flamme lorsque le feu se propage. Il existe d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : arc électrique, élévation de la température par compression de l'air, par exemple dans un moteur Diesel. Dans le cas d’un combustible riche en carbone, les produits de la réaction de combustion sont principalement l’eau et le dioxyde de carbone. Bibliographie Académie en ligne, Séquence 5 – Les dangers des combustions, http://www.academie-enligne.fr/Ressources/4/SP41/AL4SP41TEWB0111-Sequence-05.pdf, page consultée le 22 octobre 2014. Académie de Besançon, Histoire de l’atome, http://artic.acbesancon.fr/sciences_physiques/physique_chimie/college/b2i/histoire_atome/dossier_eleve/Texte_his torique.htm, page consultée le12 novembre 2014. Allô Prof, La photosynthèse et la respiration cellulaire, http://bv.alloprof.qc.ca/science-ettechnologie/l'univers-vivant/le-maintien-de-la-vie/le-vivant/la-photosynthese-et-la-respirationcellulaire.aspx, page consultée le 22 octobre 2014. Commission Universitaire de Sécurité et Santé au Travail Romande, Danger Incendie, http://www.cusstr.ch/repository/24.pdf, page consultée le 22 octobre 2014. INRS, Classification et étiquetage des produits chimiques, http://www.inrs.fr/accueil/risques/chimiques/classification-produits.html, page consultée le 22 octobre 2014. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, http://old.iupac.org/publications/compendium/, page consultée le 12 novembre 2014. Mendeleiev Cyberschol, Réaction de combustion, http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/chimie534/comb.htm, page consultée le 22 octobre 2014. Primagaz, Butane commercial – Fiche de données de sécurité, http://www.primagaz.fr/primagaz/16/doc/Primagaz/FDS_butane.pdf, page consultée le 22 octobre 2014. SEGEC, Substances dangereuses : nouvel étiquetage, http://admin.segec.be/documents/5512.pdf, page consultée le 22 octobre 2014. Wikipedia, Combustion, http://fr.wikipedia.org/wiki/Combustion, page consultée le 22 octobre 2014. 8 L’énergie d’activation est l’énergie minimum dont il faut disposer au départ de la réaction pour que cette réaction démarre. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 6 Wikipedia, Lavoisier, http://fr.wikipedia.org/wiki/Antoine_Lavoisier, page consultée le 22 octobre 2014. ARNAUD, P., Si la chimie m’était contée, Belin, 2002. McQUARRIE, C., et al., Chimie générale, DeBoeck Université, 1992. PIRSON, P., et al., Chimie 3e/4e, DE BOECK, 2009. RAVET, I., et al., Module chimie, FUNDP, 2008. Physique Chimie 2de, Collection Hélios, Hachette éducation, 2000. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 7 Annexe 1. Les modèles de l’atome Au VIe siècle avant J.-C., des philosophes grecs (Thalès et Empédocle) proposent un premier modèle pour la constitution de la matière sur base d’une observation simple : quand un morceau de bois brûle, il y a production de fumée, de vapeur d'eau et de cendre. C’est donc que le morceau de bois contient tous ces éléments. Pour eux, donc, toute matière est constituée de quatre éléments: la terre (ici, les cendres), l'eau, le feu et l'air (ici, la fumée). Un peu plus tard, au Ve siècle avant notre ère, Démocrite, un savant philosophe grec, propose un modèle original : pour lui, la matière est constituée de particules infiniment petites et indivisibles qu’il appelle « atomos », entre lesquelles existe un espace vide. En grec ancien le mot « atomos » signifie indivisible. Il est assez remarquable que ce modèle qui date de plus de 2500 ans conserve encore des traces aujourd’hui. Le modèle de Démocrite correspond à une matière discontinue, faite d’entités indépendantes. Cependant, le modèle qui eut le plus de succès dans l’Antiquité (et jusqu’au XVIII e siècle, pendant plus de 2000 ans donc) est le modèle d’Aristote, qui a vécu au IVe siècle avant J.-C. Pour Aristote, la matière ne peut être que continue. Toute matière est formée d’une proportion déterminée des 4 éléments de Thalès et ce sont les changements dans ces proportions qui engendrent les différentes matières que nous voyons. Le Moyen Age voit se développer l’alchimie, axée principalement sur la découverte d'une substance (la pierre philosophale) qui transformerait les métaux les plus communs en or ou en argent, et sur la découverte de moyens permettant de prolonger la vie des hommes. Dès le IVe siècle après J.-C., les alchimistes arabes travaillent avec l'or et le mercure, l'arsenic et le soufre, les sels et les acides. Ils se familiarisent avec une large gamme de ce que l'on appelle maintenant les réactifs chimiques. Ils pensent que les métaux sont des corps composés, constitués de mercure et de soufre en différentes proportions. Ils pensent que la transmutation (le fait de pouvoir transformer en or d’autres métaux comme l’argent) est possible ; leurs méthodes ressemblent à des tâtonnements à l'aveuglette. Cependant, ils trouvent de cette façon de nombreuses substances nouvelles et inventent de nombreux procédés utiles. Ils sont, sous bien des aspects, les précurseurs de la science moderne, en particulier de la chimie. En provenance du monde musulman, l'alchimie se propage à travers l'Espagne et l'Europe. Les premiers travaux authentiques de l'alchimie européenne sont ceux du moine anglais Roger Bacon et du philosophe allemand Albert le Grand. Tous deux croient en la possibilité de transmuter les métaux en or. Cette idée excite l'imagination - et plus tard l'avarice - d'un grand nombre de personnes au Moyen Âge. Ces dernières croient que l'or est le métal parfait et que les autres métaux sont imparfaits. Ils cherchent également à fabriquer ou à découvrir une substance, appelée la pierre philosophale, beaucoup plus parfaite que l'or, qui peut être utilisée pour amener les métaux de base jusqu'à la perfection de l'or et qui peut également leur assurer le non vieillissement ! SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 8 Vers le XVe siècle, des savants commencent à progresser dans la connaissance de la matière et à remettre en doute les concepts aristotéliciens du monde et de la matière, par la mise en œuvre de premières démarches expérimentales. Citons ci-dessous quelques exemples de ces scientifiques préoccupés par la composition de la matière. Robert Boyle (chimiste anglais du XVIIe siècle) propose que la matière soit faite de quelques substances simples appelées éléments. Dans les années 1780, Antoine-Laurent Lavoisier réussit à décomposer l'oxyde de mercure et énonce la loi de la conservation de la masse. Louis Joseph Proust, (1754-1826), chimiste français, montre la constance de la composition de l'eau, quelle que fût sa provenance. Il est amené à énoncer la loi des proportions définies, parfois appelée loi de Proust. Cette loi stipule que les éléments d'un composé sont tous présents dans des proportions massiques fixées, indépendamment de la manière dont le composé a été préparé. Pour Proust la matière est constituée d'éléments simples qui pouvaient se combiner en éléments composés. Sa loi est cependant mal acceptée, jusqu'à ce que Jöns Jacob Berzelius, un chimiste suédois, lui apporte son soutien, en 1811. Proust réussit également à isoler un sucre du raisin, qui était en fait du glucose. Avec ces scientifiques commence un nouvel âge pour la science, plus axée sur la recherche et l'expérimentation ET sur une confrontation des modèles avec la réalité. John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien britannique, développe la théorie atomique sur laquelle est fondée la science physique moderne. Dalton naît le 6 septembre 1766 à Eaglesfield, dans le Cumberland (aujourd'hui Cumbria, au NordOuest de l’Angleterre). Son père est tisserand. Il est d'abord instruit par son père puis à l'école de sa ville natale, où il commence à enseigner à l'âge de douze ans ! En 1781, il se rend à Kendal (ville de la Cumbria), où il dirige une école avec son cousin et son frère aîné. Il s'installe à Manchester en 1793 et y passe le reste de sa vie comme professeur, d'abord au nouveau collège puis plus tard comme précepteur. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 9 Dalton commence en 1787 une série d'observations météorologiques qu'il poursuit pendant cinquante-sept ans, accumulant quelque deux cent mille observations et mesures du temps dans la région de Manchester. L'intérêt de Dalton pour la météorologie le conduit à étudier différents phénomènes ainsi que les instruments utilisés pour les mesurer. Il est le premier à prouver la validité de l'idée selon laquelle la pluie est provoquée par une baisse de température, non par un changement de la pression atmosphérique. Le premier travail de Dalton, « Observations et essais météorologiques », en 1793, ne suscite que peu d'intérêt. L'année suivante, il présente un article sur la maladie appelée aujourd’hui daltonisme, maladie dont Dalton souffre lui-même, devant la société philosophique et littéraire de Manchester. Cet article est la toute première description de ce phénomène. La plus importante contribution de Dalton à la science est sa théorie selon laquelle la matière est composée d'atomes indivisibles de différentes masses et que ces atomes se combinent en respectant des proportions massiques simples. Cette théorie, que Dalton propose pour la première fois en 1803, est la pierre d'angle de la science physique moderne. En 1808, est publiée l'œuvre de Dalton intitulée « Un nouveau système de philosophie chimique ». Dans ce livre, il dresse la liste des masses atomiques d'un certain nombre d'éléments connus par rapport à la masse de l'hydrogène. Ses masses ne sont pas entièrement correctes mais elles forment la base de la table périodique moderne des éléments. Dalton arrive à sa théorie atomique par une étude des propriétés physiques de l'air atmosphérique et des autres gaz. En 1804 et en 1809, Dalton est invité à enseigner à Londres. Il devient membre de la Royal Society en 1822. Il est récompensé par la médaille d'or de la société en 1826. En 1830, Dalton devient l'un des huit associés étrangers de l'Académie française des sciences. Il meurt à Manchester le 27 juillet 1844. Voici les axiomes importants de la théorie de Dalton. La matière est composée de particules invisibles, indivisibles, massiques appelées atomes. Les atomes d'un élément donné sont identiques. Les atomes d'éléments simples se combinent dans des proportions bien définies pour former des atomes composés (les composés). Mickaël Faraday (1791-1867), chimiste et physicien britannique né à Newington (quartier de Londres). Il fait d'importants travaux dans le domaine de l'électricité et du magnétisme. En 1832, il réalise une électrolyse. Il fait passer un courant électrique dans une cuve remplie d'eau, et constate que du dihydrogène se dégage à l'électrode négative, et du dioxygène à l'électrode positive. En mesurant la quantité de gaz produits, il se rend compte qu'elle dépend directement de la quantité d'électricité qui a circulé dans la cuve; le courant électrique coupe apparemment l'eau en ses 2 éléments chimiques de base (cela s'appelle une électrolyse). Faraday ne voit qu'une explication au phénomène: l'électricité doit être, d'une manière ou d'une autre, la force qui lie les atomes entre eux. Sir William Crookes (1832-1919), chimiste et physicien britannique né à Londres. Il invente le tube électronique à cathode froide appelé aujourd'hui tube de Crookes. Ses recherches les plus importantes portent sur la conductivité électrique des gaz. Il est le premier à produire des rayons cathodiques. Il invente également le radiomètre et le spinthariscope, un détecteur de particules. Il mène des recherches dans de nombreux domaines et il découvre le thallium. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 10 Le tube de Crooke s Sir Joseph John Thomson (1856-1940), physicien de nationalité anglaise, lauréat du prix Nobel. Thomson reçoit en 1906 le prix Nobel de physique pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz. Grâce à la découverte de Crookes, Thomson est à l'origine de la découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules (électrons) créés par des rayons cathodiques. Théoricien et expérimentateur, Thomson avance en 1898 la théorie du «pain aux raisins» sur la structure atomique, dans laquelle les électrons sont considérés comme des «raisins» négatifs enfoncés dans un «pain» de matière positive. On appelle souvent le modèle de Thomson, modèle du pain aux raisins (ou encore modèle du plum pudding, dessert traditionnel servi à Noël en Angleterre). SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 11 Henri Becquerel (1852-1908), physicien français lauréat du prix Nobel. Il découvre la radioactivité de l'uranium. En 1896, il découvre accidentellement le phénomène de la radioactivité au cours de ses recherches sur la fluorescence. Après avoir placé des sels d'uranium sur une plaque photographique dans un lieu sombre, Becquerel s'aperçoit que la plaque avait noirci. Ce fait prouvait que l'uranium dégage de l'énergie, phénomène connu par la suite sous le nom de radioactivité. En 1903, Becquerel partage le prix Nobel de physique avec les physiciens français Pierre et Marie Curie pour leur travail sur la radioactivité. Marie Curie (1867-1934), physicienne française d'origine polonaise, à l'origine de la découverte des éléments chimiques radium et polonium, prix Nobel en 1903. Elle obtient également le prix Nobel de chimie en 1911. L'étude des éléments radioactifs par le couple Curie contribue à la compréhension des processus atomiques, fondement de la physique nucléaire moderne. Lord Ernest Rutherford (1871-1937), physicien britannique, lauréat du prix Nobel pour ses travaux en physique nucléaire et pour sa théorie relative à la structure de l'atome. Rutherford naît en août 1871 à Nelson, en Nouvelle-Zélande, et fait ses études à l'université de Nouvelle-Zélande, puis à celle de Cambridge. Il enseigne la physique à l'université McGill de Montréal, au Québec, de 1898 à 1907. C'est en 1908 qu'il reçoit le prix Nobel de chimie pour ses découvertes sur la structure de l'atome. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 12 Rutherford est l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans le domaine de la physique nucléaire. Peu de temps après la découverte de la radioactivité, en 1896, par le physicien français Henri Becquerel, Rutherford identifie les trois composants principaux du rayonnement, qu'il baptise respectivement rayonnements alpha, bêta et gamma. Il montre également que les particules alpha sont en fait des noyaux d'hélium. Son étude du rayonnement le conduit à élaborer une théorie de la structure atomique. Il est ainsi le premier à décrire l'atome comme un noyau dense autour duquel gravitent des électrons. En 1919, Rutherford fait une expérience importante en physique nucléaire : en bombardant de l'azote gazeux avec des rayons alpha du radium, il obtient la formation de noyaux d’atomes d’hydrogène (les protons) et d'atomes d'un isotope de l'oxygène. Cette transformation de l'azote en oxygène est la première transmutation artificielle. Ce résultat suscite le démarrage de recherches intensives sur d'autres transformations nucléaires et sur la nature et les propriétés du rayonnement. Rutherford et le physicien anglais Frederick Soddy proposent une explication de la radioactivité toujours en vigueur aujourd'hui. Bohr, Niels Henrik David (1885-1962), physicien danois, prix Nobel en 1922, pour sa contribution à la physique nucléaire et à la compréhension de la structure atomique. La théorie de Bohr sur la structure atomique, pour laquelle il reçoit le prix Nobel de physique, est publiée entre 1913 et 1915. Son travail s'inspire du modèle nucléaire de l'atome de Rutherford, dans lequel l'atome est considéré comme un noyau compact entouré d'un essaim d'électrons. Le modèle propose que les électrons qui gravitent autour du noyau sont situés sur des niveaux d'énergie. Bohr a identifié sept niveaux d'énergie autour du noyau. De plus chaque niveau d'énergie ne peut contenir qu'un nombre maximum d'électrons. Ce modèle contribua énormément aux développements ultérieurs de la physique atomique théorique. C'est ce modèle qui est encore en vigueur. En 1939, Bohr réalise l'importance des expériences de fission menées par les savants allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann. Aux États-Unis, lors d'une conférence scientifique, Bohr convaint les physiciens de l'importance de ces expériences. Il démontre plus tard que l'uranium-235 est l'isotope de l'uranium qui subit la fission nucléaire. Bohr retourne alors au Danemark, où il est forcé de rester après l'occupation allemande du pays en 1940. Il finit cependant par s'enfuir aux États-Unis, où il participe à la fabrication de la première bombe atomique, à Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Il s'oppose cependant au caractère secret de ce projet et redouta les conséquences de ce développement inquiétant. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 13 Sir James Chadwick, (1891-1974), physicien de nationalité anglaise, lauréat du prix Nobel, surtout connu pour sa découverte, en 1932, de l'une des particules fondamentales de la matière, le neutron. Cette découverte mena directement à la fission nucléaire et à la bombe atomique. En 1909, il commence à travailler pour le physicien Ernest Rutherford. Chadwick est l'un des premiers Britanniques à souligner la possibilité du développement d'une bombe atomique et le principal scientifique à être associé à l'effort anglais pour le développement de cette technologie. Entre 1943 et 1945, il passe le plus clair de son temps aux États-Unis, principalement au laboratoire scientifique de Los Alamos, au NouveauMexique en recherche sur le développement de la bombe atomique. Le modèle de Bohr est le dernier modèle obéissant à la physique classique, c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les phénomènes existant à notre échelle humaine. Ces modèles d'atomes sont donc faciles à comprendre et à se représenter. Mais ce modèle est remis en question car à l'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent ! Ces lois appartiennent à une étrange physique très éloignée de nos concepts courants: la physique quantique. Sur base de cette histoire du modèle de l’atome, comment décrire les différents modèles de l’atome ? Le modèle atomique de Dalton (1803) : les atomes sont des particules invisibles, indivisibles et massiques qui composent la matière. Le modèle atomique de Thomson (1898) : chaque atome est comparable à un «pain» de matière positive dans laquelle les électrons sont enfoncés comme des «raisins» négatifs (c’est le modèle du pain aux raisins ou encore le modèle du plum pudding). L’atome est neutre : la charge positive du « pain » compense la charge négative des « raisins ». Le modèle atomique de Rutherford (1911) : l'atome est un noyau dense chargé positivement autour duquel gravitent « dans le vide » des particules négatives, les électrons, comme des planètes autour du Soleil (c’est le modèle planétaire de l’atome). L’atome est neutre. Plus tard (en 1919), Rutherford découvre que le noyau contient lui aussi des particules, les protons, chargées positivement. L’électron est considéré comme la particule atomique de charge électrique unitaire négative et le proton comme la particule atomique de charge électrique unitaire positive. L’atome étant neutre, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons en orbite autour du noyau. Le nombre de protons est caractéristique de l’élément. Le modèle atomique de Rutherford-Chadwick (1932) : à la suite de la découverte par Chadwick d’une nouvelle particule (le neutron) dans le noyau, le modèle atomique devient celui de Rutherford-Chadwick. Tout atome, électriquement neutre est composé : d’un noyau comprenant les nucléons (un ou plusieurs protons, zéro, un ou plusieurs neutrons), d’électrons qui évoluent dans le vide autour du noyau, en nombre égal au nombre de protons. Le modèle atomique de Bohr (après 1932) : ce modèle intègre toutes les découvertes faites à cette époque, y compris celle de Bohr (en 1913) concernant la répartition des électrons autour du noyau. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 14 Ce modèle est donc identique à celui de Rutherford-Chadwick mais il précise que les électrons se situent sur des couches différentes K, L, M, N … correspondant à différents niveaux d’énergie. D’après ce modèle : chaque couche est occupée par un ou plusieurs électrons, les électrons étant négatifs, se repoussent quand ils sont sur une même couche ; leur nombre est donc limité (il est égal à 2n2, où n est le numéro de la couche). A noter que cette règle de répartition des électrons sur les couches ne s’applique que pour les éléments des 3 premières périodes. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 15 Annexe 2. Compléments concernant les combustions Moyens de lutter contre un incendie La connaissance du triangle du feu et de ses composants est utile pour identifier les moyens de ralentir une vitesse de combustion ou pour l’arrêter complètement. Il « suffit » en effet d’éloigner ou d’ôter complètement un des trois éléments essentiels dans le triangle du feu. Par exemple, on utilise : de l’eau qui va agir du côté de l’énergie d’activation en abaissant la température en dessous du point d'inflammation9 ; de la mousse qui va agir du côté du comburant et du côté du combustible en créant une barrière entre les deux. La mousse opère par étouffement ; du dioxyde de carbone qui va agir du côté du comburant, l'oxygène. Il opère aussi par étouffement ; de la poudre (de potassium ou de sodium) qui empêche le déroulement de la réaction chimique propre à la combustion. Le potassium ou le sodium s'immisce dans la réaction et inactive les réactifs. Combustion complète et combustion incomplète On ne considère, dans ce paragraphe, que les combustibles riches en carbone. Combustion complète De façon générale, si la réaction de combustion entre le combustible (par exemple, le gaz d’un briquet) et le dioxygène est conduite en présence de suffisamment de dioxygène, la réaction de combustion est complète car tous les atomes de carbone du combustible forment du dioxyde de carbone CO 2. Combustion incomplète Les combustions sont très utiles, notamment pour chauffer les maisons, les aliments, ... Mais elles peuvent aussi présenter des dangers. L’un de ces dangers est le risque de combustion incomplète. Lors de l’expérience avec une flamme jaune éclairante, la combustion du gaz de laboratoire produit, outre CO2 et H2O, un dépôt noir sur le creuset : ce dépôt est du carbone C solide (de la suie) contenant souvent des nanoparticules néfastes pour la santé humaine. Mais outre ce dépôt de carbone solide, il peut aussi se former du monoxyde de carbone CO, un gaz toxique (incolore et inodore). Un défaut de dioxygène est responsable de ces phénomènes et ces réactions de combustion sont appelées incomplètes. Remarques 1. Lorsque les voitures roulent sur autoroute à la vitesse autorisée de 120 km/h, le phénomène de combustion est incomplet : il y a donc production de suie et de nanoparticules. Les autorités décident alors de limiter la vitesse à 90 km/h car à cette vitesse-là, le phénomène de combustion se rapproche beaucoup plus d’une combustion complète. 2. Le dioxyde de carbone est un gaz plus dense que l’air ; le monoxyde de carbone, un gaz moins dense que l’air. Dans les salles de bain équipées d’un boiler à gaz, les mesures de sécurité exigent qu’il y ait deux ouvertures vers l’extérieur : une ouverture « basse » permettant au dioxyde de carbone de s’évacuer et une ouverture « haute » pour l’évacuation du monoxyde de carbone. La respiration Pour les scientifiques, la respiration est clairement distinguée de la ventilation. La ventilation (souvent désignée comme étant la respiration dans la vie quotidienne) est le phénomène par lequel l’air contenu dans les poumons se renouvelle par inspiration (entrée de l’air dans les poumons) et par expiration (sortie d’air des poumons vers l’extérieur). La respiration est un phénomène qui se passe dans la cellule, au niveau des mitochondries (cf. UAA 3). C’est une réaction chimique qui transforme le glucose (nutriment issu de la digestion) en eau et en 9 Le point d’inflammation est la température minimale à partir de laquelle un combustible peut s’enflammer. SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 16 dioxyde de carbone en présence de dioxygène. C’est également une réaction exothermique (il y a production d’énergie). Globalement, la respiration est donc une réaction chimique semblable à la combustion d’un combustible riche en carbone. Sécurité et prévention Les combustions, nous l’avons vu, comportent certains risques et dangers. Il faut donc adopter un comportement adéquat dans la manipulation, lors du stockage et bien sûr lorsque l’on effectue une combustion. L’étiquetage est la première information, essentielle et concise, fournie à l’utilisateur sur les dangers des substances et sur les précautions à prendre lors de leur stockage et lors de leur utilisation. Parmi les informations reprises sur l’étiquette, il y a les pictogrammes de danger. Les combustibles sont directement concernés par 4 pictogrammes de danger : Code SGH01 Pictogramme Mention Substance explosive Une telle substance peut exploser : SGH02 au contact d’une flamme, d’une étincelle, d’électricité statique sous l’effet de la chaleur, de chocs, de frottements … Substance inflammable Une telle substance peut s’enflammer, suivant le cas : SGH03 au contact d’une flamme, d’une étincelle, d’électricité statique sous l’effet de la chaleur, de chocs, de frottements … au contact de l’air au contact de l’eau si elle dégage un gaz inflammable Substance comburante Une telle substance peut : SGH04 provoquer un incendie aggraver un incendie provoquer une explosion si elle est en présence de produits inflammables Substance gazeuse sous pression contenue dans un récipient Une telle substance peut exploser sous l’effet de la chaleur : c’est le cas des gaz comprimés, des gaz liquéfiés et des gaz dissous. Les gaz liquéfiés réfrigérés peuvent, quant à eux, être responsables de brûlures ou de blessures liées au froid, appelées brûlures cryogéniques ou blessures cryogéniques. En outre, les étiquettes comportent également des mentions d’avertissement, des mentions de danger et des conseils de prudence. Les mentions d’avertissement indiquent le degré relatif de danger. Il y a deux degrés relatifs de danger : DANGER, pour les catégories les plus sévères SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 17 ATTENTION, pour les autres Les mentions de danger sont énoncées à l’aide d’une phrase qui décrit la nature du danger que constitue la substance et, lorsqu’il y a lieu, le degré de ce danger. Un code alphanumérique constitué de la lettre « H » et de 3 chiffres est affecté à chaque mention de danger. Les conseils de prudence sont énoncés à l’aide d’une phrase qui décrit les mesures de prévention à prendre lors du stockage ou de l’utilisation de la substance. Un code alphanumérique constitué de la lettre « P » et de 3 chiffres est affecté à chaque conseil de prudence. En conclusion La lecture attentive d’une étiquette est extrêmement utile pour adopter les mesures adéquates au stockage et à l’utilisation des substances. Ainsi, dans le cas du butane, l’étiquette comporte les pictogrammes et phrases suivants : Mention d’avertissement : DANGER Pictogramme : SGH 02 Phrase H : H220 Gaz extrêmement inflammable Phrases P : P210 Tenir à l’écart de la chaleur, des étincelles, des flammes nues et des surfaces chaudes. Ne pas fumer. P377 Fuite de gaz enflammée : ne pas éteindre si la fuite ne peut être arrêtée sans danger P102 Tenir hors de portée des enfants P403 Stocker dans un endroit bien ventilé SCB CHI UAA1 & UAA2 CC 150425 18
