Livret des cours et exercices

1ère S « Thème 1 / Cohésion de la matière » Livret 2 / Les cours et exercices Sommaire Page 3 : CHAP1/ Les particules élémentaires Page 5 : CHAP2/ Les interactions fondamentales Page 8 : CHAP3/ Structure de la matière : les molécules Page 12 : CHAP4/ Cohésion des solides moléculaires Page 15 : CHAP5/ Cohésion des solides ioniques CHAP6/ Liaisons intermoléculaires et changement d’état Page 20 : EX/ Exercices Page 17 : Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 1
Les particules élémentaires, constituants de la matière
 p120 et p122
D’après « Une brève histoire du temps »
Stephen Hawking – 1989
Extrait de « La vie à fil tendu »
Georges Charpak – 1993
 Jusqu'à la fin du 19ième siècle, on pensait
l'atome indivisible : le terme « atome » vient du grec
grec ancien ἄτομος [atomos], « qui ne peut être divisé »
« Lorsque j’entrai au laboratoire dirigé par Joliot au
Collège de France, la connaissance que j’avais de la
structure de la matière ne devait guère dépasser
celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de
bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapidement : la matière est composée d’atomes, euxmêmes constitués de noyaux entourés d’un cortège
d’électrons. Les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de signe opposé à la charge des électrons qui gravitent autour
du noyau. La masse d’un atome est concentrée dans
-31
le noyau….., l’électron ne pesant que 9,11.10 kg.
 En 1897, Thompson découvre l'électron que l'on
soupçonne d'être un des constituants de l'atome.
Plusieurs modèles théoriques vont être construits
pour décrire cet atome mais ils se heurteront toujours
aux expérimentations.
 La physique des particules (étude des particules
élémentaires et de leurs interactions) est réellement
née au début du 20ième siècle. Les scientifiques, qui
ne s'intéressaient jusque-là qu'à l'étude de la matière
à une échelle macroscopique, entamèrent des recherches sur la structure des atomes et des molécules.
 En 1911, Rutherford dévoile enfin la structure de
l'atome grâce à sa célèbre expérience où il projette
un faisceau de particules alpha sur une fine couche
d'or.
On comprend alors que l'électron tourne autour d'un
minuscule noyau regroupant toute la charge positive
de l'atome et quasiment toute sa masse.
 Au début des années 1930, les physiciens s'intéressèrent plus particulièrement au noyau de l'atome
(diamètre est de l'ordre de 10-15 m).
On connaissait alors très peu de particules élémentaires. On savait que le noyau d'un atome est constitué de protons (découverts vers 1920) et de neutrons
(découverte du neutron par le physicien britannique
James Chadwick en 1932), autour duquel tournent
des électrons.
 Après 1945, la découverte de particules s'accéléra, grâce à l'étude des rayonnements cosmiques
dans un premier temps, puis aux accélérateurs de
haute énergie.
Jusqu’à cette époque, on pensait que les protons et
les neutrons étaient des particules « élémentaires »,
mais les expériences au cours desquelles les protons
entrent en collision avec d’autres protons ou électrons à grande vitesse révèlent qu’ils étaient euxmêmes composés de particules plus petites. Ces
particules furent appelées « quarks »
Le noyau de l’hydrogène, ou proton, porte une
charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon,
le neutron, qui est neutre électriquement et a sensiblement la même masse (1,67.10-27 kg). Tous deux
s’associent de façon très compacte pour constituer
les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant
notre univers. Ils s’entourent d’un cortège d’électrons
dont la charge compense exactement celle des protons. En effet, la matière est neutre sinon elle exploserait en raison de la répulsion qu’exerce l’une sur
l’autre des charges de même signe, positif ou négatif.
Il faut avoir en tête l’échelle des dimensions. Le diamètre d’un atome est voisin d’un centième de millionième de centimètre. Celui d’un noyau d’atome est
cent mille fois plus petit. On voit donc que presque
toute la masse d’un atome est concentrée en un
noyau central et que, loin sur la périphérie, se trouve
un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, les électrons. C’est ce cortège seul
qui gouverne le contact des atomes entre eux et
donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie
quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur
des atomes, en constituent la masse. »
 Nombre de particules
Les atomes
A
Z
X
 Composition de l’atome
Le symbole d’un noyau X est
▪ L’atome électriquement ..................., est composé
▪ Z est appelé ............................................
ou nombre de .......................
d’un noyau chargé ….....…...……… …………. autour
duquel se déplacent …..… …........... ……………….
chargés ………………..
▪ A est appelé nombre de .......................
 Composition du noyau
→ il donne le nombre de ............................. du noyau
▪ Le noyau est composé de 2 sortes de particules :
- les ………………… électriquement ……............……
- les ………………… électriquement ……............……
Ces particules constituent les ……………………
 Charges des particules
▪ On appelle charge élémentaire : e = ....................
nucléons
neutron
proton
→ il donne le nombre de ............................. du noyau
▪ Pour calculer le nombre de neutrons du noyau, il
faut faire .....................
▪ L’atome étant électriquement .........................., le
nombre ............................. présents dans le noyau
est égale au nombre ........................... de l’atome
atomes
Protons
Nucléons Electrons Neutrons
1
1H
12
6C
électron
Charge
électrique (C)
56
26 Fe
197
79
Au
→ L’électron et le proton ont des charges ................
Les ions
 Masses des particules
nucléons
neutron
proton
électron
▪ Un cation est un ion chargé ................................. ;
il provient d’un atome qui a ..............................un ou
plusieurs ..........................
Masse (kg)
→ Le neutron et le proton ont des masses .................
..................................
→ La masse de l’électron est ................................
devant la masse du proton : la masse du proton est
environ ................... fois plus grande que la masse
de l’électron
▪ La masse de l’atome est ................................. dans
son noyau
→ calculer la masse d’un atome, revient à calculer la
masse ......................
▪ Un anion est un ion chargé .................................. ;
il provient d’un atome qui a ..............................un ou
plusieurs ..........................
ions
63
2
29 Cu
35

17 Cl
23

11Na
16
2
8O
52
3
24 Cr
Protons
Neutrons
Electrons
Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 2
La cohésion de la matière grâce aux interactions
fondamentales
 p121 et p123
▪ Lorsqu’un corps A agit sur un corps B, alors le
corps B agit également sur le corps A :
 on dit que A et B sont en interaction
▪ Tous les édifices stables (microscopiques,
FB
A
/
telles que :


d
1
m

m

A
A
/

/
FB G
F

B
/
De très faible portée, l’interaction nucléaire faible
est responsable en particulier de la radioactivité ,
elle régit les réactions thermonucléaires qui permettent à notre soleil (et à toutes les étoiles) de produire
l’énergie qui nous fait vivre. Sa portée est très courte,
environ un millième de fermi, soit 10-18 m. c’est donc
quasiment une interaction de contact.

FB
Par quoi est combattue la répulsion électrique des
protons présents dans le noyau, qui se repoussent
puisqu’ils ont des charges électriques de même signe ? Aucune force classique, ni la force électromagnétique, ni la force gravitationnelle, ne peut expliquer cette cohésion nucléaire. On a donc la preuve
qu’il y a ici une troisième force, qu’on a appelé
l’interaction forte. Elle est très intense et de courte
portée, par opposition aux forces classiques qui sont
de faible intensité à l’échelle nucléaire, et de portée
infinie.
Quant à la portée de l’interaction forte, elle est
d’environ un fermi, soit un millionième de milliar-15
dième de mètre (10 m)
FA
L’interaction électromagnétique assure la cohésion des atomes et gouverne aussi bien les réactions
chimiques que l’optique. A l’instar de l’interaction
gravitationnelle, elle a une portée infinie, mais, étant
tantôt attractive, tantôt répulsive (selon le signe relatif
des charges en présence), ses effets cumulatifs sont
annulés à grande distance du fait de la neutralité
globale de la matière.

et

B
/
La gravitation gouverne notre vie quotidienne, de la
chute des corps au mouvement des planètes. Pourtant, son intensité est incomparablement plus faible
que celle des autres interactions, si bien qu’on peut
la négliger à l’échelle des particules. L’interaction
gravitationnelle est attractive et de portée infinie.
B
/
Pour rendre compte de tous les éléments auxquels
ils ont accès, les physiciens ont besoin de faire intervenir quatre interactions qu’ils jugent fondamentales.

attractives
FA
D’après « le Trésor. Dictionnaire des Sciences »
M Serres – N Farouki – 1997
 Deux corps sphériques et homogènes A et B de
masse "m1" et "m2", dont les centres sont distants de "d", exercent l'un sur l'autre des forces
FA
macroscopiques ou astronomiques) sont construits à partir des particules élémentaires. Ils
doivent leur cohésion à l'existence d'interactions
fondamentales
L'interaction gravitationnelle
2
2
F (N) ; d (m) ; m1 (kg) et m2 (kg)
G = 6,67.10-11 N.Kg-2m2


 Représenter les forces FA / B et FB / A
 Calculer la valeur de la force d'attraction gravitationnelle qui s'exerce entre la Terre et la Lune.
MTerre = 5,97.1024 kg ; MLune = 7,35.1022 kg
dTerre/Lune = 3,84.108 m
 Calculer la valeur de la force d'attraction gravitationnelle qui s'exerce au sein d'un atome d'hydrogène entre le proton et l'électron.
mproton = 1,67.10-27 kg ; mélectron = 9,11.10-31 kg
dproton/électron = 5,3.10-11 m
L'interaction électrique

d
1
q


2
2
F (N) ; d (m) ; qA (C) et qB (C)
k = constante dépendant du milieu
kvide = 8,99.109 SI

 Au delà de 10-14 m, l'interaction forte est négligeable devant les autres interactions; elle ne se manifeste plus à l'échelle de l'atome et à fortiori à l'échelle
macroscopique.
A
/

FBq

K
A
/
FB
B
/


B
/

telles que
FA
FA F

et
A
/
B
/

FB
FA
 Deux corps ponctuels A et B portant des charges "q1" et "q2", distant de "d", exercent l'un sur
l'autre des forces soient attractives (si les charges sont de signes opposées), soient répulsives
(si les charges sont de même signe)
 Elle est de très courte portée, de l'ordre de 10-15 m;
sur ces distances elle est 100 à 1000 fois plus intense que l'interaction électrique répulsive protonproton

 Représenter les forces FA / B et FB / A
L'interaction faible
 Une autre interaction est à l'œuvre dans les
noyaux. Cette interaction est appelée « interaction
faible ».
Cette interaction permet d’expliquer la transformation
d’un neutron en un proton ou inversement, donc de
changer la composition d'un noyau. Elle est donc
responsable de la radioactivité.
 L’interaction faible joue un rôle fondamental dans
l'univers. Sans elle, par exemple, le soleil ne pourrait
pas fonctionner car il serait incapable de fusionner
l'hydrogène en deutérium
 Calculer la valeur de la force d'interaction électrique qui s'exerce au sein d'un atome d'hydrogène
entre le proton et l'électron
qproton = 1,6.10-19 C ; qélectron = 1,6.10-19 C
dproton/électron = 5,3.10-11 m
 Comparer l’ordre de grandeur de la valeur de
cette force à l’ordre de grandeur de la valeur de la
force d’interaction gravitationnelle entre le proton et
l’électron ; que peut-on en déduire ?
L'interaction forte
 Le noyau est constitué de neutrons et de protons;
les protons portent des charges électriques de même
signe; ils subissent ainsi une répulsion électrique; ils
devraient donc s'éloigner les uns des autres.
Or ce n'est pas ce que l'on observe, puisqu'il existe
beaucoup de noyaux stables dans l'univers.
 Une autre interaction se manifeste dans le noyau
et empêche la dispersion des protons; cette interaction porte le nom d'interaction forte.
 L'interaction forte est une interaction attractive intense qui s'exerce entre les nucléons et assure la
cohésion des noyaux atomiques. Elle agit dans le
noyau : les électrons y sont insensibles
La cohésion de la matière
 A l'échelle du noyau, la cohésion de la matière
est assurée par l'interaction forte; les autres interactions sont négligeables.
 La cohésion de l'atome est due à l'interaction
électrique entre le nuage électronique négatif et le
noyau positif (l'interaction électrique répulsive électron-électron est négligeable devant cette dernière).
L'interaction forte ne s'exerce plus
L'interaction gravitationnelle est ultra négligeable.
 A notre échelle, l'interaction électrique constitue le ciment de la matière. Elle permet l'existence
des atomes (en liant les électrons aux noyaux), la
construction des édifices chimiques (molécules, ions,
macromolécules, composés ioniques …) permettant
la vie et formant la matière à l'échelle humaine.
 A l'échelle astronomique, l'interaction gravitationnelle prédomine et assure la cohésion des
corps célestes.
La terre attire les corps matériels à elle, notamment
les molécules de l'atmosphère; si cette attraction
avait été insuffisante, celles-ci se seraient dissipées
dans l'espace empêchant l'apparition de la vie.
Quand l'astre est trop léger, l'interaction gravitationnelle est trop faible pour retenir l'atmosphère (c'est la
ces de la Lune).
Le mouvement des astres dans l'espace est du à
l'interaction gravitationnelle.
La formation des galaxies, des étoiles, des planètes
est due à la gravitation; d'immenses nuages de gaz
se sont contractés sous l'effet de l'attraction gravitationnelle; c'est le même phénomène qui amorce les
réactions nucléaires dans les étoiles.
Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 3
Structure de la matière : les molécules
 p99 à p101 – p155, 156
DOC1 : stabilité des atomes
▪ Les gaz nobles sont les éléments chimiques de la dernière colonne de la classification périodique, He (hélium),
Ne (néon), Ar (argon), Kr (krypton), Xe (xénon), Rn (radon) :
-
L’hélium, très peu dense, est utilisé pour gonfler les
ballons météorologiques ; il entre également dans la
composition des mélanges gazeux pour la plongée.
Le néon permet de fabriquer des enseignes et des
tubes lumineux.
L’argon constitue l’atmosphère inerte des lampes à
incandescence (le filament de la lampe, porté à température très élevée ne « brûle » pas).
Le radon est utilisé en médecine pour le traitement de
certains cancers.
▪ Ces éléments existent à l’état d’atomes et (sauf dans des
conditions exceptionnelles) ne se combinent pas avec les
autres éléments ; ils sont chimiquement stables.
Cette stabilité chimique est directement liée à leur structure
électronique (présence d’un duet ou d’un octet d’électrons
sur la dernière couche électronique).
 Les atomes des autres éléments ne sont pas dans cet
état de stabilité. Ils ne restent donc pas à l’état d’atome et
vont se transformer en entité chimique plus stables : les
molécules, les ions. L’évolution de ces atomes s’effectue
de manière à acquérir la structure électronique particulièrement stable des gaz nobles, c'est-à-dire la structure du
« duet » ou de l’ « octet » d’électrons, sur la dernière couche électronique
DOC2 : formation des liaisons covalentes
▪ Les molécules sont des entités chimiques stables, électriquement neutres, formées d’atomes liés entre eux par
des liaisons que l’on nomme « liaisons covalentes ».
▪ Une liaison covalente entre 2 atomes et une liaison
crée par la mise en commun de 2 électrons périphériques
amenés par chacun des atomes.
DOC3 : Les représentations de Lewis
▪ Gilbert Newton Lewis 18751946) professeur à l’université de
Berkeley a introduit l’idée de la
règle de l’octet,
et proposé le modèle de partage d’une paire
d’électrons pour interpréter la liaison entre deux
atomes
▪ La représentation de Lewis d’un atome,
représente les électrons de la couche externe
d’un atome :
→ Certains de ces électrons sont représentés
par un point : ils sont dits « célibataires ».
Ce sont les « points d’attaches » des atomes :
ce sont eux qui seront engagés dans les liaisons covalentes.
→ Les autres électrons présents dans la couche externe et n’intervenant pas dans les futures liaisons sont regroupés par 2 et sont représentés par des traits, appelés « doublets non
liants ».
▪ La représentation de Lewis d’une molécule fait apparaitre l’ensemble des atomes
présents dans une molécule ainsi que tous les
électrons externes de ces atomes, regroupés
par paires, par doublets :
→ les doublets permettant de lier les atomes
entre eux (liaisons covalentes) sont appelés
« doublets liants ».
→ les autres doublets, constitués par des paires d’électrons externes ne participant pas à
une liaison chimique, sont appelés « doublets
non liants »
DOC4 : géométrie des molécules
▪ La règle de l’octet permet de déterminer
l’enchaînement des atomes, mais elle ne donne
pas d’information sur la géométrie des édifices.
Une règle simple permet de déterminer, à partir de
la représentation de Lewis, la disposition des liaisons issues d’un même atome.
Cette règle est fondée sur les propriétés des charges électriques : des charges de même signe se
repoussent ; donc les doublets d’électrons externes d’un même atome se repoussent les uns des
autres.
La structure adoptée par une molécule est donc
celle pour laquelle les doublets d’électrons externes de chaque atome s’écartent au maximum les
uns des autres : dans le cas où l’atome est entouré
de 4 doublets, il se trouve au centre d’un tétraèdre
et les doublets suivent les 4 directions joignant le
centre du tétraèdre à ses sommets
Les gaz nobles
anciennement appelés gaz rares ou gaz inertes
 Compléter le tableau suivant en indiquant la structure électronique de l’hélium, du néon et de l’argon
numéro
atomique
structure
électronique
He
Ne
Ar
2
10
18
 Quels sont les électrons qui apparaissent dans la
représentation de Lewis d’un atome ?
................................................................................
................................................................................
................................................................................
Formation des molécules
 Montrer comment se forment les molécules suivantes en regroupant 2 par 2 les électrons célibataires des atomes ; donner la représentation de Lewis
des molécules
dihydrogène
dioxygène
eau
H2
dioxyde de
carbone
CO2
cyanure
d’hydrogène
HCN
O2
H2O
eau
oxygénée
H2O2
ammoniac
méthane
éthylène
NH3
CH4
C2H4
diazote
méthylamine
N2
CH5N
 Les atomes des gaz nobles, particulièrement inertes, ne se combinent pas à d’autres atomes ; ils ne
possèdent donc pas de « points d’attaches » ; en
déduire leur représentation de Lewis
He
Ne
Ar
représentation
de Lewis
Les autres atomes
 Compléter le tableau suivant en indiquant, pour
chaque atome :
- sa structure électronique
- le nombre d’électrons qu’il doit acquérir pour se
stabiliser (règle de l’octet ou du duet)
- le nombre d’électrons célibataires
- le nombre de doublets non liants
- sa représentation de Lewis.
numéro
atomique
structure
électronique
H
C
N
O
1
6
7
8
Géométrie des molécules
e- à acquérir
e- célibataires
doublets non
liants
représentation de Lewis
 Comment peut-on expliquer la géométrie particulière des molécules ? Pourquoi les molécules ne
sont-elles pas planes ?
................................................................................
................................................................................
................................................................................
................................................................................
................................................................................
Formules topologiques
 L’écriture des formules semi-développées des
molécules peut être simplifiée en utilisant des formules topologiques :
- la chaine carbonée, disposée en zigzag, est représentée par une ligne brisée portant éventuellement
des ramifications.
- Les atomes de carbone, ainsi que les atomes
d’hydrogène liés aux atomes de carbone ne sont pas
représentés par leur symbole
- les atomes, autre que les atomes de carbone, sont
figurés par leur symbole, ainsi que les atomes
d’hydrogène qu’ils portent
Isomérie Z/E
Des molécules sont isomères si elles possèdent la même formule brute mais des formules
semi-développées différentes.
▪ Il n’y a pas de possibilité de rotation autour d’une
double liaison. Cette propriété entraîne l’existence
d’une isomérie particulière, l’isomérie Z/E
 Pour
qu’une isomérie Z/E existe,
la molécule doit être sous la forme :
R1
C
CH3
CH CH
CH3
C
CH C
HO
C
Si les substituants les
plus légers sont du même
coté : isomère Z
(zusammen)
CH CH3
CH2
CH CH
O
C
- la molécule doit contenir au moins R
R4
2
une double liaison C = C, avec des
substituants R1, R2, R3, R4 tels que R1 ≠ R2 et que
R3 ≠ R4
CH3
 Déterminer la formule topologique de l’ibuprofène
R3
Si les substituants les
plus légers sont opposés :
isomère E (entgegen)
C
CH2 CH3
C
H
CH3
H
CH2 CH3
C
C
CH3
CH3
 Identifier les deux isomères Z et E du but-2-ène
parmi les formules ci-dessous :
H
H
C
 Déterminer la formule développée de la tyrosine à
partir de sa formule topologique
CH3
C
C
CH3
Isomère ..............
O
CH3
H
H
C
CH 3
Isomère ..............
▪ La molécule ci-dessous est une phéromone qui
NH2
OH
permet d’attirer des papillons mâles dans des pièges,
limitant ainsi la prolifération de cette espèce nuisible
pour les pins.
OH
 Quelles liaisons doubles présentent une isomérie
Z/E ? .........................
 Ces liaisons doubles sont-elles Z ou E ?
.................................................................................
.................................................................................
Polarité d’une molécule
 Une liaison covalente entre 2 atomes résulte de la
mise en commun par chaque atome d'un électron de
sa couche électronique externe.
Certains atomes, engagés dans une liaison
covalente, ont tendance à attirer les électrons de
la liaison : ils sont dits ...................................
On dit qu’une molécule est polaire quand le
centre géométrique des charges partielles positives n’est pas confondu avec le centre géométrique des charges partielles négatives.
 Indiquer si les molécules suivantes sont polaires
H
H
H
Cl
H
H
H
O
C
O
H
H
C
H
C
H
Les éléments les plus électronégatifs sont situés en
haut à droite de la CPE (excepté la 8ième colonne des
gaz rares).
Les éléments situés en bas à gauche sont les moins
électronégatifs.
O
H
C
C
H
H
C
H
C
H
H
H
 Les molécules organiques présentent souvent des
géométries complexes, ce qui rend difficile l’étude de
la répartition des charges partielles. En première
approximation, le caractère polaire ou apolaire d’un
solvant organique est déterminé par la présence
d’atomes très électronégatifs.
L'électronégativité des éléments augmente
............................................... dans une même ligne
et ............................................... dans une colonne
du tableau périodique.
Un solvant organique dont les molécules
Une liaison covalente est dite ......................
→ L’éthanol de formule C3H6O est un solvant polaire
lorsqu’elle unit deux atomes d’électronégativité
très différente
comportent un atome très électronégatif N, O, F
ou Cl est généralement polaire.
H
H
 Quand une liaison chimique est polarisée, on dit
que :
- l’atome le plus électronégatif porte une charge électrique partielle négative notée : δ–
- l’atome le moins électronégatif porte une charge
électrique partielle positive notée : δ+
 Déterminer la position des charges partielles dans
la molécule d’eau
C
H
O
H
Les solvants hydrogénocarbonés (uniquement constitués d’atome de carbone et d’hydrogène)
sont considérés comme apolaire car les électronégativités du carbone et de l’hydrogène sont
très proches.
→ Le pentane C5H12 est un solvant apolaire
CH2
CH3
CH2
CH2
CH3
Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 4
Cohésion des solides moléculaires
 p 157, 158 – p172, 174
« Le fait que les molécules ne se déplacent pas
toujours librement comme elles le font à l'état gazeux
mais qu'elles forment aussi des liquides et des solides, signifie qu'il existe des interactions entre elles.
Ainsi, le fait que l'eau soit liquide à la température
ambiante est la manifestation que les molécules
d'eau adhèrent les unes aux autres. Pour faire bouillir
l'eau nous devons apporter suffisamment d'énergie
pour écarter les molécules les unes des autres.
[…] Les molécules sont composées d'atomes euxmêmes constitués d'un minuscule noyau central
chargé positivement, entouré d'un nuage d'électrons
chargé négativement. Nous devons nous imaginer
que ce nuage n'est pas figé dans le temps. Au
contraire, il est comme un brouillard mouvant, épais
à un endroit donné à un certain instant et léger au
même endroit l'instant suivant. Là où brièvement le
nuage s'éclaircit, la charge positive du noyau arrive à
percer. Là où brièvement le nuage s'épaissit, la
charge négative des électrons surpasse la charge
positive du noyau. Lorsque deux molécules sont
proches, les charges résultant des fluctuations du
nuage électronique interagissent ; la charge positive
du noyau qui pointe par endroit est attirée par la
charge négative partiellement accumulée dans la
partie dense du nuage électronique. De ce fait les
deux molécules adhèrent. Toutes les molécules interagissent de cette façon, toutefois la force de l'interaction est plus grande entre les molécules contenant
des atomes possédant beaucoup d'électrons comme
le chlore et le soufre. »
« Le parfum de la fraise », Peter Atkins, Dunod
Les solides moléculaires
 Un solide moléculaire est un solide constitué de
molécules. Si les molécules du solide moléculaire
sont arrangées de façon ordonnée, il est cristallin
(cas de la glace, du sucre) sinon il est dit amorphe
(cas du verre et des polymères)
 La cohésion des solides moléculaires est assurée
par deux types d’interactions moléculaires :
- ...................................................
- ...................................................
Les interactions de Van der Waals
 Dans les molécules, les électrons n’ont pas de position définie et sont en mouvement incessant autour
des noyaux au sein du nuage électronique.
 À un instant donné, ces électrons
peuvent être plus proches de l’un
des noyaux de la molécule que
d’un autre ; cela crée une déformation du nuage électronique avec un
excédent d’électrons d’un coté
(coté devenant momentanément négatif δ–) et un
défaut d’électrons de l’autre (coté devenant momentanément positif δ+).
Des interactions électrostatiques apparaissent alors
entre les molécules. Ces interactions changent à tout
instant, mais leurs effets sont permanents
Les interactions entre les molécules qui assurent la cohésion des solides moléculaires sont
appelées interactions de Van der Waals ; elles
sont d'autant plus importantes que les molécules
sont volumineuses.
Les interactions de Van der Waals sont de
type électrostatique et se manifestent à courte
distance; les valeurs des forces sont faibles.
Les liaisons hydrogène
 Dans certains cas, des interactions attractives supplémentaires s’ajoutent aux interactions de Van der
Waals : ce sont les liaisons hydrogène.
 La liaison hydrogène intervient lorsque dans une
molécule l'atome d'hydrogène est uni à un atome A
très électronégatif (O, N, F).
δ–
Dissolution d’un composé moléculaire
Voir TP
Dissolution d’un soluté polaire dans
un solvant polaire
 Prenons l’exemple de la dissolution du sucre
dans de l’eau
δ+
HO
HO
 Il s'ensuit que l'unique électron de l'hydrogène se
déplace vers l'atome A, ce qui fait de l'hydrogène un
pôle positif capable d'attirer le doublet libre d'un autre
atome électronégatif B d'une molécule voisine. Cette
attraction est purement de nature électrostatique.
L'atome H assure ainsi, comme un pont, la liaison
entre l'atome A et l'atome B d'une autre molécule.
La liaison hydrogène est une interaction
électrostatique attractive.
HO
CH
CH
OH
CH2
CH2
O
CH
OH
CH
CH
CH
CH
O
O
OH
C
CH
CH2
OH
OH
→ Indiquer les doublets non liants de la molécule de
saccharose, puis indiquer les molécules d’eau liées à
la molécule de saccharose par des liaisons hydrogène
C12H22O11 (s) → C12H22O11 (aq)
Elle se forme lorsqu’un atome d’hydrogène
lié à un atome très électronégatif (N, O, F), interagit avec un atome également très électronégatif,
d’une autre molécule, et porteur d’un doublet non
liant
Les solutés moléculaires polaires sont très
→ Indiquer, en pointillés, la liaison hydrogène reliant
les 2 molécules d’eau, les 2 molécules d’ammoniac
et les deux molécules de fluorure d’hydrogène
Dissolution d’un soluté apolaire dans
un solvant apolaire
solubles dans les solvants polaires grâce aux
liaisons hydrogène qui s’établissent entre les
molécules de soluté et de solvant
Les solutés moléculaires apolaires ou peu
polaire sont généralement solubles dans les solvants apolaires grâce aux liaisons de Van der
Waals qui s’établissent entre les molécules de
soluté et de solvant
 Les liaisons hydrogènes sont plus intenses que les
liaisons de Van der Waals mais beaucoup moins
intense qu’une liaison covalente.
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/proprie/liaisonHydro.html
La liaison hydrogène est une liaison dont peu de monde soupçonnait l'importance, il y a
quelques années encore. Pourtant, on pourrait la baptiser "la liaison de la vie", au même titre
que l'on pourrait baptiser H2O "la molécule de la vie", tellement toutes deux jouent un rôle
central dans les processus biologiques au niveau moléculaire.
La molécule H2O est capable de développer des liaisons hydrogène. Mais elle n’est pas la
seule : la plupart des molécules polaires, en particulier les molécules biologiques, peuvent le
faire et se lier ainsi entre elles ou avec des molécules d’eau. Toutes les molécules possédant
des groupes carbonyles (C=O) polaires peuvent également se lier par liaisons hydrogène aux
molécules d’eau. Mais la petite molécule d’eau est capable d’établir jusqu’à quatre de ces
liaisons. Dans l'eau liquide ou la glace, où il n’y a que des molécules d’eau, cela permet d’avoir
un nombre de liaisons hydrogène particulièrement élevé : autant que de liaisons de valence.
C’est ce qui donne à l'eau ses propriétés physiques exceptionnelles (au voisinage de
0° Celsius, elle se contracte quand on la chauffe et devient plus fluide quand on la comprime),
et ses propriétés chimiques non moins exceptionnelles (elle est unique pour dissoudre les sels,
acides ou bases en les dissociant en ions positifs et négatifs, etc....).
Quelles propriétés possèdent donc la liaison hydrogène pour donner de tels effets?
Elle en a deux, plus une troisième, certainement aussi cruciale, mais encore peu connue :
1 - Comme les liaisons de valence, la liaison hydrogène est directionnelle : elle s’aligne dans
l’axe de la liaison de valence qui lui est associée. Par exemple, dans l’eau, les 3 atomes O, H et
O de la liaison O-H.......O sont alignés. Cette propriété permet d'avoir des architectures
moléculaires très bien définies, comme dans la glace ou dans l'eau à courte distance, ou
encore dans les molécules biologiques telles que les protéines, ou l'ADN dont les deux brins
sont liés entre eux par liaisons hydrogène.
2 - L’énergie de formation de la liaison hydrogène est de l'ordre des énergies mises en jeu dans
les fluctuations thermiques à la température ambiante (27° Celsius). Aussi, de telles liaisons
peuvent-elles se tordre, se rompre ou se restaurer à cette température. Cette propriété donne
aux architectures moléculaires assemblées par liaisons hydrogène, souplesse et possibilité
d'évoluer à la température ambiante, ce que ne peuvent faire les liaisons de valence, beaucoup
trop énergétiques et donc complètement rigides à cette même température. Or, cette souplesse
et ces possibilités d'évolution sont indispensables aux molécules biologiques. C'est aussi cette
souplesse de la liaison hydrogène et la grande polarité de la molécule d’eau qui vont, par
exemple, permettre à l'eau de construire autour d'un ion un écran de molécules H2O souple,
résistant et couvrant tout l'espace autour de cet ion, l’empêchant de se combiner à nouveau
avec des ions de signe opposé et le maintenant "dissous" au sein de l'eau. Beaucoup de
molécules constituantes d'autres liquides sont aussi polaires. Mais incapables d'établir
suffisamment de liaisons hydrogène entre elles dans tout l'espace, pour former un réseau
souple et résistant, elles sont incomparablement moins efficaces que l’eau pour dissoudre sels,
acides ou bases.
3 - Enfin, la liaison hydrogène est capable de transférer des ions H+ entre les molécules qu'elle
lie. Cette propriété est très importante car elle est à l’origine de la réactivité des milieux aqueux.
Sans elle, ceux-ci seraient inertes et la vie ne serait pas possible, car les molécules biologiques
doivent en permanence réagir pour rester actives. On soupçonne que ce sont les molécules
H2O qui autorisent ces transferts d’ions H+ en établissant certaines liaisons hydrogène
spécifiques, en d'autres termes qu'elles donnent le feu vert pour que des molécules telles que
des protéines puissent réagir. C'est peut-être là leur rôle fondamental, et ce serait grâce à cela
que la vie est née dans l'eau et s'y poursuit
Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 5
Cohésion des solides ioniques
 p 155 – p 173
Structure et cohésion
 De nombreux composés solides
présentent des formes régulières :
en examinant à la loupe du gros sel
marin, on remarque une multitude
de petits cubes de sels assemblés
en pyramides ; cette régularité est
la conséquence d'un arrangement ordonné des ions
constituant le cristal.
Un cristal ionique est un solide composé
.................................................................................
.................................................................................
 Dans un cristal ionique, les ions exercent les uns
sur les autres des forces d'interaction électrostatique
soient attractives, soient répulsives.
Cependant, les ions sont répartis de telle façon que
les attractions l'emportent sur les répulsions.
(En effet, chaque ion est en contact avec des ions de
charge opposée. Les forces d'interaction coulombienne entre l'ion et ses plus proches voisins sont
donc attractives).
L'ensemble des interactions ...........................
maintient les ions à leur place au sein du cristal,
ce qui lui confère ......................................................
Formule statistique du cristal
Le composé ionique, électriquement neutre,
contient autant de charges ........................... que
de charges ..................................
Dissolution d’un composé ionique
La dissolution d’un composé ionique nécessite un solvant polaire (eau, éthanol, acétone)
afin que des interactions électriques puissent se
faire entre le soluté et le solvant
 la dissociation
 Quand on ajoute du
chlorure de sodium
dans l'eau, les molécules d'eau grâce à leur
caractère polaire, entrent en interaction
avec les ions Na+ et Claffaiblissant, puis rompant totalement les
liaisons ioniques qui assuraient la cohésion du système cristallin; celui-ci se disloque.
 la solvatation
Par attraction électrostatique, les ions passés en solution s'entourent d'un "bouclier" de
molécules d'eau, qui les empêchent alors de se
rapprocher les uns des autres pour former des
liaisons entre eux.
C'est le phénomène de solvatation; on le nomme
également hydratation dans le cas ou le solvant
est l'eau.
 Le nombre de molécules
d’eau autour de l’ion et leur
disposition dépendent de la
charge de l’ion et de sa
taille
Sa formule, dite formule statistique, indique la
nature et la proportion des ions présents sans en
mentionner les charges
Un composé ionique ne se dissout pas dans un solvant apolaire puisque l'absence d'interactions coulombiennes ne permet pas la dissociation et la solvatation du soluté
chlorure de calcium
ClCa2+
carbonate de potassium
CO32K+
sulfure d'aluminium
S2Al3+
nitrate de cuivre I
NO3Cu2+
sulfate de fer III
 Les ions hydratés sont notés avec le qualificatif
(aq). Ainsi Na+(aq) symbolise un ion sodium entourés
de molécules d'eau.
SO4
2-
Fe
3+
NaCl (s)  Na+(aq) + Cl-(aq)
 la dispersion
 Sous l’effet de l’agitation thermique, les ions hydratés s’éloignent peu à peu : ils se dispersent dans
l’eau
Les concentrations
Relation entre concentration molaire et massique
l
C
a
C
n
o
i
u
l
o

M
l
C
a
C
2
2
C
é
t
u
l
o
s

ou
m
M
6
 24 g.L-1
0,25
C
Vsolution


é
t
u
l
o
s
m CaCl2

M
Cm 
C
m
EXEMPLE : On dissout 6,0 g de chlorure de calcium
solide CaCl2(s) dans de l'eau distillée; le volume total
de solution obtenue est de 250 mL

sont reliées par les relations :
n
o
i
t
u
l
o
msoluté (g) ; Vsolution (L) ; Cm (g.L-1)
2
Les concentrations molaire et massique
C
é
t
u
l
o
s
m Vs
m
C


2
La concentration massique en soluté apporté d’une solution est égale au quotient de la
masse de soluté introduit par le volume de la
solution
2
n Vs


l
C
a
C

l
C
a
C
n
o
M
i
t
u
l
o
s
lV
C
a
C
2
n

n
m
C
l
o M
C
i
u
a
l
o
C
m Vs C
m
C
Concentration massique en soluté apporté
Concentration en ions d’une solution ionique
 La concentration en soluté apporté se réfère à ce
qui a été introduit dans le solvant et non pas à ce qui
est effectivement présent en solution.
La concentration molaire d'une espèce X
Concentration molaire en soluté apporté
X
X
n V
présente en solution est égale au quotient de la
quantité de matière de cette espèce dans la solution par le volume de la solution
 
La concentration molaire en soluté apporté
é
t
u
l
o
C
n
o
i
t
u
l
o

nsVs
d’une solution est égale au quotient de la quantité de matière de soluté introduit par le volume de
la solution
nsoluté (mol) ; Vsolution (L) ; C (mol.L-1)
EXEMPLE : Etudions le cas de la dissolution du chlorure de calcium, soluté ionique, dans de l’eau ; la
solution contient les ions chlorure Cl- et calcium Ca2+
CaCl2 (s)  Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq)
1 mol
1 mol
2 mol
D’après les coefficients de l’équation, 1 mol de CaCl2
forme une mol d’ions Ca2+ et 2 mol d’ions Cl-
2
l
C
a
C
= 0,22 mol.L-1
 2
C
2
2
C


 2
n
l
C


l
C
a

2
C
n V
6
 0,22 mol.L-1
111  0,25
 

l
C
aV
C
MCaCl2  Vsolution
et
n
m CaCl2
lV
C
Vsolution

a
CV
MCaCl2
2
n
Vsolution


2
n
C
n CaCl2
2
l
C
C
a
C

m CaCl2

n
2
l
C
a
C
a
C
Donc :
M = 111 g.mol-1
n
n
EXEMPLE : On dissout 6,0 g de chlorure de calcium
solide CaCl2(s) dans de l'eau distillée; le volume total
de solution obtenue est de 250 mL;
nX (mol) ; Vsolution (L) ; [X] (mol.L-1)
= 0,44 mol.L-1
Thème 1 : Cohésion de la matière
Chap 6
Influence des liaisons intermoléculaires sur les
températures de changement d’état
 p 188 à 191
Les alcanes et les alcools
Les alcools
Les alcanes
Un alcool est un composé organique dont la
molécule possède un groupe ..................................
porté par un atome de carbone ......................
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés
(contenant uniquement des liaisons carbone-carbone
simples) acycliques (formés de chaînes ouvertes,
linéaires ou ramifiées) et qui ont pour formule
brute
n=1
n=2
n=3
n =5
 Nomenclature
(1) Le nom d'un alcane linéaire est constitué d'un
 Nomenclature
 Dans la nomenclature des alcools, on utilise les
règles énoncées pour les alcanes, avec en plus :
- le nom final termine par ..........
- il faut indiquer (si nécessaire) la position de la fonction OH
- la numérotation de la chaine carbonée principale
est imposée par la position de la fonction OH
CH3 OH
préfixe qui indique le nombre d'atomes de carbones
de la chaîne suivi de la terminaison ............
1
2
3
4
OH
5
7
8
9
10
CH3
OH
CH2
CH3
CH
6
CH2
CH3
CH
CH3
HO
 Formules brute, et semi-développée du propane
CH2 CH3
CH
CH3
Les changements d’état
Les états de la matière
(2) Si l’alcane n’est pas linéaire, on applique les
règles suivantes :
-
-
CH3
CH2
CH3
CH2 CH3
CH3
CH2
CH
CH2
CH3
CH2
CH
CH3
▪ Les espèces chimiques se
on cherche la chaîne la plus longue
on repère les groupements alkyles
—CH3
méthyle
—C2H5
éthyle
—C3H7
propyle
on numérote la chaîne afin que les groupements
alkyles aient le + petit chiffre possible
CH2
CH3
C
CH3
CH
CH3
trouvent dans l’un des trois
états : solide, liquide ou gaz
▪ Si au niveau macroscopique la
matière semble immobile, au
niveau microscopique elle ne
l’est jamais totalement.
 L’état solide est caractérisé
par des molécules ou des ions
en contact les uns avec les autres, dans un empilement compact, en vibration constante autour d’une position
d’équilibre.
 L’état liquide est caractérisé par des molécules
ou des ions en contact les uns avec les autres, dans
un arrangement irrégulier et en mouvement constant.
Lors d’un chauffage, l’énergie thermique
 L’état gazeux est caractérisé par des molécules
ou des ions éloignés les uns des autres (la distance
les séparant étant supérieure à la taille des molécules ou des ions), en mouvement constant.
- conduire à une élévation de température avec
rupture de liaisons moléculaires (hydrogène ou de
Van der Waals) et accroissement de l’agitation
des molécules
apportée à un corps pur moléculaire peut :
- provoquer un changement d’état avec seulement rupture de liaisons moléculaires, la température restant alors constante.
Températures de changements
d’états
▪ Les températures de changement d’état d’un com-
Evolution de l’état de la matière lors
du chauffage d’un solide
 Que se passe t-il lorsque l’on chauffe de la
glace ?
 L’énergie thermique apportée par le chauffage augmente l’agitation des molécules ; la température du solide
s’élève.
 Quand cette agitation est
suffisante (à 0°C), certaines
liaisons
hydrogène
« lâchent » et l’édifice cristallin
se disloque : c’est la fusion
Au cours de la fusion, toute
l’énergie thermique fournie
au cristal est utilisée pour
rompre des liaisons hydrogène donc l’agitation des
molécules n’augmente pas : la température reste
constante à 0°C sous la pression atmosphérique.
 Une fois, la « glace » entièrement liquide,
l’agitation thermique croit à nouveau et la température augmente.
Les liaisons hydrogène existant entre les molécules
d’eau sont de moins en moins nombreuses et disparaissent entièrement, lorsque à 100°C, se produit la
vaporisation, à température constante.
 Une fois l’eau entièrement vapeur, l’agitation
thermique croit à nouveau.
Lee molécules de gaz n’interagissant plus, l’énergie
thermique reçue est entièrement transformée en
énergie cinétique et leur vitesse augmente.
posé sont directement liées au type de forces intermoléculaires (hydrogène ou de Van Der Waals) qui
agissent dans le composé ainsi qu’à leur intensité.
Plus les liaisons intermoléculaires sont importantes, ..................................................................
....................................................................................
....................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
Les changements d’états de l’eau
Températures de changement d’état de l’eau et
d’une molécule de structure voisine
ébullition
fusion
H2O
0°C
100°C
H2S
- 86°C
- 61°C
▪ Le soufre est peu électronégatif : les molécules H2S
sont liées entre elles par des liaisons de Van Der
Waalls et non d’hydrogène (comme pour les molécules d’eau).
Les nombreuses liaisons hydrogène entre
les molécules d’eau ................................................
..................................................................................
Les températures de changement d’état de l’eau
sont donc .................................. par rapport à celles d’espèces de structure voisine.
Les changements d’états des alcanes
Les alcanes linéaires
Températures de
fusion et d’ébullition
des alcanes linéaires,
sous la pression
atmosphérique, en
fonction du nombre
d’atomes de carbone
dans la chaine carbonée
Les températures de fusion et d’ébullition
des alcanes linéaires ............................... lorsque
le nombre « n » d’atomes de carbone de la chaîne
carbonée .........................
▪ Les molécules d’alcanes ramifiés
sont plus ........................ les unes
des autres que leur isomère linéaire.
Elles sont dont .................... fortement liées et sont donc ...............
facile à séparer que les molécules
isomères linéaires : les alcanes ramifiés sont plus volatils (température
d’ébullition basse)
Les changements d’états des alcools
Températures
d’ébullition des alcanes linéaires
CnH2n+2 et des alcools CnH2n+1OH ,
sous la pression
atmosphérique
▪ La cohésion des alcanes (molécules apolaires) à
l’état liquide et solide est assurée par des liaisons
.................................
▪ Plus les chaines carbonées des molécules sont
grandes, plus les liaisons entre molécules .................
............................................................................
L’énergie thermique qu’il faut fournir pour atteindre la
fusion et l’ébullition est alors ......................................
et les températures de changement d’état ..................
........................................
▪ Comme pour les alcanes, la longueur de la chaine
carbonée influe sur les températures de changement
d’état.
La température d’ébullition des alcools
............ avec la longueur de leur chaine carbonée.
Les alcanes ramifiés
Les alcools ont des températures d’ébulli-
ébullition de C4H10
- 0,5°C
- 10°C
36°C
ébullition de C5H12
25°C
tion ............................. à celles des alcanes de
même chaine carbonée : ils sont ........... volatils
9°C
Les températures d’ébullition d’alcanes
isomères sont ..........................................................
......................................................................
▪ Cette différence résulte de liaisons hydrogène,
dues au groupe hydrohyle –OH entre les molécules
d’alcools
Thème 1 : Cohésion de la matière
Exercices
Chap2 :
Les interactions fondamentales
Chap1 :
Les particules élémentaires
G =6,7.l0-11 SI ; k = 9,0.109 SI
EX1
EX1
1) Compléter le tableau suivant
Charge (C)
qn = 0 C
qp = 1,6.10-19 C
qe = -1,6.10-19 C
Masse (kg)
mn = 1,675.10-27 kg
mp = 1,673.10-27 kg
me = 9,11.10-31 kg
2) Le noyau de chrome a pour symbole
52
24 Cr
- Calculer la masse du noyau de chrome puis de
l’atome de chrome ; que constate-t-on ?
- Pourquoi appelle-t-on « nombre de masse » (noté
A), le nombre de nucléons du noyau ?
Masses (en kg) :
Phobos : 1,1.1016 ;
Mars : 6,5.1023 ;
24
5,98.10
Soleil : 1,99.1030 ; satellite : 316
Terre :
1) Phobos, satellite de Mars, est un gros rocher,
quasi sphérique qui est en orbite autour de Mars à
une distance de 9,4.103 km de son centre.
- Calculer la valeur de la force exercée par Mars sur
Phobos.
2) La Terre gravite autour du soleil sur une orbite
quasi circulaire de rayon 150 millions de km.
EX2
Le noyau d’aluminium a pour symbole
27
13 Al
- Donner le nombre et le nom de particules dans le
noyau et dans l’atome d’aluminium
- Calculer la masse de l’atome d’aluminium
- Quelle est la charge de l’ion aluminium Al3+ ?
EX3
Le noyau d’un atome de mercure est caractérisé par
des valeurs Z = 80 et A = 200.
- Comment appelle-t-on Z et A ? Que représententils ?
- Donner la représentation symbolique de cet atome
et indiquer sa composition.
- Calculer la charge électrique du noyau
- Calculer la masse de cet atome.
EX4
La masse de tous les électrons d’un atome est de
5,5.10-30 kg
- Combien d’électrons possède cet atome ?
- Déterminer, en justifiant, la valeur du numéro atomique de l’atome.
EX5
- Calculer la valeur de la force d’interaction qui existe
entre la Terre et le Soleil
3) Calculer l’intensité de la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur un satellite de
masse 316 kg distant de 42 200 km du centre de la
Terre
EX2
Le symbole d'un noyau d’azote est 147 N
1) Déterminer sa masse et sa charge.
2) Calculer l'intensité de l'interaction électrique entre
ce noyau et un électron situe à environ 50 pm.
3) Quelle masse ce noyau devrait-il avoir pour que
l'interaction gravitationnelle soit égale à l'interaction
électrique ?
EX3
1) Quelle est la composition du noyau d'un atome de
lithium 63 Li ?
2) Deux protons sont éloignés de 2,32.10-15 m
La charge du noyau de l’atome de silicium a pour
valeur 2,24.10-18 C.
- Calculer la valeur de la force d'interaction gravitationnelle qui s'exerce entre les deux protons
- Calculer la valeur de la force d'interaction électrique
qui s'exerce entre les deux protons
- Exprimer la charge du noyau en fonction de la
charge élémentaire.
- Que peut-on déduire de ce résultat ?
3) Justifier de la nécessité d'un troisième type d'interaction pour expliquer la stabilité du noyau de lithium.
EX4
EX3
Les questions sont indépendantes
OH
1) Deux objets A et B, suffisamment petits pour être
assimilés à des points, portent les charges qA =
8,0.10-17 C et qB = - 2 qA ; ils ont séparés d’une distance de 1,0 nm
- Sans calculatrice, donner un ordre de grandeur de
l’intensité de la force répulsive entre les 2 objets
- Ecrire la formule semi-développée des molécules
précédentes
H
EX4
2) Deux boules métallisées A et B, supposées ponctuelles, distantes de 7,5 cm, portent des charges
telles que qA = 2,0.102 nC et qB= - 4,0.102 nC
- Calculer la valeur de la force électrique qu’exerce A
sur B
3) Calculer la valeur de la force d’interaction électrostatique entre deux noyaux de chlore de numéro atomique Z = 17, distants de 198 pm dans la molécule
de dichlore
4) Deux particules identiques, supposées ponctuelles
A et B distantes de AB = 5,0 cm, portent la même
charge q.
La valeur de la force exercée par la charge placée en
B sur la charge placée en A est:
FB/A = 5,0.10-6 N.
- Déterminer la charge q en coulombs (C).
5) L’intensité da la force électrostatique agissant
entre deux charges identiques de 100 nC est F = 10
mN
H
EX5
- Donner la structure électronique de ces atomes; en
déduire leur valence
- Donner la formule de Lewis des molécules suivantes :
sulfure d’hydrogène H2S ; silane SiH4 ;
phosphine PH3 ; chlorosilane SiH3Cl
- Prévoir la géométrie des molécules
EX2
CH
CH2
CH2
CH3 CH
OH
CH CH CH2
C
C
H
H
N
C
O
C
H
C2H5
H
C
H
C
C
O
(CH2)6
O
C
CH3
EX7
L’anéthole est une molécule qui présente une isomérisation Z/E. L’isomère E est présent dans le fenouil
et l’anis. Sous l’action de la lumière, il s’isomérise en
(Z)-anéthole, un composé à l’odeur désagréable.
CH
O
CH
N
Pour endiguer l’infestation des forêts par les chenilles
processionnaires, on installe des pièges à phéromones pendant la période de reproduction. Ce type de
piège imite l’odeur des papillons femelles et les mâles tournent autour de lui jusqu’à épuisement.
La molécule ci-dessus une phéromone sexuelle de
processionnaire du pin.
C
CH
C
CH
- Donner la formule topologique des molécules
CH3
C
EX6
H3C
NH2
O
C
- Quelles liaisons doubles présentent une isomérie
Z/E ?
- Ces liaisons sont-elles Z ou E ?
numéros atomiques de quelques atomes :
S : Z = 16 ; Si : Z = 14 ; P : Z = 15 ; Cl : Z = 17
CH3
N
C
- La molécule peut-elle présenter une isomérie Z/E
autour de la première double liaison? Autour de la
seconde?
- Dessiner tous les isomères Z ou E de cette molécule.
H
EX1
H
H
C
Chap3 :
Structure de la matière : les molécules
N
C
Le penta-1,3-diène a pour formule semi-développée:
H
- Quelle distance sépare les deux charges ?
H
Donner la formule semidéveloppée et la formule topologique de la molécule de ca- H
féine ci-contre
C O
CH
CH
CH
CH3
H
- Repérez la liaison double à l’origine de l’isomérie
Z/E.
- Représentez la formule topologique du (Z)anéthole.
- Pourquoi les boisons anisée sont-elles stockées
dans des bouteilles opaques ou teintées ?
EX8
1) Indiquer si que les molécules de dioxyde de soufre
EX1
Écrire l’équation chimique de la dissolution dans
l’eau de chacun des composés ioniques suivants,
puis donner la formule des solutions ioniques obtenues
- carbonate de sodium ; nitrate de zinc ; sulfate
d’aluminium ; chlorure de baryum; bromure de cuivre;
nitrate d’argent ; hydroxyde de cuivre ; thiosulfate de
sodium
et de carbure de béryllium sont polaires ou non
S
EX2
Be C Be
O
O
2) Indiquer si les molécules suivantes sont polaires
ou apolaires
CH2
CH3
CH3
CH
CH3
CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
CH2
CH3 CH2 OH CH3 CH2 NH2
On mélange une solution de nitrate d’argent et une
solution de chromate de sodium. On observe la formation d'un précipité rouge.
On mélange une solution de nitrate de potassium et
une solution de chlorure de sodium. Il ne se forme
pas de précipité.
- Déterminer la formule chimique et le nom du précipité observe lors du premier mélange.
EX3
On prépare trois solutions de même concentration
molaire en soluté apporte 5,0.10-3 mol.L-1, en dissolvant dans l'eau respectivement du sulfate de potassium, du phosphate de potassium et du sulfate
d’aluminium
Chap4 :
Cohésion des solides moléculaires
EX1
Indiquer le type de liaison intermoléculaire dans de
l’iodure d’hydrogène HI, du méthane CH4, de l’eau
oxygénée H2O2, du chloroforme CH3Cl, du sulfure
d’hydrogène H2S
- Donner la notation de chacune des solutions et
déterminer la concentration effective des ions en
solution dans chacun des cas.
EX4
Le sérum physiologique est une solution composée
d’eau distillée et de chlorure de sodium à raison de
45 mg par dosette de 5,0 mL
- Ecrire l’équation de dissolution du chlorure de sodium dans l’eau
- Donner la formule de la solution de chlorure de
sodium
- Calculer la concentration massique en chlorure de
sodium
- Calculer la concentration molaire de la solution
- En déduire la concentration molaire en ions présents dans la solution
Chap5 :
Cohésion des solides ioniques
sodium
+
2+
Na
Fe
baryum
2+
potassium
+
Ba
K
phosphate
PO4
Fer 2
Fer 3
aluminium
3+
3+
Fe
Al
cuivre
argent
2+
+
Cu
Ag
zinc
Zn2+
ammonium
NH4+
bromure
hydroxyde
thiosulfate
Br-
OH-
S2O3
3-
2-
chromate
chlorure
nitrate
sulfate
carbonate
CrO42-
Cl-
NO3-
SO42-
CO32-
EX5
On dissous 26,8 g de chlorure de baryum dans de
l'eau et on obtient 250 mL de solution.
- Ecrire l’équation de dissolution du chlorure de baryum dans l’eau
- Donner la formule de la solution de chlorure de
baryum
- Calculer la concentration massique en chlorure de
baryum
- Calculer la concentration molaire de la solution
- En déduire la concentration molaire en ions présents dans la solution
EX6
Pour chacune des préparations suivantes, indiquer la
masse de soluté à peser, l’équation de dissolution
puis les concentrations molaires en ions dans la solution
(a) On désire préparer 100 mL d’une solution de
nitrate de cuivre de concentration 0,20 mol.L-1
(b) On souhaite préparer 100,0 mL de solution de
sulfate de zinc de concentration 1,5.10-2 mol.L-1 en
soluté apporté ZnSO4,7H2O
(c) On veut préparer 100 mL de solution de chlorure
de fer (III) de concentration molaire en soluté apporté
0,25 mol.L-1
EX7
On veut préparer 500 mL d'une solution aqueuse de
permanganate de potassium de concentration molaire en soluté apporte 1,0.10-2 mol.L-1 a partir de
cristaux de permanganate de potassium KMnO4
1) Décrire précisément le mode opératoire à suivre
pour préparer cette solution.
2) Donner les concentrations molaires en ions dans
la solution
3) A partir de la solution précédente, on souhaite
fabriquer 100 mL d'une solution dix fois moins
concentrée. Décrire le mode opératoire.
EX8
Pour lutter contre les incendies de forêt, il est possible de larguer sur la végétation qui ne s’est pas encore enflammée un produit ignifugeant comme une
solution de phosphate d’ammonium à la concentration massique de 65 g.L-1
1) Trouver la formule du phosphate d’ammonium
3) En utilisant les coefficients de l’équation, déterminer les quantités de matière de cuivre et d’ions aluminium qui se forment
4) Déterminer la masse de cuivre formé.
5) Calculer la concentration molaire en ions aluminium dans la solution, sachant que le bécher contient
50 mL de solution
EX10
Pour activer la fermentation du vin, on peut ajouter
du sulfate de potassium.
Cette opération appelée plâtrage du vin est autorisée, à condition que la concentration massique en
ions sulfate SO42- dans le vin, ne dépasse pas
1,1g.L-1
Cette concentration peut être déterminée à l’aide de
la réaction de précipitation des ions sulfate SO42- par
les ions baryum Ba2+.
1) Ecrire l’équation de la réaction de précipitation
2) On prélève 100 mL de vin que l’on introduit dans
un bécher, puis on ajoute une solution de chlorure de
baryum de façon à ce que les ions Ba2+ soient en
excès ; on recueille le précipité, on le sèche et on le
pèse.
On obtient m = 0,42 g
- Déterminer la quantité de matière de précipité obtenu
- A l’aide des coefficients de l’équation, déterminer la
quantité de matière d’ions sulfate présente dans le
prélèvement initial
- Déterminer la concentration molaire en ions sulfate
dans le vin
- Calculer la concentration massique en ions sulfate
dans le vin ; peut-on autoriser la commercialisation
de ce vin ?
solide ; en déduire sa masse molaire.
2) Ecrire l’équation de dissolution du phosphate
d’ammonium dans l’eau ; donner la formule de la
solution de phosphate d’ammonium.
3) Déterminer la concentration molaire de la solution
en phosphate d’ammonium.
4) Déterminer les concentrations molaires en ions
ammonium et phosphate dans la solution
EX9
Dans un bécher contenant une solution aqueuse
concentrée de sulfate de cuivre, on ajoute un mince
fil d'aluminium décapé de masse 0,27 g.
Au bout d’un certain temps, le fil d’aluminium a totalement disparu
Lors de cette réaction, il se forme des ions Al3+ et du
métal cuivre.
Les ions sulfate ne participent pas à la réaction.
1) Ecrire l'équation de la réaction
2) Déterminer la quantité de matière d’aluminium qui
a disparu lors de la réaction
Chap6 :
Les changements d’état
EX1
Donner le nom des alcanes suivants
EX6
1) Nommer les 3 alcanes suivants
2) Classer, en justifiant, les trois alcanes par température d’ébullition croissante
3) Quel est l’alcane le plus volatil ? Le moins volatil ?
EX7
EX2
Donner les formules semi-développées et topologiques des composés suivants :
Pour les couples de
composés suivants, lequel
a
la
température
d’ébullition la plus haute?
Comment peut-on justifier
ces différences ?
2-méthylpropane
2,4-diméthylpentane
2,2-diméthylbutane
2,2,3-triméthylpentane
méthylpropane
3-méthylhexane
3-éthyl-4-méthylhexane
EX8
EX3
1) Donner les formules semi-développées de ces 2
Donner le nom des alcools suivants
Sous la pression atmosphérique, le pentane bout à
36°C, alors que le pentan-1-ol bout à 138°C
molécules. Quelles interactions assurent la cohésion
à l’état liquide de ces deux molécules ?
2) Justifier le fait que le pentane est plus volatil que
le pentan-1-ol
EX9
L’éthan-1,2-diol (ou éthylène glycol)
est un composé utilisé dans les liqui- HO
des de refroidissement
CH2 CH2
OH
1) Justifier le nom de cette molécule
2) Donner le nom et la formule semi-développée de
EX4
Donner les formules semi-développée des composés
suivants :
Ehanol
propan-1-ol
butan-2-ol
3-éthyl-2-méthylpentan-1-ol
2,5-diméthyl-4-éthylhexan-2-ol
EX5
Le méthypropan-2-ol est un alcool qui fond à 26°C et
bout à 83°C sous la pression atmosphérique.
1) Donner la formule semi-développée de la molécule
2) Quelles interactions assurent la cohésion de cet
alcool à l’état liquide ou solide ?
3) Décrire les évolutions qui se produisent à l’échelle
microscopique et macroscopique lorsque l’on chauffe
cet alcool de 20°C à 60°C.
l’alcane ayant le même nombre d’atomes de carbone.
3) Donner la formule semi-développée de l’éthanol.
4) Expliquer l’écart entre les températures d’ébullition
de l’alcane, de l’éthanol et du glycol qui sont respectivement : - 89°C, 79°C et 198°C
EX10
Le sorbitol, hexan-1,2,3,4,5,6hexol, est très utilisé dans les
confiseries
OH
OH
OH
OH
OH
OH
1) Donner la formule semi- développée du sorbitol
2) La température d’ébullition du sorbitol est de
296°C, alors que celle de l’hexan-1-ol est de 157°C ;
proposer une explication.
3) La solubilité dans l’eau du sorbitol est 2750 g.L-1 à
30°C, alors que celle de l’hexan-1-ol est 6,3 g.L-1 à la
même température.
Proposer une explication.