l’essentiel
chimie seconde
4 :LA CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS
6 :
SOLUTIONS ET CONCENTRATION MOLAIRE
Chapitre
1 :LE MODELE DE L’ATOME
I) Structure de l’atome : vidéo
L’atome est
constitué d’un noyau et d’électrons qui gravitent
autour.
Le noyau : Il est constitué de particules
élémentaires : les
protons et les neutrons désignés sous le nom de nucléons. Les
protons sont chargés positivement : qp = e =+1,6.10-19 C, de masse très
petite
m = 1, 7.10-27 kg. Les neutrons, particules neutres
électriquement, ont une masse voisine de celle du proton donc mn = mp.Le nombre
de protons du noyau s’appelle nombre de charge ou numéro atomique
et se note Z. Le nombre de neutrons se note N. Le nombre total de
nucléons, noté A est tel que : A = Z + N
Les électrons : Un électron est beaucoup plus
léger qu’un nucléon. Sa masse est me = 9,1.10-31kg
Soit mp/me = 1835. Sa charge électrique est
l’opposée de celle du proton soit qe = –e =
-1,6.10-19C.
Un atome étant électriquement neutre, il possède autant de protons que d’électrons.
Symboles :vidéo
Un atome est
symbolisé par une ou deux lettres. La première
s’écrit toujours en majuscule et la deuxième en minuscule.
II) Masse de l’atome vidéo Elle est la somme de la masse de ses
différents constituants .
matome = mnoyau + mélectrons = (Z.mp
+ N.mn) + Z.me
La masse des
électrons est négligeable devant celle des protons donc la masse
approchée de l’atome est égale à : matome = Z. mp + N. mn » A.mnucléons . La masse de l’atome est
concentrée dans son noyau.
Dimensions de l’atome : vidéo.
Le noyau d’un atome
a un rayon de l’ordre de 10-15 m. L’atome peut
être considéré comme une sphère de rayon 10-10
m. Le rayon du noyau est environ 100 000 fois plus petit que celui de l’atome
,l’atome a une structure lacunaire.
Les couches
électroniques : vidéo.
Les électrons
d’un atome se répartissent dans des couches électroniques.
Chaque couche est représentée par une lettre ; pour les
atomes dont le numéro atomique est inférieur à 19, les
couches occupées sont les couches K, L et M. La dernière couche
occupée s’appelle la couche externe. Les électrons qui
l’occupent sont appelés les électrons
périphériques de l’atome.
Règles
de remplissage :Une
couche électronique ne peut contenir qu’un nombre limité
d’électrons : 2 électrons sur la couche K ; 8
électrons sur la couche L ; 18 électrons sur la couche
M ;
Une couche
contenant un nombre maximal d’électrons est dite saturée.
Les
électrons commencent par occuper la couche K puis la L et enfin la M.
Ils ne peuvent se placer sur une nouvelle couche si la précédente
n’est pas pleine. Le
résultat de la répartition des électrons se nomme la
structure électronique de l’atome.
Représentation
de la structure électronique exemple :
structure électronique de Ar, Si, Mg2+, S2-, Na+
La structure
électronique est composée des lettres correspondant aux couches
K,L,M. Les lettres sont écrites entre parenthèse. On indique le
nombre d’électrons qu’elles contiennent en exposant.
Chapitre 2 :L’ELEMENT
CHIMIQUE
Les isotopes :vidéo Les atomes ayant le même nombre de protons mais des
nombres de neutrons différents sont des isotopes. Des atomes isotopes
ont les mêmes propriétés chimiques.
Les ions monoatomiques : Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un ou
plusieurs électrons.Un atome qui perd des électrons devient
chargé positivement : c’est
un cation.
Ex : Na+ ; Mg2+ ; Al3+ .Un
atome qui gagne des électrons devient chargé
négativement : c’est
un anion.
Ex : Cl- ; O2- . Le gain ou la
perte des électrons s’effectue toujours sur la dernière
couche électronique, la couche externe.
Les
composés ioniques : Les
composés ioniques sont des corps solides constitués d’ions
positifs et négatifs. Ils sont électriquement neutres. Donc ils
sont composés d’autant de charges positives que de charges
négatives. La formule d’un composé ionique
ne fait pas apparaître les charges. Ex : NaCl
L’élément
chimique : On donne
le nom d’élément chimique à l’ensemble des
entités chimiques (atomes, isotopes ou ions) caractérisées
par le même nombre Z de protons dans leur noyau. Les
éléments chimiques sont représentés par leur
symbole chimique.
Corps simples
et corps composés :Un
corps simple ne contient qu’un élément chimique.Un corps
composé contient plusieurs éléments chimiques
différents. Exemple : Cu est l’élément
cuivre : corps simple ; CuO est l’ oxyde de cuivre : corps
composé
Conservation de
l’élément chimique : vidéo Lors
d’une transformation chimique, tous les éléments chimiques
présents avant la transformation sont aussi présents
après, et réciproquement.
On dit qu’ il y a conservation des éléments
chimiques lors d’une transformation.
Stabilité des
éléments, règles du duet et de l’octet :vidéo
Les éléments de numéro atomique proche de celui de
l’hélium adoptent la structure électronique (K)2.
Ils ont alors deux électrons sur leur couche externe. C’est la
règle du « duet ». Les autres
éléments de numéros atomiques inférieurs à
21 adoptent la structure électronique du néon ou de
l’argon. Ils portent donc 8 électrons sur leur couche externe.
C’est la règle de l’octet. Pour satisfaire ces deux règles les atomes vont gagner,
céder (former des ions) ou mettre en commun des électrons pour
construire des molécules. Exemple les gaz
nobles
I) Formation des molécules (vidéo).
Une molécule est
constituée d’un assemblage d’atomes. Elle est
électriquement neutre. Chaque molécule est
représentée par une formule brute qui traduit sa composition.
Pour écrire la formule brute d’une molécule, on
écrit côte à côte les symboles des atomes qui la
constituent, en précisant en indice, à droite du symbole le
nombre d’atomes.
La liaison covalente (vidéo).
Dans une molécule,
les atomes mettent en commun des électrons de leur couche externe afin
d’acquérir une structure stable en duet ou en octet.
Une liaison covalente entre deux atomes correspond à
une mise en commun de deux électrons de leurs couches externes pour
former un doublet d’électrons appelé doublet liant. Les
deux électrons mis en commun sont localisés entre les deux
atomes. Elle se représente
par un tiret entre les symboles des deux atomes.Le nombre de liaisons
covalentes que peut former un atome est égal au nombre
d’électrons qui manque sur sa couche externe pour avoir la
structure stable en duet ou en octet..
Doublets liants et non liants : Un doublet liant est
constitué de deux électrons mis en commun dans une liaison
covalente. Un doublet non liant est formé de
deux électrons de la couche externe qui ne sont pas engagés dans
une liaison covalente. Ils n’appartiennent qu’à un seul
atome.
Représentation de Lewis :Elle permet de
représenter les doublets liants et non liants d’une
molécule. Les doublets liants se représentent par un trait entre
les symboles des atomes et les doublets non liants se représentent par
un trait à côté du symbole de cet atome.
II)
Formule développée et semi-développée : Dans une
formule développée, toutes les liaisons covalentes apparaissent.
Dans une formule semi-développée, les liaisons concernant les
atomes d’hydrogène ne sont pas représentées. Les
formules développées et semi-développées
proviennent de la représentation de Lewis : seuls les doublets
liants sont représentés.
Exemples : C3H8 (vidéo)
Isomérie : (vidéo). Deux molécules sont
isomères lorsqu’elles ont la même formule brute mais des
enchaînements d’atomes différents. Elles portent des noms
différents et ont des propriétés physiques et chimiques
différentes.
III) Géométrie des
molécules, représentation de Cram :Elle permet de représenter une
molécule dans l’espace.
·
Un
trait plein représente une liaison dans le plan.
·
Un
triangle allongé plein représente une liaison située en
avant du plan.
·
Un
triangle allongé hachuré représente une liaison
située en arrière du plan.
les différentes
géométrie : modèle de Gillespie: 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 : c’est le modèle de Gillespie.
Géométrie |
Molécule |
Angle |
Doublets
liants |
Doublets
non liants |
Représentation
de Lewis |
Représentation
de Cram |
tétraédrique |
CH4
|
HCH = 109° |
4 |
0 |
|
|
Pyramidale |
NH3 |
HNH = 107° |
3 |
1 |
|
|
Coudée(plane) |
H2O |
HOH = 105° |
2 |
2 |
|
|
Linéaire |
CO2 |
|
4 |
4 |
|
|
Chapitre
4 :LA CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS
I) La classification périodique
moderne :Elle
comporte 112 éléments chimiques connus. Elle est
constituée de 18 colonnes et de 7 lignes ou périodes. On
distingue deux catégories d’éléments : les
métaux et les non-métaux.
·
Les
éléments sont classés par numéro atomique Z
croissant.
·
Dans
une même ligne, les atomes des éléments ont le même
nombre de couches électroniques occupées.
·
Dans
une même colonne, les atomes des éléments ont le même
nombre d’électrons sur leur couche externe.
II)
Classification simplifiée des 18 premiers éléments Vidéo
ligne ou
période |
|
||||||||
|
|||||||||
1 |
H Hydrogène Z = 1 (K)1 |
|
|
|
|
|
|
He Hélium Z = 2 (K)2 |
|
2 |
Li Lithium Z = 3 (K)2(L)1 |
Be Beryllium Z = 4 (K)2(L)2 |
B Bore Z = 5 (K)2(L)3 |
C Carbone (K)2(L)4 |
N Azote Z = 7 (K)2(L)5 |
O Oxygène Z = 8 (K)2(L)6 |
F fluor Z = 9 (K)2(L)7 |
Ne Néon Z = 10 (K)2(L)8 |
|
3 |
Na sodium Z = 3 (K)2(L)8(M)1 |
Mg Magnésium Z = 12 (K)2(L)8(M)2 |
Al Aluminium Z = 13 (K)2(L)8(M)3 |
Si Silicium Z = 14 (K)2(L)8(M)4 |
P Phosphore Z = 15 (K)2(L)8(M)5 |
S Soufre Z = 16 (K)2(L)8(M)6 |
Cl Chlore Z = 17 (K)2(L)8(M)7 |
Ar Argon Z = 18 (K)2(L)8(M)8 |
|
numéro de
colonne |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
III) les familles chimiques :: Vidéo
Les
éléments ayant des propriétés chimiques voisines
forment une famille. Ils sont placés dans la même colonne. Ces
propriétés sont dues aux nombres d’électrons de la
couche externe.
La famille des alcalins : A
l’exception de l’hydrogène, les éléments de la
première colonne appartiennent à la famille des alcalins.Dans la
nature on les rencontre sous forme d’ions Li+ , Na+
ou K+, comme dans l’eau ou les eaux minérales.. A
l’état de corps purs simples se sont des métaux mous qui
réagissent spontanément avec le dioxygène de l’air
ou l’eau.
Les éléments alcalins ne forment pas de molécules.
La famille des halogènes :Dans la nature,
on les rencontre sous forme d’ions monoatomiques : F- ;
Cl- ; Br-. Ils peuvent également exister sous
forme de molécules diatomiques : F2 , Cl2 ,
Br2 . Ces espèces chimiques sont fortement colorées et
très nocives.
La famille des gaz nobles : Ce sont les
éléments chimiques les plus stables. Ils sont inertes
chimiquement c’est-à-dire qu’ils ne participent à
aucune réaction chimique. Ils ne forment pas d’ions ni de
molécules.
IV) utilisation
de la classification périodique : Formule des ions monoatomiques :Vidéo Dans la
classification simplifiée, les ions monoatomiques correspondant à
des éléments chimiques d’une même famille ont tous la
même charge.Exemple : Cl- ; Br- ; I-
Formule
des molécules :Le nombre de liaisons qu’établit un
atome dans une molécule quelconque, dépend de sa structure
électronique externe. Ce nombre est égal au nombre
d’électrons qu’il doit acquérir pour satisfaire la
règle du duet ou de l’octet.Tous les atomes d’une même
famille établissent le même nombre de liaisons de covalences dans
une molécule.
I)
Définition de la mole :Vidéo Une mole d’entités
élémentaires chimiques (atomes, ions, molécules …)
est la quantité de matière d’un système contenant
6,02.1023 entités. Elle est notée avec la lettre
‘n’. La mole est l’unité de quantité de
matière, son symbole est mol.
Pour
déterminer le nombre N d’entités contenus dans une mole,
les scientifiques ont choisi un atome de référence, l’atome
de carbone 12 et une masse m de 12 g de carbone 12.
Sachant que mat
= 2,0.10-23 g alors N = m/mat = 12/2,0.10-23 » 6,0.1023
La constante
d’Avogadro :Vidéo
Il y a
proportionnalité entre la quantité de matière n et le
nombre d’entités N constituant un échantillon : N =
n.NA
Avec NA
= 6,02.1023 mol-1 appelée constante
d’Avogadro Pourquoi ce nombre 6,02x1023 ? Calculer
la masse d’une mole de nucléons (masse d’un nucléon m
= 1,67x10-27 kg). Réponse vidéo.
Masse molaire atomique :
La masse molaire atomique
d’un élément correspond à la masse d’une mole
d’atomes de cet élément. On la note M et elle
s’exprime en g.mol-1.
La masse molaire
atomique d’un élément est égale au rapport de la
masse ‘m’ de cet élément par la quantité de
matière que cela représente :
Exemple : masse molaire
atomique du Bore
Masse molaire
ionique La masse
d’un électron est négligeable devant celle d’un
nucléon. Par conséquent la masse d’un atome est peu
différente de celle de l’ion correspondant. La masse d’une
mole d’atome est donc peu différente de la masse d’une mole
d’ions. Exemple : M(Cu) = M(Cu2+) = 63,5 g.mol-1.
Masse molaire moléculaire : Vidéo
La masse molaire moléculaire représente la masse d’une mole
de molécules. Elle est égale à la somme des masses
molaires atomiques des éléments constituant la molécule.
Unité : g.mol-1. Elle est notée M.
II) Masse et
quantité de matière :Vidéo
La quantité
de matière n d’un échantillon de masse m est égale
à : n = m / M Avec n en mol ; m en g et M
en g.mol-1
III) Volume
molaire d’un gaz : Vidéo
Des volumes
égaux de gaz différents, pris dans les mêmes conditions de
température et de pression, renferment le même nombre de
molécules, donc le même nombre de moles.Le volume occupé par une mole de
gaz, dans des conditions données, est indépendant de la nature du
gaz. Le volume molaire est le rapport du volume
de gaz par le nombre de mole qu’il contient. On le note Vm et s’exprime en
L.mol-1
Dans les
mêmes conditions de température et de pression tous les gaz ont le
même volume molaire.
A t=20°C et
P=1bar Vm
= 24 L.mol-1
A t=0°C et P=1bar Vm
= 22,4 L.mol-1
Chapitre 6 : SOLUTIONS ET CONCENTRATION
MOLAIRE
I)
qu’est-ce qu’une solution ?
Lorsqu’on
dissout une espèce chimique, solide, liquide ou gazeuse (minoritaire)
appelé soluté, dans un
liquide (constituant majoritaire) appelé solvant, on obtient une solution.
Si le solvant utilisé est de l’eau alors on obtient une solution aqueuse. Une solution est homogène si elle a le même
aspect partout. Une solution dans laquelle tout le solide introduit n’est
pas dissous est une solution
saturée. Une solution peut contenir des ions ou des
molécules.
II)
concentration molaire :vidéo
La concentration
molaire d’une espèce chimique en solution est égale
à la quantité de matière de cette espèce
présente dans
CA = nA / V
Avec CA en mol.L-1 ; nA en mol et V en L
concentration
massique ou titre massique ‘t’ vidéo
. La concentration massique ou titre massique d’une espèce
chimique en solution est égale à la masse de cette espèce
présente dans
Verrerie
utilisée au laboratoire schéma
III)
dissolution d’un solide exemple
Pour
préparer un volume V de solution de concentration C par dissolution
d’un composé solide, il faut :
·
Calculer
la masse de solide à prélever.
·
Peser
à l’aide d’une balance électronique la masse de
solide dans une coupelle.
·
Introduire
le solide dans une fiole jaugée de volume V et rincer la coupelle
à l’eau distillée.
·
Ajouter
de l’eau distillée aux ¾. Boucher et agiter pour dissoudre
tout le solide.
·
Compléter
d’eau distillée jusqu’au trait de jauge. Boucher, agiter
pour homogénéiser.
IV)
Dilution d’une solution vidéo
Pour
préparer un volume V1 de solution de concentration C1
par dilution d’une solution initiale de concentration C0, il
faut :
·
Calculer
le volume V0 de solution initiale à prélever.
·
Prélever
ce volume à l’aide d’une pipette jaugée munie
d’une propipette.
·
Introduire
ce volume dans une fiole jaugée de volume V1.
·
Compléter
d’eau distillée jusqu’au trait de jauge. Boucher, agiter
pour homogénéiser.
Diluer
une solution c’est, en ajoutant du solvant, constituer une nouvelle
solution moins concentrée que la solution initiale. Lors d’une
dilution, la concentration molaire du soluté diminue, mais sa
quantité de matière ne change pas.
I)
transformations chimiques :
Un système
chimique est un ensemble d’espèces chimiques susceptibles de
réagir entre elles et sur lesquelles porte une étude
particulière.
Son état
sera décrit en précisant :
·
la
nature et la quantité de matière des espèces chimiques
présentes ;
·
l’état
physique : solide (s), liquide (l), gazeux (g), en solution aqueuse (AQ)
·
la
température T et la pression p du système
Un système
chimique peut évoluer et subir une transformation chimique qui modifie
son état.
Etat initial,
état final :
La
réaction chimique :Elle
modélise la transformation chimique subie par un système. Elle ne
fait intervenir que les réactifs et les produits de la transformation et
pas les espèces chimiques spectatrices.
II)
L’équation chimique d’une réaction :Vidéo
L’équation
chimique décrit l’évolution d’un
système dans lequel se déroule une réaction chimique. Les
réactifs et les produits y sont représentés par leur
formule : les réactifs à gauche de la flèche, les produits
à droite. : Réactifs ----------> Produits
Comme, nous
l’avons vu précédemment, au cours d’une
transformation chimique, il y a conservation des éléments et de
la charge électrique : il faudra donc ajuster
l’équation avec des nombres placés devant les symboles,
appelés nombres stœchiométriques :
Signification
des nombres stœchiométriques : Les nombres stœchiométriques
renseignent sur les proportions, en quantité de matière, dans
lesquelles les réactifs réagissent et les produits se forment.
Exemple : Cu +
2 Ag+ ® 2 Ag
+ Cu2+
Cette équation indique que si n mol de Cu est
consommé alors 2n mol d’ions Ag+ sera aussi
consommé et il se formera 2n mol d’argent Ag et n mol
d’ions cuivre Cu2+.
III) Avancement ‘x’ :Vidéo
Afin de
décrire l’évolution d’un système chimique
subissant une transformation chimique, on utilise un outil :
l’avancement de la transformation. L’avancement est un nombre,
noté x qui s’exprime
en mole et qui permet de déterminer les quantités de
réactifs transformés et les quantités de produits
formés. L’avancement varie au cours de l’évolution du
système chimique : il vaut zéro pour l’état
initial et atteint sa valeur maximale xmax pour l’état
final.
Conservation de la matière et
avancement :La
conservation de la matière permet d’exprimer les quantités
de matière de tous les réactifs et de tous les produits de la
transformation en fonction de l’avancement au cours de la transformation.
Exemple : Cu +
2 Ag+ ® 2 Ag
+ Cu2+
Par définition, lorsque
l’avancement est égal à x en mol alors :
IV)Tableau
d’avancement d’une réaction chimique :Vidéo
Il permet de visualiser l’évolution du système
chimique.
1ère
ligne du tableau : on
écrit l’équation chimique ajustée
2ème
ligne du tableau : on écrira
‘’état du système’’,
‘’avancement ‘’, et ’’quantités de
matière ‘’.
3ème
ligne du tableau : il décrit l’état initial –
l’avancement vaut 0
4ème
ligne du tableau : il donne l’état du système au cours
de la transformation pour un
avancement x
donné.
5ème
ligne du tableau : il décrit l’état final –
l’avancement vaut xmax
Avancement
maximal d’une réaction chimique :Vidéo
L’avancement maximal xmax
permet de connaître l’état final d’un
système. Il correspond à la disparition du réactif
limitant. C’est la plus petite valeur de x pour laquelle la
quantité de l’un des réactifs est nulle.
Exemple :
réaction entre les ions cuivre et les ions hydroxyde : Vidéo
Lorsque les
réactifs sont mélangés dans les proportions
indiquées par l’équation chimique, on dit que le
mélange est stœchiométrique. Lorsque les réactifs
ne sont pas dans les proportions stœchiométriques, la transformation
a lieu tout de même et s’arrête lorsqu’un
réactif est entièrement consommé : c’est le
réactif limitant.