l’essentiel chimie seconde

1 :LE MODELE DE L’ATOME

2. L’ELEMENT CHIMIQUE

3. LES MOLECULES

4 :LA CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS

5 : LA MOLE

6 : SOLUTIONS ET CONCENTRATION MOLAIRE

7 :BILAN DE MATIERE

 

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

 

Chapitre 3 :LES MOLECULES

 

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

 

vidéo

 

HCH = 109°

 

4

 

0

 

Pyramidale

 

 

NH3

vidéo

 

HNH = 107°

 

3

 

1

 

Coudée(plane)

 

 

H2O

vidéo

 

HOH = 105°

 

2

 

2

Linéaire

CO2

vidéo

 

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
Z=6

(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.

 

Chapitre 5 : LA MOLE

 

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 1 litre de solution. La concentration molaire d’une espèce chimique A se note [A] ou CA. Elle s’exprime en mol.L-1  Si l’on note nA la quantité de matière de l’espèce chimique A et V, le volume de solution, la concentration molaire en soluté de la solution est :

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 1 litre de solution. La concentration molaire d’une espèce chimique A se note tA . Elle s’exprime en g.L-1. Si l’on note mA la masse de l’espèce chimique A et V le volume de solution, la concentration massique en soluté de la solution est :  tA =  mA / V Avec  tA en g.L-1 ;  nA  en mol et V en L

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.

 

Chapitre 7 :BILAN DE MATIERE

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.