Science notions de base

Biologie, chimie, physique Ce manuel s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent le cours de sciences de base (3 périodes de sciences par semaine).

Au sein d’une mise en pages claire et attrayante, l’élève découvrira une iconographie très riche, notamment en dessins « à main levée», lui permettant de les reproduire très facilement. Également, les synthèses des chapitres sont proposées selon des modèles différents (tableaux, diagrammes, cartes mentales), afin de l'aider à personnaliser et enrichir son mode de synthèse, tout en se confrontant à des techniques largement utilisées en entreprise.

Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investissant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se positionner dans le monde qui l’entoure, voire poursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…

ISBN : 978-2-8041-0594-5

www.deboeck.com SCI3

PIERRE PIRSON, HENRI BORDET, DOMINIQUE CASTIN, RENÉ VAN ELSUWE, PHILIPPE SNAUWAERT

Nathalie MATTHYS Michel FEYS Bernard SUYS

Sciences de base

Sciences 3

• les trois disciplines scientifiques dans un seul parcours pédagogique • de nombreux dessins et photos en couleurs • une mise en pages dynamique • des chapitres structurés de manière particulièrement claire

Entièrement en couleur, ce manuel pluridisciplinaire a été construit pour amener chaque élève à : u se représenter le monde conformément aux modèles scientifiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformer ses conceptions et ses représentations ; u maîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents et en les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ; u exercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques ; u développer sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêt pour le monde qui l’entoure.

e

Des manuels précis et attrayants

Nathalie MATTHYS • Michel FEYS • Bernard SUYS

SCI3:Mise en page 1 13/07/11 15:30 Page1

III

Avant-propos Ce manuel, qui s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent 3 périodes de sciences par semaine (sciences de base), s’inscrit dans le contexte du décret Missions et propose une réponse au programme de sciences de base en vigueur depuis septembre 20091.

Ce livre peut être adapté au cours de sciences générales en exploitant davantage les expériences proposées et en développant les activités et concepts marqués d’un + . Les changements proposés par les auteurs de ce programme pour organiser l’acquisition des savoirs et pour clarifier la démarche pédagogique ont été intégrés dans cette nouvelle édition qui a été remaniée en profondeur tant sur la forme que sur le fond.

En effet, ce manuel pluridisciplinaire a été construit comme un support pour l’enseignant et l’élève de l’enseignement libre afin d’amener chaque élève à : t t t

t

se représenter le monde conformément aux modèles scientifiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformer ses conceptions et ses représentations ; maîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents et en les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ; exercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques, c’est-à-dire les analyser dans leur contexte et considérer qu’ils sont une réponse partielle aux problèmes posés ; développer sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêt pour le monde qui l’entoure2.

Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investissant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont, nous l’espérons, lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se positionner dans le monde qui l’entoure, voire poursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…

Pour illustrer ce manuel, nous avons choisi d’éviter les dessins effectués dans un style qu’on retrouve classiquement dans les livres de sciences. Comme pédagogues, nous avons constaté que les dessins « vectorisés » et graphiquement très élégants proposés habituellement dans ces ouvrages donnent à nos élèves l’impression d’être irréalisables par eux-mêmes. Ce qui constitue souvent un argument, voire un alibi, pour ne pas entreprendre d’essayer de les reproduire. Nous considérons que les élèves doivent aussi savoir réaliser des dessins de principe, à main levée, comme les réalise le professeur, au tableau noir… ou numérique. Cela fait partie intégrante de son apprentissage « multimédia ». « Légender des dessins » reste trop souvent la seule façon de questionner nos élèves qui prétendent… ne pas savoir dessiner.

Les photocopies largement distribuées par les professeurs permettent de gagner du temps face à une matière abondante, mais nos élèves risquent de devenir des « analphabètes » de dessin élémentaire. Voilà pourquoi les dessins que nous proposons sont plus des illustrations simples que des graphiques léchés. Pour les mêmes raisons, les reproductions scannées de constructions issues de cahiers d’élèves pourront rassurer ces derniers.

1 2

2e degré 3 et 4 sciences de base (3h), humanités générales et technologiques, FESec, D/2009/7362/3/18.

Ibid.

IV

Avant-propos Par ailleurs, l’élève sera encouragé à la fin de chaque chapitre à rédiger une synthèse des différentes notions abordées. Cette étape est importante pour structurer ses acquis, surtout dans le type de démarche que proposent les nouveaux programmes. Si la synthèse est proposée dans le manuel, rappelons qu’il est préférable que ce soit l’élève lui-même qui la construise. Il pourra ensuite confronter son propre document à celui présent dans le manuel. Différentes formes sont proposées afin de permettre à l’élève de personnaliser et d’enrichir son mode de synthèse. Par exemple, en physique, la synthèse est présentée sous forme de « carte mentale » pour habituer l’élève à ce genre de technique largement pratiquée en entreprise (et dont le concept a été introduit par Tony Buzan). Elle permet d’établir des liens hiérarchiques entre les concepts et des liens sémantiques entres les idées, ce qui, pour certains, favorise la mémorisation. Des études de linguistique ont même prouvé que seuls les « mots de rappel » (ou « mots-clés ») donnent de la valeur ajoutée à un texte, alors qu’ils constituent moins de 10 % des mots de ce texte. En chimie et en biologie, selon le sujet abordé, nous proposons des diagrammes et tableaux accompagnés de quelques définitions. Étant donné notre choix pour un manuel plutôt qu’un cahier à compléter, l’élève prendra des notes structurées dans un cahier ou un classeur et veillera toujours à bien noter les pages du manuel auxquelles se rapportent ces notes, au fur et à mesure de l’apprentissage. Cette prise de notes présente souvent des difficultés pour les élèves ; il sera sans doute nécessaire de leur donner des consignes régulièrement et de guider leur apprentissage en la matière. Noter les dates des cours directement dans le cahier rappelle à l’élève le temps passé sur une matière et donc souvent sa difficulté relative.

Enfin, il nous a paru important que l’apprenant puisse disposer : – d’un glossaire pour découvrir et/ou vérifier la signification de termes scientifiques afin de développer son autonomie et d’enrichir son vocabulaire ; – d’un index permettant de retrouver rapidement une notion découverte précédemment ; – d’un tableau périodique dépliable en fin d’ouvrage.

Des changements importants sont à l’origine de ce nouveau manuel : depuis les changements de programmes scolaires jusqu’au passage à un nouveau format et à la couleur, en passant par le remaniement de l’équipe d’écriture. Nous tenons donc tout d’abord à remercier Sophie Todoroff pour le travail accompli par le passé et lui souhaitons bonne route.

Par ailleurs, cette nouvelle version fait écho aux conseils avisés de nos collègues Luc Nachtergaele, Serge Thomas, Jean Richir, Ludovic Miseur ainsi que de quelques étudiants en bac régendat sciences de l’ENCBW (Sonia Azaz, Laurent Gruber…). Nous les en remercions.

Nous sommes également reconnaissants envers l’équipe éditoriale qui nous a laissé le temps de mûrir le projet et a su nous donner une nouvelle opportunité de mettre dans les mains des élèves et des professeurs un outil qui soit, autant que possible, un support à la fois attractif et pertinent pour l’apprentissage des sciences.

Les auteurs

V

Biologie, chimie et physique Trois disciplines scientifiques sont regroupées dans ce manuel sous le terme « sciences ».

Le mot « science » vient du mot latin scientia, « connaissance », venant lui-même du verbe latin scire (« savoir ») qui désigne à l’origine la faculté mentale propre à la connaissance. D’après le dictionnaire Le Robert, la science est « l’ensemble de connaissances, d’études d’une valeur universelle, caractérisées par un objet (domaine) et une méthode déterminés, et fondées sur des relations objectives vérifiables »3. Les trois disciplines scientifiques abordées dans le cadre de ce cours sont la biologie, la chimie et la physique : elles font partie des SCIENCES DE LA NATURE. Il s’agit de sciences expérimentales et, à ce titre, elles nécessitent la pratique d’une démarche dite expérimentale. Le biologiste, le chimiste ou le physicien qui observe un phénomène, s’interroge, formule des hypothèses. Pour vérifier ces hypothèses, il réalise des expériences, s’interroge encore, expérimente, élabore des modèles, représentations simplifiées de la réalité.

Ainsi, petit à petit, les scientifiques, ensemble, construisent des théories en rassemblant les diverses lois induites par les expériences.

La biologie s’attache à l’étude des êtres vivants, de leur structure, de leur fonctionnement et de leurs interactions entre eux et avec leur milieu. Les champs d’application de cette discipline sont variés et étendus : depuis les plus petites molécules constituant un virus jusqu’aux modifications climatiques à l’échelle planétaire qui influencent la répartition géographique de certaines espèces.

La chimie est une science qui étudie principalement la structure et les transformations de la matière. Les chimistes s’intéressent aux toutes petites parties élémentaires et à la manière dont ces parties élémentaires sont assemblées pour former les corps de l’Univers. Ils décrivent les changements observés lors des transformations de la matière et essaient de les expliquer par des modèles. Grâce à ces modèles, les chimistes peuvent prévoir certaines transformations.

Par exemple, lorsque certains gaz sont émis dans l’atmosphère, ceux-ci acidifient les pluies.

Ou encore, le mélange de deux déboucheurs de canalisation différents peut dégager une très forte chaleur et être source de danger…

La physique, ou « étude des lois de la nature », englobe toutes les sciences de la nature. Elle donne souvent l’explication la plus profonde du « comment » de la chimie et même de la biologie ou de la médecine (le mot physician est resté en anglais pour « docteur en médecine » !).

Elle fournit les méthodes et techniques aux autres sciences de la nature. Ses domaines d’application sont tellement vastes qu’elle s’est déchargée, dans l’histoire, de ces branches pour qu’elles deviennent des spécialités à part entière. Elle utilise (et développe) le plus souvent l’outil mathématique et était, à l’origine, une branche de la philosophie. Dans nos cours d’humanités, la physique passe en revue des domaines et concepts aussi différents que l’optique, l’électrostatique, l’électricité, les forces, la chaleur, l’énergie, le travail, la puissance, les mouvements, les ondes, le nucléaire, l’astronomie, les particules élémentaires etc. Toutes les technologies de notre monde sont basées sur les lois de la physique ! Il faut donc pouvoir s’y retrouver pour éviter les « débats de comptoir » face aux sujets qui, parfois, préoccupent…

3

Le Robert, édition 2004, p. 2381.

VI

Avant-propos

Un manuel aux multiples facettes Il est vivement conseillé de respecter l’ordre des chapitres si l’on veut garder une cohérence quant aux prérequis et à la complexité croissante de certaines activités proposées. Chaque chapitre débute par une introduction qui fait le lien avec le chapitre précédent, un itinéraire à suivre qui reprend le fil conducteur du chapitre étudié et les objectifs à atteindre. En fin de chapitre, se trouve une synthèse qui permet de structurer les connaissances et qui pourrait servir de support pour entraîner les élèves à réaliser leurs propres synthèses. Les familles de tâches sont à chaque fois précisées en début de chapitre (Rappel de ces familles, p. 261).

Nous avons fait le choix de travailler selon un format en deux colonnes (de type « 1/3 et 2/3 ») pour assurer une cohérence et une fluidité dans l’enchaînement des concepts abordés. Le fil conducteur et l’enchaînement des concepts se trouvent dans la colonne 2/3. Les divers contextes d’apprentissage sont répartis en différentes rubriques (ci-après). Nous avons eu le souci d’aider l’élève dans sa lecture et son orientation à travers ces différentes rubriques et colonnes.

Nous avons ainsi introduit une autre nouveauté : des flèches discrètes qui apparaissent de temps en temps dans le texte. Elles orientent provisoirement l’élève vers une activité ou une illustration à ne pas manquer située le plus souvent dans les colonnes extérieures. Ainsi, le corps du texte reste plus cohérent et écarte les digressions, sans l’alourdir. La couleur de ces flèches est en rapport avec la couleur attribuée dans ce manuel à chacune des disciplines ( biologie, chimie, physique).

QUE LA LUMIÈRE SOIT... VISIBLE Utilise un petit L.A.S.E.R. (Light A mplification by Stimulated Emission of Radiation) qui émet un faisceau lumineux vers un écran. Prends garde à tes yeux et à ceux des autres : c’est très dangereux pour la rétine ! t Le faisceau lumineux est-il visible (ne cherche pas à le regarder de face) ? Que vois-tu ? t Propose une expérience permettant de visualiser le trajet de la lumière. t L’air dans le labo constitue un milieu homogène et isotrope. Que signifient ces termes ?

Rédige une conclusion sur la condition de visibilité de la lumière et concernant la propagation de la lumière dans un milieu homogène.

Sur le schéma ci-contre, délimite de manière aussi précise que possible les zones de vision complète, partielle ou d’invisibilité de l’objet situé derrière le carton. Que peuxtu conclure ?

Les informations : des « clins d’œil » destinés à éveiller la curiosité et l’esprit critique de l’apprenant.

Des expériences simples et constructives. Les consignes sont tantôt volontairement peu directives de façon à développer la créativité et l’esprit de recherche de l’élève, tantôt plus précises afin d’entraîner la lecture et la mise en œuvre d’un protocole.

Un remède aux mains moites !

La magnésie ou oxyde de magnésium est une poudre blanche souvent utilisée par les grimpeurs et les gymnastes pour sécher les mains moites.

Avant-propos

Ton menu d’hier Fais la liste de tout ce que tu as mangé et bu hier. Calcule la part de glucides, lipides et protides (grâce au document 6).

As-tu respecté la règle « GPL 421 » ?

@

Miroirs tournants

Effectue une recherche sur la méthode plus précise employée par Albert A. Michelson pour mesurer la vitesse de la lumière grâce à des miroirs tournants.

Des questions posées afin de faire découvrir de nouveaux concepts, de construire un raisonnement et/ou de faire avancer les représentations. Ce signe annonce également des exercices.

Des recherches en bibliothèque ou sur Internet sont proposées afin de découvrir des applications de certains concepts dans la vie de tous les jours ou des explications complémentaires.

La loi de la conservation de la masse « Lors de la réaction chimique se déroulant dans un système isolé, la masse totale du système demeure constante. »

Le logo « Important » marque des définitions, règles, concepts, lois importantes à mémoriser absolument.

Représentation de la digestion Vous pouvez construire un poster présentant un modèle de la DIGESTION que vous afficherez en classe et qui vous permettra de mieux comprendre ce phénomène.

Mais que se passe-t-il donc dans ce système digestif, tout au long de ce parcours d’environ 18 mètres ?

Que deviennent les aliments après digestion ?

En groupe, entamez vos recherches à l’aide des explications qui suivent.

+

Des tâches qui permettent à l’élève d’exercer une compétence en mobilisant les savoirs et savoir-faire à maîtriser. Ces tâches sont classées par famille. La description des familles de tâches se trouve à l’annexe 1.

Lewis En 1916, G. N. Lewis propose une représentation des électrons concernés par les liaisons chimiques. Ces électrons sont les électrons de valence. : 2 électrons : 1 électron Dans cet exemple, l’élément possède 6 électrons de valence.

Pour en savoir plus : des pistes, qui dépassent parfois le programme officiel, sont proposées pour approfondir certains points.

VII

Sommaire

Avant-propos Chapitre 1

III

La structure de la matière

2

Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique Chapitre 2

La formation des images

32

Comprendre le comportement de la lumière dans les instruments d’optique Chapitre 3

Une alimentation équilibrée

70

Manger pour assurer ses fonctions vitales Chapitre 4

L’équilibre statique des objets

98

Représenter les forces pour résoudre des applications concrètes Chapitre 5

La nutrition des plantes : la photosynthèse

126

Cultiver les plantes et déterminer les facteurs qui influencent leur croissance Chapitre 6

Les molécules de la chimie minérale

148

Mieux connaître les produits chimiques pour les utiliser avec prudence Chapitre 7

L’électrisation des corps

182

Tester les phénomènes électrostatiques pour les expliquer d’un point de vue atomique Chapitre 8

La réaction chimique

208

Analyser les réactions chimiques d’un point de vue moléculaire pour les représenter par des équations chimiques Chapitre 9

Les relations des vivants avec leur milieu

230

S’informer et agir pour expliquer l’impact de l’homme sur l’environnement Glossaire

251

Annexes

259

Index

269

Tableau de Mendeleïev

E R U T C U LA STR

E R È I T A M A L E D

Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique

R

egarde autour de toi : ton pull, le tableau, ta gomme, ton banc, l’air que tu respires, la poussière de craie... Comment ne pas s’étonner devant une telle diversité au sein de la matière ? La matière vivante et non vivante témoigne d’une organisation complexe qui intéresse des scientifiques de nombreuses disciplines dont la physique, la biologie et la chimie. Au cours de ce chapitre, nous aborderons différents niveaux d’organisation de la matière. Selon l’instrument d’observation utilisé, les choses nous apparaissent sous un tout autre angle ; selon le degré d’imagination dont nous faisons preuve, nous pouvons nous représenter certains matériaux et expliquer leurs propriétés. Toutefois, la compréhension de la structure de la matière a nécessité des millénaires et pose encore question aux experts. Ce premier chapitre te permettra de poser des bases qui t’amèneront à approfondir l’organisation de la matière vivante et non vivante par la suite : changer d’échelle pour mieux comprendre le monde qui t’entoure...

ITINÉRAIRE À SUIVRE IT 1 Changement d’échelle 1 Niveaux d’organisation 2 Les cellules 3 Les molécules 4 Les atomes 5 En résumé 2 Les éléments chimiques 1 Les symboles des éléments chimiques 2 Le classement des éléments chimiques 3 La structure de l’atome 1 De la molécule à l’atome : confusions 2 La structure de l’atome : mise au point

3 La structure de l’atome : un modèle du xxe siècle 4 Les dimensions de l’atome 5 Le tableau périodique et la structure de l’atome 6 Le tableau périodique et la structure des ions 4 Exercices 5 Synthèse

GUIDE POUR L’ÉTUDE SAVOIRS

– préciser l’ordre de grandeur des objets et êtres suivants : atome, molécule, protéine, virus, bactérie, cellule, organisme, tissu – citer et identifier les parties de la cellule et leur rôle (membrane, noyau, cytoplasme) – citer le pouvoir de résolution de l’œil, du microscope optique et du microscope électronique – décrire la signification du concept de « modèle scientifique » – décrire les notions de modèle moléculaire, de modèle atomique, de réactif, de produit, de phénomène chimique, de phénomène physique – écrire le symbole des éléments chimiques ainsi que leur nom correctement orthographié – décrire les différents modèles de l’atome qui ont été vus – préciser les propriétés physiques des métaux et des non-métaux SAVOIR-FAIRE

– – – – – –

– – – – –

tenir compte des limites de la vision lors de l’approche d’un nouveau phénomène utiliser un microscope optique représenter la cellule réaliser un dessin scientifique et rédiger des observations précises représenter la composition d’un mélange placer, dans les bonnes périodes historiques, sur une ligne du temps, les événements et personnages suivants : Démocrite, Dalton, modèle d’Aristote, adhésion du grand public à la théorie atomique, tableau périodique de Mendeleïev, découverte de l’électron, du proton et du neutron ainsi que des modèles atomiques de Thomson, Rutherford et Chadwick préciser la structure atomique d’un élément chimique en t’aidant du tableau périodique reconnaître une molécule d’après sa composition atomique écrire le symbole d’un ion d’après son nom et inversement classer des corps purs selon leur caractère métallique identifier les métaux et les non-métaux d’après leur place dans le tableau périodique

TÂCHES

Famille de tâches 1 – prévoir quelques propriétés d’un élément chimique selon sa place dans le tableau périodique Famille de tâches 2 – préparer une solution aqueuse – tester et comparer les propriétés des corps purs Famille de tâches 4 – représenter la structure de la matière selon un niveau d’observation donné – réaliser une ligne du temps présentant l’évolution du modèle de l’atome

4

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

1 CHANGEMENT

D’ÉCHELLE 1. Niveaux d’organisation Définir, illustrer Note les définitions des termes suivants et illustre ceux-ci par des exemples : communauté biologique, population, organisme, système d’organes, organe, tissu, cellule.

L’organisation du monde vivant est hiérarchisée, c’est-à-dire que chaque niveau s’édifie à partir du niveau inférieur : la communauté biologique réunit différentes populations d’organismes en liens étroits entre eux et avec leur milieu. Ces populations sont constituées d’ensembles d’individus d’une même espèce vivant dans une région donnée à un moment donné.

Chaque individu, suivant son degré de complexité, est formé par un ensemble de systèmes qui se coordonnent de manière très précise (système digestif, système nerveux…). Dans chacun de ces systèmes, chaque organe assure une (ou plusieurs) fonction(s) spécifique(s) en étroite collaboration avec les autres organes. Les différents tissus qui composent l’organe assurent un (ou des) rôle(s) spécifique(s). C’est le cas de l’estomac qui participe à la digestion par exemple. Enfin, ces tissus sont composés de cellules, unités de fonctionnement des êtres vivants, qui peuvent faire des échanges avec l’extérieur, se multiplier, fabriquer des substances…

Invasion bactérienne Notre corps compte de 10 à 100 fois plus de bactéries que de cellules. Ces bactéries colonisent notre peau, notre bouche, notre système digestif, nos muqueuses…

Ces bactéries d’espèces différentes sont pour la plupart utiles et non dangereuses.

Orque.

Population de méduses.

@

Poissons exotiques.

Tissu musculaire.

Globules rouges.

 milliards d’humains

La population humaine approche actuellement des 7 milliards d’habitants.

Consulte l’évolution des statistiques mondiales en temps réel sur le site www.worldometers.info/fr Système circulatoire.

Foie.

Chimie

5

Eh oui, nous ne pouvons pas tout observer à l’œil nu ! En effet, le pouvoir de résolution de notre œil est limité. La résolution est la distance minimale entre deux points qui permet de les distinguer l’un de l’autre. Par exemple, regarde les 2 points suivants : tt Tu peux les voir tous les deux car ils sont suffisamment espacés. Ce ne sera pas le cas si la distance qui les sépare est inférieure à 0,1 mm (ou 100 μm) car la lumière réfléchie par chaque point frappe la même cellule réceptrice de l’œil. Pour l’œil, la résolution est de 1 mm pour un objet se trouvant à 3 m de distance.

Œil.

Une façon d’accroître la résolution est d’augmenter le grossissement de telle sorte que les objets apparaissent plus grands. Ainsi, tu peux utiliser une loupe ou un microscope par exemple. Il existe de nombreux types de microscopes. Parmi eux, citons les microscopes optiques (ou photoniques) et les microscopes électroniques fonctionnant respectivement avec la lumière et avec des particules appelées électrons.

Loupe.

Intestin grêle

Cellule

Veine

Microscope optique.

Artère Canal lymphatique

Ce schéma illustre quatre niveaux d’observation différents : – un organe (l’intestin grêle) ; – les replis qui tapissent sa face interne ; – une villosité dans laquelle arrive un vaisseau sanguin (une artère) qui pourra recueillir les produits de la digestion et d’où s’en va une veine.

Le canal lymphatique peut être assimilé à une « canalisation de nettoyage des tissus » ; – une cellule bordée de microvillosités et contenant un noyau.

Replis, villosités et microvillosités ont pour rôle d’augmenter la surface d’échanges entre la lumière de l’intestin et l’intérieur du corps.

Organiser En partant de tes observations et de tes connaissances, 1. cite les différents niveaux d’organisation de ton corps, du plus grand au plus petit, en utilisant les mots clés suivants : cellule, molécule, intestin, système digestif, tissu ; 2. propose des moyens d’observation pour chaque niveau d’organisation.

6

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

2. Les cellules EXPÉRIENCE : OBSERVATION DE CELLULES AU MICROSCOPE OPTIQUE

Comment utiliser le microscope ?

Place l’échantillon sous l’objectif dont le grossissement est le plus faible. Utilise les vis de réglage afin d’obtenir une vision nette en faisant attention de ne pas écraser la coupe microscopique. Choisis l’objectif approprié à ton observation.

Note le grossissement : il correspond au produit des grossissements de l’oculaire et de l’objectif.

Objectif Décrire et schématiser des cellules animales.

Matériel et méthode 1. Prépare une coupe microscopique.

– Racle doucement l’intérieur de ta joue avec un coton-tige.

– Place la matière grisâtre sur une lame en verre.

– Ajoute une goutte d’eau et couvre d’une lamelle – Tu peux aussi colorer ta coupe avec une goutte de bleu de méthylène ou d’eau iodée.

2. Observe la coupe et réalise un dessin légendé selon les consignes de la fiche « dessin scientifique ».

Résultat Rédige tes observations.

Remets ton dessin légendé et tes observations.

Comment réaliser un dessin scientifique ?

Ce type de dessin sera fait au crayon (dans un cercle de 3 cm de rayon pour les observations pratiquées au microscope) et sera aussi proche que possible de la réalité. Tu n’oublieras pas de le faire précéder d’un titre, de lui adjoindre une légende (à l’aide de flèches parallèles tracées à la latte et d’en préciser le grossissement (10 × 40 = 400 fois par exemple).

50 μm Micrographie de cellules de l’intérieur de la joue (100x). Dessin réalisé par un élève.

Interprétation Propose un modèle de la cellule en t’aidant des pistes suivantes.

– À l’image de notre organisme, la cellule contient beaucoup d’eau ; le liquide épais contenant cette eau (à raison de 85 %) et d’autres substances (glucides, lipides, protides et bien d’autres) est appelé cytoplasme.

– Une barrière sépare la cellule du milieu extérieur et est composée de substances qui ne se mélangent pas à l’eau (lipides et protéines) : il s’agit de la membrane cytoplasmique.

– Un noyau « commande » toutes les fonctions de la cellule (se reproduire, fabriquer des substances…).

Chimie

Tous les tissus vivants sont composés de cellules dont la taille et les autres caractéristiques sont liées à leur fonction. Les cellules auxquelles nous nous intéressons dans le cadre de ce chapitre contiennent un noyau (elles sont appelées cellules eucaryotes) et leur diamètre varie entre 10 et 100 μm (1 μm = 10–6 m = 10–3 mm). Il existe donc une très grande variété de cellules, comme tu peux le voir sur le schéma ci-dessous. Cependant, toutes les cellules ont un certain nombre de points communs dont le plus important est de pouvoir, à elles seules, assurer leurs fonctions vitales : en effet, les cellules respirent, fabriquent des substances, se multiplient, meurent… Mais de quoi sont-elles composées ? De ce que nous mangeons, buvons, « respirons »…

+

7

Pourquoi les cellules sont-elles si petites ?

La plupart des cellules sont microscopiques. Imaginons-les sous forme cubique ; n’oublions pas qu’elles sont en trois dimensions…

a)

sang

b)

cerveau c)

cœur

Rapport surface/volume de différents assemblages.

muscle

intestin

spermatozoïdes

a. Prenons, par exemple, un morceau de tissu biologique (cubique) de 50 μm de côté ; calcule son volume et sa surface s’il n’était composé que d’une seule cellule de 50 μm de côté. b. Prenons à présent une cellule de 10 μm de côté. Calcule son volume et sa surface... c. Revenons à notre morceau de tissu de 50 μm de côté : s’il est composé de cinq cellules dans chacune des trois dimensions, de combien de cellules est-il composé ? Calcule son volume total et sa surface totale, en tenant compte des surfaces de chacune des cellules.

La différence est de taille : une surface de 75 000 μm2 pour le tissu composé de 125 cellules contre une surface de 15 000 μm2 pour un tissu de même volume (125 000 μm3) composé d’une seule cellule. Une surface plus grande permet un échange de substances plus grand. Donc, la plupart des cellules sont microscopiques parce qu’il s’agit là de la seule façon de posséder suffisamment de surface d’échange par rapport à leur volume.

8

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

3. Les molécules L’étude de la structure chimique de la matière va t’emmener dans un univers situé bien au-delà de ce que tu peux voir. Pour commencer, choisissons la matière dont l’importance est vitale : l’eau. En effet, on estime que l’eau couvre environ 70 % de la Terre et qu’elle compose approximativement 70 % de ton organisme (75 % pour un nourrisson, 65 % pour un adulte).

L’eau est en effet la matière la plus importante dans les organismes vivants.

Présente abondamment dans les cellules et dans les espaces intercellulaires, l’eau forme une solution avec des sels minéraux, des sucres, des protéines et de nombreuses autres substances. C’est donc grâce à l’eau que la vie est possible. L’expérience ci-après te permet de découvrir la composition du sérum physiologique et d’approcher le concept de molécule.

Que d’eau !

Organisme

Pourcentage d’eau

L’homme

65 %

Le chien

67 %

Le maïs

70 %

L’œuf de poule

75 %

Le poisson

80 %

Le champignon

89 %

La tomate

91 %

La laitue

95 %

TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PRÉPARATION DU SÉRUM PHYSIOLOGIQUE

Le sérum physiologique sert au lavage des fosses nasales, à l’hygiène oculaire chez le nourrisson, l’enfant et l’adulte.

Objectif À l’aide du matériel et des produits que le professeur met à ta disposition, prépare 100 mL de cette solution avec le soluté et le solvant adéquat.

Matériel et produits Balance, récipient de 100 mL, petit berlin, pissette d’eau distillée, entonnoir et chlorure de sodium (sel de cuisine).

D’après toi, parmi les récipients suivants, lequel choisirais-tu pour réaliser une mesure précise d’un volume de 100 mL ? Justifie.

À toi de préparer Observe attentivement l’étiquette ci-dessous et décris la composition du sérum physiologique. Propose un moyen de préparer une solution de même composition et de même concentration que ce sérum.

Précise les quantités de substances nécessaires pour faire 100 mL de solution.

Sérum physiologique.

Verrerie de laboratoire.

Solution Soluté : substance dissoute dans un solvant.

Solvant : substance ayant le pouvoir de dissoudre d’autres substances.

Solution : mélange homogène de deux ou plusieurs composés.

Chimie

Méthode de préparation d’une solution 1. À l’aide d’une balance, prélève la masse déterminée de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans le petit berlin (figures a, b).

2. Dissous avec un peu d’eau le chlorure de sodium et verse-le dans le ballon jaugé (figures c, d).

3. Á l’aide d’une pissette d’eau distillée, lave ton berlin et récupère le liquide dans le jaugé (figures e, f ).

4. Agite et ajoute de l’eau distillée (le solvant) afin d’atteindre le volume déterminé par le trait de jauge du ballon de 100 mL (figures g, h).

a

b

c

9

Interprétation 1. Plonge virtuellement au cœur de la solution et propose un schéma légendé modélisant le contenu du récipient.

2. Propose un nouveau schéma légendé modélisant le contenu d’un récipient contenant 1,8 g de NaCl par 100 mL de solution.

3. Cette nouvelle solution sera-t-elle plus ou moins concentrée que celle que vous avez réalisée ?

4. Exprime avec tes mots ce que représente la notion de concentration.

5. De manière très naturelle, la concentration massique est exprimée en g/L ou g.L–1. Précise la concentration de ta solution dans cette unité.

SOLVANT + SOLUTÉ eau + sel SOLUTION AQUEUSE

e

f

Sirop de sucre

d

g

h

Préparation d’une solution de concentration précise.

Conclusion La dissolution du sel dans l’eau est un phénomène physique : la nature même des corps n’a pas changé. En effet, si on fait évaporer l’eau de la solution, on retrouve le sel : soluté de départ. Au cours de la dissolution, les molécules de sel se sont mélangées aux molécules d’eau.

Les schémas que tu as dessinés sont des exemples de modèles scientifiques.

Modèle scientifique Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité permettant de mieux comprendre les phénomènes qui y sont associés.

En ce qui concerne la matière, les scientifiques disent que tout se passe comme si la matière était faite de petits corpuscules appelés MOLÉCULES. Il s’agit du MODÈLE MOLÉCULAIRE DE LA MATIÈRE.

Le sirop de sucre contient 1 kg de sucre pour 1 L d’eau. Représente sous forme de modèle moléculaire le sirop de sucre sachant que : – le mélange contient 20 fois plus de molécules d’eau que de molécules de sucre ; – les molécules de sucre sont 20 fois plus grosses que celles de l’eau.

SOLVANT + SOLUTÉ eau + sucre SOLUTION AQUEUSE

10

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

4. Les atomes Casser des molécules Serait-il possible de casser des molécules d’eau ? Et si on y parvenait, qu’obtiendrait-on ? Formule une hypothèse.

Électrolyse La partie électro, formée à partir du grec elektros qui signifie « ambre jaune », fait référence à l’électricité (voir aussi chapitre 7). La partie lyse provient du grec lysis, « action de délier, séparer ». L’électrolyse est donc l’action de décomposer les molécules avec de l’électricité.

+

Notre étude de la matière se poursuit : d’un point de vue chimique, celle-ci est composée de molécules (par exemple, l’eau est constituée de molécules d’eau). Et les molécules, de quoi sont-elles composées ?

EXPÉRIENCE : ÉLECTROLYSE DE L’EAU Objectif Il s’agit de décomposer l’eau à l’aide d’une source d’énergie électrique afin de vérifier vos hypothèses.

Matériel et méthode – Réalise un schéma légendé de l’appareil à électrolyse.

– Le professeur branche l’appareil sur une alimentation électrique 12 volts (noté 12 V).

Invention de la pile Quelques traces anciennes de piles datant d’avant J.-C. ont été découvertes. Toutefois, l’ancêtre des piles actuelles est bien la pile de Volta (physicien italien), inventée le 17 mars 1800. À peine quelques mois plus tard, le 2 mai 1800, deux chimistes britanniques utilisent la pile de Volta pour réaliser la première électrolyse de l’eau.

Pile de Volta.

Électrolyseur.

Résultats 1. Prends note de tes observations qualitatives en cours d’expérience.

2. Réalise un second schéma représentant tes observations après environ 10 minutes.

3. Prends note des volumes de gaz produits (observations quantitatives).

a

b

d

e

c

f

g

Électrolyse de l’eau : a – vue de haut ; b, c, d – progression de la réaction ; e – arrêt de la réaction ; f – test d’identification de l’hydrogène ; g – test d’identification de l’oxygène.

Chimie

Interprétations À ton avis, quels sont les gaz produits ? Formule une hypothèse.

Des tests sont réalisés pour identifier les gaz. S’il explose au contact d’une flamme, il s’agit de dihydrogène ; s’il rallume un tison (bout de bois encore rouge), il s’agit de dioxygène.

Décris ce qu’il s’est passé au cours de l’électrolyse de l’eau en termes de molécules.

Conclusion Nous avons pu décomposer l’eau en deux corps tout à fait différents. Il s’agit d’un phénomène chimique. Puisque l’eau peut être décomposée, on peut en déduire que les molécules d’eau sont constituées de plus petites particules encore : on les appelle les atomes. D’après les volumes produits obtenus par électrolyse, on peut supposer que chaque molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. corps pur

exemple de propriété

molécules qui le constituent

atomes qui le constituent

eau

téb = 100 °C tf = 0 °C à pression atm

molécules d’eau

atomes d’oxygène d’hydrogène

oxygène

ravive un tison

molécules de dioxygène

atomes d’oxygène

hydrogène

explose au contact d’une flamme

molécules de dihydrogène

atomes d’hydrogène

Décomposition de l’eau +

se transforment en

2 molécules d’eau

2 molécules de dihydrogène

1 molécule de dioxygène

Hypothèse d’avogadro Des volumes égaux de gaz contiennent le même nombre de particules

+

  milliards de milliards de molécules

Sachant qu’il y a environ 20 gouttes dans 1 mL d’eau, on considère qu’une goutte d’eau a un volume de 0,05 mL ou 0,05 mm3. Les chimistes estiment, d’une part, que, dans une goutte d’eau, il y a environ 30 000 milliards de milliards de molécules (3.1022) et, d’autre part, que le volume d’une molécule d’eau est approximativement de 1,5.10–24 mm3 (0,000 000 000 000 000 000 000 001 5 mm3). C’est extrêmement petit et invisible !

Par conséquent, il convient de proposer un nouveau modèle de la composition de la matière.

Modèle atomique de la matière La matière est faite de molécules, elles-mêmes constituées d’atomes.

Légende atome d’oxygène atome d’hydrogène Modèle d’une molécule d’eau.

11

Pour t’exercer Résous les exercices 1, 2 et 3.

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

5. En résumé

Intestin

Anus

Foie

Bouche

Cloaque

Pancréas

Œil humain

Œsophage

ORGANE

SYSTÈME D’ORGANES

Estomac

Salamandre

CELLULE

Microvillosités

Noyau

200 nm

MOLÉCULE

Membrane cellulaire

Microscope électronique

200 μm

Microscope optique

TISSU

NIVEAU MACROSCOPIQUE

ORGANISME

Le changement d’échelle nous emmène du monde macroscopique (du grec macro, « long, très grand ») au monde microscopique (du grec micro, « petit »).

Nous utilisons ces termes dans le sens suivant : – macroscopique : « ce qui peut être observé à l’œil nu » ; – microscopique : « ce qui ne peut être observé à l’œil nu ».

0,2 nm ATOME

NIVEAU MICROSCOPIQUE

12

Ordres de grandeur

Remarque : cette catégorisation en niveaux macroscopique et microscopique est, comme tous les modèles, discutable mais elle est utile pour la compréhension des phénomènes étudiés.

Chimie

Du plus petit au plus grand La nature s’édifie à partir des niveaux inférieurs ; rétablis l’ordre en classant du plus petit au plus grand les différents éléments ci-dessous. a) Schéma du système nerveux de l’animal.

b) Tissu nerveux cérébral.

c) Modèle de molécule d’acide désoxyribonucléique (ADN). Il s’agit d’une molécule organique.

d) Neurone, cellule nerveuse comportant de nombreuses ramifications.

e) Bernache du Canada (une variété d’oie) : organisme.

f ) Noyau, élément de la cellule, observé au microscope électronique. Il renferme l’ADN.

g) Dessin d’un encéphale (organe) d’une Bernache du Canada.

13

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

2 LES ÉLÉMENTS ANTIQUITÉ – 3500 – 476

CHIMIQUES La matière de la Terre et de tout l’Univers est constituée à partir d’un peu plus d’une centaine de briques élémentaires appelées « éléments chimiques ».

Ceux-ci ont été découverts petit à petit depuis l’Antiquité. La représentation de ces éléments a évolué au cours des siècles selon les théories et les préoccupations de l’époque.

MOYEN-ÂGE 476 – 1453

476 Déposition du dernier empereur romain d’Occident

1. Les symboles des éléments chimiques

TEMPS MODERNES 1453 – 1789

1453 Chute de l’Empire romain d’Orient

14

LES MONOGRAMMES ALCHIMIQUES Au Moyen-Âge, pour écrire leurs formules, les alchimistes créent un symbolisme inspiré des Anciens… Ces derniers associaient leurs dieux aux planètes dont ils partageaient le ciel. Ainsi, la planète Mars est associée au dieu sanguinaire de la guerre ; leur représentation est le bouclier et la pointe de la flèche. Nos alchimistes, en quête de symboles, en font le monogramme du fer, matériau utilisé pour fabriquer les armes. Les biologistes utilisent cet emblème de la dureté pour en faire le symbole de l’homme.

La planète Vénus est associée à la déesse de la beauté ; on la représente par son miroir dont le manche est en forme de croix. Les alchimistes en font le monogramme du cuivre, métal très brillant quand il est bien poli. Plus tard, les biologistes s’emparent de cette figure de la beauté pour en faire le symbole de la femme.

fer

or

cuivre

argent

Symboles du fer, du cuivre, de l’or et de l’argent.

LES SYMBOLES DU XVIIIe SIÈCLE Le 18 avril 1787, Lavoisier (1743-1794) lit à l’assemblée Royale de l’Académie des Sciences un mémoire sur la nécessité de réformer et de perfectionner la nomenclature en Chimie. Ce mémoire contient aussi un nouveau Système de Caractères Chimiques, de Hassenfratz et Adet, adapté à cette nomenclature.

Dans ce système, les métaux sont représentés dans un cercle par une ou deux lettres (sauf l’or).

H

Fe

or

mercure

fer

Z

Sb

As

zinc

antimoine

arsenic

Symboles de l’or, du mercure, du fer, du zinc, de l’antimoine et de l’arsenic.

1789 Révolution française

Chimie

LES SYMBOLES DU XIXe SIÈCLE John Dalton

hydrogène

carbone

oxygène

phosphore

C

Ar

S

G

cuivre

arsenic

argent

or

Quelques symboles de John Dalton.

Jöns Jacob Berzelius Chimiste suédois (1779-1848), membre de l’Académie des Sciences de Suède (1808), président et secrétaire perpétuel de cette Académie, le baron Berzélius sépare la chimie minérale et la chimie organique (1806) ; il isole de nombreux corps simples (sélénium, calcium, baryum, strontium…).

C’est lui aussi qui fait connaître les propriétés du silicium. Berzélius généralise l’usage des lettres pour représenter les éléments chimiques et dépouille le symbole du cercle qui l’entourait. L’usage fera attribuer à tous les métaux nouvellement découverts le suffixe -ium et le symbolisme en un ou deux caractères sera imposé comme notation internationale.

Berzélius a également l’idée d’affecter des exposants (remplacés aujourd’hui par des indices) pour préciser le nombre d’atomes d’une espèce dans une molécule.

H

C

O

P

hydrogène

carbone

oxygène

phosphore

Cu

As

Ag

Au

cuivre

arsenic

argent

or

Quelques symboles de Jöns Jacob Berzelius.

ÉPOQUE CONTEMPORAINE 1789 – ...

Physicien et chimiste anglais (1766-1844), John Dalton est le véritable créateur de la théorie atomique. On lui doit plusieurs lois dont la loi des proportions qui porte son nom. Il étudie sur lui-même la maladie appelée dyschromatopsie, mieux connue depuis sous le nom de daltonisme. C’est vers 1810 que John Dalton crée les symboles pour la plupart des éléments connus à ce moment. Bien qu’à cette époque les Anglais et les Français s’échangent plus volontiers des boulets de canon que des symboles chimiques, on peut raisonnablement penser qu’en sa qualité d’associé étranger à l’Institut de France, John Dalton est au courant du Système de Caractères Chimiques de Hassenfratz et Adet. Dalton améliore cette notation, entre autres en systématisant le symbolisme : tout élément est représenté dans un cercle ; les plus récemment découverts sont caractérisés par une ou deux lettres rappelant leur nom.

15

16

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Chapitre 1

DU CORPS PUR À SON SYMBOLE Le cuivre Niveau macroscopique

Niveau microscopique

Niveau symbolique

Cu Sodium (Na) solide (à conserver dans le pétrole).

Remarque : le rayon atomique des atomes de cuivre est de 128 pm, c’est-à-dire 128.10-12 m, soit 1,28.10-10 m. Invisible par microscopie optique !

CONVENTION

Dichlore (Cl2), dibrome gazeux (Br2), diiode (l2).

Chaque élément est donc symbolisé : – par la première ou les deux premières lettres du nom : exemples carbone C calcium Ca cuivre Cu – par d’autres lettres appartenant au nom : exemples chlore Cl cadmium Cd – ou par d’autres lettres venant de son nom dans une autre langue (latin, etc.) : exemples sodium Na (natrium) potassium K (kalium)

Symboles chimiques Fer (Fe) solide.

Cuivre (Cu) solide.

Pour t’exercer Tu es maintenant capable de faire l’exercice 6.

Par convention, la première lettre est toujours écrite en majuscule d’imprimerie et la deuxième (quand elle est présente) en minuscule !

Parmi les différents éléments chimiques du tableau périodique (voir tableau dépliable à la fin du livre), tu connaîtras parfaitement les noms (orthographe comprise) et les symboles se trouvant ci-contre.

Chimie

Quelques éléments chimiques accompagnés de leur symbole et autres informations Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Symbole H He Li Be B C N O F

10 11

Ne Na

12

Mg

13

Al

14 15

Si P

16 17 18 19 20 24

S Cl Ar K Ca Cr

25 26 27 28 29 30 33 35 47 48 50 53 56 78 79 80 82 92 94

Mn Fe Co Ni Cu Zn As Br Ag Cd Sn I Ba Pt Au Hg Pb U Pu

Nom hydrogène hélium lithium béryllium bore carbone azote oxygène fluor

Information « qui engendre l’eau » du grec « soleil » du grec « pierre » présent dans le minéral « béryl » de l’arabe « fondant » élément à la base des structures vivantes « qui empêche la vie » « qui engendre les acides » du latin « écoulement », présent dans l’émail des dents néon « gaz nouveau » sodium du latin « remède au mal de tête », utilisé dans certains types d’éclairage magnésium de la province grecque de Magnésie, utilisé en escalade et en gym sous forme de sel aluminium provenant du minerai appelé alumine, utilisé comme feuille d’emballage silicium du latin « pierre à feu », utilisé en l’électronique phosphore « porteur de lumière », présent dans les allumettes soufre présent dans les allumettes chlore gaz de couleur vert-jaune argon gaz inerte présent dans l’air potassium du latin kalium calcium du latin calcarius, élément constituant des os chrome du grec « couleur », orne les motos et les voitures anciennes manganèse intervient dans la fabrication d’aciers spéciaux fer composant de l’acier cobalt de l’allemand « mauvais génie » nickel de l’allemand « faux cuivre » cuivre utilisé en électricité zinc utilisé pour la fabrication de gouttières arsenic du grec « mâle », poison mortel brome du grec «puanteur » argent métal noble utilisé en bijouterie cadmium constituant des piles, très polluant étain du latin « plomb argentifère » iode du grec « violet », capable de se sublimer baryum du grec « lourd » platine de l’espagnol « argent », métal noble or métal noble utilisé en bijouterie mercure appelé « vif argent » dans l’Antiquité , toxique plomb utilisé dans les batteries de voiture uranium de la planète Uranus plutonium de la planète Pluton

17

Z Z est le numéro atomique : il est propre à chaque élément chimique.

Minéral Les trois photos ci-dessous montrent le corps pur et un minéral dont il est issu.

Chrome, chromodiopside.

Mercure, cinabre.

Arsenic, réalgar.

18

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Dangereux iode !

Diiode I2 Nouveau symbole de danger : Nocif par inhalation et par contact avec la peau. Nocif pour l’environnement.

Chapitre 1

2. Le classement des éléments chimiques A) DEUX CATÉGORIES DE CORPS PURS SIMPLES

L’ensemble de l’Univers semble construit sur base d’une centaine d’éléments chimiques. Les corps purs qui les contiennent peuvent être classés selon leurs propriétés. Il est important pour le chimiste de connaître les propriétés des substances qu’il utilise afin d’en faire un usage adapté.

TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PROPRIÉTÉS DES CORPS PURS Objectif Classer les corps purs simples selon leurs propriétés. Les propriétés qui vont être testées sont des propriétés physiques, c’est-à-dire qui n’altèrent pas la nature du corps. Au cours de l’expérience, l’échantillon ne se transforme pas en un autre corps comme lors des phénomènes chimiques (ou réactions chimiques).

Matériel et méthode Échantillons : aluminium, carbone, cuivre, fer, iode, magnésium, plomb, silicium, soufre, zinc. Pour classer les échantillons, tu peux réaliser cinq tests.

Test 1. Masse volumique : inférieure ou supérieur à 2,5 g.cm–3 ?

Matériel nécessaire : balance de précision au centigramme, cylindre gradué de 10 cm³, eau et plomb.

La masse volumique d’un corps est sa masse par unité de volume.

Autrement dit, on peut la déterminer en cherchant la masse d’1 cm³ de l’échantillon.

Pèse un cylindre gradué contenant un volume d’eau déterminé (par exemple 20 cm³) puis plonge des morceaux de plomb dans de l’eau jusqu’à ce que le volume ait augmenté de 5 cm³. Prends note de la nouvelle masse et calcule l’augmentation de masse par cm3. Calcule la masse volumique du plomb.

Tu n’as pas le temps de déterminer la masse volumique de tous les échantillons ? Voici quelques données : Test 1 : masse volumique.

Précieux cuivre !

Le cuivre est caractérisé par sa grande conductivité électrique, sa résistance à la corrosion et sa recyclabilité. Il s’agit donc d’un matériau de choix notamment pour l’électronique, le transport de l’électricité dans les maisons, la télécommunication, la plomberie...

@

Éléments au quotidien

Cherche les utilisations courantes de l’Al, Fe, C, Pb, Mg, Si, Zn.

Échantillons aluminium carbone cuivre fer iode

Masse volumique (g/cm3) 2,7 2,2 8,9 7,9 4,7

Échantillons magnésium plomb silicium soufre zinc

Masse volumique (g/cm3) 1,7 11,4 2,3 2,1 7,1

Les chimistes utilisent des unités différentes de celles adoptées dans le S.I. pour des raisons pratiques.

Test 2. Aspect : brillant ou terne ?

Matériel nécessaire : papier de verre.

Observe et frotte éventuellement avec le papier de verre les échantillons pour déterminer s’ils ont un éclat métallique ou s’ils sont ternes.

Test 3. Malléabilité : malléable (on peut le plier) ou cassant ?

Les échantillons qui sont en poudre sont cassants. Pour les autres, si tu parviens à les plier, ils sont malléables.

Chimie

Test 4. Conductivité électrique : conducteur ou non conducteur d’électricité ?

Matériel nécessaire : circuit électrique.

Sans rentrer dans les détails, considérons le montage expérimental cicontre : un générateur (une pile ou un chargeur de batterie 9 V par exemple) alimente un circuit en électricité. Celui-ci est ouvert ; deux fils sont munis d’une pince crocodile à leur extrémité. L’expérience consiste à placer l’échantillon entre les pinces crocodiles et déterminer si l’échantillon conduit l’électricité : si c’est le cas, le circuit électrique est donc fermé et la lampe s’allume. Les échantillons sous forme de poudre ne conduisent pas l’électricité.

19

Montage électrique.

Test 5. Conductivité thermique : conducteur ou non conducteur de chaleur ?

Matériel nécessaire : bougie, pince, chronomètre.

Réalise le montage ci-contre . Seuls les échantillons existant sous forme de tige peuvent être testés. Place un peu de cire solidifiée à une extrémité de la tige. Allume la bougie à l’autre extrémité et évalue le temps mis par la chaleur pour se propager le long de l’échantillon et provoquer la fonte de la cire.

Résultats Pour chaque expérience, prends note de façon précise des résultats observés sous forme d’un grand tableau de ce type : Échantillons

Masse volumique (g/cm³)

aluminium

> 2,5

carbone

< 2,5

cuivre

> 2,5

Aspect : terne ou éclat métallique

Malléabilité : cassant ou malléable

Conductivité électrique : oui ou non

Conductivité thermique : oui ou non

Montage pour la conductivité thermique.

Classement des corps purs Interprète ces résultats en classant les échantillons testés en deux groupes et en précisant les propriétés générales des éléments de chaque groupe.

…

Interprétation Les éléments ont été classés dans le tableau périodique en fonction de leurs propriétés. Une de celles-ci est leur caractère métallique. Un métal a généralement un éclat métallique, il est capable de se déformer sans casser, il conduit bien la chaleur et l’électricité (les conducteurs électriques reviendront au chapitre 7). Contrairement aux non-métaux. Les métaux se trouvent classés dans la partie gauche du tableau périodique des éléments chimiques et les non-métaux dans la partie droite. Un « truc » pour séparer les métaux des non-métaux consiste à tracer, à travers le tableau, un escalier dont une des marches surmonte l’aluminium (Al) (qui est un métal). Cette séparation est illustrée à la page suivante. Comme tu peux le constater, les métaux sont, en moyenne, trois fois plus nombreux que les non-métaux. Cette séparation n’est pas parfaite et les éléments se trouvant aux alentours de la ligne de séparation ont des propriétés à la fois métalliques et non-métalliques.

L’aluminium L’aluminium (Al) est un métal malléable argenté qui s’altère peu à l’air. Sa faible densité en fait un matériau de choix dans l’industrie aérospatiale. Il est aussi largement utilisé dans le domaine de l’emballage.

20

E LA STRUCTUR E R DE LA MATIÈ

Le mercure

Chapitre 1

PÉRIODES

C O U C H E S

1

K

Ia

2

1

K

2

4 5

11

0,9

12

2

L

8

M

8

N

1

K

2

L

8

8

8

M

18

18

18

N

8

Rb Sr 8

9

1 2 8

N

18

O

8

P K

1 2

L

8

M

18

N

32

O

18

P

8

Q

1

19

0,8

2

2

K

8

39,10

2

37

0,8

85,47 55

0,7

8

2

2 2

20

40,08 38

2

2

21

1,3

2

22

1,5

1,0

87,62 56

0,9

8

Vb 2

8

8

8

9

10

11

2 2

2 2

44,96 39

1,3

47,87

2 2

40

1,4

8

Y 88,91 57

1,1

8

18 10

V 50,94

2 2

1,6

41

1,6

8

2 8 13 1 2

24

1,6

VIIb 2

25

1,5

VIIIb 2

26

1,8

132,91 0,7

–

91,22 72

1,3

8

52,00 42

1,8

2

32

1,8

2

33

2,0

2

34

2,4

L

18

M

2 2

54,94 43

1,9

8

2 2

55,85 44

2,2

8

2 2

58,93 45

2,2

8

2 2

58,69 46

2,2

8

1 2

63,55 47

1,9

8

2 2

65,38 48

1,7

8

3 2

69,72 49

1,7

8

4 2

72,64 50

1,8

8

5 2

74,92 51

1,9

8

6 2

78,96 52

2,1

8

7 2

18

18

18

18

12

13

13

15

16

18

18

18

18

18

18

18

18

95,94 74

1,7

2 2

98,91 75

1,9

8

1 2

101,07 76

2,2

8

1 2

9

10

11

12

13

14

15

2

180,95

2 2

105

183,85

2 2

106

186,21

2 2

107

102,91 77

2,2

8

190,20

2 2

108

0 2

106,40

Ir

32

192,22

1 2

2

107,87

2

112,40

3

114,82

4

118,70

5

121,75

6

127,60

7

M

18

126,90

8

131,30

K

Pt Au Hg Tl- Pb Bi Po At Rn

M

32

32

32

32

32

32

32

32

N

18

18

18

18

18

18

18

18

O

195,10

1

196,97

2

200,60

3

1,8

204,37

4

83

1,9

8

207,20

5

84

2,0

8

208,98

6

85

2,2

8

[209]

7

86

L

8

[210]

8

[222]

P K

110

8

8

8

8

8

8

8

L

18

18

18

18

18

18

18

18

18

M

32

32

32

32

32

32

32

32

32

N

18

18

32

32

32

32

32

32

32

O

Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds u u [223]

O

–

82

8

2

L

N

18

1,8

2

K

Xe

18

81

8

2

18

18

1,9

2

I

N

–

18

80

8

2

83,80 54

8

18

2,4

2

2

18

79

8

2

8

18

2,2

17

109

1

2,5

18

78

8 18

79,90 53

8

18

8

K

18

18

2

–

18

8

178,49

36

18

18

2

2

18

18

1

2,8

35

18

18

1,5

M

39,95

18

18

92,91

L

8

8

35,45

18

18

73

Cl- Ar

16

18

8

104

2

K

15

32

2

1,6

–

14

32

2

31

7

18

13

32

1,1

2

8

L

20,18 2

8

32

138,91

1,6

S 32,06

3,0

17

8

32

89

30

6

19,00 2

8

32

8

2

8

2,5

8

18

2

1,9

P 30,97

16

8

18

2

29

5

28,09

16,00 2

8

18

0,9

2

8

4

8

26,98

2,1

8

18

137,34

1,9

Al- Si

15

K

8

8

18

88

28

14,01 2

7

8

18

8

2

1,8

6

–

Ne

8

18

2

1,9

3

14

10 2

F

18

2

K

8

18

2

27

IIb

5

12,01 2

4,0

9 2

O

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

8

1

He

8

Cs Ba La Hf Ta W Re Os u 87

2

Ib

1,5

3,5

8 2

N

4

13

3,0

7 2

C

Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

2 2

23

VIb

18

8 2

226,03

9 2 2

[227] 57

1,1

8

LANTHANIDES u

18 8 9

P

2 2

L

8

M

18

N

masse atomique relative

18

K

Pour t’exercer

1,0

IVb

Ca Sc Ti

O

O

3

8

IIIb

24,31

L

N

Ar

2,5

6 2

B

8

K

M

2

Na Mg 22,99

2,0

5

symbole

10,81

1,2

K

18

X

L

C O U C H E S

4,00

9,01 2

1

L

VIIIa

C

2

8

M

Z

M

L

K

7

électrons par couches

M

O

6

1,5

4 2

6,94

3

VIIa

2

K

Li Be L

VIa

2

1,0

3 K

Va

nombre atomique

1,01

2

IVa

électronégativité

H

1

IIIa

TABLEAU DE MENDELEÏEV

2,1

1

Le mercure (Hg) est le seul métal liquide dans des conditions normales de température et de pression (à 0°C, 101 300 Pa).

Il est très toxique sous forme pure mais aussi combiné à d’autres éléments. Son utilisation dans les thermomètres est à présent interdite ; il y est remplacé par de l’alcool.

IIa

ACTINIDES u u

32 18

P

9

Q

2

10

[261]

2 2

58

1,1

8

11

[262]

2 2

59

1,1

8

12 2 2

[263] 60

1,2

8

13 2 2

14

[262] 61

2

–

8

2

[265] 62

1,2

8

15 2 2

16

[266] 63

2

–

8

2

P

[281] 64

Q

1,1

8

2

65

1,2

8

2

66

(1,2)

8

2

67

1,2

8

2

68

1,2

8

2

69

1,2

8

2

70

1,1

8

2

71

1,2

L

8

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu u 138,91 89

1,1

M

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

20

21

22

23

24

25

25

27

28

29

30

31

32

32

N

8

8

8

8

8

8

9

8

8

8

8

8

8

9

O

2 2

140,12 90

8

1,3

140,91

2 2

91

8

1,5

2 2 8

18

18

18

32

32

32

18

20

21

Ac Th Pa u u [227]

K

10 2

232,04

9 2

231,04

9 2

144,24 92

1,4

2 2 8

146,92 93

1,3

2 2 8

150,40 94

1,3

2 2

151,96 95

8

1,3

2 2 8

157,25 96

–

2 2 8

158,93 97

–

2 2 8

162,50 98

–

2 2 8

164,93 99

–

2 2 8

167,26 100

–

2 2 8

168,93 101

–

2 2 8

173,04 102

–

2 2 8

174,97 103

–

L

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

32

32

32

32

32

32

32

32

32

32

32

N

22

24

25

25

27

28

29

30

31

32

32

O

U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 238,03

P K

18

9 2

237,05

8 2

239,05

8 2

241,06

9 2

247,07

8 2

249,08

8 2

251,08

8 2

254,09

8 2

257,10

8 2

258,10

8 2

255,00

9 2

262,10

M

P Q

Les métaux sont en bleu et les non-métaux sont en rose.

Résous les exercices 4 et 5.

Définitions Famille d’éléments chimiques : les éléments qui se trouvent dans une même colonne du tableau périodique et qui possèdent des propriétés semblables.

Période : les éléments qui se trouvent sur une même ligne appartiennent à la même période. Le caractère métallique diminue de gauche à droite pour chaque période.

Tableau périodique : tableau reprenant l’ensemble des éléments chimiques classés selon leur masse atomique relative et leurs propriétés. Ces propriétés varient de façon périodique, c’est-à-dire répétitive, cyclique.

Les éléments de la famille IVa. De g. à d. : le carbone (sous forme de graphite), le silicium, le germanium, l’étain et le plomb.

Curiosité L’hydrogène, bien qu’il soit présent dans la première colonne du tableau périodique, apparaît comme fort différent des éléments de sa famille. Il n’est habituellement pas considéré comme métal. Toutefois, à de très hautes pressions (400 GPa), il semble présenter certaines propriétés des métaux.

Les éléments de la famille VIa. De g. à d. : l’oxygène, le soufre, le sélénium et le tellure.

Les éléments de la première rangée du bloc b.

Haut (de g. à d.) : le scandium, le titane, le vanadium, le chrome et le manganèse. Bas : le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc.

.

Chimie

B)

21

ÉLABORATION DU TABLEAU PÉRIODIQUE

Depuis les 7 métaux de l’Antiquité, le nombre d’éléments chimiques connus a augmenté continuellement. Avec l’invention de la pile de Volta et l’utilisation de l’électricité en chimie, les scientifiques parviennent à décomposer des substances et à en extraire de nouveaux corps simples, comme le sodium, le potassium, le bore, le calcium, etc. On assiste à une explosion démographique des « corps simples ».

Le besoin de classer les corps simples pour mieux les étudier se fait ressentir.

Des essais de classements sont publiés mais des difficultés persistent.

LE PREMIER CONGRÈS DE CHIMIE En 1860, cent quarante chimistes venus du monde entier se rassemblent à Karlsruhe pour participer au premier congrès de chimie.

Ce premier congrès de chimie est l’événement source de nouvelles idées pour deux jeunes professeurs de chimie : Julius Lothar MEYER (1830-1895), de l’université de Breslau en Allemagne, et Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV (18341907), professeur de chimie à l’université impériale de St-Pétersbourg en Russie. Tous deux intéressés par un classement des éléments dans un but pédagogique, ils découvrent à ce congrès les nouvelles masses atomiques, première étape vers la « loi de la périodicité »… Si l’idée de la classification avait déjà été lancée auparavant, aucun système n’était communément admis.

LE GÉNIE DE MENDELEÏEV C’est en 1869 que Mendeleïev, inspiré par les essais antérieurs et par le premier congrès mondial de chimie, publie sa classification des 63 éléments chimiques connus à l’époque. Avant même que l’idée d’atome ne soit officiellement admise, avant même que les secrets de la structure de l’atome ne soient percés !

La classification du chimiste russe est basée sur les deux critères suivants : la masse atomique relative et les propriétés. C’est en ayant classé les 63 éléments chimiques connus par ordre de masse atomique croissante qu’il s’aperçoit qu’une similitude de propriétés apparaît tous les huit éléments.

Il lui vient alors l’idée de placer ces éléments aux propriétés semblables les uns près des autres. Un tableau en deux dimensions apparaît. Ce n’est pourtant pas si simple, Mendeleïev doit faire face à plusieurs incohérences : à titre d’exemple, il a l’idée de génie de laisser des places libres pour des éléments qui, selon lui, n’ont pas encore été découverts. Il en prédit même les propriétés en prenant le risque d’être contredit. Il s’agit d’une démarche nouvelle, qui ne se contente pas d’un classement mais qui se fait prédictive afin de diriger les recherches. À peine dix ans plus tard, un des éléments prédits est découvert par un Français : M. Paul-Emile LECOQ DE BOISBAUDRAN. Il appelle ce nouvel élément gallium.

Cette découverte est suivie de près en 1886 par celle du germanium par un Allemand dénommé M. Clemens Alexander WINKLER. Ensuite, se suivent assez rapidement les découvertes des autres éléments chimiques naturels. À ce jour, tous ont leur place dans le tableau périodique et l’ingéniosité de Mendeleïev est reconnue.

Volta (1745-1827) présentant sa pile à l’Académie Française à Paris.

Un travail ingénieux 1. Comment le tableau périodique a-t-il été construit par Mendeleïev (cite un ou des critères de classement) ?

2. D’après toi, quel est l’intérêt de ce tableau périodique ?

Un prof motivé !

Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (18341907), né en Sibérie, serait le cadet d’une famille de treize enfants. Il étudie la chimie à St-Pétersbourg (Russie), travaille en Allemagne avec Robert Bunsen puis est nommé professeur de chimie à l’Université de St-Pétersbourg. L’élément 101 porte le nom de mendélévium en son honneur.

Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907).