Phénomènes

Cahier d’apprentissage 4e secondaire

Classe branChée

ST SCIENCE ET TECHNOLOGIE STE SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

Étienne Meyer alain duCharMe

CONFORME À LA PROGRESSION DES APPRENTISSAGES

table des matières Savoir-faire 1 : Les calculs impliquant

la notion de mole................................. 63 Activités 2.3 ........................................................... 65 X 2.4 : La concentration et le pH................................. 69

2.4.1 La concentration en g/L Chapitre 1

et en pourcentage............................... 69 L’organisation de la matière ....................... 2

2.4.2 La concentration en parties par million (ppm)................................. 70 1.1 : L’évolution du modèle atomique ..................... 3

2.4.3 La concentration molaire (en mol/L) STE . 70

1.1.1 De l’Antiquité à John Dalton................ 3

2.4.4 Le pH................................................. 71

1.1.2 Joseph-John Thomson et l’électron ...... 4

2.4.5 La concentration en ions H+

1.1.3 Ernest Rutherford et le noyau atomique . 5

et le potentiel hydrogène STE ............... 72 Activités 1.1 ........................................................... 7 Savoir-faire 2 : Les calculs de concentration................ 73 1.2 : La vision moderne de l’atome ......................... 10

1.2.1 Niels Bohr et les couches électroniques . 10 Activités 2.4 ........................................................... 75

1.2.2 James Chadwick et le neutron STE ....... 12 Synthèse du chapitre 2.................................. 79

1.2.3 Le modèle atomique simplifié STE ......... 13 Activités 1.2 ........................................................... 15 Chapitre 3 1.3 : La classification périodique des éléments.......... 19 Les transformations chimiques.................. 88 1.3.1 Généralités ......................................... 19 3.1 : La conservation de la matière........................... 89

1.3.2 Les périodes et les familles .................. 20

3.1.1 La loi de la conservation de la masse....... 89

1.3.3 La notation de Lewis .......................... 22 Activités 1.3 ........................................................... 23

3.1.2 La conservation de la masse lors

d’un changement chimique.................. 89 1.4 : La périodicité des propriétés STE ....................... 27 Activités 3.1 ........................................................... 91

1.4.1 La masse atomique relative

et les isotopes .................................... 27 3.2 : Les équations chimiques................................... 93

1.4.2 Le rayon atomique ............................. 29

3.2.1 La définition d’une équation chimique.. 93 1.4.3 L’électronégativité ............................... 30

3.2.2 Le balancement d’équations chimiques. 93 Activités 1.4 ........................................................... 31

3.2.3 La stœchiométrie STE ........................... 94 Synthèse du chapitre 1.................................. 34 Savoir-faire 3 : Le balancement d’équations chimiques. 96 Savoir-faire 4 : Les calculs stœchiométriques............... 98 Activités 3.2 ........................................................... 100 Chapitre 2 3.3 : Les catégories de réactions chimiques.............. 104 Les solutions...................................................... 42

3.3.1 Les réactions endothermiques Rappel ................................................................... 43

et exothermiques STE .......................... 104 2.1 : Les liaisons chimiques et les molécules............. 44

3.3.2 L’oxydation et la combustion................ 105

2.1.1 Les ions............................................... 44

3.3.3 La neutralisation acidobasique.............. 107

2.1.2 La liaison ionique STE ............................ 46

3.3.4 Les sels résultant d’une

2.1.3 La liaison covalente STE ........................ 47 neutralisation STE ................................. 108

2.1.4 Les composés binaires STE .................. 48 Activités 3.3 ........................................................... 109 Activités 2.1 ........................................................... 49 2.2 : Les électrolytes................................................ 53 Synthèse du chapitre 3.................................. 113

2.2.1 La dissociation électrolytique................ 53

2.2.2 Les propriétés des électrolytes............. 54 Chapitre 4

2.2.3 La force des électrolytes STE ................. 54 L’énergie ............................................................. 120

2.2.4 Les acides, les bases et les sels............. 55 4.1 : L’énergie sous toutes ses formes....................... 121 Activités 2.2 ........................................................... 56

4.1.1 La définition de l’énergie...................... 121 2.3 : La notion de mole STE ...................................... 59

4.1.2 La loi de la conservation de l’énergie.... 122

2.3.1 La mole............................................... 59

4.1.3 Le rendement énergétique.................. 124

2.3.2 Le nombre d’Avogadro....................... 60 Activités 4.1 ........................................................... 125

2.3.3 La masse molaire................................. 61

Univers matériel..............................................

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table des matières

III

Chapitre 6

STE

Les transformations nucléaires................. 202 6.1 : La stabilité nucléaire......................................... 203

6.1.1 La composition du noyau..................... 203

6.1.2 La stabilité nucléaire............................. 203 Activités 6.1 ........................................................... 206 6.2 : La radioactivité................................................. 207

6.2.1 La désintégration radioactive................ 207

6.2.2 Le temps de demi-vie.......................... 208

6.2.3 Les types de radiation.......................... 209 Activités 6.2 ........................................................... 211 6.3 : Les réactions nucléaires.................................... 212

6.3.1 La fission nucléaire............................... 212

6.3.2 La fusion nucléaire............................... 213

6.3.3 Les applications de l’énergie nucléaire . 213 Activités 6.3 ........................................................... 215 Synthèse du chapitre 6................................... 216

STE

4.2 : L’énergie thermique......................................... 127

4.2.1 La chaleur et la température................ 127

4.2.2 La capacité thermique massique STE ...... 128 Activités 4.2 ........................................................... 129 4.3 : La force et le travail STE .................................... 131

4.3.1 La définition de la force........................ 131

4.3.2 Le mouvement engendré par une force. 132

4.3.3 Le travail et l’énergie............................ 134 Activités 4.3 ........................................................... 135 4.4 : L’énergie d’un corps en mouvement STE .......... 137

4.4.1 La masse et le poids............................ 137

4.4.2 L’énergie cinétique............................... 138

4.4.3 L’énergie potentielle............................. 139

4.4.4 L’énergie mécanique............................ 140 Savoir-faire 5 : L’énergie d’un corps en mouvement........ 141 Activités 4.4 ........................................................... 143 Synthèse du chapitre 4................................... 145

Chapitre 5 L’électricité et l’électromagnétisme........ 152 5.1 : Les phénomènes électriques............................ 153

5.1.1 La charge électrique............................ 153

5.1.2 L’électricité statique.............................. 154

5.1.3 Le champ électrique STE ....................... 156

5.1.4 La loi de Coulomb STE ........................ 157 Activités 5.1 ........................................................... 158 5.2 : Les circuits électriques...................................... 161

5.2.1 Les éléments de circuit........................ 161

5.2.2 Le courant électrique........................... 162

5.2.3 La différence de potentiel.................... 163

5.2.4 La loi d’Ohm....................................... 163

5.2.5 La puissance et l’énergie électrique...... 165 Activités 5.2 ........................................................... 166 5.3 : La conception des circuits................................. 169

5.3.1 Les types de circuits............................. 169

5.3.2 Les appareils de mesure...................... 169

5.3.3 Le courant continu et alternatif............. 170 Activités 5.3 ........................................................... 171 5.4 : L’analyse des circuits électriques STE .................. 174

5.4.1 Les lois de Kirchhoff............................. 174

5.4.2 La résistance équivalente..................... 175 Savoir-faire 6 : Les lois de Kirchhoff............................... 179 Activités 5.4 ........................................................... 181 5.5 : Les phénomènes électromagnétiques............... 185

5.5.1 Le magnétisme.................................... 185

5.5.2 Le champ magnétique d’un fil conducteur.......................................... 187

5.5.3 Le champ magnétique

d’un solénoïde STE .............................. 188 Activités 5.5 ........................................................... 190 Synthèse du chapitre 5.................................. 193

IV

table des matières

Univers Terre et espace ..................... 220 Chapitre 7 La lithosphère.................................................... 222 Rappel ................................................................... 223 7.1 : Les cycles biogéochimiques.............................. 225

7.1.1 Le cycle du carbone............................ 225

7.1.2 Le cycle de l’azote............................... 227

7.1.3 Le cycle du phosphore STE ................... 229 Activités 7.1 ........................................................... 230 7.2 : Les sols ........................................................... 233 7.2.1 Les horizons du sol.............................. 233 7.2.2 La réactivité des sols............................ 234 7.2.3 La capacité tampon des sols STE ........... 235 7.2.4 Le pergélisol........................................ 236 Activités 7.2 ........................................................... 237 7.3 : Les activités humaines...................................... 240 7.3.1 Les minerais et les minéraux................ 240 7.3.2 La fonte du pergélisol.......................... 241 7.3.3 La perturbation des cycles biogéochimiques................................. 242 7.3.4 La contamination et l’épuisement

des sols STE .......................................... 242 Activités 7.3 ........................................................... 244 Synthèse du chapitre 7................................... 247

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Chapitre 8 L’atmosphère et l’hydrosphère.................. 254 Rappel ................................................................... 255 8.1 : L’atmosphère..................................................... 256 8.1.1 L’effet de serre...................................... 256 8.1.2 Les masses d’air et les fronts................. 257 8.1.3 La circulation atmosphérique

et les vents dominants........................... 259 8.1.4 Les anticyclones et les dépressions......... 260 Activités 8.1 ............................................................ 261 8.2 : L’hydrosphère................................................... 264 8.2.1 Les eaux continentales.......................... 264 8.2.2 L’eutrophisation des plans d’eau STE ....... 265 8.2.3 Les océans............................................ 266 8.2.4 La circulation océanique........................ 266 Activités 8.2 ............................................................ 269 8.3 : Les activités humaines........................................ 272 8.3.1 Les contaminants de l’air et de l’eau STE . 272 8.3.2 L’augmentation de l’effet de serre.......... 273 8.3.3 La fonte des glaciers et des banquises.... 274 Activités 8.3 ............................................................ 276 Synthèse du chapitre 8................................... 279

Chapitre 9 La biosphère et l’énergie.............................. 286

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Chapitre 10 L’écologie et les écosystèmes.................... 324 Rappel ................................................................... 325 10.1 : Les populations et les communautés................ 326

10.1.1 L’étude des populations....................... 326

10.1.2 Les communautés et la biodiversité...... 328

10.1.3 La dynamique des communautés......... 329 Activités 10.1 ........................................................... 330 10.2 : Les écosystèmes.............................................. 333

10.2.1 Les relations trophiques....................... 333

10.2.2 La circulation de la matière

et de l’énergie..................................... 334

10.2.3 Les perturbations d’un écosystème...... 336 Activités 10.2 ........................................................... 338 10.3 : L’influence de l’homme STE ............................... 342

10.3.1 L’empreinte écologique....................... 342

10.3.2 L’écotoxicologie................................... 343 Activités 10.3 ........................................................... 347 Synthèse du chapitre 10................................ 349

Chapitre 11

STE

La génétique....................................................... 356 Rappel ................................................................... 357 11.1 : L’ADN, les gènes et les allèles ......................... 358

11.1.1 La structure de l’ADN......................... 358

11.1.2 Les gènes et les allèles......................... 359

11.1.3 Les individus homozygotes

et hétérozygotes................................. 360 Activités 11.1 ........................................................... 361 11.2 : Les mécanismes de l’hérédité........................... 363

11.2.1 Le génotype et le phénotype............... 363 11.2.2 La dominance et la récessivité.............. 363 11.2.3 Les grilles de Punnett........................... 365 Activités 11.2 ........................................................... 366 11.3 : La synthèse des protéines................................ 368

11.3.1 Les protéines et les acides aminés........ 368

11.3.2 La transcription.................................... 369

11.3.3 La traduction....................................... 370 Activités 11.3 ........................................................... 371 Synthèse du chapitre 11................................ 373

table des matières

V

STE

Rappel ................................................................... 287 9.1 : Les biomes terrestres....................................... 288 9.1.1 Les facteurs déterminants

d’un biome terrestre........................... 288 9.1.2 Les biomes nordiques.......................... 289 9.1.3 Les biomes tempérés.......................... 290 9.1.4 Les biomes tropicaux........................... 291 9.1.5 Les biomes désertiques....................... 292 Activités 9.1 ........................................................... 293 9.2 : Les biomes aquatiques..................................... 296 9.2.1 Les facteurs déterminants

d’un biome aquatique.......................... 296 9.2.2 Les biomes dulcicoles.......................... 297 9.2.3 Les biomes marins............................... 299 Activités 9.2 ........................................................... 302 9.3 : Les ressources énergétiques............................. 305 9.3.1 Les ressources énergétiques

de la lithosphère.................................. 305 9.3.2 Les ressources énergétiques

de l’hydrosphère................................. 306 9.3.3 Les ressources énergétiques

de l’atmosphère et du Soleil ............... 308 9.3.4 Les impacts de l’exploitation

de l’énergie ........................................ 310 Activités 9.3 ........................................................... 311 Synthèse du chapitre 9................................... 314

Univers vivant ..................................................... 322

Univers technologique ........................ 378

STE

Chapitre 12

STE

Les biotechnologies........................................ 380 12.1 : Le clonage....................................................... 381 12.1.1 Le clonage naturel............................... 381 12.1.2 Le clonage artificiel.............................. 382 12.1.3 Les bienfaits et les risques du clonage...... 383 Activités 12.1 ........................................................... 384 12.2 : Le traitement des eaux usées........................... 385

12.2.1 Les caractéristiques des eaux usées...... 385

12.2.2 Les types de traitements...................... 386 Activités 12.2 ........................................................... 388 12.3 : La biodégradation des polluants........................ 390

12.3.1 La biodégradation................................ 390

12.3.2 La phytoremédiation........................... 391 Activités 12.3 ........................................................... 393 Synthèse du chapitre 12................................. 395

Chapitre 13 Les matériaux et le langage des lignes .......................................................... 400 rappel ................................................................... 401 13.1 : Le dessin technique STE .................................... 402

13.1.1 Le dessin d’ensemble en vue éclatée... 402

13.1.2 La projection orthogonale

à vues multiples................................... 403

13.1.3 Les tolérances dimensionnelles............ 404 Activités 13.1 ........................................................... 405 13.2 : Les contraintes et les propriétés mécaniques.... 408

13.2.1 Les contraintes mécaniques................. 408

13.2.2 Les propriétés mécaniques

des matériaux...................................... 409

13.2.3 La modification des propriétés............. 410 Activités 13.2 ........................................................... 412 13.3 : Les différents matériaux.................................... 415

13.3.1 Les céramiques................................... 415

13.3.2 Les thermoplastiques

et les thermodurcissables..................... 416

13.3.3 Les matériaux composites.................... 417 Activités 13.3 ........................................................... 419 13.4 : La fabrication STE .............................................. 422

13.4.1 Le mesurage et le traçage.................... 422

13.4.2 Le façonnage....................................... 423

13.4.3 L’inspection.......................................... 425 Savoir-faire 7 : L’utilisation du pied à coulisse.............. 426 Activités 13.4 ........................................................... 427 Synthèse du chapitre 13................................ 430

Chapitre 14 L’ingénierie mécanique ................................ 438 rappel ................................................................... 439 14.1 : Les fonctions de liaison et de guidage............... 440

14.1.1 Les caractéristiques d’une liaison.......... 440

14.1.2 Les guidages........................................ 441

14.1.3 Les degrés de liberté STE ...................... 442

14.1.4 Le choix d’une liaison et d’un guidage.... 443

14.1.5 L’adhérence et le frottement STE .......... 444 Activités 14.1 ........................................................... 445 14.2 : La transmission et la transformation

du mouvement................................................ 448

14.2.1 La transmission du mouvement........... 448

14.2.2 La transformation du mouvement........ 449

14.2.3 Les excentriques STE ............................ 451 Activités 14.2 ........................................................... 452 14.3 : La variation de vitesse...................................... 455

14.3.1 La variation de vitesse utilisant

des roues de friction et des poulies...... 455

14.3.2 La variation de vitesse utilisant

des roues dentées............................... 456

14.3.3 La variation de vitesse utilisant

des vis sans fin .................................... 457 Activités 14.3 ........................................................... 458 Synthèse du chapitre 14................................ 460

Chapitre 15 L’ingénierie électrique................................... 466 15.1 : Alimentation et transformation de l’énergie....... 467

15.1.1 Les fonctions électriques...................... 467 15.1.2 La fonction d’alimentation.................... 467

15.1.3 La fonction de transformation de l’énergie. 468 Activités 15.1 ........................................................... 469 15.2 : La conduction et la protection ......................... 471

15.2.1 La fonction de conduction................... 471 15.2.2 La fonction d’isolation.......................... 471 15.2.3 La fonction de protection..................... 472 15.2.4 La détermination des résistances STE .... 473 Savoir-faire 8 : La lecture d’une résistance.................. 475 Activités 15.2 ........................................................... 476 15.3 : Les interrupteurs.............................................. 478 15.3.1 La fonction de commande................... 478 15.3.2 La classification des interrupteurs STE .... 479 Activités 15.3 ........................................................... 480 15.4 : Les circuits électroniques STE ............................ 481

15.4.1 L’électronique ..................................... 481

15.4.2 Les composantes électroniques........... 481

15.4.3 Les semi-conducteurs.......................... 484 Activités 15.4 ........................................................... 485 Synthèse du chapitre 15................................ 486 Index..................................................................... 491 Sources des photos..................................... 493

VI

table des matières

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L’organisation

du cahier d’apprentissage

Le cahier d’apprentissage Phénomènes classe branchée couvre l’ensemble des concepts prescrits par les programmes Science et technologie et Science et technologie de l’environnement du 4e secondaire.

Le cahier Phénomènes classe branchée est divisé en quatre univers : l’univers matériel, l’univers Terre et espace, l’univers vivant et l’univers technologique. Chaque univers comporte des chapitres dans lesquels les connaissances à acquérir sont organisées de manière à respecter le plus fidèlement la Progression des apprentissages. À la fin du cahier, on trouve un index pratique.

Les univers

Un sommaire détaillé présente le contenu de chacun des chapitres de l’univers.

Un court texte d’introduction présente les contenus des chapitres de l’univers.

Les chapitres

La liste des concepts ciblés dans le chapitre, qui provient de la Progression des apprentissages, est donnée.

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Une citation en lien avec les contenus des chapitres de l’univers.

Les sections associées au pictogramme STE abordent les concepts prescrits du programme Science et technologie de l’environnement.

L’organisation du cahier d’apprentissage

VII

Des connaissances préalables de 3e secondaire sont présentées.

Les sections numérotées sont rapidement identifiables.

Les sous-sections sont également numérotées pour un repérage facile.

Les termes importants à retenir sont précédés du pictogramme et sont définis dans une rubrique particulière.

Des rubriques de type « connaissances générales » en lien avec le sujet sont présentées à l’occasion.

Des rubriques de type « environnement » en lien avec le concept ou le sujet sont présentées à l’occasion.

Chaque section se termine par deux pages ou plus d’activités (exercices et problèmes) en lien avec l’ensemble des concepts étudiés dans la section.

Un picto annonce une question de type « enrichissement » selon la Progression des apprentissages.

VIII

L’Organisation du cahier d’apprentissage

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Une rubrique Savoir-faire présente, lorsque nécessaire, des techniques prescrites de la section « Techniques » de la Progression des apprentissages.

À la fin de chacun des chapitres Cette rubrique fournit un résumé théorique des principaux concepts abordés dans le chapitre.

À l’aide de questions variées, cette rubrique favorise la synthèse des notions présentées dans l’ensemble du chapitre.

L’index L’index permet un repérage facile et rapide des connaissances présentées dans le cahier.

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L’organisation du cahier d’apprentissage

IX

Univers matériel

«

E = mc2. Cette équation révolutionnaire bien connue fait le lien entre les deux fondements de l’Univers : la matière et l’énergie. Toutes les sciences naturelles et toutes les technologies modernes sont fondées sur une compréhension de plus en plus précise de ces deux quantités indissociables. À plusieurs reprises dans l’histoire des sciences, les grands savants ont cru avoir résolu tous les mystères concernant la matière et l’énergie. Or, de nouvelles expériences ont régulièrement ébranlé les certitudes de la communauté scientifique. Bien que nos modèles actuels permettent d’exploiter la matière et l’énergie comme jamais auparavant, bien des mystères demeurent.

X

Un jour, à force de fouiller l’atome, un savant expliquera peut‑être la joie et la paix de l’esprit par des formules mathématiques.

«

Bernard Moitessier (1925-1994), navigateur et écrivain

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Sommaire Chapitre 1 L’organisation de la matière ................................ 2 1.1 : L’évolution du modèle atomique ........................ 3

1.1.1 De l’Antiquité à John Dalton..................... 3

1.1.2 Joseph-John Thomson et l’électron ......... 4

1.1.3 Ernest Rutherford et le noyau atomique ... 5 1.2 : La vision moderne de l’atome ............................ 10

1.2.1 Niels Bohr et les couches électroniques ... 10

1.2.2 James Chadwick et le neutron STE ........... 12

1.2.3 Le modèle atomique simplifié STE ............. 13 1.3 : La classification périodique des éléments............. 19 1.3.1 Généralités ............................................. 19

1.3.2 Les périodes et les familles ....................... 20

1.3.3 La notation de Lewis ............................... 22 1.4 : La périodicité des propriétés STE ......................... 27

1.4.1 La masse atomique relative et les isotopes . 27

1.4.2 Le rayon atomique .................................. 29 1.4.3 L’électronégativité .................................... 30 Chapitre 2 Les solutions............................................................ 42 2.1 : Les liaisons chimiques et les molécules................ 44

2.1.1 Les ions.................................................... 44

2.1.2 La liaison ionique STE ................................ 46

2.1.3 La liaison covalente STE ............................. 47

2.1.4 Les composés binaires STE ........................ 48 2.2 : Les électrolytes................................................... 53

2.2.1 La dissociation électrolytique..................... 53

2.2.2 Les propriétés des électrolytes.................. 54

2.2.3 La force des électrolytes STE ..................... 54

2.2.4 Les acides, les bases et les sels.................. 55 2.3 : La notion de mole STE ........................................ 59

2.3.1 La mole................................................... 59

2.3.2 Le nombre d’Avogadro............................ 60

2.3.3 La masse molaire..................................... 61 2.4 : La concentration et le pH.................................... 69

2.4.1 La concentration en g/L et en pourcentage............................................. 69

2.4.2 La concentration en parties

par million (ppm)...................................... 70

2.4.3 La concentration molaire (en mol/L) STE ... 70

2.4.4 Le pH...................................................... 71

2.4.5 La concentration en ions H+ et le potentiel hydrogène STE ........................ 72 Chapitre 3 Les transformations chimiques............................ 88 3.1 : La conservation de la matière.............................. 89

3.1.1 La loi de la conservation de la masse......... 89

3.1.2 La conservation de la masse lors d’un changement chimique....................... 89 3.2 : Les équations chimiques..................................... 93

3.2.1 La définition d’une équation chimique....... 93

3.2.2 Le balancement d’équations chimiques..... 93

3.2.3 La stœchiométrie STE ............................... 94 3.3 : Les catégories de réactions chimiques................. 104

3.3.1 Les réactions endothermiques et exothermiques STE .............................. 104

3.3.2 L’oxydation et la combustion..................... 105

3.3.3 La neutralisation acidobasique................... 107

3.3.4 Les sels résultant d’une neutralisation STE .. 108 © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Chapitre 4 L’énergie.................................................................. 120 4.1 : L’énergie sous toutes ses formes......................... 121

4.1.1 La définition de l’énergie........................... 121

4.1.2 La loi de la conservation de l’énergie......... 122

4.1.3 Le rendement énergétique....................... 124 4.2 : L’énergie thermique............................................ 127

4.2.1 La chaleur et la température..................... 127

4.2.2 La capacité thermique massique STE .......... 128 4.3 : La force et le travail STE ....................................... 131

4.3.1 La définition de la force............................ 131

4.3.2 Le mouvement engendré par une force.... 132

4.3.3 Le travail et l’énergie................................. 134 4.4 : L’énergie d’un corps en mouvement STE ............ 137

4.4.1 La masse et le poids................................. 137

4.4.2 L’énergie cinétique.................................... 138

4.4.3 L’énergie potentielle................................. 139

4.4.4 L’énergie mécanique................................. 140 Chapitre 5 L’électricité et l’électromagnétisme.................... 152 5.1 : Les phénomènes électriques............................... 153

5.1.1 La charge électrique................................. 154

5.1.2 L’électricité statique................................... 154

5.1.3 Le champ électrique STE ........................... 156

5.1.4 La loi de Coulomb STE ............................ 157 5.2 : Les circuits électriques........................................ 161

5.2.1 Les éléments de circuit............................. 161

5.2.2 Le courant électrique................................ 162

5.2.3 La différence de potentiel......................... 163

5.2.4 La loi d’Ohm............................................ 163

5.2.5 La puissance et l’énergie électrique........... 165 5.3 : La conception des circuits................................... 169

5.3.1 Les types de circuits.................................. 169

5.3.2 Les appareils de mesure........................... 169

5.3.3 Le courant continu et alternatif.................. 170 5.4 : L’analyse des circuits électriques STE .................... 174

5.4.1 Les lois de Kirchhoff.................................. 174

5.4.2 La résistance équivalente.......................... 175 5.5 : Les phénomènes électromagnétiques................. 185

5.5.1 Le magnétisme......................................... 185

5.5.2 Le champ magnétique d’un fil conducteur. 187

5.5.3 Le champ magnétique d’un solénoïde STE 188 Chapitre 6 STE Les transformations nucléaires............................ 202 6.1 : La stabilité nucléaire ........................................... 203

6.1.1 La composition du noyau......................... 203

6.1.2 La stabilité nucléaire.................................. 203 6.2 : La radioactivité ................................................... 207

6.2.1 La désintégration radioactive..................... 207

6.2.2 Le temps de demi-vie............................... 208

6.2.3 Les types de radiation............................... 209 6.3 : Les réactions nucléaires....................................... 212

6.3.1 La fission nucléaire................................... 212

6.3.2 La fusion nucléaire.................................... 213

6.3.3 Les applications de l’énergie nucléaire....... 213 Univers matériel

1

Chapitre

3

Les transformations chimiques

Progression des apprentissages • Expliquer la loi de la conservation de la masse lors d’une réaction chimique • Représenter la conservation de la masse à l’aide du modèle particulaire • Balancer des équations chimiques • Déterminer des quantités de réactifs ou de produits à l’aide de calculs stœchiométriques (gramme ou mole) STE • Distinguer une réaction endothermique d’une réaction exothermique à l’aide de manifestations perceptibles STE

88

Chapitre 3

• Distinguer une réaction endothermique d’une réaction exothermique à l’aide de la position du bilan énergétique dans l’équation chimique STE • Associer une équation dans laquelle le dioxygène est l’un des réactifs à l’un des cas possibles d’une réaction d’oxydation STE • Décrire les manifestations perceptibles d’une combustion vive • Expliquer une réaction de combustion à l’aide du triangle de feu

• Donner des exemples de réaction de neutralisation acidobasique • Nommer les produits formés lors d’une neutralisation acidobasique (sel et eau) • Reconnaître une neutralisation acidobasique à l’aide de son équation • Déterminer la formule moléculaire du sel produit lors de la neutralisation d’un acide et d’une base donnés STE

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3.1 3.1.1

La conservation de la matière

La loi de la conservation de la masse

En 1630, un médecin du nom de Jean Rey effectue plusieurs expériences sur la calcination des métaux, dont le plomb. Il remarque que la masse du plomb calciné est supérieure à celle de l’échantillon initial (voir la figure 3.1). Le modèle atomique n’étant pas encore connu à l’époque, il est convaincu que de la nouvelle matière a été créée.

Figure 3.1 La calcination du plomb Au cours de la calcination du plomb, la masse de l’échantillon augmente, comme si de la nouvelle matière avait été créée.

Il faut attendre l’analyse d’expériences similaires menées par Antoine Lavoisier en 1777 pour comprendre le phénomène. Ce savant énonce alors la loi de la conservation de la masse, résumée par cette phrase célèbre : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Loi de la conservation de la masse : Principe selon lequel aucune masse n’est créée ni détruite lors d’un changement physique ou chimique.

Selon cette loi : • le nombre d’atomes de chaque sorte demeure le même avant et après la transformation ; • la masse des réactifs est toujours égale à celle des produits.

3.1.2

a conservation de la masse L lors d’un changement chimique

On comprend aisément la conservation de la masse lors d’un changement physique, tel un changement de forme ou d’état (voir la figure 3.2).

La masse de la feuille demeure la même, qu’elle soit pliée ou non.

L’échantillon d’eau possède la même masse, qu’il soit à l’état solide ou à l’état liquide.

Figure 3.2 La conservation de la masse lors de changements physiques © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

89

Par contre, les changements chimiques peuvent donner des résultats contradictoires s’ils sont mal interprétés. La calcination du plomb abordée précédemment en est un bon exemple. D’où vient donc la masse supplémentaire observée ?

Le modèle particulaire de la matière permet d’expliquer ce phénomène. En effet, on sait aujourd’hui que la calcination du plomb correspond à la réaction chimique suivante :

Plomb

1

Dioxygène contenu dans l’air ambiant

Dioxyde de plomb (plomb calciné)

On remarque qu’un des réactifs n’a pas été pris en compte dans la mesure de la masse des réactifs. En effet, la masse de dioxygène présente dans la réaction a été ignorée. La figure ci-dessous montre qu’en effectuant la réaction dans un récipient fermé, on peut vérifier que la masse qui semble avoir été gagnée par le plomb a en fait été perdue par l’air ambiant.

Chauffage

Plomb + Dioxygène

Oxyde de plomb

Conservation de la matière : vraiment ?

E = mc2… L’équation est toute simple. Pourtant, elle a révolutionné la vision de la matière. En effet, cette loi stipule qu’une masse (m) peut se transformer en énergie (E). On en déduit que, dans certaines conditions, des atomes peuvent être désintégrés en lumière et que leur masse… disparaîtra.

Ce processus, qui ne peut se produire qu’au cours de réactions nucléaires, vient donc contredire la loi de la conservation de la matière.

Toutefois, cette dernière reste valable pour les changements physiques et les changements chimiques.

C’est en 1905 qu’Albert Einstein formula cette célèbre équation.

Nombre d’atomes

Type d’atome

Réactifs

Produits

Pb

5

5

O

10

10

Comme le montre le calcul ci-dessous, la loi de la conservation de la masse nous permet de déduire la masse de dioxygène qui a été utilisée au cours de cette réaction.

Pb(s) 1 O2(g)

PbO2(s)

200 g 1 ? g 231 g

mO 5 mPbO 2 mPb 2

2

mO 5 231 g 2 200 g 2

mO 5 31 g 2

En conclusion, la loi de la conservation de la masse s’applique toujours lors des réactions chimiques. Pour la vérifier, il faut cependant s’assurer de tenir compte de tous les réactifs et de tous les produits.

90

Chapitre 3

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activités 3.1 1 Lequel des énoncés suivants est vrai ?

A) La loi de la conservation de la masse ne s’applique pas aux changements chimiques.

B) La loi de la conservation de la masse ne s’applique pas aux changements physiques.

C) La loi de la conservation de la masse ne s’applique pas aux changements d’état.

D) La loi de la conservation de la masse s’applique à tous les changements physiques ou chimiques.

2 Un élève verse un échantillon de méthanol dans un bécher. Il place cet échantillon dans un congélateur

spécialisé qui permet d’atteindre une température de 100 °C. Le méthanol gèle et se solidifie dans le bécher. À propos de cette situation, quel énoncé est vrai ?

A) La masse du méthanol gelé dans le bécher est plus grande.

B) La masse du méthanol gelé dans le bécher est plus petite.

C) La masse du méthanol gelé dans le bécher n’a pas changé.

D) La masse du méthanol gelé a diminué de 100 g.

3 Pourquoi la loi de la conservation de la masse est-elle plus difficile à vérifier lors de certains changements

chimiques ?

A) Parce que certains réactifs et produits sont gazeux, ce qui les rend plus difficiles à peser.

B) Parce que certaines liaisons chimiques sont rompues et que d’autres sont formées.

C) Parce que certains atomes sont détruits et que d’autres ayant des masses différentes sont créés.

D) Parce que les changements chimiques respectent rarement la loi de la conservation de la masse.

4 Pour chaque réaction chimique, déterminez la masse demandée.

a) 3 NO2(g) 1 H2O(l)

138 g

18 g

2 HNO3(aq) 1 NO(g) 126 g

b) 2 HNO3(aq) 1 CaO(aq)

126 g

Masse de monoxyde d’azote (NO) produite

Ca(NO3)2(aq) 1 H2O(l) 164 g

18 g

Masse de chaux (CaO) utilisée

c) 2 KI(aq) 1 PbCl2(aq)

2 KCl(aq) 1 PbI2(s)

d) 2 C2H6(g) 1 7 O2(g)

14,9 g

33,2 g

27,8 g

Masse de PbI2 qui précipite

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60 g

4 CO2(g) 1 6 H2O(l) 44 g

108 g

Masse de dioxygène consommée

Univers matériel

91

5 Voici l’équation chimique de la réaction entre l’acide chlorhydrique et la craie :

2 HCl(aq) 1 CaCO3(s)

CaCl2(aq) 1 H2O(l) 1 CO2(g)

Rébecca plonge 10 g de craie dans un bécher contenant 200 g d’acide chlorhydrique. Elle pèse le contenu du bécher une fois la réaction terminée. a) Que devrait-elle observer ?

A) La masse est égale à 210 g.

C) La masse est supérieure à 210 g.

B) La masse est inférieure à 210 g.

D) Aucune de ces réponses.

b) Expliquez votre réponse à la question précédente.

6 Martin procède à une expérience scientifique en faisant brûler une bûche de bois. Il remarque que la masse

des cendres est de beaucoup inférieure à la masse de la bûche initiale. À la suite de ce résultat, il affirme que la loi de la conservation de la matière est fausse.

Expliquez en quoi le raisonnement de Martin est erroné.

7 Voici l’affirmation d’un élève de 4e secondaire :

Puisque la masse est conservée lors d’une réaction chimique, on peut affirmer que le nombre de molécules de réactifs est identique au nombre de molécules de produits.

a) Expliquez pourquoi il a tort.

b) Écrivez une équation chimique qui montre que le nombre de molécules n’est pas nécessairement conservé.

92

Chapitre 3

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3.2 3.2.1

Les équations chimiques

La définition d’une équation chimique

L’ équation chimique est un outil essentiel permettant de représenter ce qui se passe lors d’une réaction chimique. De plus, une équation chimique bien écrite rend compte de la conservation de la masse et permet de planifier les quantités de réactifs et de produits qui interviendront dans la réaction. Équation chimique : Énoncé symbolique illustrant la réorganisation des atomes et des molécules au cours d’un changement chimique.

L’exemple ci-dessous illustre l’équation chimique de la combustion du méthane (CH4(g)). Comme dans toute équation chimique, on y remarque que : • les formules chimiques des réactifs sont à gauche et celles des produits sont à droite d’une flèche qui indique le changement ; • l’état physique des substances présentes est généralement indiqué à l’aide d’une lettre en indice et entre parenthèses : (l) pour liquide, (s) pour solide, (g) pour gazeux et (aq) pour aqueux ; • le nombre d’atomes de chaque sorte est identique dans les réactifs et dans les produits ; • le nombre de molécules de chaque substance est un entier.

Réactifs

Produits

CH4(g) + 2 O2(g)

Type d’atome

CO2(g) + 2 H2O(g) Ce nombre, appelé coefficient, indique le nombre de molécules de ce type présentes.

Si ce coefficient est « 1 », on ne l’écrit pas.

Méthane

Dioxygène

1

3.2.2

Nombre d’atomes Réactifs

Produits

Carbone (C)

1

1

Hydrogène (H)

4

4

Oxygène (O)

4

4

Dioxyde de carbone

Eau

1

Le balancement d’équations chimiques

Lorsqu’on écrit une équation chimique, il faut s’assurer que la loi de la conservation de la masse est respectée. Pour cette raison, il est nécessaire de balancer les équations chimiques.

Balancer une équation chimique : Attribuer un coefficient entier à chaque substance qui intervient dans la réaction afin que le nombre d’atomes de chaque sorte soit identique dans les réactifs et dans les produits (respect de la loi de la conservation de la matière et de la masse). © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

93

Comme le montrent les exemples ci-dessous, le balancement d’équations chimiques se fait généralement par déduction à partir de l’équation squelette, c’est-à-dire l’équation dans laquelle on a inscrit les formules chimiques des réactifs et des produits, sans coefficient. exemple 1 Équation squelette : Mg(s)

1 O2(g) MgO(s) Équation balancée

Raisonnement

Puisque la molécule d’O2 comporte deux atomes d’oxygène et que la molécule de MgO n’en comporte qu’un, on déduit qu’il faut : • deux molécules de MgO dans les produits et, par conséquent ; • deux atomes de Mg dans les réactifs.

2 Mg(s) 1 O2(g) Type d’atome

2 MgO(s)

Nombre d’atomes Réactifs

Produits

Mg

2

2

O

2

2

exemple 2 Équation squelette : Fe2 O3(s)

1 C(s) Fe(s) 1 CO(g) Équation balancée

Raisonnement

Puisque chaque molécule de Fe2O3 contient deux atomes de fer et trois atomes d’oxygène, on déduit qu’il faut : • deux atomes de fer dans les produits ; • trois molécules de CO dans les produits et, par conséquent ; • trois atomes de C dans les réactifs.

Fe2 O3(s) 1 3 C(s) Type d’atome

2 Fe(s) 1 3 CO(g) Nombre d’atomes

Réactifs

Produits

Fe

2

2

O

3

3

C

3

3

Toutefois, une démarche plus systématique facilite les choses pour les équations plus complexes. Le Savoir-faire 3 de la page 94 montre comment balancer ces équations chimiques.

3.2.3

La stœchiométrie

STE

Une équation chimique balancée est un outil incontournable pour planifier une réaction chimique. En effet, les chimistes doivent prévoir les quantités de réactifs à utiliser et les quantités de produits qui seront engendrées par la réaction.

Ils doivent donc maîtriser la stœchiométrie.

Stœchiométrie : Ensemble des mesures et des calculs qui permettent de connaître les quantités et les proportions de chaque substance présente dans une réaction chimique.

Ainsi, des calculs stœchiométriques adéquats permettent, par exemple, de savoir quelle masse de chaux est nécessaire pour rétablir le pH d’un plan d’eau.

94

Chapitre 3

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À ce niveau d’étude, les calculs stœchiométriques sont basés sur les principes suivants : Ex. : 2 Mg(s) 1 O2(g)

2 MgO(s)

1. Les réactions chimiques sont toujours complètes (elles se poursuivent jusqu’à ce qu’un des réactifs soit complètement consommé).

La réaction s’arrête : • lorsque tout le magnésium est consommé ou ; • lorsqu’il n’y a plus d’oxygène.

2. Les coefficients dans l’équation balancée déterminent les rapports molaires des substances présentes. On les appelle également coefficients stœchiométriques.

Selon les coefficients stœchiométriques, chaque mole d’O2 réagit avec deux moles de Mg pour produire deux moles de MgO. Le Mg et l’O2 réagissent dans un rapport 2 : 1.

L’exemple ci-dessous illustre un calcul stœchiométrique simple. exemple Un chimiste veut obtenir tout le fer (Fe) possible à partir de 10 moles de Fe2O3(s).

Pour y parvenir, il exploite la réaction chimique donnée par l’équation balancée ci-dessous. Quelle quantité (en mol) de fer obtiendra-t-il ?

Fe2O3(s) 1 3 C(s) 2 Fe(s) 1 3 CO(g) Données

Calculs

nFe O 5 10 mol nFe 5 ? mol

1. Interpréter l’équation chimique balancée Les coefficients nous indiquent que le Fe2O3 et le Fe réagissent dans un rapport 1 : 2.

2. Calculer le nombre de moles de fer à l’aide d’une proportion 1 mol de Fe2O3 2 mol de Fe 5 10 mol de Fe2O3 nFe 2 mol 3 10 mol nFe 5 1 mol nFe 5 20 mol

2

3

Les calculs stœchiométriques se complexifient selon la réaction qui se produit et les réponses cherchées. Le Savoir-faire 4 de la page 96 donne plusieurs exemples de ces calculs.

Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) Ce sont les travaux de ce chimiste allemand qui ont donné naissance à la stœchiométrie.

D’ailleurs, c’est lui qui a suggéré ce mot pour définir l’étude des quantités des substances présentes dans les réactions chimiques. En effet, il est un des premiers à avoir utilisé les mathématiques pour avoir une vision plus juste de la chimie. Il a ainsi réalisé que le rapport des masses des réactifs consommés est toujours constant pour une réaction chimique donnée (par exemple, lors de la synthèse de l’eau, l’hydrogène et l’oxygène sont toujours consommés dans un rapport 1 : 8, c’est-à-dire 1 g d’hydrogène pour 8 g d’oxygène).

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Univers matériel

95

Savoir-

faire

3

Le balancement d’équations chimiques

Balancer une équation chimique consiste à attribuer un coefficient à chaque substance qui intervient dans la réaction afin que le nombre d’atomes de chaque sorte soit identique dans les réactifs et dans les produits.

Les principes de base suivants doivent être respectés lors du balancement d’une équation chimique : • Lorsque le coefficient est 1, on ne l’écrit pas (il est sous-entendu) ; • On ne doit pas conserver de coefficients fractionnaires ; • On utilise les plus petits coefficients possibles ; • On ne modifie jamais les indices des formules chimiques ; • On n’enlève jamais de substances et on n’ajoute jamais de nouvelles substances.

Les exemples ci-après illustrent les étapes à suivre pour balancer des équations chimiques. exemple 1 L’équation de la photosynthèse

1. Écrire l’équation squelette.

CO2(g) 1 H2O(l)

C6H12O6 1 O2(g)

2. Balancer ce qui peut l’être en fonction de la molécule la plus complexe.

CO2(g) 1 H2O(l)

C6H12O6 1 O2(g)

Il faut ajuster les coefficients du CO2 et du H2O de façon à avoir 6 atomes de C et 12 atomes de H dans les réactifs.

6 CO2(g) 1 6 H2O(l) 3. Compter les atomes de chaque sorte et balancer les molécules restantes sans modifier ce qui a déjà été fait.

6 atomes de C 12 atomes de H 18 atomes d’O

C6H12O6 1 O2(g) 6 atomes de C 12 atomes de H 8 atomes d’O

Il faut avoir 18 atomes d’O du côté des produits sans modifier le coefficient du C6H12O6. Pour y parvenir, il faut avoir six molécules d’O2.

6 CO2(g) 1 6 H2O(l) 4. S’assurer que la loi de la conservation de la masse est respectée.

L’équation balancée est 6 CO2(g) + 6 H2O(l)

96

Chapitre 3

6 atomes de C 12 atomes de H 18 atomes d’O

C6H12O6 1 6 O2(g) 6 atomes de C 12 atomes de H 18 atomes d’O

C6H12O6 + 6 O2(g). © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

exemple 2 La combustion du butane

1. Écrire l’équation squelette.

C4H10(g) 1 O2(g)

CO2(g) 1 H2O(g)

2. Balancer ce qui peut l’être en fonction de la molécule la plus complexe.

C4H10(g) 1 O2(g)

CO2(g) 1 H2O(g)

Il faut ajuster les coefficients du CO2 et du H2O de façon à avoir quatre atomes de C et dix atomes de H dans les produits.

C4H10(g) 1 O2(g)

4 atomes de C 10 atomes de H 2 atomes d’O

3. Compter les atomes de chaque sorte et balancer les molécules restantes sans modifier ce qui a déjà été fait.

4 CO2(g) 1 5 H2O(g) 4 atomes de C 10 atomes de H 13 atomes d’O

Il faut avoir treize atomes d’oxygène à partir de molécules qui contiennent deux atomes d’oxygène. Il faut donc 13 attribuer le coefficient au réactif O2.

2

C4H10(g) 1

13 O 2 2(g)

4. Multiplier tous les coefficients par le même nombre de façon à avoir uniquement des coefficients entiers et à garder les proportions de chaque substance.

5. S’assurer que la loi de la conservation de la masse est respectée.

2 C4H10(g) 1 13 O2(g)

L’équation balancée est 2 C4H10(g) 1 13 O2(g)

8 CO2(g) 1 10 H2O(g).

4 CO2(g) 1 5 H2O(g)

32

Pour avoir uniquement des coefficients entiers, il faut multiplier tous les coefficients par 2.

8 atomes de C 20 atomes de H 26 atomes d’O

8 CO2(g) 1 10 H2O(g) 8 atomes de C 20 atomes de H 26 atomes d’O

Les étapes suggérées peuvent être adaptées en fonction de la particularité de l’équation chimique.

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97

Savoir-

faire

4

Les calculs stœchiométriques La stœchiométrie permet de calculer les quantités (en grammes ou en moles) de chaque réactif et de chaque produit présent dans une réaction chimique.

Voici quelques exemples de calculs stœchiométriques.

exemple 1 L’équation balancée suivante décrit la combustion de l’ammoniac : 2 NH3(g) 1 3 O2(g) NO(g) 1 NO2(g) 1 3 H2O(g) Quelle masse d’eau produit la combustion de 21 moles de NH3 ?

Données nNH 5 21 mol 3

MH O 5 18,02 g/mol 2

mH O 5 ?

2

Calculs 1. Calculer le nombre de moles d’eau à l’aide d’une proportion : 2 mol de NH3 3 mol de H2O 5 21 mol de NH3 nH O

2. Calculer la masse d’eau : mH O 5 nH O 3 MH O 2

2

3 mol 3 21 mol 2 mol

nH O 5 31,5 mol

2

2

2

nH O 5

2

mH O 5 31,5 mol 3 18,02 g/mol mH O 5 567,6 g 2

Environ 567,6 g d’eau seront produits.

2

exemple 2 Voici l’équation squelette de l’oxydation du fer : Fe(s) 1 O2(g)

Fe2O3(s)

Quelle masse de dioxygène est nécessaire pour oxyder totalement 100,0 g de fer ?

Données mFe 5 100,0 g MFe 5 55,85 g/mol MO 5 32,00 g/mol 2

mO 5 ? g 2

Calculs 1. Balancer l’équation chimique : 4 Fe(s) 1 3 O2(s) 2 Fe2O3(s) 2. Calculer le nombre de moles de fer impliquées : m nFe 5 Fe MFe nFe 5

100,0 g 55,85 g/mol

nFe 5 1,79 mol

3. Calculer le nombre de moles d’O2 à l’aide d’une proportion : 4 mol de Fe 3 mol de O2 5 nO 1,79 mol de Fe 2

nO 5 2

3 mol 3 1,79 mol 4 mol

nO  1,34 mol 2

4. Calculer la masse d’O2 : mO 5 nO 3 MO 2

2

2

mO 5 1,34 mol 3 32,00 g/mol 2

mO  42,9 g 2

Il faut environ 42,9 g de dioxygène pour oxyder 100,0 g de fer.

98

Chapitre 3

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exemple 3 Voici l’équation balancée de la respiration cellulaire : C6H12O6 1 6 O2(g)

6 CO2(g) 1 6 H2O(g)

On fait réagir 0,5 mol de dioxygène avec 10 g de glucose. De ces deux réactifs, lequel sera en excès ?

Données MC H

O6

mC H

O6

6

6

12

12

5 180,18 g/mol 5 10 g

Calculs 1. Calculer le nombre de moles de C6H12O6 : mC H O nC H O 5 MC H O 6

MO 5 32,00 g/mol

12

2

nC H

O6

nC H

O6

6

6

12

6

6

12

6

1 mol de C6H12O6 6 mol de O2 5 0,056 mol de C6H12O6 nO

6

2

nO 5 0,5 mol

6

2. Calculer le nombre de moles de O2 nécessaires à l’aide d’une proportion :

12

12

5

10 g 180,18 g/mol

2

6 mol 3 0,056 mol nO 5 1 mol nO 5 0,336 mol

 0,056 mol

2

2

II faut 0,336 mol de O2 pour réagir complètement avec 10 g de glucose. Or, 0,5 mol est disponible. Le O2 est donc en excès. La réaction s’arrêtera lorsque tout le glucose sera consommé.

On en déduit que le glucose est le réactif limitant dans cette situation.

exemple 4 Voici l’équation squelette d’une réaction produisant du chlorure d’hydrogène gazeux : NH3(g) 1 Cl2(g) HCl(g) 1 N2(g) Si on met en contact 20,0 g de NH3 et 13,0 g de Cl2, quelle masse de HCl sera produite une fois la réaction terminée ?

Données mNH 5 20,0 g 3

mCl 5 13,0 g

Calculs 1. Balancer l’équation chimique : 2 NH3(g) 1 3 Cl2(s) 6 HCl(g) 1 N2(g)

2

MNH 5 17,04 g/mol 3

MCl 5 70,90 g/mol 2

MHCl 5 36,46 g mHCl 5 ? g

2. Calculer le nombre de moles des réactifs impliqués : NH3 Cl2 mNH mCl nNH 5 nCl 5 MNH MCl 3

3

2

2

3

nNH 5 3

20,0 g 17,04 g/mol

nNH  1,17 mol 3

2

nCl 5 2

13,0 g 70,90 g/mol

nCl  0,18 mol

3 mol de Cl2 6 mol de HCl 5 0,18 mol de Cl2 nHCl nHCl 5

0,18 mol 3 6 mol 3 mol

nHCl  0,36 mol 4. Calculer la masse de HCl : mHCl 5 nHCl 3 MHCl

2

D’après l’équation, le nombre de moles de Cl2 doit être supérieur à celui de NH3.

Or, d’après les quantités utilisées, il y a moins de moles de Cl2 que de NH3. On en déduit que : • il restera du NH3 en excès ; • la réaction se terminera quand tout le Cl2 sera consommé.

Pour ces raisons, il faut utiliser le Cl2 comme référence dans les proportions. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

3. Calculer le nombre de moles de HCl à l’aide d’une proportion :

mHCl 5 0,36 mol 3 36,46 g/mol mHCl  13,1 g Environ 13,1 g de chlorure d’hydrogène seront produits par la réaction.

Univers matériel

99

activités 3.2 1 Comment fait-on pour vérifier qu’une équation chimique est balancée ?

A) On compte le nombre de molécules de chaque sorte dans les réactifs et dans les produits et on s’assure qu’ils concordent.

B) On compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans les réactifs et dans les produits et on s’assure qu’ils concordent.

C) On compte le nombre de substances différentes dans les réactifs et dans les produits et on s’assure qu’ils concordent.

D) Il n’y a aucun moyen sûr de vérifier qu’une équation chimique est balancée ou non.

2 Parmi les équations suivantes, cochez celles qui sont balancées.

A)

Na(s) 1 Cl2(g)

B)

2 NH3(g) 1 3 Cl2(g)

C)

N2(g) 1 3 H2(g)

D)

NaI(aq) 1 HgCl2(aq)

E)

HCl(aq) 1 CaCO3(s)

F)

AgNO3(aq) 1 NaOH(aq)

G)

C2H4O2(aq) 1 NaHCO3(aq)

NaCl(s) 6 HCl(g) 1 N2(g)

2 NH3(g) NaCl(aq) 1 HgI2(aq) CaCl2(aq) 1 H2O(l) 1 CO2(g) NaNO3(aq)­ 1 AgOH(aq) C2H3O2Na(aq) 1 H2O(l) 1 CO2(g)

3 Déterminez la valeur du coefficient manquant dans

Calculs

chaque équation chimique.

a) 4 Al(s) 1

O2(g)

b) 4 Al2O3(s) 1 9 Fe(s) c) PbSO4(aq) 1

2 Al2O3(s)

Fe3O4(s) 1 8 Al(s)

AgCl(aq)

PbCl2(aq) 1 Ag2SO4(aq)

d) Ca(OH)2(aq) 1 2 HCl(aq)

CaCl2(aq) 1

e)

2 K2CO3 1 2 N2 1 3 CO2

KNO3 1 5 C

H2O(l)

4 Décrivez dans vos mots l’utilité des équations chimiques balancées.

100

Chapitre 3

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5 Balancez les équations chimiques suivantes.

a) Cu 1 O2

CuO

Réponse :

NH3

Réponse :

c) NaN3

b) N2 1 H2

Na 1 N2

Réponse :

e) CH4 1 O2

d) Na 1 NH3

NaNH2 1 H2

Réponse :

CO2 1 H2O

Réponse :

f) C4H10 1 O2

CO2 1 H2O

Réponse :

g) NaN3 1 HNO2

N2 1 NO 1 NaOH

Réponse :

h) Al2O3 1 HNO3

Al(NO3)3 1 H2O

Réponse :

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Univers matériel

101

6

STE L’équation

Déterminez :

balancée de la synthèse de l’eau est 2 H2(g) 1 O2(g)

2 H2O(g).

a) la masse d’eau produite par la réaction complète de 6 mol de dihydrogène ; Données :

Calculs :

b) le nombre de moles d’O2(g) nécessaires pour produire un litre (environ 1000 g) d’eau ; Données :

Calculs :

c) la masse de dihydrogène générée par l’électrolyse de 10 g d’eau.

Données :

102

Chapitre 3

Calculs :

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7

STE Bien

que l’essence utilisée dans les véhicules soit en réalité un mélange d’hydrocarbures, on peut comparer sa combustion à celle de l’octane. Voici l’équation squelette de cette combustion : C8H18(l) 1 O2(g)

CO2(g) 1 H2O(g)

Déterminez le nombre de tonnes de CO2 émises annuellement par un véhicule qui consomme 600 kg d’essence par an (1 t 5 1000 kg).

Données :

Calculs :

8

STE Les chercheurs s’intéressent aux moyens de capter et d’emprisonner chimiquement le CO produit par la 2 combustion des hydrocarbures. L’équation squelette ci-dessous décrit un procédé qui permet d’intercepter le CO2 en le transformant en bicarbonate de calcium à l’aide d’un minéral particulier, la wollastonite :

CO2(g)

1 H2O(l) 1 CaSiO3(s)

(Gaz carbonique)

(Eau) (Wollastonite)

SiO2(s) 1

Ca(HCO3)2(aq)

(Silice) (Bicarbonate de calcium)

Quelle masse de wollastonite est nécessaire pour emprisonner une tonne de CO2 ?

Données :

Calculs :

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Univers matériel

103

Les catégories de réactions chimiques

3.3

De la même façon que les biologistes classent les espèces selon certains critères, les chimistes forment également des catégories et des sous-catégories de réactions chimiques.

3.3.1

es réactions endothermiques L et exothermiques STE

Puisque les réactions chimiques engendrent des changements, elles impliquent nécessairement de l’énergie. Parfois, cette énergie est requise pour que la réaction ait lieu. D’autres fois, la réaction se poursuit d’elle-même et dégage de l’énergie. Ce critère permet de distinguer les réactions endothermiques des réactions exothermiques.

Réaction endothermique : Réaction chimique qui nécessite un apport d’énergie pour se produire et se poursuivre. Si l’apport d’énergie cesse, la réaction s’arrête.

Réaction exothermique : Réaction chimique qui dégage de l’énergie en se produisant. Une telle réaction se poursuit d’elle-même et génère généralement de la chaleur, de la lumière ou de l’électricité.

L’analogie suivante permet de mieux comprendre cette distinction.

Réaction endothermique

Réactifs

Niveau des produits

Réaction exothermique

Niveau des réactifs

Niveau des réactifs Les réactifs contiennent moins d’énergie que les produits.

Il faut donc leur fournir constamment de l’énergie (les « pousser ») afin de les amener au niveau des produits.

Exemple : La photosynthèse 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) 1 Énergie C6H12O6 1 O2(g) L’énergie est placée du côté des réactifs.

104

Chapitre 3

Réactifs

Niveau des produits Les réactifs contiennent plus d’énergie que les produits.

Ils vont donc spontanément « glisser » vers le niveau des produits, même s’il faut généralement leur donner une impulsion de départ.

Exemple : La formation de la rouille 4 Fe(s) 1 3 O2(g) 2 Fe2O3(s) 1 Énergie L’énergie est placée du côté des produits.

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Mais comment se fait-il que certaines molécules contiennent plus d’énergie que d’autres ? L’énergie contenue dans une molécule dépend des liaisons chimiques qui unissent ses atomes. Ainsi : • la rupture d’une liaison nécessite de l’énergie ; • la formation d’une liaison libère de l’énergie.

La figure 3.3 illustre le bilan énergétique d’une réaction endothermique, basé sur la rupture et la formation de liaisons chimiques.

De plus, la stœchiométrie nous permet de calculer la quantité d’énergie requise ou libérée au cours d’une réaction chimique.

L’exemple ci-dessous illustre un de ces calculs.

Énergie (kJ) 2000

1856

Absorbe 1856 kJ

1000

488 0

Dégage 1368 kJ

2 H2 + O2 2 H2O Progression de la réaction

Figure 3.3 Le bilan énergétique de la décomposition de l’eau L’énergie nécessaire pour briser les liaisons chimiques des molécules d’eau est supérieure à l’énergie libérée lors de la formation des molécules de H2 et d’O2. Bilan : la réaction nécessite un apport constant d’énergie pour avoir lieu, soit 488 kJ pour 2 moles d’eau.

exemple Les calculs suivants permettent de déterminer la quantité d’énergie E nécessaire à l’électrolyse de 1 L (soit environ 1 kg) d’eau, sachant que 2 H2O(l) 1 488 kJ 2 H2(g) 1 O2(g). À titre comparatif, 1 kJ correspond à l’énergie nécessaire pour faire bouillir 3 ml d’eau.

Données mH O 5 1 kg 5 1000 g MH O 5 18,02 g/mol E5?

2

2

Calculs 1. Calculer le nombre de moles d’eau impliquées : mH O nH O 5 MH O 1000 g nH O 5 18,02 g/mol nH O 5 55,49 mol 2

2

2

2

2

3.3.2

2. Calculer l’énergie requise à l’aide d’une proportion : 2 mol de H2O 488 kJ 5 55,49 mol de H2O E 55,49 mol 3 488 kJ E5 2 mol E 5 13 539,56 kJ, soit l’équivalent de l’énergie nécessaire pour bouillir 4,5 L d’eau

L’oxydation et la combustion

Qu’y a-t-il de commun entre un boulon en train de rouiller et une allumette en train de brûler ? Les deux phénomènes sont en réalité des réactions chimiques semblables. Ce sont des réactions d’ oxydation (voir la figure 3.4).

Oxydation : Réaction chimique impliquant comme réactif l’oxygène ou une substance qui se comporte comme l’oxygène.

La combustion d’une allumette C6H10O5 + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 5 H2O(g) + Énergie

La formation de la rouille 4 Fe(s) + 3 O2(g) 2 Fe2O3(s) + Énergie

La respiration cellulaire C6H12O6 + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(g) + Énergie

Figure 3.4 Quelques réactions d’oxydation © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

105

Bien que ces réactions aient un réactif commun (le dioxygène), la quantité d’énergie dégagée lors de la formation de la rouille est beaucoup moins importante que celle dégagée par la combustion de l’allumette. Cette dernière réaction appartient à une sous-catégorie de réactions d’oxydation : les réactions de combustion.

Combustion : Réaction d’oxydation qui dégage beaucoup d’énergie.

Les produits de la combustion sont généralement le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O).

Pour qu’une combustion ait lieu, il faut que certaines conditions soient réunies.

Ces conditions sont résumées de façon schématique par le triangle de feu (voir la figure 3.5).

Substance qui entretient la combustion.

Dans la très grande majorité des cas, le comburant est le dioxygène.

Toutefois, il en existe d’autres.

Ex. : • L’ozone • Les halogènes

nt ra bu m Co

Co m bu st ib le

Substance capable de réagir avec un comburant (l’oxygène, en général) pour produire de l’énergie.

Ex. : • Le bois • L’essence • Le propane • Le charbon • Le glucose

Énergie d’activation Énergie qui amorce la combustion (un peu comme une poussée de départ lors d’une descente en ski). Ensuite, l’énergie dégagée par la réaction est suffisante pour l’entretenir. L’énergie d’activation est généralement la chaleur. La combustion débute lorsque la température du combustible atteint son point d’ignition.

Figure 3.5 Le triangle de feu

Les réactions de combustion peuvent être plus ou moins rapides et énergétiques.

On peut les classer en trois catégories.

Combustion lente

Combustion vive

Combustion spontanée

• La combustion ne produit pas de flamme.

• L’énergie est libérée petit à petit durant une longue période.

• Le combustible est consommé lentement.

• La combustion produit des flammes et beaucoup de chaleur.

• L’énergie est libérée rapidement et en grande quantité.

• Le combustible est consommé rapidement.

• La combustion s’amorce sans qu’il soit nécessaire de chauffer le combustible, car son point d’ignition est inférieur à la température ambiante.

• La combustion qui s’ensuit est généralement une combustion vive.

Exemples : • La respiration cellulaire ; • Les poêles à combustion lente.

Exemples : • Un feu de camp ; • Une bougie.

Exemple : • Le phosphore s’enflamme spontanément en présence d’air à 30 °C.

106

Chapitre 3

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3.3.3

La neutralisation acidobasique

En biologie et en écologie, l’acidité et l’alcalinité d’un milieu ont une grande influence sur les réactions chimiques qui s’y déroulent et sur les espèces qui y vivent (voir la figure 3.6).

Dans plusieurs cas, on cherche à avoir un milieu neutre, c’est-à-dire qui n’est ni acide ni basique. Pour y parvenir, il est parfois nécessaire d’effectuer une neutralisation acidobasique.

Neutralisation acidobasique : Réaction chimique qui consiste à annuler les propriétés acides d’un milieu en y ajoutant une quantité suffisante d’une substance basique (ou vice-versa).

L’équation générale d’une neutralisation acidobasique est : Acide(aq) 1 Base(aq)

Figure 3.6 La destruction des coraux Coloré à l’origine, ce récif de corail a été détruit par l’acidification de son milieu.

Sel(aq) 1 Eau(l)

Un acide et une base peuvent se neutraliser l’un l’autre selon les principes suivants.

Exemple 1. L’acide se dissocie en libérant des ions H+ en solution aqueuse.

Acide chlorhydrique HCl(aq) H+(aq) 1 Cl–(aq)

Hydroxyde de sodium NaOH(aq) Na+(aq) 1 OH–(aq)

2. La base se dissocie en libérant des ions OH– en solution aqueuse.

3. Lorsqu’on les mélange, les ions H+ et OH– se combinent pour former des molécules d’eau (H2O).

4. Puisque les ions restants ne sont ni des ions H+ ni des ions OH–, le milieu n’a plus de propriétés acides ou alcalines. Les ions restants sont ceux d’un sel dissous.

H+(aq) 1 OH–(aq)

H2O(l)

Les ions restants sont Na+ et Cl–. Ils correspondent aux ions formés par la dissolution du sel de table (NaCl) dans l’eau.

L’équation globale de la neutralisation est : HCl(aq) 1 NaOH(aq)

(Acide(aq)) (Base(aq))

NaCl(aq)­ 1 H2O(l) (Sel(aq)) (Eau(l))

Le modèle particulaire exploité dans l’exemple précédent permet de déduire que pour qu’une neutralisation soit complète, il faut que le milieu contienne autant d’ions H+ que d’ions OH–. Autrement, le milieu conserve en partie son caractère acide ou alcalin. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

107

3.3.4

es sels résultant d’une L neutralisation STE

Lorsqu’on connaît les formules chimiques de l’acide et de la base présents dans une neutralisation acidobasique, il est possible de déduire quel sera le sel formé au cours de la réaction. Cette déduction se fait à partir des charges des ions présents dans la formation du sel. Voici quelques exemples : Acide

Base

Ions présents dans la formation du sel

Combien d’ions de chaque sorte faut-il pour avoir une charge globale nulle ?

Formule chimique du sel

HF(aq)

LiOH(aq)

Li+ et F–

1 ion Li+ et 1 ion F–

LiF

H2S(aq)

KOH(aq)

K+ et S2–

2 ions K+ et 1 ion S2–

K2S

H2SO4(aq)

Al(OH)3(aq)

Al3+ et SO42–

2 ions Al3+ et 3 ions SO42–

Al2(SO4)3

Les pluies acides : causes, conséquences et solutions L’ère industrielle a fait exploser la quantité de gaz issus de la combustion d’hydrocarbures.

Ces gaz (principalement le CO2, le SO2 et le NO2) réagissent avec l’humidité de l’air et produisent des précipitations acides. Par exemple, l’équation squelette ci-dessous montre la formation de l’acide nitrique dans l’atmosphère : NO2(g) 1 H2O(l)

HNO3(aq) 1 NO(g)

Acide nitrique Ces précipitations acides modifient la chimie des sols et des plans d’eau sur lesquels elles tombent. Les conséquences de l’acidification sont, entre autres : • la diminution de la fertilité des sols ; • l’augmentation de la toxicité des autres polluants (comme les métaux lourds) ; • la diminution, voire l’extinction, de certaines espèces animales et végétales ; • la perturbation des chaînes alimentaires et des écosystèmes. À long terme, la solution consiste bien sûr à diminuer l’utilisation des énergies fossiles afin de limiter les gaz responsables des précipitations acides. Toutefois, à court terme et localement, le chaulage (ajout de chaux) permet d’amener temporairement le pH des sols et des plans d’eau à des niveaux raisonnables. En effet, l’équation squelette suivante montre que la chaux (CaO) « consomme » l’acide et l’empêche ainsi de réagir avec les autres substances de l’environnement : HNO3(aq) 1 CaO(aq) Ca(NO3)2(aq) 1 H2O(l)

Chaux Le chaulage n’est toutefois pas une solution idéale, car il comporte aussi des effets secondaires. Entre autres, la fabrication de chaux est un processus extrêmement… polluant !

108

Chapitre 3

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activités 3.3 1 Parmi les équations suivantes, laquelle est l’équation générale d’une neutralisation acidobasique ?

A) Acide 1 Sel C) Acide 1 Base

B) Base 1 Sel

Base 1 Eau

D) Acide 1 Eau

Sel 1 Eau

Acide 1 Eau Base 1 Sel

2 Parmi les énoncés suivants, lequel explique adéquatement pourquoi les acides et les bases se neutralisent ?

A) Les ions OH1 de l’acide se lient aux ions H– de la base pour former des molécules d’eau.

B) Les ions OH– de l’acide se lient aux ions H1 de la base pour former des molécules d’eau.

C) Les ions H– de l’acide se lient aux ions OH1 de la base pour former des molécules d’eau.

D) Les ions H1 de l’acide se lient aux ions OH– de la base pour former des molécules d’eau.

3

STE Parmi

les diagrammes suivants, lequel représente l’évolution de l’énergie au cours d’une réaction exothermique ?

A)

B)

Énergie

C)

Énergie

Progression de la réaction

D)

Énergie

Progression de la réaction

Énergie

Progression de la réaction

Progression de la réaction

Vrai

4 Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. S’il est faux, corrigez-le.

a) Si une seule composante du triangle de feu est présente, la combustion peut se produire.

b) Toutes les réactions de combustion génèrent des flammes.

c) Les réactions de combustion dégagent généralement de l’énergie.

d) Les réactions de combustion spontanée n’impliquent aucune énergie d’activation.

e) Pour éteindre un feu, il suffit de neutraliser une composante du triangle de feu.

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Faux

109

5 Dans chaque situation, indiquez quelle composante du triangle de feu est mise en évidence.

a) Pour allumer une allumette, il faut la frotter sur le côté de la boîte d’allumettes. b) Il est possible d’éteindre un feu en le recouvrant d’une couverture qui ne brûle pas. c) Si un accident survient et que les vêtements d’une personne s’enflamment, cette personne doit se rouler sur le sol. d) L’eau est un liquide qui peut absorber beaucoup d’énergie.

C’est pourquoi elle est efficace pour éteindre un feu. e) Même si on chauffe du verre en présence de dioxygène, ce dernier ne s’enflamme pas.

6 Un technicien de laboratoire mélange suffisamment d’hydroxyde de potassium (KOH(aq)) pour neutraliser

une solution aqueuse d’acide fluorhydrique (HF(aq)).

À partir des représentations des molécules, dessinez ce que contient le mélange après la neutralisation. Écrivez ensuite l’équation balancée de cette réaction.

Substances

Résultat après la neutralisation

KOH(s)

HF(g)

Équation balancée

7 Comme le montre l’équation squelette suivante, la chaux est en mesure de neutraliser l’acide nitrique.

Pourtant, la chaux ne libère pas d’ions OH– en solution aqueuse. Expliquez pourquoi la neutralisation peut quand même avoir lieu.

HNO3(aq) 1 CaO(aq) Chaux

110

Chapitre 3

Ca(NO­3)2(aq) 1 H2O(l)

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8 Un chimiste doit neutraliser une solution aqueuse de NaOH. Pour y parvenir, il utilise une solution aqueuse

de H2S. Voici l’équation balancée de cette réaction :

2 NaOH(aq) 1 H2S(aq)

Na2S(aq) 1 2 H2O

a) Quel était le pH initial de la solution aqueuse de NaOH ?

A) Inférieur à 0

B) 7

C) Inférieur à 7

D) Supérieur à 7

b) Quel sera le pH final du mélange si la neutralisation est effectuée correctement ?

A) 0

B) 7

C) 14

D) 1

c) Quel sera le pH final du mélange si on y met trop de H2S(aq) ?

A) Inférieur à 0

B) 7

C) Inférieur à 7

D) Supérieur à 7

d) Que faudrait-il faire pour corriger cette erreur ?

9 Pour chacune des situations suivantes, indiquez si la combustion est vive, lente ou spontanée.

a) Le combustible a une température d’ignition plus basse que la température ambiante. b) Certains poêles à bois consomment peu de bois et ne produisent pas de flammes. Ils sont cependant assez performants pour pouvoir chauffer des habitations. c) La respiration cellulaire est une réaction de combustion de ce type. d) Un feu de camp dégage beaucoup de chaleur et de flammes. Il faut cependant avoir une source d’énergie (briquet ou allumette) pour amorcer la combustion. e) Dans une grange chaude et sèche, la paille peut prendre feu d’elle-même.

10

STE Parmi

les réactions ci-dessous, cochez les réactions d’oxydation.

a) CH4(g) 1 2 O2(g)

CO2(g) 1 2 H2O(g)

c) 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) e) 2 H2O(l)

C6H12O6(aq) 1 6 O2(g)

2 H2(g) 1 O2(g)

g) C6H12O6(aq) 1 6 O2(g)

6 CO2(g) 1 6 H2O(l)

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b) HCl(aq) 1 NaOH(aq) d) 2 N2(g) 1 O2(g) f) 2 CuO(s)

NaCl(aq)1 H2O(l)

2 N2O(g)

2 Cu(s) 1 O2(g)

h) 4 Fe(s) 1 3 O2(g)

2 Fe2O3(s)

Univers matériel

111

11

STE Remplissez

le tableau ci-dessous.

Ions présents dans la formation du sel

Acide

Base

HBr(aq)

NaOH(aq)

H2S(aq)

LiOH(aq)

Combien d’ions de chaque sorte faut-il pour avoir une charge globale nulle ?

Formule chimique du sel

H2SO4(aq) Mg(OH)2(aq) H3PO4(aq)

Fe(OH)3(aq)

H2CO3(aq) Fe(OH)3(aq) 12

STE Pour

chaque réaction chimique ci-dessous, on a indiqué l’énergie nécessaire pour briser les liaisons chimiques des réactifs (en rouge), ainsi que l’énergie libérée lors de la formation des produits (en vert). a) Dans chaque cas, indiquez si la réaction est exothermique ou endothermique.

1) CH4 1 2 O2(g) 1 2652 kJ

CO2(g) 1 2 H2O(g) 1 3338 kJ

2) 2 N2(g) 1 O2(g) 1 2390 kJ

2 N2O(g) 1 2227 kJ

3) 4 Fe(s) 1 3 O2(g) 1 603 kJ

2 Fe2O3(s) 1 2241 kJ

b) Récrivez chacune des équations précédentes en indiquant son bilan énergétique.

1)

2)

3)

Calculs

c) Calculez la quantité d’énergie impliquée dans l’oxydation de 100 g de fer (équation 3).

Indiquez si cette énergie est requise ou dégagée.

Données :

112

Calculs :

Réponse : Chapitre 3

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synthèse du chapitre

3 En bref

La conservation de la matière Lors d’un changement physique ou chimique, aucune masse n’est créée ni détruite.

C’est la loi de la conservation de la masse.

Selon cette loi : • le nombre d’atomes de chaque sorte demeure le même avant et après la transformation ; • la masse des réactifs est toujours égale à celle des produits.

Pb(s) 1 O2(g) 200 g 1 31 g

Les équations chimiques

Les équations chimiques décrivent la façon dont les molécules de réactifs se réorganisent en nouvelles molécules formant des produits.

Balancer une équation chimique, c’est attribuer un coefficient à chaque substance présente dans l’équation de façon à respecter la loi de la conservation de la masse.

Dioxygène

Dioxyde de carbone

1

231 g

Nombre d’atomes

Type d’atome

Réactifs

Produits

C

1

1

O

4

4

H

4

4

La combustion du méthane Équation squelette : CH4(g) 1 O2(g) CO2 1 H2O(g) Équation balancée : CH4(g) 1 2 O2(g) CO2 1 2 H2O(g) Méthane

PbO2

Eau

1

La stœchiométrie

STE

La stœchiométrie permet de calculer les quantités de réactifs et de produits présents dans une réaction chimique. Ces calculs se font à partir d’équations chimiques balancées.

Voici l’équation balancée de la combustion de l’ammoniac : 2 NH3(g) 1 3 O2(g) NO(g) 1 NO2(g) 1 3 H2O(g) Les calculs ci-dessous permettent de prévoir la masse d’eau produite par la combustion de 21 moles de NH3 : Données nNH 5 21 mol 3

MH O 5 18,02 g/mol 2

mH O 5 ?

2

Calculs 1. Nombre de moles d’eau produites : 2 mol de NH3 3 mol de H2O

5 21 mol de NH3 nH O 2

3 mol 3 21 mol nH O 5 2 mol

2. Masse d’eau produite : mH O 5 nH O 3 MH O 2

2

2

mH O 5 31,5 mol 3 18,02 g/mol 2

mH O 5 567,6 g 2

2

nH O 5 31,5 mol 2

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Univers matériel

113

Les réactions chimiques sont classées en diverses catégories.

Les réactions endothermiques

Les réactions exothermiques

• L’énergie nécessaire pour briser les liaisons dans les réactifs est plus importante que celle libérée lors de la formation des produits.

• Les produits emmagasinent plus d’énergie que les réactifs.

• Ces réactions absorbent de l’énergie.

• L’énergie nécessaire pour briser les liaisons dans les réactifs est moins importante que celle libérée lors de la formation des produits.

• Les produits emmagasinent moins d’énergie que les réactifs.

• Ces réactions dégagent de l’énergie.

Ex. : La photosynthèse 6 CO2(g) 1 6 H2O(g) 1 900 kJ C6H12O6 1 6 O2(g) Énergie

Pour que cette réaction ait lieu, il faut fournir 900 kJ d’énergie aux réactifs.

Ex. : La synthèse de l’eau 2 H2(g) 1 O2(g) 2 H2O(g) 1 488 kJ

Énergie C6H12O6 6 O2(g) 6 CO2(g) 6 H2O(g)

Énergie

6 CO2(g) 6 H2O(g)

900 kJ

Progression de la réaction

Énergie C6H12O6 H2(g) réaction 6 O22(g) Lorsque cette O2(g) a lieu, elle dégage 488 kJ

2 H2(g) O2(g)

900 kJ généralement d’énergie, 488 kJ 2HO sous forme de chaleur. 2 (g) Progression de la réaction

488 kJ

Progression de la réaction

2 H2O(g)

Progression de la réaction

La neutralisation acidobasique Ces réactions impliquent un acide et une base qui réagissent pour former un sel et de l’eau. La solution qui en résulte n’est ni acide ni basique.

Ex. : HCl(aq)

1

NaOH(aq)

NaCl(aq) 1 H2O(l) Les ions H+ et OH– se combinent pour former des molécules d’eau.

Puisque les produits ne contiennent plus d’ions H+ ni d’ions OH–, la solution n’est ni acide ni basique.

Ex. : La rouille 4 Fe(s) 1 3 O2(g)

114

Chapitre 3

2 Fe2O3(s)

Les réactions de combustion Ces réactions ont lieu lorsque les trois composantes du triangle de feu sont réunies.

La combustion peut être spontanée, vive ou lente.

nt ra bu m Co

Les réactions d’oxydation Ces réactions impliquent comme réactif l’oxygène, ou une substance qui se comporte comme l’oxygène­­­.

Co m bu st ib le

En bref

Les réactions chimiques

Énergie d’activation

Ex. : La combustion du méthane est une combustion vive, car elle dégage rapidement beaucoup de chaleur.

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) + Énergie © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

ACTIVITÉS 1 Lors d’une réaction chimique, 92 g de sodium réagissent complètement avec 32 g d’oxygène.

Quelle est la masse des produits de cette réaction ?

A) 92 g

B) 60 g

C) 124 g

D) Impossible à prévoir

2 Parmi les énoncés ci-dessous concernant les réactions chimiques, lequel est vrai ?

A) Lorsqu’un des produits est à l’état gazeux, la loi de la conservation de la masse ne s’applique pas.

B) La loi de la conservation de la masse s’applique toujours, quel que soit l’état physique des réactifs et des produits.

C) Lorsqu’un des réactifs est à l’état gazeux, la loi de la conservation de la masse ne s’applique pas.

D) La loi de la conservation de la masse ne s’applique jamais aux réactions chimiques.

3 Parmi les équations chimiques suivantes, laquelle est balancée ?

A) 3 CH3CH2OH(l) 1 NaClO(aq)

4 CH3CHO(aq) 1 NaCl(aq) 1 2 H2O­(l)

B) 2 HClO4(aq) 1 Mg(OH)2(aq)

Mg(ClO4)2(aq) 1 H2O(l)

C) H3PO4(aq) 1 2 Ca(OH)2(aq)

2 Ca3(PO4)2(aq) 1 3 H2O(l)

D) 2 CH3COOH(aq) 1 Ba(OH)2(aq)

Ba(CH3COO)2(aq) 1 2 H2O(l)

4 Qu’est-ce que le triangle de feu ?

A) Une représentation schématique des composantes nécessaires à une réaction de combustion.

B) Une réaction chimique de combustion impliquant trois réactifs et générant trois produits.

C) Une réaction chimique au cours de laquelle une substance de forme triangulaire se consume.

D) Aucune de ces réponses.

5

STE Où

se trouve le bilan énergétique dans l’équation d’une réaction endothermique ?

A) Du côté des réactifs.

B) Du côté des produits.

C) Du côté des réactifs et des produits.

D) Une réaction endothermique n’implique pas d’énergie.

6

STE a)

Voici l’équation chimique balancée de la synthèse de l’eau : 2 H2(g) 1 O2(g)

2 H2O(g).

Si 4 mol de dihydrogène réagissent avec 1 mol de dioxygène, quelle quantité d’eau est synthétisée ?

A) 1 mol

B) 2 mol

C) 4 mol

D) 8 mol

b) Expliquez votre réponse à la question précédente.

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Univers matériel

115

activités

dE SYNTHÈSE

activités

7 Remplissez le triangle de feu

ci-contre et donnez deux exemples de chaque composante.

8 Les questions ci-dessous concernent

NaOH(aq) + CuSO4(aq) l’équation squelette ci-contre.

L’hydroxyde de sodium (NaOH) impliqué comme réactif dans cette réaction est une base forte.

a) Balancez cette réaction chimique.

Na2SO4(aq) + Cu(OH)2(aq)

b) S’agit-il d’une neutralisation acidobasique ? Expliquez votre réponse.

c) S’agit-il d’une réaction d’oxydation ? Expliquez votre réponse. d) S’agit-il d’une réaction de combustion ? Expliquez votre réponse.

9 a) Écrivez l’équation générale d’une neutralisation acidobasique.

1

1

b) Parmi les équations squelettes suivantes, laquelle ou lesquelles représentent une neutralisation acidobasique ?

A) CH3CH2OH(l) 1 NaClO(aq)

CH3CHO(aq) 1 NaCl(aq) 1 H2O­(l)

B) HClO4(aq) 1 Mg(OH)2(aq)

Mg(ClO4)2(aq) 1 H2O(l)

C) H3PO4(aq) 1 Ca(OH)2(aq)

Ca3(PO4)2(aq) 1 H2O(l)

D) CH3COOH(aq) 1 Ba(OH)2(aq)

116

Ba(CH3COO)2(aq) 1 H2O(l)

Réponse : Chapitre 3

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a) NaClO

NaCl 1 NaClO3

Réponse :

b) NaClO3 1 SO2

activités

10 Balancez les équations chimiques suivantes.

ClO2 1 Na2SO4

Réponse :

c) HClO4 1 Mg(OH)2

Mg(ClO4)2 1 H2O

Réponse :

d) H3PO4 1 Ca(OH)2

Ca3(PO4)2 1 H2O

Réponse :

11 Une pile permet de libérer de l’énergie électrique à partir d’énergie chimique. L’équation squelette

ci‑dessous donne la réaction qui se produit lorsqu’on recharge une pile rechargeable au nickel-cadmium.

Réaction chimique de recharge : Ni(OH)2 1 Cd(OH)2

NiOOH 1 Cd 1 2 H2O

a) Si la pile déchargée contient 18,5 g de Ni(OH)2 et 14,6 g de Cd(OH)2 et que la pile rechargée contient 18,3 g de NiOOH et 3,6 g de H2O, quelle masse de cadmium contient la pile une fois rechargée ? b) Sur quelle loi se base le raisonnement que vous avez suivi à la question précédente ?

c)

STE Cette

réaction est-elle exothermique ou endothermique ? Expliquez votre réponse.

d) STE Écrivez l’équation chimique balancée associée au fonctionnement de cette pile une fois rechargée et installée dans un appareil électrique. Écrivez le terme Énergie du bon côté de l’équation.

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Univers matériel

117

Chapitre

5

L’électricité et l’électromagnétisme

Progression des apprentissages • Associer les particules élémentaires à leur charge électrique • Décrire le comportement de charges électriques de signe contraire ou de même signe à proximité l’une de l’autre • Décrire l’électricité statique comme un processus de transfert d’électrons d’un corps à un autre • Décrire qualitativement la relation entre la tension, la valeur de la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique • Appliquer la relation mathématique entre la tension, la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique • Décrire la fonction de divers éléments d’un circuit électrique • Décrire les deux types de branchements dans des circuits électriques (série, parallèle) • Distinguer le courant alternatif du courant continu • Représenter un circuit électrique simple à l’aide d’un schéma • Appliquer la relation mathématique entre la puissance, la tension et l’intensité du courant dans un circuit électrique

152

Chapitre 5

• Décrire qualitativement la relation entre la puissance d’un appareil électrique, l’énergie électrique consommée et le temps d’utilisation • Appliquer la relation mathématique entre l’énergie électrique consommée, la puissance d’un appareil électrique et le temps d’utilisation • Expliquer la répartition du courant dans différents composants d’un circuit électrique STE • Déterminer la valeur du courant circulant dans différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle STE • Expliquer la répartition de la tension aux bornes de différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle STE • Déterminer la valeur de la tension aux bornes de différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle STE • Déterminer la valeur de la résistance équivalente d’un circuit en série ou en parallèle à l’aide des lois d’Ohm et de Kirchhoff STE • Représenter le champ électrique généré par des charges électriques STE

• Appliquer la relation mathématique entre la force électrique, les quantités de charges électriques et la distance qui sépare ces charges STE • Décrire le champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique • Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique • Comparer le comportement d’une boussole dans le champ magnétique d’un aimant et dans celui créé par un fil parcouru par un courant électrique • Décrire le champ magnétique produit par un solénoïde STE • Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde STE

• Expliquer l’utilisation des solénoïdes dans des applications technologiques STE

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5.1 5.1.1

Les phénomènes électriques

La charge électrique

Comme la gravité, l’électricité est l’une des interactions fondamentales de notre univers. Elle permet de nombreux phénomènes naturels allant de la foudre aux liaisons chimiques entre les atomes. De la même façon que la masse d’un corps lui permet d’interagir avec la force gravitationnelle, sa charge électrique lui permet d’interagir avec la force électrique.

Charge électrique (q) : Propriété permettant à une particule d’exercer ou de subir des forces électriques.

La charge électrique se mesure en coulombs (C). Il existe deux types de charge électrique : la charge positive et la charge négative. Des charges de même signe se repoussent, tandis que des charges de signes opposés s’attirent.

Tableau

1

La force électrique s’exerçant entre des charges

Deux charges positives se repoussent.

Deux charges négatives se repoussent.

Deux charges de signes opposés s’attirent.

Malgré leur grande différence de masse, le proton et l’électron possèdent des charges de même grandeur, mais de signes opposés. On appelle cette grandeur la charge élémentaire : e 5 1,602 3 1019 C. qproton 5 +e qélectron 5 – e Certaines particules, comme le neutron, ne possèdent aucune charge électrique. On dit qu’elles sont électriquement neutres. À l’intérieur d’un atome, le noyau est constitué de protons et de neutrons ; il est au total chargé positivement. Autour de ce noyau, on trouve le nuage électronique, constitué d’électrons chargés négativement.

Un atome possède normalement autant de protons que d’électrons : sa charge résultante est donc nulle. À plus grande échelle, un corps électriquement neutre contient tout de même des charges électriques.

Cela signifie qu’il contient une quantité égale de protons et d’électrons.

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Univers matériel

153

5.1.2

L’électricité statique

L’effet de la force électrique sur des objets chargés peut s’observer facilement : les vêtements qui collent ensemble après un passage dans la sécheuse ou encore le ballon de baudruche qui tient seul au mur après avoir été frotté contre des cheveux.

Dans de tels exemples, les charges électriques ne se déplacent plus une fois les objets chargés. On parle donc d’ électricité statique. Électricité statique : Étude des phénomènes électriques reliés aux charges au repos.

Pour étudier l’électricité statique, on classe les matériaux dans deux grandes catégories : les conducteurs et les isolants. On nomme « conductivité » la propriété qui permet de les séparer.

Conducteur : Matériau laissant circuler les charges électriques.

Isolant : Matériau ne laissant pas circuler les charges électriques.

La charge d’un objet ne se comporte pas de la même façon selon que ce dernier est un conducteur ou un isolant.

Lorsqu’un conducteur possède une charge électrique, celle-ci se répartit uniformément sur toute la surface du conducteur.

Figure 5.1 L’électricité statique Le générateur de Van de Graaff transmet une charge électrique négative aux cheveux de la personne qui le touche. On observe que les cheveux se repoussent les uns les autres.

Lorsqu’un isolant possède une charge électrique, celle-ci peut rester à un seul endroit, puisqu’elle ne peut se déplacer dans le matériau.

Électriser un objet signifie lui donner une charge électrique positive ou négative.

Cela peut se faire de trois façons différentes : l’électrisation par conduction, l’électrisation par frottement et l’électrisation par induction. Lors d’un processus d’électrisation, seuls les électrons se déplacent. Un corps gagnera une charge négative en acceptant des électrons et une charge positive en perdant des électrons.

154

Chapitre 5

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Électrisation par conduction

La première façon pour donner une charge électrique à un objet consiste à le mettre en contact avec un autre objet qui possède déjà une charge électrique. Cette charge se répartit alors entre les deux objets. Après une électrisation par conduction, on se retrouve donc avec deux objets possédant une charge électrique de même signe.

Électrisation par frottement

Si on frotte ensemble deux objets de nature différente, la force de friction peut être suffisante pour arracher des électrons à l’un des objets (qui devient chargé positivement) et les transférer à l’autre (maintenant chargé négativement). Après avoir été frottés ensemble, ces deux objets possèdent des charges de signes Avant le frottement, l’étoffe de laine et la tige de caoutchouc opposés et s’attirent électriquement. sont électriquement neutres.

Les matériaux ci-dessous sont classés selon leur tendance à recevoir ou à fournir des électrons.

Lorsque deux matériaux de cette liste sont frottés ensemble, celui ayant la plus grande tendance à recevoir des électrons se charge négativement et l’autre se charge positivement. Ainsi, si on frotte de la soie contre du verre, elle se charge Après le frottement, l’étoffe de laine est chargée positivement, négativement, tandis que si on la frotte contre car elle a perdu des électrons ; la tige de caoutchouc est du coton, elle se charge positivement. chargée négativement, car elle a reçu ces mêmes électrons.

Tendance à recevoir des électrons

Caoutchouc Polyéthylène Coton Papier Soie Laine Verre

Tendance à céder des électrons

Électrisation par induction

L’électrisation par induction s’effectue sans contact direct. On approche un objet chargé de celui qu’on désire électriser. Ce dernier subit l’influence électrique de l’objet chargé : certaines de ses charges positives et négatives sont soit attirées, soit repoussées par l’objet chargé. Elles s’accumulent donc à des extrémités différentes.

La charge totale de l’objet reste nulle : il y a autant de charges négatives d’un côté que de charges positives de l’autre. Elles s’annulent donc si on retire l’objet chargé qui cause leur séparation.

Sur l’image ci-contre, un ballon possédant une charge électrique est approché de morceaux de papier, électriquement neutres. L’influence électrique du ballon amène une séparation des charges sur les morceaux de papier. Ayant une extrémité chargée négativement et l’autre, positivement, ils sont ensuite attirés par le ballon. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

155

5.1.3

Le champ électrique

STE

Une particule chargée exerce une force électrique sur toute autre charge qui se trouve dans son environnement immédiat. On peut donc dire que cette particule exerce une influence sur son environnement, ce que décrit la notion de champ électrique.

Champ électrique : Influence électrique qu’exerce une charge sur son environnement.

Un champ électrique entoure donc toute particule chargée. Sa forme dépend de la grandeur et de la position de la charge. Si plusieurs particules se trouvent à proximité les unes des autres, le champ électrique de chacune se combine à celui des autres. Le tableau 2 permet de visualiser le champ électrique provenant de différentes configurations de charges. Dans chaque cas, des lignes de champ sont utilisées pour montrer la forme du champ électrique.

2

Tableau

+

+

Le champ électrique de diverses configurations de charges

-

-

+

-

+

+

+

+

+

+ + + +

+

+

+

-

+

Le champ électrique de cette charge ponctuelle positive est orienté vers l’extérieur, dans toutes les directions.

+

Le champ électrique de cette charge ponctuelle négative est orienté vers la charge, dans toutes les directions.

+

+

+

+ +

+

+

+

+ +

+

+ +

+

+

+

+ +

++ +

+

+

+

+

++ +

+

+

+ +

+

En plaçant à proximité deux charges de même signe, on observe que le champ électrique s’annule entre les deux charges.

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

Avec deux charges de signes opposés, le champ est particulièrement fort dans l’espace entre les deux charges.

+

Cette tige chargée uniformément + + produit un champ de forme cylindrique.

+

++ + + + ++ + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + ++ ++ + + ++ + + + + + + + + ++ ++ ++ ++ + + + + ++ + + ++ + +++ + + + + ++ + + ++ ++ ++ + + + ++ ++ ++ + + ++ +

-

+

+

++ + +

+

+

+

+ +

+

-

+

+

-

+

Cette grande plaque chargée uniformément produit un champ perpendiculaire.

On note que les lignes de champ partent des charges positives et se rendent vers les charges négatives. Lorsqu’elles sont plus rapprochées, la grandeur du champ électrique est plus importante. De plus, les lignes de champ ne peuvent jamais se croiser.

156

Chapitre 5

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+ + + +

Si on place une particule chargée dans un champ électrique, cette dernière subit une force électrique.

F F Le champ électrique est une notion + + particulièrement utile dans les situations où l’on trouve plusieurs charges. En déterminant la grandeur et l’orientation du champ électrique total en un point, on peut facilement connaître la force Si la particule est chargée positivement, qui s’exerce sur toute charge que elle subit une force allant dans le même l’on place en ce point. sens que le champ électrique.

5.1.4

La loi de Coulomb

F

-

F

-

Si la particule est chargée négativement, elle subit une force allant dans le sens opposé au champ électrique.

STE

La force électrique qui s’exerce entre deux particules chargées dépend de la grandeur de chacune des charges ainsi que de la distance qui les sépare.

La loi de Coulomb permet de déterminer la grandeur de la force électrique qui s’exerce entre deux charges : Constante de Coulomb, égale à 9,0 3 109 Nm2/C2

Force électrique (en N)

F5

Grandeur des deux charges électriques (en C)

k|q1q2| r2 Distance (en m)

Dans cette équation, les grandeurs des charges sont notées en valeur absolue.

On s’assure ainsi que la grandeur de la force électrique obtenue est une valeur positive. Il ne faut pas oublier qu’une force est un vecteur : dans certains cas, il faut également déterminer l’orientation de cette dernière en vérifiant s’il s’agit de charges de même signe ou de signes opposés.

Dans tous les cas, la grandeur de la force qui s’exerce sur les deux charges q1 et q2 est la même. Par contre, l’orientation de la force sur q1 et q2 est toujours q2 q1 opposée.

F F

+

+

F

q1

q2

q1

+

+

F

+

F

F

q2

-

exemple Quelle est la grandeur de la force électrique entre une charge q1 5 6 3 106 C et une charge q2 5 8 × 106 C si elles sont séparées par une distance r = 5 cm ?

Données q1 5 6 3 10 C q2 5 8 3 106 C r 5 0,05 m F5? 6

Calculs

k|q1q2| F5 r2 9 9,0 3 10 | 6 3 106 3 8 3 106| F5 (0,05 m)2 9 9,0 3 10 3 6 3 106 3 8 3 106 F5 (0,05 m)2

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Réponse F 5 173 N

Univers matériel

157

activités 5.1 1 Laquelle des caractéristiques suivantes des lignes de champ électrique est erronée ?

A) Les lignes de champ partent des charges positives.

B) Les lignes de champ se dirigent vers les charges négatives.

C) Les lignes de champ peuvent se croiser.

D) Plus les lignes de champ sont rapprochées, plus la grandeur du champ est élevée.

2 Une charge électrique se trouve dans une région de l’espace où il n’y a aucune autre charge.

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

A) La charge produit un champ électrique.

B) La charge produit une force électrique.

C) La charge ne produit ni champ ni force électrique.

D) La charge subit une force électrique.

3 Dans chacune de ces situations, déterminez la méthode d’électrisation qui a été utilisée.

a) Des confettis sont remués par le passage d’une tige chargée à proximité. b) Une étoffe de coton est mise en contact avec une autre étoffe de coton chargée électriquement. c) On frotte vigoureusement une tige de verre sur une couverture de laine.

4 Complétez les phrases à l’aide des termes suivants : Atome Neutre

Conducteur Neutres

Charges électriques Négativement

Électricité statique

Positivement

Protons

Les électrons sont des particules chargées

Électrons Repos

, les protons, des particules chargées

, tandis que les neutrons sont des particules Un

électriquement

de

que d’

.

. est un matériau laissant circuler les

Un

158

possède autant

l’étude des effets électriques reliés à des charges

On nomme au

.

Chapitre 5

.

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5

STE Deux

charges identiques exercent entre elles une force électrique de grandeur 40 3 103 N. Quelle est la grandeur de la force électrique si : a) on double la distance entre les charges ? b) on diminue de moitié la distance entre les charges ? c) on remplace une des charges par une charge trois fois plus grande ? d) on remplace les deux charges par des charges trois fois plus grandes ?

6

STE Dessinez

les lignes de champ électrique :

a) d’une charge positive ;

b) d’une charge négative.

--

++

7

8

STE Représentez

la force électrique s’exerçant sur chaque charge dans les cas suivants :

a)

+

+

c)

+

-

STE Déterminez

b)

-

-

la grandeur de la force électrique selon les données suivantes :

a) q1 5 2 3 106 C, q2 5 2 3 106 C et r 5 0,02 m

b) q1 5 2 3 109 C, q2 5 6 3 106 C et r 5 0,04 m

c) q1 5 12 3 109 C, q2 5 16 3 109 C et r 5 0,001 m

d) q1 5 6 3 109 C, q2 5 2 3 106 C et r 5 2 mm

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Univers matériel

159

9

STE Dans

chacun des cas suivants, déterminez l’orientation de la force s’exerçant sur la charge située dans un champ électrique. a)

b) +

+

-

-

+

+

-

-

c)

d)

-

-

+

+

-

-

+

+

+

+

+

10 Dans chacun des cas suivants, déterminez le signe manquant sur la charge à partir de la force électrique

qu’elle subit.

b)

a)

+

+

c)

+ +

d)

+

+

-

STE Une +charge

q1 5 5 3 106 C subit + de 576 N provenant d’une charge q2 + une force d’attraction située 2,5 cm plus loin. Quelle est la valeur de q2 ?

+

+

12

+

+

+

11

+

-

-

STE Une

charge q1 5 12 3 106 C subit une force de répulsion de 270 N provenant d’une charge q2 située 4 cm plus loin. Quelle est la valeur de q2 ?

160

Chapitre 5

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5.2 5.2.1

Les circuits électriques

Les éléments de circuit

Laissons maintenant de côté l’électricité statique pour nous intéresser aux situations impliquant des déplacements de charges électriques, c’est-à-dire la présence d’un ou de plusieurs conducteurs formant un circuit électrique.

Circuit électrique : Ensemble d’éléments conducteurs à travers lesquels des charges électriques peuvent se déplacer et effectuer un parcours fermé.

Un circuit électrique doit être constitué des éléments suivants : • Une source d’énergie (par exemple, une pile ou une source de tension variable) qui fournit aux électrons l’énergie électrique dont ils ont besoin pour traverser le circuit ; • Des éléments de circuit dans lesquels l’énergie électrique des électrons est transformée ; • Des fils conducteurs permettant de relier les autres éléments entre eux.

Un circuit simple constitué d’une pile et d’une ampoule

Tableau

3

La représentation schématique de ce circuit

Ce symbole représente une source de tension telle une pile.

Quelques éléments de circuit

Une résistance produit de l’énergie thermique.

Un moteur produit de l’énergie mécanique.

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Une ampoule produit de l’énergie rayonnante et de l’énergie thermique.

Univers matériel

161

Il est nécessaire que le parcours effectué par les charges électriques soit fermé, c’est-à-dire que les charges soient en mesure de revenir à leur point de départ. S’il y a une ouverture dans le circuit, par exemple si un fil est déconnecté, les charges ne se déplacent pas.

5.2.2

Le courant électrique

La présence de charges en mouvement dans le circuit constitue le électrique.

courant

Ce circuit n’étant pas complet, aucun courant ne peut y circuler

Courant électrique (I) : Déplacement de charges électriques dans un circuit. Le courant représente la quantité de charge traversant un point du circuit par seconde et se mesure en ampères (1 A = 1 C/s).

Le courant peut donc se calculer ainsi : Charge électrique (en C) Courant électrique (en A)

I5

q ∆t

Intervalle de temps (en s)

exemple Durant un intervalle de 15 s, un conducteur est traversé par une charge totale de 9 C. Quel est le courant passant à travers ce conducteur ?

Données q 5 9 C ∆t 5 15 s I5?

Calculs

q I5 ∆t 9C I5 15 s

Réponse I 5 0,6 A

Pour qu’un courant circule dans un circuit électrique, ce dernier doit contenir au moins un élément fournissant de l’énergie électrique – une pile, par exemple.

Cette énergie est par la suite transformée lorsque les charges en mouvement traversent les autres éléments du circuit.

Par convention, on représente le courant électrique dans un circuit comme allant de la borne positive d’une pile jusqu’à la borne négative. On appelle ceci le sens conventionnel du courant. Cette représentation suppose que les charges qui se déplacent sont positives et provient d’une erreur historique. Nous savons maintenant que ce sont des électrons – donc des charges négatives – qui se déplacent dans le circuit, de la borne négative à la borne positive de la pile.

é

I

Dans ce circuit simple, on représente le courant électrique I se déplaçant de la borne positive jusqu’à la borne négative de la pile, comme s’il était formé de charges positives.

162

Chapitre 5

é

Nous savons que les électrons qui forment ce courant se déplacent en réalité de la borne négative à la borne positive de la pile.

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5.2.3

La différence de potentiel

Lorsqu’un courant électrique traverse un élément conducteur dans un circuit électrique, les charges en mouvement perdent de l’énergie ; celle-ci est transférée à l’élément traversé et peut, par exemple, devenir de l’énergie thermique ou de l’énergie rayonnante. On détermine la quantité d’énergie que perdent les charges grâce à la différence de potentiel (ou tension électrique).

Différence de potentiel (U) : Variation d’énergie par unité de charge entre deux points d’un circuit électrique. Elle se mesure en volts (1 V = 1 J/C).

La différence de potentiel entre deux points d’un circuit peut donc se calculer ainsi : Différence de potentiel (en V)

Variation d’énergie (en J)

E U5 q

Charge électrique (en C)

On peut également utiliser le terme « tension électrique », synonyme de différence de potentiel. exemple Un élément de circuit électrique se voit transférer 0,4 J d’énergie alors qu’il est traversé par une charge totale de 0,02 C. Quelle est la différence de potentiel entre les bornes de cet élément ?

5.2.4

Données E 5 0,4 J q 5 0,02 C U5?

Calculs U5

E q

U5

0,4 J 0,02 C

Réponse U 5 20 V

La loi d’Ohm

Cette perte d’énergie se produit lorsqu’un courant traverse un matériau conducteur, car ce dernier s’oppose au passage des charges. On appelle cette opposition résistance.

Résistance (R) : Propriété d’un matériau le faisant s’opposer au passage du courant. Elle se mesure en ohms (W).

On détermine la résistance d’un élément de circuit selon le rapport entre la différence de potentiel qui y est appliquée et le courant qui le traverse.

On appelle cette relation loi d’Ohm : Résistance (en Ω)

Différence de potentiel (en V)

U5R3I

Courant (en A)

exemple Un élément est traversé par un courant de 5 A lorsqu’on lui applique une différence de potentiel de 12 V. Quelle est sa résistance ?

Données U 5 12 V I 5 5 A R5?

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

U R5 I 12 V R5 5A

Calculs

Réponse R 5 2,4 Ω

Univers matériel

163

Plus la résistance d’un élément est petite, plus celui-ci laisse facilement passer les électrons, en leur dérobant moins d’énergie. Un bon conducteur aura donc une résistance faible. Un matériau isolant, qui ne laisse pas passer le courant, est considéré comme ayant une résistance pratiquement infinie. À l’inverse, les fils conducteurs dans un circuit ont une résistance tellement petite qu’on la considère comme négligeable (donc nulle).

Un élément dont la valeur de résistance est une constante est également appelé « résistance » (ou résistor). Ce terme possède donc deux significations : la propriété elle-même (mesurée en ohms) ainsi qu’un type d’élément de circuit.

U (V)

∆U 5R ∆I

I (A) Ces éléments sont des résistances.

Leur valeur est indiquée par une série de bandes de couleur.

Si on trace un graphique de la différence de potentiel U d’une résistance en fonction du courant I, on obtient une droite, puisque leur valeur R est une constante.

Plusieurs facteurs influencent la résistance d’un élément au passage du courant : La conductivité

Un matériau qui est un bon conducteur laissera passer le courant plus facilement et aura une résistance faible.

Le diamètre

Plus le diamètre d’un élément est petit, plus sa résistance est élevée.

La longueur

Plus un élément est long, plus sa résistance est élevée.

La température

Plus la température d’un élément augmente, plus sa résistance est élevée.

Pas si négligeable La résistance des fils est négligeable dans les circuits présentés dans ce livre, ainsi que dans les circuits que vous pourriez réaliser en laboratoire. Ce n’est cependant plus vrai dans le cas des circuits à grande échelle. Un réseau de transport électrique subit des pertes d’énergie importantes en raison de la résistance des dizaines de milliers de kilomètres de câble qu’il comporte.

164

Chapitre 5

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

5.2.5

La puissance et l’énergie électrique

Puisque la fonction d’un circuit électrique est d’alimenter en énergie les éléments qui le constituent, il importe de pouvoir déterminer la quantité d’énergie que reçoit chacun. On utilise pour ce faire la puissance.

Puissance : Quantité d’énergie transformée par un élément par unité de temps. Elle se mesure en watts (W).

Ainsi définie, la puissance peut être calculée tant pour une source d’énergie que pour un élément qui reçoit de l’énergie du circuit. Mathématiquement, on écrit : Énergie (en J)

E P5 ∆t

Puissance (en W)

Intervalle de temps (en s)

exemple Un moteur transforme 4000 J d’énergie pendant un intervalle de 25 s. Quelle est la puissance reçue par ce moteur ?

Données E 5 4000 J t 5 25 s P5?

E P5 ∆t 4000 J P5 25 s

Calculs

Réponse P 5 160 W

La quantité d’énergie électrique consommée par un appareil dépend donc de son temps d’utilisation.

Nous avons vu que le courant électrique représente la charge traversant un élément de circuit par unité de temps, tandis que la différence de potentiel correspond à la quantité d’énergie transportée par unité de charge. Le produit de ces deux grandeurs permet donc d’obtenir la puissance transformée par un élément : Différence de potentiel (en V)

Puissance (en W)

P5U3I Courant (en A)

car, en substituant, on trouve la définition de la puissance : P5

() ( )

E q E 3 5 q ∆t ∆t

exemple Une pile de 9 V produit un courant de 4 A dans un circuit. Quelle est la puissance fournie par cette pile ?

Données U 5 9 V I 5 4 A P5?

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Calculs P5U3I P59V34A

Réponse P 5 36 W

Univers matériel

165

activités 5.2 1 Laquelle des résistances suivantes reçoit la différence de potentiel la plus élevée ?

A) Une résistance de 3 W traversée par un courant de 10 A. B) Une résistance de 5 W traversée par un courant de 8 A. C) Une résistance de 6 W traversée par un courant de 6 A. D) Une résistance de 12 W traversée par un courant de 4 A. 2 Un élément de circuit reçoit un courant de 6 A pendant 1 minute. Quelle est la charge électrique totale

qui a traversé cet élément ?

3 On applique une différence de potentiel de 8 V aux bornes d’une résistance et on y mesure un courant

de 0,4 A. Que devient ce courant si on fait passer la différence de potentiel à 15 V ?

4 On analyse un élément de circuit inconnu. Lorsqu’on y applique une différence de potentiel de 8 V, il est

traversé par un courant de 2 A. Si la différence de potentiel passe à 12 V, le courant devient égal à 4 A. Cet élément est-il une résistance ? Justifiez votre réponse.

5 Une ampoule de 100 W est laissée allumée pendant une heure. Quelle quantité d’énergie a-t-elle

consommée ?

166

Chapitre 5

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

6 On reconnaît la valeur d’une résistance grâce à :

A) sa masse.

B) sa masse volumique.

C) ses bandes de couleur.

D) son code barre.

7 On double la valeur de la différence de potentiel appliquée à une résistance. Laquelle des affirmations

suivantes est vraie ?

A) Le courant reste constant et la valeur de la résistance est doublée.

B) Le courant est doublé et la valeur de la résistance reste constante.

C) Le courant diminue de moitié et la valeur de la résistance reste constante.

D) Le courant reste constant et la valeur de la résistance diminue de moitié.

8 Lequel des facteurs suivants n’a pas d’influence sur la valeur d’une résistance ?

A) La température

B) Le diamètre

C) La longueur

D) La différence de potentiel appliquée

9 Laquelle des piles suivantes fournit la puissance la plus élevée ?

A) Une pile de 3 V traversée par un courant de 6 A. B) Une pile de 6 V traversée par un courant de 5 A. C) Une pile de 9 V traversée par un courant de 4 A. D) Une pile de 12 V traversée par un courant de 2 A. 10 Complétez les phrases à l’aide des termes suivants : Circuit

Courant

Négative

Positive

Différence de potentiel Puissance

Électrique

Rayonnante

Une ampoule transforme l’énergie et en énergie

Temps

Thermique

en énergie . , le courant électrique va de

Selon le sens conventionnel, dans un la borne La

Loi d’Ohm

d’une pile jusqu’à sa borne

.

exprime la relation entre la

à un élément et le

appliquée

qui le traverse.

La

d’un appareil représente l’énergie transformée par unité

de

.

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Univers matériel

167

11 Dans tous les cas suivants, dites si la valeur de résistance d’un élément augmente ou diminue.

a) On remplace le matériau constituant l’élément par un matériau moins conducteur. b) On diminue la longueur de l’élément. c) On diminue le diamètre de l’élément. d) On diminue la température de l’élément.

12 Les deux tiges conductrices ci-dessous sont faites du même matériau. Laquelle aura la valeur de résistance

la plus élevée ? Justifiez votre réponse.

A

I B

I

13 Une résistance de 12 Ω est traversée par un courant de 4 A. Quelle est la puissance générée par

cette résistance ?

14 Une source de tension de 20 V alimente deux moteurs qui reçoivent respectivement 50 W et 100 W.

Quel est le courant fourni par cette source de tension ?

168

Chapitre 5

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

5.3 5.3.1

La conception des circuits

Les types de circuits

Le circuit électrique d’un appareil peut être complexe à cause du nombre élevé de parcours que peuvent emprunter les électrons. Examinons les façons élémentaires de relier les éléments d’un circuit.

Tableau

4

Les types de circuits

Exemple

Description

Caractéristiques

Circuit simple

Un seul élément relié directement à une source d’énergie.

• L’élément reçoit tout le courant et toute la différence de potentiel de la source.

Circuit en série

Deux ou plusieurs éléments reliés les uns à la suite des autres, offrant un seul parcours au courant.

• Le courant I est le même dans tous les éléments.

• La différence de potentiel U de la source est répartie entre les éléments.

Circuit en parallèle

Deux ou plusieurs éléments reliés aux deux extrémités, offrant autant de parcours au courant.

• Le courant I est divisé entre les éléments.

• La différence de potentiel U de la source s’applique directement à tous les éléments.

Un circuit en série présente un désavantage important : si un des éléments est défectueux, il bloque le passage du courant et l’ensemble du circuit cesse de fonctionner. Dans un circuit en parallèle, par contre, un élément défectueux ne nuit pas aux autres, car les courants passant par chaque élément sont indépendants. Le réseau électrique d’un domicile est relié en parallèle : un réfrigérateur défectueux n’empêche donc pas la cuisinière de fonctionner !

5.3.2

Les appareils de mesure

Deux appareils sont principalement utilisés pour prendre des mesures sur des circuits électriques : le voltmètre et l’ ampèremètre.

Voltmètre : Appareil servant à mesurer la différence de potentiel dans un circuit électrique.

Ampèremètre : Appareil servant à mesurer le courant dans un circuit électrique. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

169

La façon de brancher ces appareils est cependant différente :

Un voltmètre doit être branché en parallèle avec un élément pour mesurer sa différence de potentiel.

5.3.3

Un ampèremètre doit être branché en série avec un élément pour mesurer son courant.

Le courant continu et alternatif

Il existe deux types de courants électriques : le le courant alternatif.

courant continu et

Courant continu : Courant dont la valeur ne varie pas dans le temps et qui circule toujours dans la même direction.

Courant alternatif : Courant dont la valeur varie périodiquement et qui circule en alternance dans un sens ou dans l’autre.

I (A) I (A)

I (A) I (A)

t (s)

t (s)

t (s)

Le courant alternatif et le courant continu au quotidien Les réseaux de distribution électrique, tels que celui d’Hydro-Québec, fournissent du courant alternatif. Un tel courant convient très bien à de nombreux appareils ménagers : réfrigérateurs, cuisinières et laveuses (pour ne nommer que ceux-ci) sont tous alimentés par un courant alternatif.

Par contre, les appareils électroniques, tels que les ordinateurs, doivent toujours être alimentés par un courant continu.

Pour recharger une tablette ou un téléphone portable, il faut utiliser un bloc d’alimentation dont la fonction est de transformer le courant alternatif provenant de la prise de courant en courant continu.

t (s)

I

Un courant continu est constant dans le temps. Il parcourt toujours le circuit dans la même direction.

La valeur d’un courant alternatif varie selon un cycle régulier. Le sens du courant alterne également dans les deux sens (sur le graphique, un courant négatif signifie qu’il est de sens inverse).

En Amérique du Nord, les centrales électriques produisent un courant alternatif de 60 Hz, ce qui signifie que le courant effectue 60 va-et-vient chaque seconde.

Par souci de simplicité, les circuits que nous étudions dans ce chapitre sont alimentés par un courant continu.

170

Chapitre 5

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

activités 5.3 1 Complétez les phrases à l’aide des termes suivants : Alternatif

Ampèremètre

Continu

Parallèle

Série

Simple

Voltmètre

Un circuit où un seul élément est branché à la source d’énergie est un circuit

;

s’il y a plusieurs éléments, ces derniers peuvent être branchés en en

. et un appareil mesurant la différence

Un appareil mesurant le courant est un de potentiel est un

. est constant dans le temps, tandis qu’un

Un courant courant

ou

varie périodiquement.

2 Soit le circuit suivant. Que peut-on affirmer à propos du courant traversant la résistance R1 ?

R1

R2

A) Le courant traversant la résistance R1 est égal au courant fourni par la pile.

B) Le courant traversant la résistance R1 est plus faible que le courant fourni par la pile.

C) Le courant traversant la résistance R1 est plus fort que le courant fourni par la pile.

D) Il n’y a pas de courant traversant la résistance R1.

3 Soit le circuit suivant. Que peut-on affirmer à propos du courant traversant la résistance R1 ?

R1

R2

A) Le courant traversant la résistance R1 est égal au courant fourni par la pile.

B) Le courant traversant la résistance R1 est plus faible que le courant fourni par la pile.

C) Le courant traversant la résistance R1 est plus fort que le courant fourni par la pile.

D) Il n’y a pas de courant traversant la résistance R1. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

171

4 Dessinez les circuits décrits ci-dessous.

a) Un moteur est relié directement à une pile de 12 V.

b) Deux résistances de 6 W sont reliées en parallèle à une pile de 9 V.

c) Une résistance de 47 W et une résistance de 51 W sont reliées en série à une pile de 20 V.

d) Trois résistances de 12 Ω sont reliées en série à une pile de 1,5 V.

e) Deux ampoules sont reliées en parallèle à une pile de 20 V.

f) Une résistance de 33 Ω et un moteur sont reliés en série à une pile de 24 V.

5 Dans le circuit suivant, dessinez le branchement de l’appareil pouvant mesurer :

a) le courant dans la résistance de 1 W ; b) la différence de potentiel aux bornes de la pile.

2

9V

172

Chapitre 5

4

1

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

6 Indiquez si chacun des appareils suivants est alimenté en courant continu ou en courant alternatif.

a) Un réfrigérateur. b) Une lampe de poche. c) Un téléphone portable. d) Une laveuse.

7 Si l’une des ampoules du circuit ci-dessous est grillée, l’autre peut-elle encore fonctionner ?

Justifiez votre réponse.

8 Si l’une des ampoules du circuit ci-dessous est grillée, l’autre peut-elle encore fonctionner ?

Justifiez votre réponse.

9 Deux résistances sont reliées en parallèle à une pile. Dans quel cas peut-on mesurer que le courant

traversant chacune des résistances possède la même valeur ?

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Univers matériel

173

L’analyse des circuits électriques

5.4 5.4.1

STE

Les lois de Kirchhoff

Lorsqu’un circuit électrique est complexe, il est important de pouvoir déterminer la différence de potentiel appliquée à tous les éléments ainsi que le courant traversant chacun. Heureusement, il existe un outil permettant d’analyser ainsi les circuits : les lois de Kirchhoff. Elles sont au nombre de deux : la loi des boucles et la loi des nœuds.

Loi des boucles : La différence de potentiel fournie par la source est égale à la somme des différences de potentiel de tous les autres éléments dans une boucle de circuit.

Mathématiquement, on peut écrire : Différence de potentiel de la source (en V)

Usource 5 U1 1 U2 1 ... 1 UN Différences de potentiel de N autres éléments (en V)

On peut comprendre cette relation en se rappelant que la différence de potentiel représente la variation d’énergie par unité de charge électrique.

La loi de conservation de l’énergie s’applique : ainsi, toute l’énergie fournie par la source est perdue lorsque les charges traversent les différents éléments qui constituent leur parcours dans le circuit.

Tableau

5

Utilisation de la loi des boucles

Circuit simple

Circuit en série R1

U R R1 source 1

U Usource R1 source

Usource = U1 L’unique boucle de ce circuit ne contient qu’une résistance. La différence de potentiel de cette résistance est donc égale à celle de la pile.

174

Chapitre 5

R2

R3

Usource

R1

R1 R2

Circuit en parallèle R2 R3

R3 Usource

Usource

U R2 UsourceR 1 source

R3

Usource = U1 Usource = U2 Usource = U3

Usource = U1 + U2 + U3 L’unique boucle de ce circuit contient trois résistances. La différence de potentiel de la pile est répartie entre ces trois résistances.

Ce circuit contient trois boucles différentes, chacune ayant une seule résistance. Chaque résistance reçoit l’entière différence de potentiel de la pile.

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R1

R R21

R R32

Loi des nœuds : Le courant total entrant dans un nœud est égal au courant total sortant de ce nœud.

Dans un circuit, un nœud est un point où plusieurs fils sont reliés. Les courants de ces fils peuvent se rejoindre ou se séparer lorsqu’ils rencontrent un nœud. Il n’y a pas de nœuds dans un circuit simple ou un circuit en série ; cette loi est donc principalement utile dans le cas des circuits en parallèle. Le courant fourni par la source se divise entre les différentes boucles d’un tel circuit. Mathématiquement, on peut écrire : Isource 5 I1 1 I2 1 ... 1 IN Courant de la source (en A)

Courants des N boucles du circuit (en A)

Le courant électrique représente la circulation de charges dans un circuit. Lorsque des charges arrivent à un nœud, elles doivent poursuivre leur parcours par l’un des autres fils reliés à ce nœud. Puisque toutes les charges qui arrivent au nœud doivent également en partir, on peut affirmer que tout le courant qui entre dans un nœud doit en ressortir.

Tableau

6

Utilisation de la loi des nœuds

Circuit simple

ce

R1

Isource

Isource R1

R1

R2

Isource R1

5.4.2

R1 Isource R3

Isource = I1 En l’absence de nœud, tout le courant fourni par la source passe par la résistance R1.

Circuit en série R2

R1

Circuit en parallèle

R2

Isource R3

Isource = I1 = I2 = I3 En l’absence de nœud, tout le courant fourni par la source passe par chacune des résistances R1, R2 et R3.

I1

Isource R3

I2 Isource R2

R1

I2 R2

Isource = I1 + I2 + I3 Le courant fourni par la pile se divise lorsqu’il rencontre un nœud. Ce courant est donc partagé entre les trois résistances R1, R2 et R3. Au nœud suivant, tout le courant se rejoint.

La résistance équivalente

Circuits en série Lorsqu’un circuit contient des résistances reliées en série ou en parallèle, il est possible de les combiner afin de les remplacer par une seule résistance appelée résistance équivalente. Cette méthode simplifie l’analyse des circuits électriques.

Une pile fournissant une différence de potentiel Circuits en série Usource est reliée en série à trois résistances R1, R1 R2 et R3. On désire déterminer le courant Isource fourni par celle pile.

Isource Avec la loi des nœuds, on voit que le courant fourni par la pile passe par chacune des trois Usource résistances, puisque ce circuit ne contient qu’une seule boucle : Isource = I1 = I2 = I3 © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

R2

Univers matériel

R3

175

Isource I1 R1

Chaque résistance possède une différence de potentiel, en accord avec la loi d’Ohm : U1 = R1 × Isource U2 = R2 × Isource U3 = R3 × Isource Avec la loi des boucles, on détermine que la somme de ces différences de potentiel est égale à Usource : Usource = U1 + U2 + U3 Usource = R1 × Isource + R2 × Isource + R3 × Isource Dans cette dernière équation, on regroupe le courant Isource : Usource = (R1 + R2 + R3 ) × Isource On remarque qu’on peut ici remplacer la somme des résistances (le terme entre parenthèses) par une résistance équivalente unique Réq et que l’équation conserve la forme de la loi d’Ohm : Usource = Réq × Isource Une fois cette résistance équivalente trouvée, il est facile de calculer le courant Isource. Le circuit en série a été simplifié en un circuit simple, représenté ci-contre.

Isource Usource

Réq

Lorsque des résistances sont reliées en série, la résistance équivalente est donc donnée par : Circuits en série Résistance équivalente (en W)

Réq 5 R1 1 R2 1 … 1 RN N résistances en série (en W)

exemple Une pile de 12 V est reliée à deux résistances en série de 2 Ω et de 4 Ω.

Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

2

Données R1 5 2 Ω R2 5 4 Ω

Calculs Réq 5 R1 1 R2 Réq 5 2 Ω 1 4 Ω

Réponse Réq 5 6 Ω

4

12 V

176

Chapitre 5

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Circuits en parallèle Une pile fournissant une différence de potentiel Usource est reliée à trois résistances en parallèle R1, R2 et R3. On désire déterminer le courant Isource fourni par cette pile.

Circuits en parallèle Isource Usource

R1

R2

R3

Puisque les résistances sont en parallèle, elles reçoivent chacune l’entière différence de potentiel Usource de la pile. Selon la loi d’Ohm, le courant traversant chacune est par conséquent : I1 5

Usource U U I2 5 source I3 5 source R1 R2 R3

Selon la loi des nœuds, le courant fourni par la source Isource se divise entre les trois résistances : Isource 5 I1 1 I2 1 I3 On obtient, en remplaçant chaque courant par sa valeur : U U U Isource 5 source 1 source 1 source R1 R2 R3 Dans cette dernière, on met en évidence la tension Usource : 1 1 1 Isource 5 1 1 3 Usource R1 R2 R3

(

)

On transforme cette relation pour la rendre semblable à la loi d’Ohm : 1 Usource 5 3 Isource 1 1 1 1 1 R1 R2 R3

(

)

On remarque qu’on peut ici remplacer le terme entre parenthèses par une résistance équivalente unique Réq et que l’équation conserve la forme de la loi d’Ohm : Usource 5 Réq 3 Isource Une fois cette résistance équivalente trouvée, il est facile de calculer le courant Isource. Le circuit en parallèle a été simplifié en un circuit simple, représenté ci‑contre.

Isource Usource

Réq

Lorsque des résistances sont reliées en parallèle, la résistance équivalente est donc donnée par : Circuits en parallèle Résistance équivalente (en W)

Réq 5

1 1 1 1 1 1…1 R1 R2 RN

N résistances en parallèle (en W) © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

177

exemple Une pile de 12 V est reliée à deux résistances en parallèle de 2 Ω et de 8 Ω. Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

2

12 V

Données

Calculs

Réponse

1 Réq 5 1 1 1 R1 R2 1 Réq 5 1 1 1 2Ω 8Ω 1 Réq 5 0,625

R1 5 2 Ω R2 5 8 Ω

8

Réq 5 1,6 Ω

Les deux lois de Kirchhoff permettent également de traiter des circuits mixtes dans lesquels des éléments sont reliés tant en série qu’en parallèle. L’objectif demeure le même : ramener le circuit à un circuit simple en calculant la résistance équivalente. Pour un circuit mixte, il faut cependant procéder par étapes successives en déterminant chaque fois ce qu’il est possible de combiner.

exemple Une pile de 6 V est reliée à des résistances de 1 Ω, 3 Ω et 4 Ω, comme le montre le schéma ci‑dessous. Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

1

1 4

6V 3

3

Chapitre 5

Calculs

Réponse

R1 et R2 sont en série R1 2 2 5 R1 1 R2 5 1 Ω 1 3 Ω 5 4 Ω R1 2 2 et R3 sont en parallèle 1 1 Réq 5 1 1 5 1 1 52Ω 1 1 R1 2 2 R3 4Ω 4Ω

Usource 5 6 V R1 5 1 Ω R2 5 3 Ω R3 5 4 Ω

Réq 5 2 Ω

1 4

6V 4

6V

46 V

44

44

6V 4

6V

26 V

3

Le circuit initial de l’exemple.

178

Données

Les résistances en série R1 et R2 ont été combinées.

Les résistances en parallèle R1 2 2 et R3 ont été combinées.

© 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

2

Savoir-

faire

6

Les lois de Kirchhoff La loi d’Ohm détermine la relation entre le courant traversant une résistance et la différence de potentiel entre ses bornes : U5R3I

Il existe deux lois de Kirchhoff : Loi des boucles : La différence de potentiel fournie par la source est égale à la somme des différences de potentiel de tous les autres éléments dans une boucle de circuit.

Usource = U1 + U2 + UN

Loi des nœuds : Le courant total entrant dans un nœud est égal au courant total sortant de ce nœud.

Isource 5 I1 1 I2 1 IN

Deux ou plusieurs éléments sont en série s’ils sont reliés les uns à la suite des autres, offrant ainsi un seul parcours au courant.

Deux ou plusieurs éléments sont en parallèle s’ils sont reliés aux deux extrémités, offrant ainsi plusieurs parcours au courant.

Un ampèremètre mesure le courant dans un circuit électrique. Il est branché en série avec un élément du circuit.

Un voltmètre mesure la différence de potentiel dans un circuit électrique. Il est branché en parallèle avec un élément du circuit.

Les exemples 1 à 4 se rapportent au circuit ci-contre.

8

18 V

4

exemple 1

Les résistances du circuit sont-elles reliées en série ou en parallèle ?

Les résistances sont reliées en série, puisque le courant ne peut suivre qu’un seul parcours à travers le circuit. On peut mettre cette relation en évidence en redessinant le circuit ainsi :

8

4

18 V

exemple 2 Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

Données R1 5 8 Ω R2 5 4 Ω

Calculs Réq 5 R1 1 R2 Réq 5 8 Ω 1 4 Ω Réq 5 12 Ω

Interprétation

12

La résistance équivalente du circuit est de 12 Ω.

18 V

Le circuit peut être redessiné en utilisant cette résistance équivalente : exemple 3 Quel est la valeur du courant fourni par la pile ?

Données Réq 5 12 Ω Usource 5 18 V

Calculs U 18 V Isource 5 source 5 Réq 12 Ω Isource 5 1,5 A

© 2014, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Interprétation La pile fournit un courant de 1,5 A.

Univers matériel

179

exemple 4

8

On branche un voltmètre entre les bornes de la résistance de 4 Ω.

Quelle différence de potentiel cet appareil mesure-t-il ?

4 8

4

18 V

Données

Calculs

Interprétation

R2 5 4 Ω Isource 5 1,5 A

I2 5 Isource 5 1,5 A U2 5 R2 3 I2 U2 5 4 3 1,5 A U2 5 6 V

Le courant fourni par la pile traverse chacune des résistances.

La différence de potentiel aux bornes de la résistance de 4 Ω est de 6 V.

18 V

3 3 12

9V

Les exemples 5 à 8 réfèrent au circuit ci-contre.

12

9V

exemple 5 Les résistances du circuit sont-elles reliées en série ou en parallèle ?

Les résistances sont reliées en parallèle, puisque deux parcours différents sont offerts au courant. On peut mettre cette relation en évidence en redessinant le circuit ainsi :

3

9V

12

exemple 6 Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

Données R1 5 3 Ω R2 5 12 Ω

Calculs

Interprétation

1

1

La résistance équivalente du circuit est de 2,4 Ω.

Réq 5 1 1 1 5 1 1 1 R2 R2 3Ω 12 Ω Réq 5 2,4 Ω

2,4

9V

Le circuit peut être redessiné en utilisant cette résistance équivalente : exemple 7 Quel est la valeur du courant fourni par la pile ?

Données Réq 5 2,4 Ω Usource 5 9 V

Calculs U 9V Isource 5 source 5 Réq 2,4 Ω

Interprétation

Isource 5 3,75 A

La pile fournit un courant de 3,75 A.

exemple 8 On branche un ampèremètre en série avec la résistance de 12 Ω.

Quel courant cet appareil mesure-t-il ?

Données R2 5 12 Ω Usource 5 9 V

180

Calculs U2 5 Usource 5 9 V U 9V Isource 5 2 5 R2 12 Ω Isource 5 0,75 A

Chapitre 5

I2

Interprétation La différence de potentiel de la source s’applique entièrement à chaque résistance. Le courant traversant la résistance de 12 Ω est de 0,75 A.

9V

3

12

© 2014, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

activités 5.4 1

STE a)

Expliquez dans vos propres mots la loi des boucles.

b) Expliquez dans vos propres mots la loi des nœuds.

2

STE Dans

1 identiques ?

1 lequel de ces circuits les deux ampèremètres vont-ils mesurer des courants 1

A) 4V

B) 4V

4V

4V

1

4V

1

1

C)

1

1

2 1

2

2

1

4V

2

4V

2

1

2

4V 2

2

D)

1 4V

4V

4V

2 4V

4V 2

2

2

4V

4V

4V 1 1

1

2 1 2

STE a) Trois

résistances identiques sont reliées en série. Si la résistance équivalente est de 120 W, quelle est la valeur des résistances initiales ?

b) Trois résistances identiques sont reliées en parallèle. Si la résistance équivalente est de 120 W, quelle est la valeur des résistances initiales ?

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2

2

2 3

2

2 2

Univers matériel

181

2

4

STE Déterminez

la résistance équivalente ainsi que le courant de la source des circuits suivants.

On donne R1 5 20 W, R2 5 50 W, R3 5 100 W et R4 5 200 W. R1

a)

R2

44 V

R2

20 V

R4

b)

R2

R2

20 V R1

9V

c) R2

3V 3V

R2

R2

R4 9 V R3

R4

R3

R2 R1 R3

R3

R2

R3

R3

9V

d)

R4

R4 R4

R1

R4 40 V

R3 9V

R2

40 V

3V

R2

R3

R3

R1

R3 9V

R4

R1

40 V

R1

R2

R3

R3

R4

Re) 3 R1

R1

R1

R4

R4 40 V

182

Chapitre 5

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R4 R3

5

STE L’ampèremètre

du circuit ci-dessous mesure un courant de 4 A. Quelle est la valeur de la résistance R ?

200 V R

6

10

STE Déterminez la valeur mesurée par le voltmètre dans les circuits suivants.

On donne R1 5 10 W, R2 5 25 W, R3 5 40 W et R4 5 100 W.

R2

a)

12 V

R1

b) R4

20 V

R4

R2

R4

R4 R2

20 V

R4 36 V

R3

R3

20 V

R1 R2

c) R3

R4 R3

R4 R3

42 V 20 V

R2

R1 R2

42 V

d) 20 V 20 V

R1 R1

R2 R2

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Univers matériel

183

7

STE Déterminez

la valeur mesurée par l’ampèremètre dans les circuits suivants.

On donne R1 5 5 W, R2 5 20 W, R3 5 50 W et R4 5 100 W. a)

3V 3V 3V 3V

b)

R1 R1 R1 R1

R2 R2 R2 R2

R3 R3 R3 R3

R4 R4 R4 R4

18 V 18 V 18 V 18 V

c)

12 V 12 V 12 V 12 V

d)

R3 R3 R3 R3

R1 R1 R1 R1

R2 R2 R2 R2

R2 R2 R2 R2

R4 R4 R4 R4

20 V 20 V 20 V 20 V

184

R3 R3 R3 R3

Chapitre 5

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Les phénomènes électromagnétiques

5.5 5.5.1

Le magnétisme

Les charges électriques n’interagissent pas seulement par l’entremise de la force électrique ; elles le font également grâce à la force magnétique.

Force magnétique : Interaction se produisant entre des charges électriques en mouvement.

Fmagnétique F

magnétique

FélectriqueF

FélectriqueF

+ +

électrique

Une charge électrique au repos peut subir et exercer une force électrique.

+ +

électrique

v v Une charge électrique en mouvement peut subir et exercer à la fois une force électrique et magnétique.

Le déplacement des charges électriques engendre également un magnétique.

champ

Champ magnétique : Influence magnétique exercée par le déplacement de charges électriques.

L’effet de cet aimant sur la limaille de fer est visible.

Notons que les lignes de champ quittent le pôle nord de l’aimant et entrent par son pôle sud, et qu’elles ne se croisent jamais.

Ces définitions peuvent être difficiles à concilier avec l’idée que l’on se fait généralement du magnétisme. Un aimant produit un champ magnétique ; cela s’observe à son action sur certains matériaux. Également, deux aimants exercent l’un sur l’autre une force magnétique d’attraction ou de répulsion.

Les pôles identiques de deux aimants (nord et nord ou sud et sud) se repoussent. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Les pôles différents de deux aimants (nord et sud) s’attirent.

Univers matériel

185

Le magnétisme des aimants s’explique ainsi : on peut représenter les électrons comme tournant sur eux-mêmes à la manière d’une toupie (ce n’est pas tout à fait vrai, car le modèle atomique est en réalité plus complexe). Ce mouvement produit autour de l’électron un infime champ magnétique. Dans la plupart des matériaux, ce mouvement est orienté différemment pour chacun des électrons. À grande échelle, l’effet global est donc nul.

Un aimant est un corps dans lequel l’orientation des électrons a été durablement organisée : les champs magnétiques des électrons pris individuellement se combinent donc au lieu de s’annuler et l’aimant produit un champ magnétique mesurable. Les matériaux ferromagnétiques peuvent devenir des aimants.

Ferromagnétique : Propriété des matériaux pouvant être aimantés fortement sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, et parfois conserver cette aimantation de manière permanente.

Parmi les matériaux ferromagnétiques, on compte le fer, le nickel et le cobalt, qui sont tous des métaux.

La Terre se comporte elle-même comme un gigantesque aimant et produit son propre champ magnétique. L’aiguille d’une boussole est un aimant permanent qui s’oriente en fonction du champ magnétique. Le pôle nord de cette aiguille pointe vers le pôle Nord géographique de la Terre. Puisqu’un pôle nord est attiré par un pôle sud, cela signifie que c’est à cet endroit que se trouve le pôle sud magnétique de notre planète. De la même façon, le pôle nord magnétique se trouve au pôle Sud géographique.

186

Pôle Nord géographique

Pôle sud magnétique

Pôle nord magnétique

Pôle Sud géographique

Chapitre 5

Dans un matériau ferromagnétique, on trouve des régions appelées domaines où le mouvement des électrons est orienté de manière similaire. Si le matériau n’est pas aimanté, la direction de ce mouvement change d’un domaine à l’autre.

Si le matériau est aimanté, les domaines tendent à s’orienter dans la même direction. Un champ magnétique est alors produit autour du matériau.

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5.5.2

Le champ magnétique d’un fil conducteur

L’électricité et le magnétisme ont été étudiés séparément pendant des siècles.

Ce n’est qu’au 19e siècle qu’on a réalisé que les phénomènes électriques et magnétiques étaient intimement liés.

Aujourd’hui, nous savons que l’électricité et le magnétisme constituent une seule discipline : l’ électromagnétisme. Électromagnétisme : Étude de l’ensemble des phénomènes reliés à l’électricité et au magnétisme.

Courant sortant

Courant entrant

Ces deux symboles sont utilisés pour représenter des courants qui entrent ou qui sortent du plan de la page.

Nous avons vu précédemment que les phénomènes magnétiques se produisent lorsque des charges électriques sont en mouvement.

Par conséquent, un courant électrique traversant un fil conducteur produit un champ magnétique autour de ce fil. Ce champ magnétique est de forme circulaire, centré sur le fil.

L’orientation du courant est donnée par la règle de la main droite : I

I

I

Le pouce pointant dans le sens du courant, les doigts qui entourent le fil indiquent la direction du champ magnétique.

On peut vérifier les conclusions de la règle de la main droite en approchant une boussole d’un fil conducteur. Si le courant est suffisamment fort, l’aiguille de la boussole se réoriente selon le champ magnétique produit par le fil.

L’intensité du champ magnétique est directement proportionnelle à la valeur du courant traversant le fil. Ainsi, le champ magnétique est deux fois plus élevé si on double le courant dans le fil. Si le courant s’arrête, le champ magnétique disparaît aussitôt !

En l’absence de courant dans le fil, toutes les boussoles pointent vers le nord géographique. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Ici, le courant dans le fil est orienté vers le bas et le champ est dans le sens horaire.

Univers matériel

187

5.5.3

Le champ magnétique d’un solénoïde

STE

On peut intensifier le champ magnétique produit par un courant électrique en enroulant un fil conducteur autour d’une forme cylindrique. On appelle solénoïde la bobine ainsi obtenue.

La forme du champ magnétique produit par un solénoïde rappelle celui de l’aimant. On peut d’ailleurs lui attribuer un pôle nord (d’où sortent les lignes de champ magnétique) et un pôle sud (d’où elles entrent).

Comme pour le fil rectiligne, le sens du courant traversant le solénoïde détermine la direction du champ magnétique.

On utilise pour ce faire une autre version de la règle de la main droite. Les doigts pointant dans le sens du courant dans les boucles, le pouce indique la direction du champ magnétique.

Un solénoïde est principalement caractérisé par le nombre de boucles qu’il possède.

Le champ magnétique est plus intense si les boucles sont plus serrées les unes contre les autres.

188

Chapitre 5

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Comme pour le fil droit, le champ magnétique devient plus intense si on augmente le courant traversant le solénoïde.

Il existe une troisième façon d’augmenter le champ magnétique d’un solénoïde : en plaçant à l’intérieur un noyau.

Noyau : Tige constituée d’un matériau ferromagnétique placée à l’intérieur d’un solénoïde pour amplifier le champ magnétique produit.

Puisqu’un matériau ferromagnétique devient aimanté en présence d’un champ magnétique, le noyau produit son propre champ magnétique qui se superpose à celui du solénoïde.

On appelle électroaimant un solénoïde muni d’un noyau.

Ce terme indique que le solénoïde se comporte comme un aimant, à la différence qu’il est possible de faire varier ou d’arrêter complètement le champ magnétique produit en agissant sur le courant électrique du solénoïde.

L’électroaimant mélomane Les applications des électroaimants sont nombreuses. On les retrouve même dans les haut-parleurs!

Le courant traversant l’électroaimant d’un haut-parleur possède une forme variable qui suit la musique jouée. Le champ magnétique produit varie donc lui aussi dans le temps : il change d’intensité et d’orientation des milliers de fois par seconde.

La membrane du haut-parleur est reliée à un aimant permanent. Celui-ci est en alternance attiré et repoussé par l’électroaimant, entraînant la membrane avec lui. Ces vibrations de la membrane produisent dans l’air la musique qui était encodée dans le signal électrique initial.

De tels électroaimants peuvent être miniaturisés. Les écouteurs fonctionnent sur le même principe.

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L’électroaimant de cette grue est suffisamment fort pour pouvoir soulever des objets lourds, qui sont ensuite libérés lorsque le courant est interrompu.

Univers matériel

189

activités 5.5 1 Une charge électrique produit un champ magnétique si elle est :

2

A) immobile.

B) en mouvement.

C) positive.

D) négative.

STE Laquelle

des actions suivantes ne permet pas d’augmenter l’intensité du champ magnétique d’un solénoïde ?

A) Augmenter le courant traversant le solénoïde.

B) Ajouter des boucles au solénoïde.

C) Ajouter un noyau à l’intérieur du solénoïde.

D) Inverser le sens du courant traversant le solénoïde.

3

STE Complétez

les phrases à l’aide des termes suivants :

Aimant

Électricité

Géographique

Un

Électroaimant Magnétique

Électromagnétisme Magnétisme

Noyau

Ferromagnétique Solénoïde

est constitué d’un solénoïde muni d’un

L’

est l’étude des phénomènes reliés à l’

au

.

. et

permanent est constitué d’un matériau

Un Le pôle nord

est situé au pôle Sud

. .

4 Expliquez dans vos propres mots le fonctionnement d’une boussole.

5 Nommez une circonstance dans laquelle une boussole n’indique pas correctement le nord.

190

Chapitre 5

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6 Dans le schéma ci-contre, indiquez où

se trouvent le pôle nord et le pôle sud de l’aimant représenté.

7 En utilisant la règle de la main droite, déterminez puis représentez le sens des lignes de champ magnétique

dans chacun des cas suivants. a)

I

I

b) STE

I

c)

I

I

I

I

d) STE

I

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I

I

I

I

Univers matériel

191

8 a) Quand on utilise la règle de la main droite pour un fil conducteur, le pouce indique

et les doigts,

.

b) STE Quand on utilise la règle de la main droite pour un solénoïde, le pouce indique et les doigts,

.

9 Dans les schémas suivants, les cercles représentent des boussoles. Dessinez dans chacun une flèche

représentant l’orientation qu’aurait l’aiguille de la boussole.

a)

b)

I

I

c)

d)

e)

f)

192

STE

Chapitre 5

STE

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synthèse du chapitre

5 En bref

Les phénomènes électriques • La charge électrique est la propriété permettant à une particule d’exercer ou de subir des forces électriques. Elle se mesure en coulombs (C). Il existe deux types de charges électriques : positive et négative.

• Les charges de même signe se repoussent et les charges de signes opposés s’attirent.

• L’électricité statique est l’étude des phénomènes reliés aux charges au repos.

• Électriser un objet signifie lui donner une charge électrique nette. Cela peut se produire de trois façons différentes : l’électrisation par conduction, l’électrisation par frottement et l’électrisation par induction.

L’électrisation par conduction s’effectue en mettant en contact un objet avec un autre objet possédant déjà une charge électrique ; on se retrouve donc avec deux objets possédant une charge de même signe.

L’électrisation par induction s’effectue sans contact direct. On approche un objet chargé de celui qu’on désire électriser. Ce dernier subit l’influence électrique de l’objet chargé : ses charges positives et négatives s’accumulent donc à des extrémités différentes. La charge totale de l’objet reste nulle.

En frottant deux objets de nature différente, la force de friction peut être suffisante pour arracher des électrons à l’un des objets et les transférer à l’autre. Il s’agit de l’électrisation par frottement, qui résulte en deux objets possédant une charge de signes opposés.

• Le champ électrique est une mesure de l’influence électrique qu’exerce une charge sur son environnement.

• La loi de Coulomb permet de déterminer la grandeur k|q1q2| de la force électrique qui s’exerce entre deux charges : F5 r2

Les circuits électriques • Un circuit électrique est un ensemble d’éléments conducteurs à travers lesquels des charges électriques peuvent se déplacer et effectuer un parcours fermé. Il peut être constitué des éléments suivants :

Une source d’énergie qui fournit aux électrons l’énergie électrique dont ils ont besoin pour traverser le circuit.

Des éléments de circuit dans lesquels l’énergie électrique des électrons est transformée.

• Le courant électrique (I ) est le déplacement de charges électriques dans un circuit. Le courant représente la quantité de charges traversant un point du circuit par seconde. Il se mesure en ampères (1 A 5 1 C/s).

• La différence de potentiel (U) est la variation d’énergie par unité de charge entre deux points d’un circuit électrique.

Elle se mesure en volts (1 V 5 1 J/C).

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Des fils conducteurs servant à relier entre eux les autres éléments.

I5

q ∆t

U5

E q

Univers matériel

193

En bref

• La résistance (R) est la propriété d’un matériau de s’opposer au passage du courant. Elle se mesure en ohms (W). On détermine la résistance d’un élément de circuit selon le rapport entre la différence de potentiel qui y est appliquée et le courant qui le traverse. On appelle cette relation loi d’Ohm. • La puissance (P) est la quantité d’énergie transformée par un élément par unité de temps.

Elle se mesure en watts (W).

R5U3I

P5

La puissance transformée par un élément peut se calculer ainsi : P5U3I

E ∆t

• Certains types de circuits électriques : Circuit simple

Un seul élément relié directement à une source d’énergie.

Circuit en série

Circuit en parallèle

Deux ou plusieurs éléments reliés les uns à la suite des autres, offrant un seul parcours au courant.

Deux ou plusieurs éléments reliés aux deux extrémités, offrant autant de parcours au courant.

• Il existe deux types de courants électriques : le courant continu, dont la valeur ne varie pas dans le temps et qui circule toujours dans la même direction ; le courant alternatif, dont la valeur varie périodiquement et qui circule en alternance dans un sens et dans l’autre.

L’analyse des circuits électriques • Les deux lois de Kirchhoff permettent d’analyser les circuits électriques.

• Selon la loi des boucles, la différence de potentiel fournie par la source est égale à la somme des différences de potentiel de tous les autres éléments dans une boucle de circuit.

Usource 5 U1 1 U2 1 ... 1 UN

• Selon la loi des nœuds, le courant total entrant dans un nœud est égal au courant total sortant de ce nœud.

Isource 5 I1 1 I2 1 ... 1 IN

194

Chapitre 5

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Réq 5 R1 1 R2 1 … 1 RN

Réq 5

En bref

• On peut combiner des résistances en série ou en parallèle afin d’obtenir une seule résistance équivalente.

En série En parallèle 1 1 1 1 1 1…1 R1 R2 RN

Les phénomènes électromagnétiques • La force magnétique est une interaction se produisant entre des charges électriques en mouvement.

• Le champ magnétique est une influence magnétique exercée par le déplacement de charges électriques.

• Les matériaux ferromagnétiques (dont le fer, le cobalt et le nickel) peuvent être aimantés fortement sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, et ainsi devenir des aimants.

• L’électromagnétisme est l’étude de l’ensemble des phénomènes reliés à l’électricité et au magnétisme.

• Un fil conducteur ou un solénoïde traversé par un courant produit un champ magnétique.

La règle de la main droite permet de déterminer l’orientation de ce champ.

• Augmenter le courant du fil ou du solénoïde permet d’augmenter le champ magnétique produit.

Si le sens du courant est inversé, le champ magnétique change également de direction.

• Pour le solénoïde, augmenter le nombre de boucles permet également d’augmenter le champ magnétique.

• On obtient un électroaimant en plaçant à l’intérieur du solénoïde un noyau, c’est-à-dire une tige constituée d’un matériau ferromagnétique. Le noyau amplifie le champ magnétique du solénoïde.

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Univers matériel

195

ACTIVITÉS activités

dE SYNTHÈSE

1 Une charge q1 5 2 3106 C se situe à proximité d’une charge q2 5 4 3106 C. Si la charge q1 subit

une force électrique de grandeur 0,04 N, quelle est la grandeur de la force subie par la charge q2 ?

A) 0,08 N

B) 0,08 N

C) 0,02 N

D) 0,04 N

2 Que doit-il se produire pour qu’un corps puisse acquérir une charge positive ?

A) On doit lui transférer des électrons.

B) On doit lui retirer des électrons.

C) On doit lui transférer des protons.

D) On doit lui retirer des protons.

3 Nommez les trois façons d’électriser un corps.

+ 4 Pour chacune des grandeurs ci-dessous, nommez l’unité appropriée selon le système+international. a) La charge électrique

c) La différence de potentiel e) La puissance

b) Le courant électrique d) La résistance

f) L’énergie

+

-

5 Pour chacune des configurations de charges suivantes, déterminez l’orientation de la force résultante sur la

charge du milieu et représentez-la. Toutes + les charges+possèdent la-même grandeur.

a)

b)

c)

+ +

+

-

+

-

+ -

+

6 On frotte l’un contre - l’autre deux + objets de matériaux différents. Expliquez pourquoi les charges obtenues

+

+ mais de signes opposés. par chacun doivent être de même grandeur,

-

+

+

-

196

+ Chapitre 5

-

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+

activités

7 On remplace la pile de ce circuit par une pile ayant une différence

de potentiel plus élevée. Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

R

∆V

A) Le courant traversant la résistance diminue.

B) Le courant traversant la résistance augmente.

C) La valeur de la résistance diminue.

D) La valeur de la résistance augmente.

8 On remplace la résistance R1 par une résistance de valeur

plus faible. Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

A) La différence de potentiel entre les bornes de R2 diminue.

∆V

R1

R2

B) La différence de potentiel entre les bornes de R2 augmente.

C) Le courant traversant R2 augmente.

D) Le courant traversant R2 demeure constant.

9 Les appareils de mesure suivants sont-ils branchés correctement ?

a)

b)

c)

d)

10 Soit la tige chargée ci-contre :

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

A) Cette tige est constituée d’un matériau conducteur.

B) Cette tige est constituée d’un matériau isolant.

C) Cette tige a été électrisée par induction.

D) Cette tige est électriquement neutre. © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers matériel

197

activités

11 Le matériau illustré ci-contre peut-il être un conducteur ? Justifiez votre réponse.

12 Après avoir frotté vos pieds sur un tapis, vous subissez une décharge électrique en approchant votre main

d’une poignée de porte métallique.

a) Quel type d’électrisation s’est-il produit ? b) Peut-on en déduire que le corps humain est un isolant ou un conducteur ? Justifiez votre réponse.

13 On approche une tige de verre chargée électriquement d’une petite quantité de confettis. Les confettis

se soulèvent et collent à la tige. Quel type d’électrisation ont-ils subi ?

14

STE Un solénoïde alimenté par un courant est placé à proximité d’un aimant, comme le montre la figure ci‑contre. Le solénoïde et l’aimant exercent-ils l’un sur l’autre une force d’attraction ou une force de répulsion ?

Justifiez votre réponse.

15 Une résistance de 2 W est reliée à une pile de 10 V pendant 45 s.

a) Quel courant traverse cette résistance ?

b) Quelle puissance reçoit-elle ?

198

Chapitre 5

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activités

c) Quelle quantité d’énergie transforme-t-elle durant cet intervalle de temps ?

16 Un moteur de 250 W fonctionne pendant 1 minute.

a) Quelle quantité d’énergie reçoit le moteur durant cette période ?

b) En utilisant un voltmètre, on constate que la différence de potentiel aux bornes du moteur est de 75 V. Quel est le courant le traversant ?

17

STE Une

charge q1 5 6,00 3 106 C subit une force d’attraction F 5 0,054 N provenant d’une charge q2 située à une distance de 2 m. a) Quelle est la valeur de cette charge q2 ?

b) Après avoir été déplacées, ces deux mêmes charges q1 et q2 se retrouvent à 30 cm l’une de l’autre.

Que devient la grandeur de la force électrique ?

18

STE Soit

le circuit ci-contre : 8V

R1 = 6

R2 = 12

a) Quel est le courant traversant chaque résistance ?

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Univers matériel

199

Univers Terre et espace «

Plus que jamais, l’être Nous n’héritons humain exploite les ressources minières, pas la Terre de nos énergétiques et biologiques de notre planète. ancêtres. Nous Quand on voit la croissance de la population mondiale, l’empruntons à nos enfants. le mode de vie, axé sur la consommation, adopté par l’Occident Antoine de Saint-Exupéry, et recherché par les pays émergents, ainsi que la demande écrivain, aviateur et reporter (1900-1944) en minerai de toute sorte, en nourriture et en énergie, qui ne cesse de croître, on se demande jusqu’où on peut aller. À quel point est-il possible de drainer les ressources terrestres sans nuire aux cycles naturels de régénération des ressources ? Les circonstances actuelles (les changements climatiques, par exemple) nous forcent à revoir notre modèle de gestion et d’exploitation des richesses de notre planète.

«

220

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Sommaire Chapitre 7 La lithosphère.......................................................... 222 7.1 : Les cycles biogéochimiques ................................. 225

7.1.1 Le cycle du carbone ................................. 225

7.1.2 Le cycle de l’azote .................................... 227

7.1.3 Le cycle du phosphore STE ........................ 229 7.2 : Les sols ............................................................... 233 7.2.1 Les horizons du sol................................... 233 7.2.2 La réactivité des sols ................................. 234 7.2.3 La capacité tampon des sols STE ................ 235 7.2.4 Le pergélisol ............................................. 236 7.3 : Les activités humaines ......................................... 240 7.3.1 Les minerais et les minéraux...................... 240 7.3.2 La fonte du pergélisol ............................... 241 7.3.3 La perturbation des cycles biogéochimiques ...................................... 242 7.3.4 La contamination et

l’épuisement des sols STE ........................... 242 Chapitre 8 L’atmosphère et l’hydrosphère............................. 254 8.1 : L’atmosphère ...................................................... 256 8.1.1 L’effet de serre .......................................... 256 8.1.2 Les masses d’air et les fronts ..................... 257 8.1.3 La circulation atmosphérique

et les vents dominants .............................. 259 8.1.4 Les anticyclones et les dépressions ............ 260 8.2 : L’hydrosphère ..................................................... 264 8.2.1 Les eaux continentales .............................. 264 8.2.2 L’eutrophisation des plans d’eau STE ........... 264 8.2.3 Les océans ............................................... 266 8.2.4 La circulation océanique ........................... 266 8.3 : Les activités humaines ......................................... 272 8.3.1 Les contaminants de l’air et de l’eau STE ..... 272 8.3.2 L’augmentation de l’effet de serre .............. 273 8.3.3 La fonte des glaciers et des banquises......... 274 Chapitre 9 La biosphère et l’énergie....................................... 286 9.1 : Les biomes terrestres ......................................... 288 9.1.1 Les facteurs déterminants

d’un biome terrestre ................................ 288 9.1.2 Les biomes nordiques .............................. 289 9.1.3 Les biomes tempérés................................ 290 9.1.4 Les biomes tropicaux................................. 291 9.1.5 Les biomes désertiques............................. 292 9.2 : Les biomes aquatiques ........................................ 296 9.2.1 Les facteurs déterminants

d’un biome aquatique ............................... 296 9.2.2 Les biomes dulcicoles ............................... 297 9.2.3 Les biomes marins .................................... 299 9.3 : Les ressources énergétiques ............................... 305 9.3.1 Les ressources énergétiques

de la lithosphère........................................ 305 9.3.2 Les ressources énergétiques

de l’hydrosphère....................................... 306 9.3.3 Les ressources énergétiques

de l’atmosphère et du Soleil ..................... 308 9.3.4 Les impacts de l’exploitation de l’énergie.... 310 © 2016, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Univers terre et espace

221

Univers vivant « Alors que la biologie se penche sur l’étude des organismes, l’écologie s’intéresse aux relations que les êtres vivants entretiennent les uns avec les autres ainsi qu’avec leur environnement. Cette science est fondamentale si l’on veut continuer à profiter des richesses de notre planète sans détruire ce qui fait sa beauté. Parmi les êtres vivants qui composent un écosystème, l’homme constitue un cas à part. En effet, alors que les autres espèces sont généralement façonnées par leur environnement, l’être humain crée lui-même son environnement selon ses besoins. Trop longtemps, cette exploitation environnementale s’est effectuée sans que l’humain tienne compte des dommages qu’il causait à l’environnement à long terme. Mais, aujourd’hui, il comprend de plus en plus sa responsabilité envers les générations futures.

322

Lorsque le dernier arbre aura été abattu, le dernier fleuve pollué, le dernier poisson capturé, vous vous rendrez compte que l’argent ne se mange pas.

Chef Seattle (1786-1866)

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Sommaire Chapitre 10 L’écologie et les écosystèmes........... 324 10.1 : Les populations et les communautés ........................ 326 10.1.1 L’étude des populations ... 326 10.1.2 Les communautés

et la biodiversité ............. 328 10.1.3 La dynamique

des communautés .......... 329 10.2 : Les écosystèmes ......................... 333 10.2.1 Les relations trophiques..... 333 10.2.2 La circulation de la matière

et de l’énergie ................ 334 10.2.3 Les perturbations

d’un écosystème ............. 336 10.3 : L’influence de l’homme STE .......... 342 10.3.1 L’empreinte écologique.... 342 10.3.2 L’écotoxicologie .............. 343 Chapitre 11 STE La génétique ....................................... 356 11.1 : L’ADN, les gènes et les allèles ........ 358 11.1.1 La structure de l’ADN ...... 358 11.1.2 Les gènes et les allèles ...... 359 11.1.3 Les individus homozygotes

et hétérozygotes .............. 360 11.2 : Les mécanismes de l’hérédité ........ 363 11.2.1 Le génotype

et le phénotype ............... 363 11.2.2 La dominance

et la récessivité ................ 363 11.2.3 Les grilles de Punnett......... 365 11.3 : La synthèse des protéines ............. 368 11.3.1 Les protéines et

les acides aminés ............. 368 11.3.2 La transcription................. 369 11.3.3 La traduction.................... 370

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Univers vivant

323

Univers technologique Chimistes, biologistes, physiciens, mathématiciens et autres scientifiques collaborent pour découvrir les lois et les principes qui régissent le fonctionnement du monde. Et ce qu’ils découvrent est fascinant. Mais la science ne se limite pas au désir de connaître ce qui existe déjà.

Un de ses objectifs est d’exploiter ces découvertes pour créer des applications (objets, machines, procédés, etc.) qui devraient, du moins en théorie, améliorer la qualité de vie du genre humain.

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Inventer, c’est le mélange des cerveaux et des matériaux.

Plus vous utilisez de cervelle, moins vous avez besoin de matériaux.

Charles F. Kettering, ingénieur (1876-1958)

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En d’autres mots, les avancées des diverses disciplines scientifiques engendrent des percées technologiques qui transforment parfois radicalement notre environnement et notre manière de vivre. Ce sont souvent les ingénieurs qui doivent réaliser ces percées et trouver la façon d’exploiter un principe scientifique dans le contexte d’une nouvelle application pratique.

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Sommaire Chapitre 12 STE Les biotechnologies...................................... 380 12.1 : Le clonage ............................................ 381

12.1.1 Le clonage naturel..................... 382 12.1.2 Le clonage artificiel .................... 382 12.1.3 Les bienfaits et les risques

du clonage ................................ 383 12.2 : Le traitement des eaux usées ................. 385

12.2.1 Les caractéristiques

des eaux usées .......................... 385

12.2.2 Les types de traitements............ 386 12.3 La biodégradation des polluants ............. 390

12.3.1 La biodégradation ..................... 390

12.3.2 La phytoremédiation ................. 391 Chapitre 13 Les matériaux et le langage des lignes..... 400 13.1 : Le dessin technique STE .......................... 402

13.1.1 Le dessin d’ensemble

en vue éclatée .......................... 402

13.1.2 La projection orthogonale

à vues multiples ........................ 403

13.1.3 Les tolérances dimensionnelles . 404 13.2 : Les contraintes et les propriétés mécaniques ........................................... 408

13.2.1 Les contraintes mécaniques ...... 408

13.2.2 Les propriétés mécaniques

des matériaux ........................... 409

13.2.3 La modification des propriétés... 410 13.3 : Les différents matériaux ......................... 415

13.3.1 Les céramiques ......................... 415

13.3.2 Les thermoplastiques et

les thermodurcissables .............. 416

13.3.3 Les matériaux composites.......... 417 13.4 : La fabrication STE ................................... 422

13.4.1 Le mesurage et le traçage ......... 422

13.4.2 Le façonnage ............................ 423

13.4.3 L’inspection................................ 425

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Chapitre 14 L’ingénierie mécanique ............................... 438 14.1 : Les fonctions de liaison et de guidage ..... 440

14.1.1 Les caractéristiques

d’une liaison ............................. 440

14.1.2 Les guidages ............................. 441

14.1.3 Les degrés de liberté STE ........... 442

14.1.4 Le choix d’une liaison

et d’un guidage.......................... 443

14.1.5 L’adhérence

et le frottement STE .................. 444 14.2 La transmission et la transformation

du mouvement ..................................... 448

14.2.1 La transmission du mouvement. 448

14.2.2 La transformation

du mouvement.......................... 449

14.2.3 Les excentriques STE ................. 451 14.3 : La variation de vitesse ............................ 455

14.3.1 La variation de vitesse utilisant des

roues de friction et des poulies... 455

14.3.2 La variation de vitesse utilisant

des roues dentées .................... 456

14.3.3 La variation de vitesse utilisant

des vis sans fin........................... 457 Chapitre 15 L’ingénierie électrique................................. 466 15.1 : Alimentation et transformation

de l’énergie ........................................... 467

15.1.1 Les fonctions électriques ........... 467

15.1.2 La fonction d’alimentation ......... 467 15.1.3 La fonction de transformation

de l’énergie .............................. 468 15.2 : La conduction et la protection ............... 471 15.2.1 La fonction de conduction.......... 471 15.2.2 La fonction d’isolation................ 471 15.2.3 La fonction de protection........... 472 15.2.4 La détermination

des résistances STE ..................... 473 15.3 : Les interrupteurs ................................... 478 15.3.1 La fonction de commande......... 478 15.3.2 La classification des interrupteurs STE ....................... 479 15.4 : Les circuits électroniques STE ................. 481 15.4.1 L’électronique............................ 481 15.4.2 Les composantes électroniques. 481 15.4.3 Les semi-conducteurs................ 484

Univers technologique

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Classe branChée La collection PhénOMÈnes Classe branChée est destinée à l’enseignement des programmes Science et technologie ST et Science et technologie de l’environnement STE du 4e secondaire. Elle est conçue de manière à couvrir l’ensemble des concepts prescrits par le Programme de formation, tout en respectant la Progression des apprentissages (PDA).

La collection PhénOMÈnes Classe branChée permet aux enseignants et enseignantes de planifier avec une grande souplesse l’apprentissage des sciences du 4e secondaire. Elle est également conçue pour soutenir le travail autonome de l’élève en classe et à la maison.

On trouve dans le cahier d’apprentissage : • une organisation par univers, chacun comportant un ou plusieurs chapitres ; • un visuel clair et attrayant ; • des notions théoriques rigoureuses et concises ; • de nombreuses sections Activités au fil des chapitres ; • des rubriques de connaissances générales ou à caractère historique ; • des savoir-faire placés au fil des pages ; • des résumés théoriques et des activités de synthèse à la fin de chaque chapitre.

On trouve dans chaque guide-corrigé : • le corrigé en couleur du cahier d’apprentissage ; • des notes pédagogiques utiles ; • une médiagraphie comprenant des sites Internet pertinents ; • un carnet de révision sous forme de questions variées qui fait la synthèse de l’ensemble des concepts abordés dans le cahier ; • des exercices supplémentaires dans chaque chapitre ; • plusieurs laboratoires et ateliers captivants ; • des évaluations sur les connaissances pour chacun des chapitres ; • des outils pratiques pour la réalisation des activités.

Les versions numériques Le cahier de l’élève • La version numérique du cahier permet à l’élève : - de feuilleter et d’annoter chaque page du cahier ; - d’écrire ses réponses dans le cahier ; - d’accéder aux hyperliens et aux 500 activités interactives.

Le guide-corrigé de l’enseignant • Pour l’animation en classe et la correction collective, la version numérique du cahier vous permet : - de projeter, d’annoter et de feuilleter le cahier en entier ; - d’afficher le corrigé du cahier, question par question ; - d’accéder à tout le matériel reproductible ; - de partager des notes et des documents avec vos élèves ; - de corriger leurs réponses directement dans la version numérique de leur cahier ; - de travailler dans votre matériel même sans connexion Internet .

• Elle donne accès également à : - des hyperliens menant vers des contenus multimédias ; - 500 activités interactives ; - deux analyses d’objets technologiques accompagnées d’animation 3D ; - une pratique d’examen de fin d’étude ST avec analyse d’objets technologiques et animation 3D ; - une pratique d’examen de fin d’étude STE.