Sciences générales
Ce manuel s’adresse aux élèves de 4e année en Sciences générales. Son objectif est d’amener les élèves à :
MANUEL
> acquérir et structurer des ressources, > exercer et maîtriser des savoir-faire, > mobiliser des processus, > développer des compétences. Grâce à la place donnée à l’expérimentation au sein d’une nouvelle mise en pages moderne et dynamique, ce manuel donnera à l’élève le goût et l’envie d’appréhender cette discipline, en lui fournissant les bases solides, tant théoriques qu’expérimentales, de tout le programme de Chimie vu en 4e année, en sciences générales. Il s’accompagne de vidéos (via des codes QR) qui permettent d’apporter un éclairage supplémentaire sur la matière étudiée et placent ce Chimie 4e pleinement dans l’enseignement de demain !
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Pierre Pirson Henri Bordet Philippe Snauwaert R e n é Va n E l s u w é
MANUEL
CHIMIE 4e
Plaisir et désir d’apprendre la chimie : tel est l’un des objectifs de ce manuel ! Cet apprentissage permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable.
Des ouvrages clairs et attrayants conformes au dernier référentiel de sciences de la FWB une place importante donnée à l’expérimentation es chapitres structurés de manière très claire et composés d de mises en situation, d’appropriations, d’exercices et de documents qui étoffent la théorie par un lien avec la vie quotidienne es codes QR qui permettent de visionner des vidéos originales d d’expérience et de contenu e nombreux exercices pour que l’élève puisse tester ses connaissances d et exercer ses compétences une nouvelle mise en pages moderne et dynamique
ISBN 978-2-8041-9826-8 597853
9 782804 198268
vanin.be
Sciences générales
Udiddit, la plateforme d’apprentissage en ligne pour les élèves et les enseignants La plateforme Udiddit te donne, par exemple*, accès à : - des exercices en ligne pour t’entraîner, - un aperçu de tes progrès et de tes résultats, - du matériel de cours, - des jeux captivants, - et bien plus encore... * En fonction de la méthode
Tu présentes des difficultés d'apprentissage et tu dois utiliser une version numérique adaptée de ce manuel scolaire ? Contacte NUMABIB à l’adresse suivante : https://www.numabib.be/contact
Chimie 4e - Sciences générales - Manuel Auteurs : Pierre Pirson, Henri Bordet, Philippe Snauwaert et René Van Elsuwé Couverture : [nor] production Mise en pages : Nord Compo Crédits photographiques : © www.marbrerie-cuisenaire.be (p. 15) ; © Steven Denison (p. 22) ; © Jacques Boyer/Roger-Viollet (p. 21 d haut) ; http://img1.mxstatic.com (p. 35 bas) ; © gettyimages/Noam Armonn (p. 40) ; © Szabó Emoke/Wikipedia (p. 63) ; www.securimed.fr (p. 68) ; © ScienceSource/BelgaImage (p. 76) ; © SPL/Belgaimage (p. 79) ; © Nathan Griffith/Corbis (p. 88) ; © Scott Barrow/Corbis (p. 90) ; © Mariordo (Mario Roberto Duran Ortiz)/Wikimedia (p. 95) ; © Bob Sacha/Corbis (p. 97) ; © Morio/Wikimedia (p. 101) ; © StralsundByzantion/Wikimedia (p. 102 g ht) ; © VWR International (p. 112 à 114) ; © Fotolia : Viktor Gmyria (p. 6), Yogo (p. 9 d), Dziurek (p. 11), Terex (p. 13), Danimages (p. 14), Oscar Brunet (p. 15 bas), Loïc Francois (p. 20), neko92vl (p. 21 g), Bluemap (p. 23 m), chaloemphan (p. 27 g m), fablok (p. 27 g d), Oleksiy Mark (p. 27 d), Leonid Andronov (p. 29 molécule), baranq (p. 31 d), Luxpainter (p. 34), Yggdrasill (p. 38), Sumos (p. 41 g), katrin_timoff (p. 41 m), benjaminnolte (p. 43), adamchris (p. 50), Yuri Arcurs (p. 52), goce risteski (p. 53 g), katrin_timoff (p. 53 d), Philnik (p. 55), Nneirda (p. 61), Stephen Sweet (p. 65 g), Delphine (p. 65 d), Dmitry Vereshchagin (p. 66), ggw (p. 76), trotzolga (p. 77 g), Earl Robbins (p. 77 m), Pixelmania (p. 77 d), Floris70 (p. 82), Svenni (p. 84), stockdevil (p. 89), Guy Pracros (p. 91 g), Beboy (p. 91 m), Lichtfisch (p. 91 d), manu_83 (p. 96 g), Unclesam (p. 102 m ht), Tyler Boyes (p. 102 d).
L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur. Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent. La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages. En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes. Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due. C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi. © Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2022, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur. 1re édition, 2022 ISBN 978-2-8041-9849-7 D/2022/0078/51 Art. 601232/01
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Ce manuel de chimie s’adresse aux élèves de quatrième année qui suivent le cours de sciences à 5 périodes par semaine (Sciences générales). Il s’inscrit dans le cadre du dernier référentiel élaboré par des représentants des différents réseaux d’enseignement de la Fédération Wallonie-Bruxelles. Ce manuel est organisé en deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA). UAA 3 La réaction chimique : approche quantitative UAA 4 Identifier une espèce chimique par une réaction chimique Chaque UAA présente plusieurs compétences à développer. Ces développements sont répartis selon trois catégories : – expliciter des connaissances (C) : acquérir et structurer des ressources ; – appliquer (A) : exercer et maîtriser des savoir-faire ; – transférer (T) : développer des compétences. Dans de nombreux chapitres de ce manuel, l’expérimentation, fondamentale en sciences, est privilé. giée. Elle est signalée par le logo Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes (au minimum 6 périodes) : ces expériences permettront de développer l’esprit critique des élèves et de débattre entre eux ; – soit par le professeur qui veillera à la participation active de ses élèves. Quant aux développements attendus (processus), ils intègrent les ressources (savoirs et savoir-faire) qui y trouvent leur sens. proposent des ouvertures sur des Tout au long des chapitres, des encarts marqués par le logo applications relatives au sujet traité : elles sont ancrées le plus souvent dans l’actualité. Les pages « Pour en savoir plus… » en fin de chapitres poursuivent le même objectif. L’apprentissage à travers ce manuel permettra aux jeunes de décoder des situations auxquelles ils sont confrontés, de développer leur culture scientifique et d’assurer leur formation en établissant des raisonnements relativement complexes. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyennes et de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable. Tout en restant fidèles à la démarche didactique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition aussi attractive que les précédentes : présentation revue et actualisée tant sur le fond que sur la forme, réponses à des exercices, suggestions de laboratoires et de manipulations, nombreuses photos et illustrations… Ce manuel devrait, dès lors, répondre à l’intérêt des élèves pour lesquels il est conçu ainsi qu’aux attentes de nombreux collègues. Nous remercions chaleureusement nos familles pour leur soutien et les éditions De Boeck pour leur professionnalisme. Enfin, nous remercions d’avance celles et ceux qui, par leurs avis et suggestions, voudront bien nous aider à améliorer notre travail. Les auteurs
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Ce manuel comporte deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA). Chaque UAA est découpée en chapitres (voir table des matières en fin de manuel) présentant chacun la même structure.
Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS énoncer les règles de nomenclature : ➜ des hydroxydes ; ➜ des acides binaires et ternaires ; ➜ des sels binaires et ternaires ; ➜ des oxydes métalliques et non métalliques.
En début de chapitre, une liste de savoirs, de savoir-faire et de processus (développements attendus) aide les élèves dans leur apprentissage.
SAVOIR-FAIRE nommer les acides, hydroxydes, sels et oxydes à partir de leur formule moléculaire ; donner la formule moléculaire des acides, hydroxydes, sels et oxydes à partir de leur nom.
PROCESSUS construire une formule moléculaire et nommer la substance correspondante à partir d’informations du tableau périodique des éléments (A1).
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En 3e année, nous nous sommes intéressés à l’origine du nom des atomes et, parmi la centaine d’atomes existants, tu as dû en mémoriser une vingtaine, associés à leur symbole. Tous ces atomes composent de très nombreuses molécules qui se retrouvent dans des centaines de milliers de corps différents. Ces corps ont d’abord été nommés de façon disparate, en référence à leur origine, à leur aspect ou à leurs propriétés, mais, devant le nombre grandissant des corps répertoriés, les chimistes comprirent la nécessité de créer un système de nomenclature structuré et rationnel. Lavoisier, au xviiie siècle, réussit cet exploit, véritable révolution qui posait les bases de la chimie moderne. Sa méthode logique partait de ce que l’on savait alors de la composition des corps. Cette première nomenclature s’est évidemment développée avec le progrès des connaissances chimiques et la systématisation croissante de la chimie pour aboutir à la nomenclature actuelle. Tu as déjà rencontré cette nomenclature lorsque nous avons utilisé des corps chimiques lors des manipulations de laboratoire réalisées l’année passée. Tu vas découvrir ici les règles de base établies par les chimistes pour nommer les corps purs composés minéraux. Avant d’utiliser ces règles, il est nécessaire de rappeler le classement des corps minéraux dans les grandes familles définies en 3e année : les hydroxydes (MOH), les acides binaires et ternaires (HX et HXO), les sels binaires et ternaires (MX et MXO) et les oxydes métalliques et non métalliques (MO et XO). À cette fin, nous te proposons de réaliser l’activité ci-dessous.
Identifier et classer les corps minéraux De nombreux corps purs composés sont présents dans notre environnement : certains sont utilisés seuls ou en mélange, comme le décrit le texte ci-dessous. Pour délimiter l’aire de jeu d’un terrain de football, de la chaux éteinte en poudre Ca(OH)2 est utilisée pour tracer les lignes blanches. Cette poudre est obtenue en hydratant de la chaux vive CaO selon la réaction dont l’équation est : CaO + H2O
Ca(OH)2
La chaux vive est produite dans des fours à chaux. Le CaCO3 présent dans les roches calcaires, s’y décompose selon la réaction dont l’équation est : CaCO3
CaO + CO2
Du gaz carbonique CO2 est alors libéré dans l’air. En présence d’eau H2O, il génère H2CO3 qui augmente l’acidité des eaux. Le gaz carbonique n’est pas le seul gaz qui possède cette propriété : les gaz SO2 et SO3 d’origine naturelle (émis par exemple lors des éruptions volcaniques) ou produits par les activités humaines (lors de certaines combustions) acidifient également les eaux de pluie en formant des composés tels que H2SO3 et H2SO4. Pour neutraliser l’acidité des eaux, les chimistes pourraient utiliser des solutions de soude caustique NaOH ou de potasse caustique KOH. Il en résulterait des composés en solution tels que Na2SO3 K2SO4… Les solutions de soude caustique peuvent également être utilisées pour neutraliser des solutions acides plus concentrées telles que l’esprit de sel HCl : il en résulte du NaCl. À partir de leur formule moléculaire, il est possible d’identifier les différents corps purs composés cités dans le texte et de les classer dans une des catégories des corps minéraux.
1 • Nomenclature des corps minéraux
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UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
Porteuse de sens, la mise en situation contient un questionnement, dont la réponse est, généralement, amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte. Les activités expérimentales sont toujours signalées . par le logo Parfois, le professeur réalise lui-même les expériences ; souvent, des laboratoires sont proposés aux élèves. L’expérience réalisée par le professeur débute toujours par les termes « Pour ce faire ». Pour les laboratoires, les élèves sont invités à rassembler le matériel et les corps chimiques indiqués avant de réaliser les expériences eux-mêmes. C’est, notamment, à travers la réalisation de ces laboratoires que les élèves acquièrent une démarche scientifique expérimentale. Chaque séance de laboratoire donne lieu à la rédaction d’un rapport de laboratoire dont un canevas est proposé en annexe du manuel. Enfin, lorsque la mise en situation propose l’analyse qui apparaît. d’un texte, c’est le logo
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La réaction de précipitation
Toute masse supplémentaire introduite se dépose alors sous forme solide au fond du récipient : la solution est alors dite saturée.
Dans la première expérience, il se forme un solide blanc qui devient gris rapidement et, dans la deuxième, un solide bleu.
Il est possible de déterminer expérimentalement la masse de NaCl(aq) contenue dans un volume donné de solution saturée à une température donnée. Il suffit, par exemple, de prélever 100 mL de solution saturée de NaCl à 20°C, d’évaporer le solvant et de déterminer la masse du résidu.
Des QR codes permettent, grâce à l’application Sésame, de visionner des vidéos de contenu pour un apprentissage complet !
Ainsi, après évaporation de ces 100 mL de solution saturée de NaCl, on recueille 36 g de NaCl : 100 mL de solution saturée de NaCl, à température ambiante, renferment donc 36 g de sel dissous. En d’autres termes, un litre de solution saturée contient 360 g . L–1 de Nacl(aq) (à 20°C).
En revanche, dans la troisième expérience, aucun solide n’apparaît. Les composés solides qui se forment lors du mélange de deux solutions homogènes portent le nom de précipités. La réaction de formation d’un précipité s’appelle réaction de précipitation. Si un composé solide apparaît lors d’une réaction, ce composé est, dans ce cas, peu soluble dans l’eau. La précipitation et la solubilité sont donc étroitement liées. Il y a lieu de définir d’abord la solubilité et d’en donner ensuite son expression.
Si quelques grammes de NaCl(s) sont ajoutés à 100 mL d’eau à température ambiante, le sel se dissout complètement en se dissociant en ions. Na+(aq) + Cl–(aq)
Si du NaCl(s) est ajouté à la solution précédente, il arrive un moment où le moindre grain de NaCl ajouté ne se dissout plus.
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• 1 litre de solution saturée d’iodure de plomb(II) contient 0,3 g de PbI2(aq) ; • 1 litre de solution saturée de carbonate de calcium contient 7,2 mg de CaCO3(aq) ; •… La solubilité (s) est la quantité maximale de soluté dissous, à température donnée, par unité de volume (en général, le litre) de solution. La solubilité (s) s’exprime en concentration massique (1) ou molaire (2) : s=
m (g . L–1) V
(1)
s=
n V
(2)
ou
La solubilité et son expression
NaCl(s)
Dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment, on peut déterminer que : • 1 litre de solution saturée de sulfate de cuivre(II) contient 207 g de CuSO4(aq) ;
(mol . L–1)
En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation, du laboratoire ou de la recherche documentaire, les élèves découvrent de nouvelles notions dont la définition est . signalée par le logo Définies, structurées, développées, ces notions débouchent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.
Dans ces expressions : m = masse du soluté n = quantité de matière de soluté V = volume de la solution saturée Pour transformer l’expression (1) en l’expresm sion (2), il suffit de se rappeler que n = , M
M étant la masse molaire du soluté.
UAA4 Identifier une espèce chimique par une réaction chimique
1 Calcule la masse moléculaire relative de :
a) Cl2
b) KNO3
c) H2SO4
d) Mg(OH)2
2 Calcule le nombre d’entités (molécules, atomes ou ions) contenues dans :
a) 0,5 mol de molécules HCl
c) 0,1 mol d’atomes Na
b) 2 mol de molécules N2
d) 0,4 mol d’ions S2–
3 Calcule la quantité de matière (en mol) correspondant à :
Les exercices et les problèmes, nombreux et diversifiés, permettent aux élèves tant de consolider les ressources (savoirs et savoir-faire) que de mobiliser les développements attendus (processus).
a) 2 . 1023 atomes Mg
c) 1,5 . 1022 atomes Fe
b) 3 . 1021 molécules CO2
d) 24 . 1023 ions CO32–
4 Calcule la masse molaire de : Hg, ZnO, Ne, Ca(OH)2, HNO3. 5 Calcule la quantité de matière (en mol) correspondant à :
a) 14 g d’hydroxyde de potassium (potasse caustique) KOH b) 10 g de carbonate de calcium (calcaire) CaCO3 c) 49 g d’acide sulfurique H2SO4 6 Calcule la masse (en g) correspondant à une quantité de matière de :
a) 10 mol d’ammoniac NH3 b) 2,5 mol de propane C3H8 c) 0,02 mol de peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée) H2O2 7 Une puce, utilisée dans un circuit imprimé pour ordinateur,
contient 5,68 mg de silicium Si. Combien d’atomes Si sont présents dans cette puce ?
8 Combien de molécules H2O avales-tu lorsque tu bois un verre d’eau de 0,2 L ? (Nous négligeons ici la présence de sels minéraux).
9 Sachant que le corps humain contient en moyenne 62 % d’eau en masse,
détermine le nombre de molécules H2O qui constituent ton propre corps.
Ah, si la mole m’était « comptée »… 34
Tu viens d’apprendre dans ce chapitre que les chimistes mesurent les quantités de matière avec une unité qui leur est propre : la mole. Le choix du mot, dérivé du latin mola qui signifie « tas énorme », est particulièrement judicieux : une mole d’atomes ou de molécules ne contient-elle pas, en effet, 6 . 1023 atomes ou molécules ? Mais te rends-tu bien compte de l’énormité de ce nombre ?
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Cette façon d’appréhender la mole aurait plutôt tendance à te faire dire : en fin de compte, il n’y a pas tellement d’atomes S ni de molécules H2O. Procédons donc d’une autre manière et étalons, les uns à côté des autres, les 23 zéros du nombre d’Avogadro. Efforçons-nous, ensuite, de lire le nombre ainsi écrit : 600 000 000 000 000 000 000 000
Quand ton professeur te montre 32 g de soufre sur un verre de montre, tu as devant toi 6 . 1023 atomes S.
mille (103) million (106) milliard (109) billion (mille milliards) (1012) trillion (1 milliard de milliards) (1018) quadrillion (1 million de trillions) (1024)
S’il te présente 18 mL d’eau dans un cylindre gradué, tu disposes de 6 . 1023 molécules H2O.
Une mole d’atomes contient donc 0,6 quadrillion soit 600 000 milliards de milliards d’atomes !
Mais perçois-tu, pour autant, la quantité d’atomes ou de molécules correspondant à 6 . 1023 ?
Transportons-nous, à présent, du monde infiniment petit des atomes au monde infiniment
grand des étoiles. Dans le monde intergalactique, une distance de 6 . 1023 m correspond à 63,4 millions d’années-lumière, soit environ 634 fois le diamètre de notre galaxie : la voie lactée. Un dernier exemple enfin qui te fera peut-être rêver. Si l’ONU disposait de 6 . 1023 euros à répartir entre 6 milliards de terriens, chacun recevrait 1 . 1014 euros (soit 100 000 milliards d’euros).
UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
Chaque chapitre se termine par un document qui étoffe le sujet traité. Ce document culturel est lié à l’actualité et aux domaines scientifique, historique, technologique, éthique, socio-économique.
Nous aurions ainsi (pour une vie moyenne de 75 ans) un revenu annuel d’environ 1 333 milliards d’euros et chacun pourrait disposer de 3,65 milliards d’euros par jour. Il y aurait là de quoi largement partager... mais avec qui, puisque chacun de ces 6 milliards d’humains disposerait du même pactole ?
UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
1. Télécharge l’application « Sésame » des Éditions Van In.
2. Scanne le QR code sur la page : tu auras directement accès à la vidéo ! 5
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La réaction chimique : approche quantitative
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UAA3
Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras les compétences suivantes : • déterminer expérimentalement les coefficients stœchiométriques d’une réaction complète ; • résoudre des problèmes de stœchiométrie dans le cadre de réactions complètes.
Chapitre 1 Nomenclature des corps minéraux . . . . 9
Chapitre 3 Concentration molaire . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Chapitre 2 La mole, unité de quantité de matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Chapitre 4 Résolution de problèmes de chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
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Concentration molaire Dans les laboratoires industriels et hospitaliers, dans les officines des pharmacies, dans les salles de travaux pratiques des facultés de chimie et de biologie, les chimistes doivent tous les jours préparer des solutions de concentration précise. Pour leurs calculs, ils utilisent préférentiellement une grandeur en rapport avec la quantité de matière : la concentration molaire.
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Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir concentration massique et concentration molaire ; donner la relation entre γ et C ; donner les unités de la concentration massique et de la concentration molaire.
SAVOIR-FAIRE calculer la concentration massique d’une solution connaissant la masse de soluté et le volume de la solution ; calculer la concentration molaire d’une solution connaissant la quantité de matière de soluté et le volume de la solution ; calculer la quantité de matière et la masse de soluté présents dans un volume donné de solution de concentration molaire connue ; établir la relation entre γ et C ; convertir une concentration massique en concentration molaire et inversement.
PROCESSUS calculer une concentration molaire à partir d’une concentration massique et inversement (A) ; préparer une solution de concentration molaire déterminée (A).
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UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
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Tu as appris précédemment, en 3e année, la notion de concentration massique γ, ainsi que la technique de préparation d’une solution de concentration massique donnée. Rappelle-toi la définition de la concentration massique : La concentration massique γ d’une solution est le rapport entre la masse m (en grammes) de soluté et le volume V (en litres) de la solution. γ (g.L –1 ) =
m (g) V ( L)
Cette expression de la concentration massique est peu utilisée par les chimistes. Ils préfèrent utiliser la quantité de matière, exprimée en moles, plutôt que la masse dans l’expression de la concentration. En biologie clinique, cette pratique commence aussi à se généraliser dans l’étude quantitative de la composition des solutions physiologiques.
Observe sur l’extrait des résultats de la prise de sang suivant que les unités utilisées pour doser les ions présents dans le sang ne sont généralement plus des g/L ou des mg/dL (milligrammes par décilitre), mais plutôt des mmol/L (millimoles par litre). Ionogramme Sodium
140
mmol/L
Potassium
5,1
mmol/L
Chlore
102
mmol/L
Calcium
2,26
mmol/L
Calcium (anciennes unités)
9,0
mg/dL
Remarque aussi que la concentration en ions calcium est exprimée à la fois en mg/dL et en mmol/L. Au vu de ce qui précède, une double question se pose : à quelle concentration fait référence l’unité mmol/L et comment le chimiste passe-t-il d’une concentration exprimée en mg/dL à une concentration exprimée en mmol/L ?
3 • Concentration molaire
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Concentration molaire L’unité mmol/L ou 10 –3 mol . L–1 utilisée dans l’expression des résultats de la prise de sang correspond à un rapport de grandeurs : quantité de matière . volume Ce rapport est appelé concentration molaire. La concentration molaire C (exprimée en mol.L–1) d’une solution est le rapport entre la quantité de matière n (exprimée en mol) de soluté et le volume V (exprimé en L) de la solution. C (mol . L−1) = =
quantité de matière de soluté volume total de la solution n (mol) V (L)
Ainsi, la concentration molaire en ions calcium indiquée dans la prise de sang vaut 2,26 mmol/L, c’est-à-dire 0,00226 mol/L ou 2,26.10 –3 mol . L–1. Dans la pratique, la concentration molaire est encore appelée « molarité » et une solution qui contient une mole de soluté par litre est dite molaire, ce qui s’écrit 1 M. Ainsi, une solution contenant trois moles de KNO3 par litre de solution sera étiquetée soit « KNO3 3 mol.L–1 » soit, plus simplement, « KNO3 3 M ». Les inscriptions sur les bouteilles ci-après permettent de dire que, dans 1 litre de solution de : – acide chlorhydrique 0,1 M, il y a 0,1 mol de HCl ; – acide sulfurique 5 M, il y a 5 mol de H2SO4.
Relation entre concentration molaire et concentration massique Tu connais maintenant deux expressions différentes de la concentration des solutions : la concentration massique (γ) et la concentration molaire (C). Établissons la relation entre γ et C. L’expression de la concentration massique est : m γ= V Sachant que m = n . M, l’expression de γ devient : n.M γ= V n Puisque C = , la relation entre γ et C est donc : V
γ = C .M ou C =
γ M
Le diagramme ci-dessous visualise la façon de procéder pour convertir γ en C, et inversement : Concentration massique de la solution γ (g.L–1)
÷ M (g.mol-1) . M (g.mol-1)
Concentration molaire de la solution C (mol.L-1)
Ainsi, lors du dosage des ions calcium, dont les résultats figurent sur le protocole de la prise de sang, le chimiste, ou plus probablement le système informatique qui gère les analyses, a dû transformer des mg/dL en mmol/L. Voici une méthode, basée sur l’utilisation de formules, que tu peux suivre pour réaliser ce calcul.
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UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
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Établissons un tableau reprenant les données, les inconnues, les formules, et, après avoir découvert la procédure à suivre, cherchons la solution pas à pas : Données V = 1 dL = 0,1 L γ(Ca2+) = 9 mg/dL = 0,09 g.L–1
Inconnue C (Ca2+)
Formule C=
γ M
Procédure 1. Pour calculer la concentration molaire C, utilise la formule suivante : γ C= M La concentration massique étant fournie dans les données, il suffit donc de connaître M. 2. Pour calculer la masse molaire M, utilise le tableau de Mendeléev. Solution La résolution s’effectue en 2 étapes inversées par rapport à la procédure : 1. Calcul de la masse molaire de l’ion Ca2+ (la masse molaire de l’ion est la même que celle de l’atome car il n’y a que 2 électrons, de masse négligeable, de différence) : M (Ca2+) = 40,08 g . mol–1 2. Calcul de la concentration molaire : C = 0,09 (g . L–1) / 40,08 (g . mol–1) C = 2,25 . 10 –3 mol . L–1 = 2,25 mmol/L La concentration en ions Ca2+ est de 2,25 mmol . L–1.
Calcul de la masse de soluté nécessaire pour préparer une solution de concentration molaire donnée La bouillie bordelaise est un mélange d’eau, de sulfate de cuivre (II) et de chaux éteinte, qui donne une solution claire bleue verdâtre. Elle est pulvérisée sur des plantations (vigne, tomates, pommes de terre…) comme traitement préventif pour lutter contre le mildiou, maladie provoquée par un champignon microscopique.
Si un chimiste désire préparer 1 L de solution aqueuse de sulfate de cuivre (II) pentahydraté1 (CuSO4 . 5H2O) 0,12 mol . L–1 en vue d’utiliser de la bouillie bordelaise, quelle masse de sulfate de cuivre solide doit-il peser ? Pour réaliser ce calcul, établissons un tableau reprenant les données, les inconnues, les formules et, après avoir découvert la procédure à suivre, cherchons la solution pas à pas : Données
Inconnue
Formules
V =1L C = 0,12 mol . L–1
m (CuSO4 . 5 H2O)
n (1) V n = m (2) M C=
Procédure 1. Pour déterminer la masse de soluté, la formule (2) transformée devient : m = n . M Il est donc nécessaire de connaître n et de calculer la masse molaire M. 2. Pour obtenir la quantité de matière n, la formule (1) transformée devient : n = C . V C et V sont fournis dans les données. 3. Pour calculer la masse molaire M, utilise le tableau de Mendéléev. Solution La résolution s’effectue en 3 étapes inversées par rapport à la procédure : 1. Calcul de la masse molaire de CuSO4.5 H2O : M = M(Cu) + M(S) + 4.M(O) + 5. M(H2O) = 63,55 + 32,06 + 4.16,00 + 5.18,02 = 249,71 g.mol–1 2. Calcul de la quantité de matière : n =C .V n = 0,12 (mol.L–1) . 1(L) n = 0,12 mol 3. Calcul de la masse de soluté à peser : m =n . M m = 0,12 (mol) . 249,71 (g.mol–1) m = 30 g. La masse de CuSO4.5 H2O à peser est donc égale à 30 g.
Tu appliqueras cette procédure de calcul lorsque tu réaliseras le laboratoire de l’activité d’apprentissage 14 de ce chapitre : préparer une solution de saccharose 0,31 mol.L–1.
1. Le sulfate de cuivre pentahydraté a pour formule moléculaire CuSO4.5 H2O. Cela signifie qu’il y a 5 molécules eau fixées sur chaque molécule CuSO4. Tu verras au chapitre 4 de l’UAA3 comment calculer ce nombre de molécules eau.
3 • Concentration molaire
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1 Parmi (a), (b), (c) ou (d), quelle est la solution la plus concentrée en espèces «
»?
Justifie ta réponse.
(a) V = 200 mL
(b) V = 200 mL
(c) V = 100 mL
(d) V = 50 mL
2 Complète le tableau suivant en y indiquant la concentration molaire, le volume ou la quantité de matière :
V (L)
n (mol)
0,50
0,20
0,050
0,10 0,35
2,5 0,15
1,0 0,040
2,0 . 10 –1 0,10
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C (mol.L–1)
2,0
UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
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3 Transforme la concentration massique des solutions aqueuses suivantes en concentration molaire :
a) γ (NaCl) = 5 g.L –1
b) γ (Ca(OH)2) = 80 g.L –1
c) γ (HCl) = 25 g.L –1
4 Transforme la concentration molaire des solutions aqueuses suivantes en concentration massique :
a) C (KOH) = 1 mol.L –1 b) C (HNO3) = 0,25 mol.L –1 c) C (Na+) = 140 mmol.L –1 5 Calcule la quantité de matière et la masse de soluté présentes dans les solutions suivantes :
a) 1,0 L de H2SO4 0,30 mol.L –1 b) 400 mL de NaOH 2,0 mol.L –1 c) 700 mL de CaCl2 2,0.10 –3 mol.L –1 R : a) n = 0,30 mol ; m = 29,4 g b) n = 0,80 mol ; m = 32,0 g c) n = 1,4.10 –3 mol ; m = 0,155 g 6 Calcule la concentration molaire des solutions aqueuses obtenues en dissolvant :
a) 10 g de saccharose (C12H22O11) dans 100 mL de solution b) 5,0 g de glucose (C6H12O6) dans 50 mL de solution c) 2,0.103 g de sel de cuisine (NaCl) dans 15 L de solution R : a) C = 0,29 mol.L –1 b) C = 0,56 mol.L –1 c) C = 2,3 mol.L –1 7 Sur l’étiquette de l’eau minérale présentée ci-dessous figure la teneur en ions chlorures Cl– et en ions magnésium Mg2+. Calcule la concentration molaire de cette eau en ions chlorures et magnésium.
R : C (Cl –) = 1,75 .10 –3 mol.L –1 C (Mg2+) = 2,88 .10 –3 mol.L –1
3 • Concentration molaire
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8 Soit les composés suivants : Ca(NO3)2 , Na2CO3, MgCl2, (NH4)2SO4.
Un chimiste dissout respectivement 10 g de chacun de ces composés dans de l’eau déminéralisée. Sachant que le volume final de chaque solution est 250 mL : a) calcule la concentration massique de chaque solution ; b) calcule la concentration molaire de chaque solution ; c) classe ces solutions par ordre décroissant de concentration molaire. R : a) γ = 40 g.L –1 b) C = 0,24 mol.L –1 ; C = 0,38 mol.L –1 ; C = 0,42 mol.L –1 ; C = 0,30 mol.L –1 9 Un patient reçoit les résultats de son analyse de sang :
Urée : 0,30 g.L –1 Cholestérol : 2,95 g.L –1 Les valeurs de référence admissibles sont : Urée : entre 2,5.10 –3 et 10.10 –3 mol.L –1 Cholestérol : entre 3,6.10 –3 et 4,9.10 –3 mol.L –1 La masse molaire de ces deux composés est : M (urée) = 60,07 g.mol –1 ; M (cholestérol) = 386,73 g.mol –1. Doit-il consulter son médecin ? Justifie ta réponse par calcul. R : C (urée) = 5,0 .10 –3 mol.L –1 C (cholestérol) = 7,6 .10 –3 mol.L –1 10 On dissout 10,0 g de NaOH dans de l’eau déminéralisée. Le volume final de la solution est 0,400 L. Calcule :
a) la concentration molaire de la solution ; b) la concentration molaire de 100 mL de cette solution. R : C = 0,625 mol.L–1 11 Calcule, pour les substances indiquées, la masse à peser pour préparer des solutions de concentration molaire donnée.
a) masse de CaCl2 nécessaire à la préparation de 300 mL de solution 0,500 mol.L–1 ; b) masse de NaOH nécessaire à la préparation de 250 mL de solution 1,00 mol.L–1 ; c) masse de KMnO4 nécessaire à la préparation de 150 mL de solution 0,200 mol.L–1. R : a) m = 16,7 g ; b) m = 10,0 g ; c) m = 4,74 g. 12 Le vinaigre est une solution aqueuse d’acide acétique de formule
CH3COOH. Le fabricant affirme que, dans 1 L de vinaigre, il a placé 72 g d’acide acétique. Cela correspond à un vinaigre à 7° (voir photo ci-contre). Quand on détermine expérimentalement la concentration molaire en acide acétique, on obtient une valeur de 1,18 mol.L–1.
Les informations fournies par le fabricant sont-elles correctes, aux erreurs expérimentales près ? R : C = 1,2 mol.L–1
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UAA3 La réaction chimique : approche quantitative
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13 Après avoir lu « Pour en savoir plus… Les unités de concentration dans une prise de sang », réponds à la question suivante.
Un patient reçoit les résultats de sa prise de sang. La concentration de son sang en thyroxine libre est de 21 pmol.L–1. Calcule la concentration massique en thyroxine libre, exprimée en ng/dL. R : γ = 1,63 ng.dL –1
14 Laboratoire
Préparer une solution de saccharose 0,31 mol.L–1
Si tu observes la photo ci-contre, tu constates que la bouteille contenant la boisson cola light s’enfonce moins dans l’eau que la bouteille contenant la boisson cola classique, bien que les deux bouteilles de 250 mL soient identiques2. Tu peux vérifier cette observation expérimentalement. L’enfoncement différent des bouteilles dans l’eau, dû à une masse volumique globale différente, est lié à la présence de sucre (saccharose) dans la boisson cola classique. Tu vas le vérifier toi-même en préparant une solution sucrée dont la concentration molaire correspond à celle du cola classique, soit 0,31 mol.L –1, et en réalisant l’expérience avec des bouteilles identiques contenant de l’eau et de l’eau sucrée. Pour réaliser ce laboratoire, tu auras besoin du matériel et des réactifs suivants : Matériel – 1 balance de précision – 1 spatule – 1 récipient suffisamment profond – 1 ballon jaugé de 250 mL – 1 entonnoir – 1 pipette
Réactifs – sucre cristallisé (saccharose) – eau minérale ou de distribution – 1 bouteille de 250 mL de cola classique – 1 bouteille de 250 mL de cola light – 2 bouteilles identiques de 250 mL de cola vides et propres
a) Applique le mode opératoire suivant. • Calculer la masse de sucre (il s’agit de saccharose de formule C12H22O11) à peser pour préparer 250 mL d’une solution aqueuse sucrée 0,31 mol.L –1 (concentration molaire en sucre équivalent à celle de la boisson de cola classique). • Préparer, en utilisant les techniques habituelles (vues en 3e), 250 mL d’une solution aqueuse dans laquelle est dissoute la masse de saccharose calculée précédemment. • Remplir une bouteille de cola vide avec 250 mL de la solution sucrée préparée au point précédent. • Ajouter un peu de solution 0,31 mol.L –1 jusqu’au goulot3. • Remplir une autre bouteille de cola vide avec l’eau du robinet jusqu’au goulot. • Refermer les deux bouteilles et les plonger dans le récipient. • Observer si le résultat est identique à celui obtenu avec les boissons du commerce. b) Rédige un rapport clair dans lequel tu tires les conclusions de ton expérience. 2. Avec des bouteilles du commerce, la différence d’enfoncement entre les deux bouteilles est peu importante. Pour l’accentuer, du cola classique et du cola light ont été ajoutés jusqu’au goulot dans les bouteilles correspondantes. 3. Pour remplir les bouteilles de cola avec la solution sucrée jusqu’au goulot, 250 mL de la solution sucrée 0,31 mol.L–1 seront préparés en supplément.
3 • Concentration molaire
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Les unités de concentration dans une prise de sang
Dans le cadre d’un bilan de santé ou d’une maladie, il est habituel de réaliser une prise de sang afin de vérifier l’état des différents marqueurs sanguins. Le patient peut se rendre aisément compte de l’existence éventuelle d’anomalies sanguines, puisque, pour chaque dosage, il trouve le résultat de la mesure, l’unité de concentration et la zone de référence4 à l’intérieur de laquelle il n’y a pas de problème. Un astérisque * devant le résultat signifie que le résultat est en dehors de la zone de référence.
En cas de résultat anormal (valeur trop haute ou trop basse par rapport à la zone de référence), il revient au médecin de déterminer quel est le problème de santé sous-jacent et de le traiter.
exprimées en milligrammes (mg), en microgrammes (1 μg = 10 –6 g), en nanogrammes (1 ng = 10 –9 g), et les quantités de matière en millimoles (mmol), en picomoles (1 pmol = 10 –12 mol).
Intéressons-nous aux différentes unités de concentration présentes dans une prise de sang. Certaines sont celles qu’utilisent les chimistes (g/L ou mol/L), mais il en existe d’autres, parfois difficiles à comprendre, spécifiques aux grandeurs mesurées.
En ce qui concerne l’unité de volume, les litres (L), les décilitres (dL), les millilitres (mL) et aussi les millimètres cubes (mm³) sont rencontrés.
Puisque les concentrations sont souvent faibles, les masses sont
4. La zone de référence indique les limites entre lesquelles la mesure ne pose pas de problème.
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Voici quelques exemples extraits d’une prise de sang5. La glycémie renseigne sur la concentration en glucose C6H12O6 : 93 mg (milligrammes) dans 1 dL (décilitre) équivaut à 930 mg par litre soit 0,93 g/L. La masse molaire du glucose étant 180,16 g.mol–1, cela correspond à 0,0052 mol.L–1 ou 5,2 mmol.L–1 (zone de référence convertie en mmol.L–1: 3,89 – 5,55). ANALYSES
RÉSULTATS
UNITÉS
VAL. RÉFÉRENCES
Métabolisme glucidique Glycémie (tube fluoré) Hémoglobine Alc Hémoglobine Alc (IFCC)
93 5.9 41
mg/dL % mmol/molHb
70 – 100 4.0 – 6.0 20 – 42
Métabolisme azoté Urée Créatinie
53 1.05
mg/dL mg/dL
15 – 60 0.2 – 1.2
Hormonologie Thyroide T4 libre
1,17
ng/dL
L’urée (M=60,06 g.mol–1) provient de la destruction des protéines et s’élimine par le rein. Le taux d’urée peut donc augmenter si ce dernier ne fonctionne pas bien. Une valeur de 53 mg/dL correspond à 8,8 mmol/L (zone de référence convertie en mmol.L–1: 2,5 – 10 ).
0.70 – 1.48
La thyroxine libre (T4 libre) est une hormone produite par la glande thyroïde. Elle intervient dans la régulation du métabolisme : synthèse de protéines, fonctions cardiovasculaires, rénales et cérébrales, etc. Sa masse molaire étant de 776,87 g.mol–1, une valeur de 1,17 ng/dL, soit 11,7 ng.L–1 équivaut à 0,015 nmol.L–1 ou 15 pmol.L–1 (zone de référence convertie en pmol.L–1: 9 – 19). Le cholestérol est une molécule complexe présente dans les membranes cellulaires et est le précurseur de nombreuses autres molécules (zone de référence convertie en mmol.L–1: 3,6 – 4,9). Il est transporté dans le sang par des lipoprotéines : • les HDL (High density lipoprotein), appelées aussi cholestérol HDL. Elles « protègent » nos vaisseaux sanguins. De formule moléculaire C27H45OH (M = 386,73 g.mol–1), leur zone de référence convertie en mmol.L–1 est 0,9 – 2,2 ; • les LDL (Low density lipoprotein), appelées aussi cholestérol LDL. Elles sont « mauvaises » pour nos vaisseaux. Leur zone de référence convertie en mmol.L–1 est 1,5 – 3. Bilan lipidique Cholestérol Cholestérol HDL Cholestérol LDL (calculé) * Facteur de risque Triglycérides
186 48 117 3.9 104
mg/dL mg/dL mg/dL mg/dL
140 – 190 35 – 85 60 – 115 0.0 – 4.0 35 – 150
Les triglycérides (M = 887 g.mol–1), lipides stockés dans les tissus adipeux, sont la principale réserve d’énergie de l’organisme. Leur excès peut conduire à des problèmes cardiovasculaires (thrombose) (zone de référence convertie en mmol.L–1 : 0,4 – 1,7). 5. Les valeurs de la zone de référence peuvent varier d’un laboratoire d’analyse à l’autre.
3 • Concentration molaire
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masse de ~ obtenue par mélange de deux solutions 77 préparation d’une solution de concentration donnée calcul de la masse 45 problèmes stœchiométriques 55
réaction(s) de précipitation 80 écriture des ~ – sous forme ionique 82 – sous forme moléculaire 83 masse de précipité obtenue 83 réchauffement climatique 97
solubilité 80 solution saturée 80 Solvay 67 soude caustique 12, 67 soude Solvay 20, 67 soufre 25
Q
S
T
quantité de matière n 28 unité de ~ 28
R
réactif en excès 61 limitant 62
sel(s) binaire 14 établissement des formules des ~ 17 nomenclature des ~ 13-14 ternaires 15 usages des ~ 14-15
température absolue 31 transformation chimique 25
V
vitriol 20 volume molaire d’un gaz Vm 32
Avant-propos .........................................................................................................................................................................................3 Comment utiliser ce manuel ? ....................................................................................................................................................4
¢UAA3 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4
Nomenclature des corps minéraux ...................................................................................................................9 Pour en savoir plus… Quand l’histoire de la nomenclature m’était contée… ............................20 La mole, unité de quantité de matière .........................................................................................................23 Pour en savoir plus… Ah, si la mole m’était « comptée »…...............................................................38 Concentration molaire.........................................................................................................................................41 Pour en savoir plus… Les unités de concentration dans une prise de sang ..............................50 Résolution de problèmes de chimie ...............................................................................................................53 Pour en savoir plus… La soude Solvay à l’origine d’un empire industriel .....................................73
¢UAA4 Chapitre 1 Chapitre 2
Réaction de précipitation ...................................................................................................................................77 Pour en savoir plus… Des précipités très douloureux : les calculs rénaux ..................................88 Préparation et identification de quelques gaz : H2, O2 et CO2 ...........................................................91 Pour en savoir plus… L’hydrogène, comment le stocker ? .............................................................. 101
Annexes ............................................................................................................................................................................................... 103 Annexe 1 Tables de données ................................................................................................................................................ 104 Annexe 2 Tableau qualitatif de la solubilité dans l’eau (à 25°C) de quelques sels et hydroxydes ........ 106 Annexe 3 Canevas de rapport de laboratoire................................................................................................................ 107 Annexe 4 Codes et mentions de danger et de prudence ........................................................................................ 108 Annexe 5 Matériel de laboratoire ....................................................................................................................................... 112 Annexe 6 Techniques de laboratoire................................................................................................................................. 115 Annexe 7 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel ...................................... 118 Index ...................................................................................................................................................................................................... 119 120
Index - Table des matières
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