Chimie 5 - Manuel - Sciences générales - Chapitre 3 by VAN IN

Sciences générales

Ce manuel s’adresse aux élèves de 5e 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 5e 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 5e pleinement dans l’enseignement de demain !

Pierre Pirson Alain Bribosia Philippe Snauwaert A n d r é Ta d i n o R e n é Va n E l s u w é

MANUEL

CHIMIE 5 e

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 des chapitres structurés de manière très claire et composés de mises en situation, d’appropriations, d’exercices et de documents qui étoffent la théorie par un lien avec la vie quotidienne des codes QR qui permettent de visionner des vidéos originales d’expérience et de contenu de nombreux exercices pour que l’élève puisse tester ses connaissances 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 5e - Manuel - Sciences générales Auteurs : Pierre Pirson, Alain Bribosia, Philippe Snauwaert, André Tadino et René Van Elsuwé Couverture : [nor] production Mise en pages : Nord Compo Crédits photographiques :

© Imageselect (pp. 33 g, 45 h, 46, 62, 68 h, 139 g, 172, 185 h) ; © htp ://dardel.info (p. 9 m et d) ; © KEYSTONE-FRANCE (p. 15) ; © htp ://agriculture-de-conservation.com (p. 29) ; © www.geoforum.fr (p. 30) ; © 123RF/calyptra (p. 29) ; © 123RF/molekuul (p. 33 d) ; © htp ://piscinepro.fr (p. 36 g b) ; © htps ://static.gamma.be (p. 36 d) ; © www.gazdetect.com (p. 39) ; © www.developpementdurable.gouv.fr (p. 40 g) ; © shutterstock/Jana Horti (p. 40 d) ; © BelgaImage/Science (p. 49 m) ; © htp ://www.larousse.fr (p. 49 g) ; © htp ://monsieur.bareilles.free.fr (p. 63 d) ; Chimie 3e/4e, De Boeck, 2002, p. 260 (p. 65) ; © 123RF/Dmitry Kalinovsky (p. 68 b) ; © site.arte/tv (p. 76) ; © buzzly.fr (p. 77) ; © htps ://gamyleca.wordpress.com (p. 80) ; © htp ://2012books.lardbucket.org (p. 88 d) ; © htp ://www.capcomespace.net (p. 110) ; © www.largus.fr (p. 111) ; © Claude Grison (p. 117 et p. 118 b g, m, d) ; © Wikipedia/Konrad Lackerbeck (p. 118 h g) ; © Wikipedia/Böhringer (p. 118 h m) ; © Bernard Saquet - htp ://flore.aveyron.free.fr (p. 118 h d) ; © htp ://tpe_les_animaux_et_la_physique.e-monsite. com (p. 122) ; © www.delcampe.net (p. 149) ; © shutterstock/Dmitry Kalinovsky (p. 159) ; © BIS/Ph. Dr Coll. Archives Larbor (p. 173 g et reprise p. 178 d) ; © Wikipedia/Benjah-bmm27 (p. 216 g) ; © ARENA Creative/Istockphoto (p. 220) ; © Securex white paper 2007 « La consommation d’alcool du salarié belge » (p. 222 b) ; © Marjan Laznik/Istockphoto (p. 222 d) ; dessin d’après Christophe Dang Ngoc Chan (p. 229) ; © Dmitry Naumov/Istockphoto (p. 231) ; © htp ://www.pollution-chimique.com (p. 234) ; © Ferran Traite Soler/Istockphoto (p. 241 d et reprise p. 250 h) ; © Georg Hanf/Istockphoto (p. 243 h) ; © Olivier Blondeau/Istockphoto (p. 246 h d) ; © Sharon Dominik/Istockphoto (p. 250 b) ; dessin © Softwin (p. 251) ; © Don Bayley/Istockphoto (p. 260) ; © Steve Goodwin/Istockphoto (p. 261 g) ; © Hallgerd/Istockphoto (p. 266) ; © Fotolia : Cybrain (p. 6), Dmitrijs Dmitrijevs (p. 9 g), SemA (p. 11), Lamax (p. 25 g), Shocky (p. 30), Double Brain (p. 32), Walex101 (p. 33 m), Sylvie Thenard (p. 46 g ballon), Chris DeArmitt (p. 46 d fullerène), JumalaSika ltd (p. 48), Sebtian Kaulitzki (p. 49 m), Arnybob (p. 49 d), Svenni (p. 57 g), coulanges (p. 58 g), Olly (p. 61 h), Julien Grondin (p. 61 b d), TheJuice (p. 63 g), Michael Nivelet (p. 63 m), TheJuice (p. 70 g), Evgenyb (p. 72), Renate Micallef (p. 73), Stephen Sweet (pp. 78-79), nfrPictures (p. 81 g), Emmi (p. 81 d), Albachiaraa (p. 86 g et d), LosHawlos (p. 98), defpics (p. 99), Orlando Florin Rosu (p. 102), Richard Villalon (p. 103 g), Frédéric Massard (p. 103 d), kalpis (p. 105 g h), Emrahselamet (p. 105 g b), Alex (p. 112), Frederic CHAPRON (p. 113), tomas del amo (p. 120), Anna Khomulo (p. 135 h), Natalia Vainshein (p. 135 b), Beboy (p. 137), Douglas Stevens (p. 144), Pascal Cribier (p. 149 b d), Joshua Haviv (p. 152), der Weltenbummler (p. 163), Patrick Bonnor (p. 164), David Antczak (p. 165), Dmitry Vereshchagin (p. 167), Ruslan Gilmanshin (p. 170 h), Kkaplin (p. 171), psdesign1 (p. 173 m et reprise p. 185 b), Anton Koriakin (p. 173 d), Le Borgne Kelly (p. 184), Terex (p. 186), Henrik Dolle (p. 188), cucumber images (p. 189 g), Weim (p. 189 d), artnovielysa (p. 190), Kheng Guan Toh (p. 192), Alta.C (p. 193 g), monregard (p. 193 m et reprise p. 204), Vil Karimov (p. 193 d), tussik (p. 199 h), Maria Schmitt (p. 199 m et b), nmann77 (p. 206 h), Oleksandr Kalinichenko (p. 206 g b), Gautier Willaume (p. 207 h g), Nathalie Potier (p. 207 b g), Ron Chapple (p. 207 h d), Patricia WINGROVE (p. 207 b d), Maria Schmitt (p. 208), warloka79 (p. 209 g), mihmihmal (p. 209 m), rosinka79 (p. 209 d), Szasz-Fabian Erika (p. 215 h), exclusive-design (p. 216 h), molekuul.be (p. 217 h g et m), ollaweila (p. 217 h d), FOOD-micro (p. 216 h d), meteo021 (p. 216 b d), Rainette (p. 215 b g et reprise p. 242 b d), Firenigh (p. 222 g), fkruger (p. 224), Arsen Shirokov (p. 225 g), Frédéric Massard (p. 225 m), Kesu (p. 225 d), pandore (p. 228 d), Nathalie Pothier (p. 230 h t d), Photlook (p. 232), KaferPhoto (p. 235), Roman Sigaev (p. 237), tacna (p. 238), laurine45 (p. 239), nolonely (p. 240), Ronny (p. 241 g), Ann Ttriling (p. 241 m), Tomboy2290 (p. 245), Nik_Merkulov (p. 252), Liv Friis-larsen (p. 253 g), Seite3 (p. 253 m), Nika Novak (p. 253 d et reprise p. 258 g), ChantalS (p. 255 h), shige (p. 265 h), ChantalS (p. 265 b).

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 978-2-8041-9851-0 D/2022/0078/52 Art. 601234/01

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Ce manuel de chimie s’adresse aux élèves de cinquième année qui suivent le cours de chimie à 2 périodes par semaine (Sciences générales). Il s’inscrit dans le cadre des nouveaux référentiels élaborés par des représentants des différents réseaux d’enseignement de la Fédération Wallonie-Bruxelles. Ce manuel est organisé en quatre unités d’acquis d’apprentissage (UAA). UAA 5 UAA 6 UAA 7 UAA 8

Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière Caractériser un phénomène chimique Les équilibres chimiques La molécule en chimie organique

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 privilégiée. Elle est signalée par le logo . Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes : 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 équipes éditoriales 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 quatre 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 définir : ➜ système isolé, ➜ réaction exothermique, endothermique, athermique, ➜ calorimétrie, ➜ chaleur massique d’une substance, ➜ enthalpie d’un réactif et d’un produit, ➜ énergie de liaison, ➜ enthalpie standard de formation d’un corps composé ;

En début de chapitre, une liste de savoirs, savoir-faire et processus aidera les élèves dans leur travail d’étude.

citer le principe de conservation de l’énergie.

SAVOIR-FAIRE réaliser des mesures calorimétriques en vue de déterminer l’énergie thermique dégagée ou absorbée par une réaction chimique ; calculer des valeurs d’énergie thermique Q à partir de résultats d’expériences calorimétriques ; déduire, à partir de la valeur de l’énergie thermique dégagée ou absorbée par une réaction chimique, la valeur de ΔH et de ΔH molaire ; appliquer le principe de conservation de l’énergie dans un système isolé dans le cas d’une réaction exothermique ou endothermique ; dessiner le diagramme d’enthalpie d’une réaction exothermique ou endothermique ; associer à l’équation d’une réaction chimique le symbole ΔH avec son signe selon que la réaction est exothermique ou endothermique ; compléter l’équation d’une réaction chimique en écrivant adéquatement le terme « énergie » selon que la réaction est exothermique ou endothermique ; reconnaître une réaction exothermique ou endothermique, à partir du signe de ΔH ; calculer la valeur de la variation d’enthalpie ΔH° d’une réaction chimique à partir : ➜ de la table des énergies de liaison, ➜ des tables des énergies standard de formation d’un corps composé.

PROCESSUS distinguer chaleur et température (C) ; distinguer, sur base de critères observables, une transformation chimique endothermique, exothermique ou athermique (C) ; suivre un protocole expérimental pour déterminer la chaleur molaire associée à une dissociation ionique (A) ; élaborer un protocole et mener l’expérience de calorimétrie pour déterminer la quantité de chaleur molaire associée à une réaction chimique (T) ; représenter sous forme d’un diagramme une réaction chimique exothermique ou endothermique, les réactifs et les produits étant en solution, puis interpréter ce diagramme (A) ; montrer que le réarrangement moléculaire impliqué dans toute réaction chimique n’est pas énergétiquement neutre (C) ; analyser une situation de la vie courante sous l’angle thermodynamique (T). 82

Porteuse de sens, la mise en situation contient un questionnement dont la réponse sera généralement amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte. Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes de 2 ou 3 ; – soit par le professeur qui veillera à la participation de ses élèves. . Elles sont signalées par le logo

Le problème de la durée d’une transformation chimique est souvent crucial pour l’industrie chimique, mais aussi dans les domaines tels que l’alimentation, la biochimie… Si la transformation mise en jeu par les industriels pour obtenir le produit souhaité est trop lente, cela peut engendrer des coûts prohibitifs. Avant d’enclencher un processus industriel quelconque, il est donc nécessaire de connaître la vitesse des réactions mises en jeu.

Classer, de manière qualitative, des réactions chimiques en fonction de la durée nécessaire pour passer des réactifs aux produits1 Attribuer à chacun des phénomènes chimiques suivants, dont certains déjà rencontrés, le qualificatif rapide, lent ou très lent. • Apparition de la « rouille » sur des poutrelles en fer. 4 Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)

• Explosion de la dynamite.

4 C3H5N3O9(l) → 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g)

• Disparition d’un morceau de magnésium

dans une solution d’acide chlorhydrique. Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)

• Réaction du sodium avec l’eau.

2 Na(s) + 2 H2O(l) → 2 NaOH(aq) + H2(g)

• Combustion du soufre.

S(s) + O2(g) → SO2(g) • Dissociation de la soude caustique dans

l’eau.

NaOH(s)

H2O

UAA6 Caractériser un phénomène chimique

Na+(aq) + OH –(aq)

• Neutralisation d’une solution aqueuse de

NaOH par une solution aqueuse de HCl en présence de bleu de bromothymol comme indicateur.

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O( l ) • Transformation du vin en vinaigre (vin • Combustion explosive d’une essence dans

un moteur thermique.

2 C8H18(l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O(g)

aigre) : dans ce cas, l’alcool éthylique contenu dans le vin se transforme en acide acétique.

C2H6O(aq) + O2(g) → C2H4O2(aq) + H2O(l)

1. Certaines manipulations peuvent être reproduites au laboratoire.

2 • Vitesse de réaction

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Les atomes des familles IVa et Va non envisagés jusqu’à présent, acquerront un octet d’électrons d’une autre manière : tu l’étudieras au chapitre 3.

Pour aller plus loin : Charge des ions polyatomiques

Le logo signale des extensions d’appropriation sous le titre « Pour aller plus loin ».

En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation ou de la lecture de documents, 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 la liste des ions présents dans l’eau de distribution et pouvant avoir un effet favorable ou défavorable lors de la production de la bière, tu as remarqué qu’il y a, outre des ions monoatomiques, des groupements d’atomes affectés d’une charge : NO3–, HCO3–, SO42–... : ce sont des ions polyatomiques. La plupart des ions polyatomiques sont des anions. L’objet de ce paragraphe n’est pas d’étudier leur formation ou de justifier leur stabilité, mais bien d’apprendre à retrouver la charge de ces anions. Pour ce faire, tu utiliseras la méthode basée sur les formules des acides ternaires correspondants. Ainsi, pour déterminer la charge du groupement SO4, il faut : • écrire la formule de l’acide ternaire correspondant au groupement SO4, soit H2SO4 ; • compter le nombre d’ions hydrogène H+ pouvant être libérés par l’acide, soit 2 ions H+ de charge totale 2+ ; • déterminer la charge de l’anion égale, mais de signe contraire, à la charge totale positive des H+, soit 2– ; • écrire la formule de l’anion : SO42–. Tu peux de la même façon, déterminer la charge des groupements NO3, HCO3 et CO3 : • l’ion nitrate s’écrit toujours NO3– car cet ion dérive de l’acide HNO3 auquel un H+ a été enlevé ; • l’ion hydrogénocarbonate s’écrit toujours HCO3– car cet ion dérive de l’acide H2CO3 auquel un H+ a été enlevé ; • l’ion carbonate s’écrit toujours CO32– car cet ion dérive de l’acide H2CO3 auquel deux H+ ont été enlevés.

Pour terminer nous attirons ton attention sur deux ions que tu rencontreras par la suite : • l’anion hydroxyde OH– dérivant formellement de la molécule H2O à laquelle un H+ a été enlevé ; • le cation ammonium NH4+ dérivant de la molécule NH3 à laquelle un H+ a été ajouté. Tu trouveras en annexe la liste des principaux cations et anions.

Modèle de Lewis des atomes des familles a Pour schématiser la composition électronique de la couche externe des atomes, les chimistes utilisent souvent le modèle de Lewis1.

G. Lewis Lewis symbolise la couche électronique externe d’un élément par une croix qui contient de 1 à 8 électrons selon la famille. 1) D’abord, il distribue successivement dans la croix les quatre premiers électrons représentés par un point « • ». Ces électrons esseulés sont dits « célibataires ». Familles

II a

III a

IV a

1. Gilbert Newton Lewis (1875-1946), physico-chimiste américain.

1 • Formation et charge des ions. Modèles de l’octet et de Lewis

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électrons célibataires

La liaison covalente ou covalence est la liaison qui résulte de la mise en commun de deux électrons célibataires. Le modèle de la liaison covalente permet de rendre compte de l’existence de molécules stables comme HCl, H2O, NH3, CH4 ainsi que beaucoup d’autres. • Ainsi, dans la molécule HCl, l’atome Cl est lié à l’atome H par une covalence : Cl → H

H→ H

noté H

• Ainsi, dans la molécule NH3, l’atome N est lié aux trois atomes H par trois covalences : H N

→

H H noté

Des encarts marqués par le logo proposent des ouvertures sur des applications au sujet traité. Ces applications sont ancrées le plus souvent dans la vie quotidienne.

• Ainsi, dans la molécule de méthane CH4, l’atome C est lié aux quatre atomes H par quatre covalences : H H C + 4H → H

H noté H

H Cl → H Cl

Le méthane est le constituant principal du gaz naturel ; il se forme par l’action de bactéries sur des matériaux organiques.

L’acide chlorhydrique HCl est utilisé dans la vie courante sous le nom d’esprit de sel. Lors de l’utilisation, il est recommandé de bien lire l’étiquette qui renferme plusieurs informations à son sujet.

Ce type de liaison s’établit, en général, entre des éléments non métalliques. Les chimistes lui ont donné le nom de « liaison covalente ».

H +

paire liante commune

Cette paire liante (représentée par un trait « — ») appartient alors à chaque atome H. Il en résulte que chaque atome H lié dispose d’un doublet d’électrons et a la même configuration externe qu’un atome de gaz inerte He. Dès lors, les deux atomes H sont stabilisés et la molécule H2 résultant de leur association est stable également.

Des QR Codes permettent, grâce à l’application Sésame de visionner des vidéos de contenu pour un apprentissage complet !

• Ainsi, dans la molécule H2O, l’atome O est lié aux deux atomes H par deux covalences :

Liaison covalente ou covalence Grâce à l’analogie proposée, tu as sans doute trouvé que, dans la molécule H2, chaque atome H a mis son électron célibataire en commun avec l’électron célibataire de l’autre atome H pour former une paire électronique liant les deux atomes. H + H → H H → H–H

Parmi les mammifères domestiques, les principaux producteurs de méthane sont les vaches ; leurs bactéries intestinales en produisent en moyenne 300 L par jour. Ces quatre molécules HCl, H2O, NH3 et CH4 sont stables car les atomes Cl, O, N et C sont entourés d’un octet d’électrons et les atomes H d’un duet d’électrons.

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

1 Donner la raison qui permet de dire que la structure électronique idéale de la couche externe d’un atome est celle des gaz inertes.

2 Écrire les ions formés à partir des atomes suivants : brome, baryum, potassium, magnésium, strontium, iode.

3 Écrire l’équation de formation des ions de la question no 2.

Les exercices et les problèmes nombreux et diversifiés permettent aux élèves de consolider leurs savoirs et savoir-faire et d’effectuer des tâches relatives aux processus visés.

4 Écrire la structure électronique des ions suivants : Mg2+, K+, H+, Cl–, O2–. 5 Critiquer et corriger la formule des ions monoatomiques figurant sur l’étiquette d’eau minérale ci-dessous.

6 Écrire la formule des ions monoatomiques contenus dans l’eau minérale dont la composition est fournie ci-dessous.

7 Déterminer l’ion qui possède 13 protons dans son noyau et dont la structure électronique est la suivante : K = 2 ; L = 8.

8 Nommer l’ion dont la charge est 2– et la structure électronique K2 L8 M8.

Quand ion rime avec nutrition…

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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L’extrait d’un « Guide-jardins » reproduit ci-dessous conseille aux cultivateurs et aux jardiniers de faire analyser régulièrement les sols de culture pour pouvoir pallier les éventuelles carences en éléments nutritifs essentiels à l’alimentation minérale des plantes.

Nous analysons votre sol Nous mesurons son degré d’acidité (ou pH) et nous vérifions si tous les éléments nutritifs essentiels (azote, phosphore, potassium, calcium) sont bien présents dans les proportions et quantités voulues. Attention : • Prélever soigneusement l’échantillon de terre en suivant les conseils développés dans notre Guide-jardins. Cette « radiographie » du sol nous permet de « conseiller » – en connaissance de cause – le traitement à appliquer et les règles à suivre afin de lui donner santé, tonus et fertilité.

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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...

Extrait d’un Guide-jardins Les éléments chimiques cités dans l’extrait sont, en effet, indispensables au développement optimal des plantes. Leur rôle est repris dans le tableau ci-dessous.

Éléments majeurs

Éléments secondaires Éléments mineurs

azote (N)

Assure le développement des tiges, feuilles et racines.

phosphore (P)

Fortifie la plante et stimule la floraison.

potassium (K)

Favorise la circulation de la sève ; améliore la solidité des tissus et la résistance aux maladies ; donne couleur, saveur et parfums aux fruits, légumes et fleurs.

calcium (Ca)

Forme le squellette de la plante, contribue à la vie et à l’équilibre chimique du sol.

magnésium (Mg)

Favorise la synthèse chlorophyllienne.

soufre (S), fer (Fe), bore (B), manganèse (Mn) et zinc (Zn)

Présentent peu de risques de carences quand l’acidité et la teneur en humus sont normales. 1 • Formation et charge des ions. Modèles de l’octet et de Lewis

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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Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière 6

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UAA5

Au cours de cette unité d’apprentissage, tu développeras les compétences suivantes : • à partir du modèle de Lewis et d’informations du tableau périodique des éléments, représenter une molécule avec ses liaisons ; • expliquer comment la configuration spatiale d’une espèce chimique en détermine des comportements.

Chapitre 1 Formation et charge des ions. Modèles de l’octet et de Lewis . . . . . . . . . 9

Chapitre 4 Configuration spatiale. Polarité et solubilité dans l’eau. . . . . . . 49

Chapitre 2 Liaison ionique et composés ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Chapitre 5 Cohésion de la matière. Relations structure-propriétés. . . . . . . . 63

Chapitre 3 Liaisons covalentes parfaite et polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

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Liaisons covalentes parfaite et polarisée Des atomes peuvent aussi se stabiliser en mettant en commun leurs électrons célibataires. Les liaisons covalentes ainsi formées sont tantôt parfaites, tantôt polarisées, et cela en fonction de la différence d’électronégativité entre les atomes liés.

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Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS expliquer pourquoi des atomes se lient au lieu de rester isolés ; expliquer comment une liaison chimique s’établit entre deux atomes ; définir : ➜ électronégativité, ➜ liaison covalente, ➜ liaison covalente parfaite, ➜ liaison covalente polarisée, ➜ composés covalents.

SAVOIR-FAIRE prévoir, en te basant sur le numéro de la famille « a », si la liaison entre deux atomes est ionique ou covalente ; distinguer une liaison covalente parfaite d’une liaison covalente polarisée ; attribuer une ou des charges partielles aux atomes constitutifs de molécules simples ; écrire la formule de Lewis : ➜ d’une molécule, ➜ d’un ion polyatomique.

PROCESSUS construire une représentation d’une molécule à partir du modèle de Lewis des atomes constitutifs sur base des informations extraites du tableau périodique des éléments (A) ; caractériser une liaison à partir de l’électronégativité des atomes constitutifs (A) ; montrer les limites du modèle de Lewis (C).

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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Au chapitre précédent, tu as appris pourquoi et comment des atomes des familles Ia, IIa, IIIa et des atomes des familles VIa et VIIa se lient pour former des composés ioniques de type MX (NaCl) et MO(Al2O3). Mais qu’en est-il pour les composés de type X2 (Cl2), XO (CO2), HX (HCl) ou HXO (H2SO4) ?

Modèles de quelques molécules

Une grande majorité des corps chimiques existants appartiennent à ces dernières catégories. Parmi ceux-ci, le dihydrogène H2 peut être facilement préparé en classe.

Préparer du dihydrogène H2 et s’interroger sur la nature des liaisons expliquant la stabilité des molécules H2 Pour ce faire : � verser un peu d’une solution d’acide chlorhydrique diluée dans un tube à essais (A) contenant un morceau de magnésium ; � coiﬀer immédiatement le tube à essais (A) d’un autre tube à essais (B), ouverture vers le bas ; � sans retourner le tube à essais (B), le présenter légèrement incliné au-dessus de la ﬂamme d’un bunsen pour faire détoner le gaz contenu dans le tube à essais (test caractéristique de la présence d’H2) ; � dessiner, selon le modèle de Lewis, la structure électronique des atomes H ; � trouver comment, dans la molécule H2, chacun des atomes H peut B B acquérir son duet d’électrons en faisant référence à l’analogie suivante. Lors de manœuvres, il est fréquent que, pour alléger leur paquetage, deux militaires portent chacun une demi-tente. Pour passer la nuit, ils mettent bien sûr en commun leurs demi-tentes afin de monter la tente commune qui leur permettra de dormir confortablement.

HCl

3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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Ce type de liaison s’établit, en général, entre des éléments non métalliques. Les chimistes lui ont donné le nom de « liaison covalente ». La liaison covalente ou covalence est la liaison qui résulte de la mise en commun de deux électrons célibataires. Le modèle de la liaison covalente permet de rendre compte de l’existence de molécules stables comme HCl, H2O, NH3, CH4 ainsi que beaucoup d’autres. � Ainsi, dans la molécule HCl, l’atome Cl est lié à l’atome H par une covalence : +

Cl → H

H→ H

noté H

� Ainsi, dans la molécule NH3, l’atome N est lié aux trois atomes H par trois covalences : H N

→

H H noté

L’ammoniaque commercial est une solution à 12 % en masse, en moyenne, d’ammoniac NH3. Lors de l’utilisation, il est recommandé de bien lire l’étiquette qui donne quelques informations à son sujet. � Ainsi, dans la molécule de méthane CH4, l’atome C est lié aux quatre atomes H par quatre covalences : H H C + 4H → H

C H

H noté H

Cl → H Cl

H +

paire liante commune

� Ainsi, dans la molécule H2O, l’atome O est lié aux deux atomes H par deux covalences :

Le méthane est le constituant principal du gaz naturel ; il se forme par l’action de bactéries sur des matériaux organiques. Parmi les mammifères domestiques, les principaux producteurs de méthane sont les vaches ; leurs bactéries intestinales en produisent en moyenne 300 L par jour. Ces quatre molécules HCl, H2O, NH3 et CH4 sont stables car les atomes Cl, O, N et C sont entourés d’un octet d’électrons et les atomes H d’un duet d’électrons.

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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Des composés comme l’esprit de sel, l’eau, l’ammoniac et le méthane, constitués de molécules dans lesquelles les atomes sont liés par des liaisons covalentes, sont appelés composés covalents .

Électronégativité des atomes Nous venons d’introduire le modèle de la covalence entre atomes identiques et entre atomes diﬀérents. Dans ce modèle, les atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour former des paires d’électrons les unissant : les paires liantes. Nous pouvons cependant nous demander si la covalence est de même nature entre atomes identiques et entre atomes diﬀérents. La « mise en commun » se fait-elle de façon équivalente ? Pour répondre à cette question, nous allons comparer le comportement des molécules H–H (H2) avec celui des molécules H–F (HF), placées entre deux plaques chargées, l’une positivement et l’autre négativement. Cette comparaison sera établie à partir des résultats de l’expérience schématisée ci-dessous : H H

H H H H

H H

H F

H F H F H F

Les molécules H–H se placent, entre les plaques, sans orientation particulière, alors que les molécules H–F ont tendance à s’aligner en orientant l’atome F vers la plaque positive et l’atome H vers la plaque négative. Ces observations permettent de conclure que, dans les molécules H–F, le ﬂuor est chargé négativement (puisqu’il s’oriente vers la plaque positive), alors que l’hydrogène (orienté vers la plaque négative) est chargé positivement.

Par contre, pour les molécules H–H, l’observation montre que les molécules sont orientées au hasard entre les deux plaques : leurs extrémités ne sont donc ni positives ni négatives. Dans ce cas, les électrons de la paire liante « appartiennent » de façon équivalente aux deux atomes, ce qui n’est pas étonnant puisque ces atomes sont identiques. Le partage des paires liantes ne se fait donc pas de manière équivalente dans les deux molécules H–H et H–F : l’affinité de l’atome F pour les e– de liaison est supérieure à celle de l’atome H. Des expériences similaires montrent que d’autres atomes que F ont aussi une affinité plus ou moins marquée pour les e– de liaison. Afin de comparer l’attraction des atomes envers les électrons de liaison, les chimistes utilisent une propriété des atomes : leur électronégativité (symbolisée par la lettre grecque χ (khi)). L’électronégativité (χ) d’un atome est sa tendance à attirer les e– de liaison. Le chimiste américain L. Pauling1 a calculé l’électronégativité des différents atomes. Ces valeurs d’électronégativité sont indiquées dans le coin supérieur droit de chaque case du tableau périodique : Numéro atomique Symbole Masse atomique relative

Électronégativité

X Ar

Remarquons, dans le tableau périodique reproduit en partie ci-après, que les valeurs d’électronégativité des atomes augmentent de gauche à droite dans les périodes et de bas en haut dans les familles. L’atome le plus électronégatif est donc l’atome fluor F (χ = 4,0) et les atomes les moins électronégatifs sont les atomes césium et francium Cs et Fr (χ = 0,7).

Cela implique donc que l’atome F dispose d’un surplus électronique par rapport à l’atome H : les électrons de la paire liante « appartiennent davantage » au ﬂuor qu’à l’hydrogène.

1. Linus Pauling (1901-1994), chimiste américain, prix Nobel de Chimie en 1954 et prix Nobel de la Paix en 1962. 3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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18/01/2022 12:21

IIIa

2,1

nombre atomique

1s1

2 8

1,0

1,5

élément à prédominance 1s 2smétallique 1 1s 2s 2

2 Li

2 5 2 1s22s22p1

élément à prédominance non-métallique Lithium

Béryllium

6,94

0,9

(Ne)3s1

3 Na

2 12 8 (Ne)3s2 1

Sodium

11 2

1,6

13 1

Chrome

18 12 1

13 2

Manganèse

52,00

2 42 8 (Kr)4d55s1

1,5

2 26 8 (Ar)3d64s2

2 43 8 (Kr)4d55s2 18 13 1

1,9

14 2

Fer

54,94 1,8

1,8

55,85 2,2

Ru Ruthénium

2 74 1,7 8 (Xe)4f145d46s2

2 75 1,9 8 (Xe)4f145d56s2

2 76 2,2 8 (Xe)4f145d66s2

18 32

11 2 Tungstène

183,85

2 106 8 (Rn)5f146d47s2 18 32 32 11 Seaborgium 2 (263)

18 32 12

Ni 4 Cu K 16 2

2,2

2 47 37 (Kr)5s1105s1 8 (Kr)4d

1,9 0,8

Pd 5 Ag Rb 18 18

2 2,2 8 (Xe)4f145d76s2

18 32 14

2 Osmium

2 107 8 (Rn)5f146d57s2 18 32 32 12 Bohrium 2 (264)

2 108 8 (Rn)5f146d67s2 18 32 32 13 Hassium 2 (265)

2 Iridium

190,20

2 48 38 (Kr)5s2105s2 8 (Kr)4d

1,7 1,0

IIIb

Cd Sr

2 2,4 0,7 1 5d106s1 (Xe)6s14 8 (Xe)4f

2 1,9 0,9 2 5d106s2 (Xe)6s14 8 (Xe)4f

Azote

Ga Sc

1,8

140,91

144,24

146,92

Césium 1 Or

196,97 132,91

Ge Ti

2 110 2 111 87 0,7 1 6d107s1 (Rn)7s14 8 (Rn)5f146d87s2 8 (Rn)5f 18 18 32 32 32 32 Francium 15 Darmstadtium 16 Roentgenium (223) 2 (281) 2 (280)

Ds 7 Rg Fr

2 62 1,2 2 63 8 (Xe)4f 65d06s2 8 (Xe)4f 75d06s2 18 18 23 24 8 8 2 Samarium 2 Europium

2 64 8 (Xe)4f 75d16s2 18 25 8 2 Gadolinium

Eu 6 Gd

150,40

151,96

Période 5

Am 7 Cm

Période 4

Période 1 Période 2 Période 3

IIa

IIIa

(Rn)5f

96d07s2

18 32 25 9 Berkélium 2 249,08

IVa

As V

2,5

VIb

18 11 52

Se Cr

3,0

Cl-

Br Mn

2 51 41 1,9 1,6 45s 5s125p3 8 (Kr)4d10

2 52 42 2,1 1,8 55s 5s125p4 8 (Kr)4d10

2 53 43 2,5 1,9 55s 5s225p5 8 (Kr)4d10

In Y

Sn Zr

2 1,8 1,1 (Xe)5d1416s 5d2106s26p1 8 (Xe)4f

18 18 10 42

78,96 52,00

Sb Nb

18 18 12 51

VIa

VIIa

Xe Ru

2 1,8 1,3 26s 6s226p2 8 (Xe)4f145d10

2 83 73 1,9 1,5 36s 6s226p3 8 (Xe)4f145d10

2 2,0 1,7 46s 6s226p4 8 (Xe)4f145d10

2 2,2 1,9 56s 6s226p5 8 (Xe)4f145d10

2 2,2 66s 6s226p6 8 (Xe)4f145d10

Hafnium 32 Plomb

207,20 178,49

18 18 13 72

Xénon Ruthénium

Uut Ac 3,5 Fl Rf-

actinides

2 54 44 2,2 75s 5s125p6 8 (Kr)4d10

Iode Technétium

18 32 18 11

Tantale 42 Bismuth

2,5

18 32 18 12

Tungstène 52 Polonium

18 32 18 13

Rhénium 62 Astate

1,9

Co M N

Cobalt

18 18 15 81

2,2

M N O Rhodium

2 46 8 (Kr)4d105s0 18 16 1

1,5

164,93

2 99 8 (Rn)5f 116d07s2 18 32 28 8 Einsteinium 2 254,09

0,5

L’intérêt de ces valeurs d’électronégativité des atomes est de nous permettre de savoir si, dans une molécule, � les e– de liaison appartiennent autant à un atome qu’à l’autre qui lui est lié : dans ce cas, la liaison est dite « liaison covalente parfaite » ; 2. Nous attirons ici l’attention sur le fait que toutes les représentations des différentes molécules reprises dans ce chapitre ne sont que des modèles. Dans certains cas, d’autres arguments théoriques ou expérimentaux nécessiteront, dans la suite, d’élaborer de nouveaux modèles.

1,9

18 1

2 47 8 (Kr)4d105s1 18 18

Palladium

2 2,2 8 (Xe)4f145d76s2

2 2,2 8 (Xe)4f145d96s1

18 32 15

82 Iridium P

2 8 (Rn)5f146d47s2 18 32 32 Seaborgium 11 Livermorium (263) 2 (293)

Uup Db Lv Sg

2 8 (Rn)5f146d57s2 18 32 32 Bohrium 12 Ununseptium (264) 2 (294)

2 8 (Rn)5f146d67s2 18 32 32 Hassium 13 Ununoctium (265) 2 (294)

2 8 (Rn)5f146d77s2 18 M 32 N 32 O 14 Meitnerium P 2 (266) Q

Uus Bh Uuo Hs Mt

La covalence parfaite

1,9

Er Ce

167,26 140,12

La covalence parfaite résulte Tm Prmise Yb Ndcommun Lu Pmde deux Sm électrons Eu de la en 168,93 140,91 173,04 144,24 174,97 146,92 150,40 151,96 célibataires et du partage de cette paire K 101 91 102 92 103 93 94 95 d’électrons entre deux atomes de même L M N électronégativité. Md Pa No U Lr Np Pu Am

2 100 90 1,3 06d 6d207s 7s22 8 (Rn)5f 12 18 32 29 Thorium 8 Fermium 232,04 2 257,10

Fm Th

2 48 8 (Kr)4d105s2 18 18 1

Argent

2 2,4 8 (Xe)4f145d106s1

1 Or

2 2 8 (Rn)5f146d87s2 8 (Rn)5f146d107s1 18 18 32 32 32 32 15 Darmstadtium 16 Roentgenium 2 (281) 2 (280)

2 64 8 (Xe)4f 75d16s2 18 25 8 2 Gadolinium

Gd 157,25

2 1,5 2 1,4 2 1,3 2 1,3 2 1,3 2 96 26d 36d 46d 6d107s 7s22 6d107s 7s22 6d117s 7s22 8 (Rn)5f 13 8 (Rn)5f 14 8 (Rn)5f 14 8 (Rn)5f 66d07s2 8 (Rn)5f 76d07s2 8 (Rn)5f 76d17s2 18 18 18 18 18 18 32 32 32 32 32 32 30 18 31 20 32 21 32 22 O 24 25 Protactinium 89 Nobélium Uranium Neptunium 108 Mendelévium 89 Lawrencium 9 Plutonium 8 Américium 8 Curium P 231,04 238,03 237,05 2 258,10 2 255,00 2 262,10 2 239,05 2 241,06 2 247,07 Q

26,98

18 2

69,72 1,7

2 49 1,7 8 (Kr)4d105s25p1 18 18 2

Cadmium

1 Mercure

200,60

2 112 8 (Rn)5f146d107s2 18 32 32 18 Copernicium 1 (285)

114,82 2 81 1,8 8 (Xe)4f145d106s26p1

→

Tl-

2 Thallium

204,37

2 113 8 18 32 32 18 Ununtrium 2 (284)

Uut

2 65 1,2 2 66 (1,2) 8 (Xe)4f 95d06s2 8 (Xe)4f 105d06s2 18 18 25 27 9 8 2 Terbium 2 Dysprosium

158,93

162,50

2 8 18 28 8 2

2 97 8 (Rn)5f 96d07s2 18 32 25 9 Berkélium 2 249,08

2 98 8 (Rn)5f 106d07s2 18 32 27 8 Californium 2 251,08

2 8 18 32 28 8 2

H Cl

Remarquons que, dans Cl2, chaque Cl possède en plus de la paire liante, 3 paires d’e– ne participant pas à la liaison : ce sont des paires ou doublets libres (représentés par un trait —). Alors que les atomes des molécules H2 et Cl2 ne mettent chacun en commun qu’un e– célibataire, d’autres atomes, pour se lier, mettent chacun en commun 2 ou 3 e– célibataires, partageant ainsi deux ou trois paires d’e–. � Ainsi, deux atomes oxygène mettent chacun en commun 2 électrons célibataires pour former la molécule O2 : O

→

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

376527OXZ_CHIMIE5SG.indb 38

2 8 18 32 18

18 32 18

Ce type de liaison se rencontre dans des molécules H2, Cl2... H

2 8 18 18 3

Indium

112,40

2 80 1,9 8 (Xe)4f145d106s2 18 32 18

2 8 18 3

Gallium

65,38

18 32 17

2 Platine

1,6

Aluminium 2 31 1,6 8 (Ar)3d104s24p1

Zinc

63,55 2,2

Al-

IIb 2 30 8 (Ar)3d104s2

Cuivre

58,69

K 2 67 1,2 2 68 58 1,2 1,1 2 69 59 1,2 1,1 2 70 60 1,1 1,2 2 71 61 1,2 2 62 1,2 2 63 L 65d06s2 8 (Xe)4f 115d06s2 8 (Xe)4f1225d006s22 8 (Xe)4f1335d006s22 8 (Xe)4f1445d006s22 8 (Xe)4f1455d016s22 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f 75d06s2 18 18 18 18 18 18 M 18 28 29 30 20 31 21 32 22 32 23 N 24 8 8 8 8 8 98 O 8 Cérium Praséodyrne 2 Ytterbium Néodyme Prométhium 2 Samarium 2 Holmium 2 Erbium 2 Thulium 2 Lutétium 2 Europium P

16 2

Nickel

58,93

K 2 45 L 85s1 8 (Kr)4d

1,9

2 29 8 (Ar)3d104s1

(209) 183,85à présent (210) 186,21 comment (222) 190,20 192,22 195,10 196,97 Voyons distinguer ces deux K 106 117 107 118 108 109 110 111 types116 de covalence. L

208,98 180,95

2 8

(Ne)3s23p1

2 28 8 (Ar)3d84s2 15 2

18 32 18 14

Osmium 72 Radon

1,5

Bore

95,94 126,90 98,91 appartiennent 131,30 101,07 102,91plus à 106,40 107,87 � les 127,60 e– de liaison un atome K 84 74 85 75 86 76 77 78 79 L qu’à l’autre qui lui est lié : dans ce cas, la liaiM est diteAt « liaison ». Bi Ta sonPo W Re Rn Oscovalente IrNO polarisée Pt Au 121,75 92,91

18 32 18 10

18 14 82

83,80 55,85

Tellure Molybdène

162,50

ITc

K 2 27 L 74s2 8 (Ar)3d

Krypton Fer

Antimoine Niobium

2 113 2 115 89 1,1 2 114 104 105 8 (Rn)6d17s2 8 (Rn)5f146d27s2 8 (Rn)5f146d37s2 18 18 18 32 32 32 32 18 18 32 Actinium Rutherfordium 10 Ununpentium Dubnium 188 Ununtrium 9 Flérovium (227) (261) (262) 2 (284) 2 (289) 2 (288)

2 98 8 (Rn)5f 106d07s2 18 32 27 8 Californium 2 251,08

Te Mo

Kr Fe

2 3

gaz rare

VIIIb

39,95

79,90 54,94

18 18 13 61

K L M

Argon

2 36 1,8 26 64s 4s224p6 8 (Ar)3d10

Étain Zirconium

18 32 18 189

18 13 72

2 50 40 1,8 1,4 25s 5s225p2 8 (Kr)4d10 18 189 32

2,0

1s22s22p1

10,81 2 8

VIIb

2 49 39 1,7 1,3 15s 5s225p1 8 (Kr)4d10

74,92 50,94

élément à prédominance métallique élément à prédominance non-métallique

2 18 8 (Ne)3s23p6

35,45

2 35 2,8 1,5 25 54s 4s224p5 8 (Ar)3d10 18 13 61

K L

20,18

Chlore

32,07

2 34 2,4 1,6 24 54s 4s124p4 8 (Ar)3d10

2 8

Néon

2 17 8 (Ne)3s23p5

Soufre

30,97

72,64 47,87

Types de liaisons covalentes2

Phosphore

19,00

2 16 8 (Ne)3s23p4 5

2 10 7 1s22s22p6

Fluor

Brome Manganèse

lanthanides

relative 16,00

2,1

4,0

Sélénium Chrome

2 65 1,2 2 66 (1,2) 8 (Xe)4f 95d06s2 8 (Xe)4f 105d06s2 18 18 25 27 9 8 2 Terbium 2 Dysprosium

 157,25 groupes 158,93 c:  2 97 96  8

2 91 1,5 2 92 1,4 2 93 1,3 2 94 1,3 2 95 1,3 2 8 (Rn)5f 36d17s2 8 (Rn)5f 46d17s2 8 (Rn)5f 66d07s2 8 (Rn)5f 76d07s2 8 (Rn)5f 76d17s2 8 (Rn)5f 26d17s2 18 18 18 18 18 18 32 32 32 32 32 32 18 20 21 22 24 25 10 Protactinium 9 Uranium 9 Neptunium 9 Plutonium 8 Américium 8 Curium 2 231,04 2 238,03 2 237,05 2 239,05 2 241,06 2 247,07

Cn Ra

2 9 6 1s22s22p5

Oxygène

2 33 2,0 1,6 23 34s 4s224p3 8 (Ar)3d10 18 10 42

3,5

5 91s22s22p4 2

Arsenic Vanadium

204,37 138,91

2 112 88 0,9 2 6d107s2 (Rn)7s14 8 (Rn)5f 18 32 32 18 Radium 188 Copernicium 226,03 1 (285)

4,00

Germanium Titane

Lanthane 2 Thallium

200,60 137,34

IVb

189 32

élément métallique

élément non-métallique

Hélium

18 32 2228

Gallium Scandium

18 32 18 188

Baryum 1 Mercure

2 15 8 (Ne)3s23p3

28,09

2 32 1,8 1,5 22 24s 4s224p2 8 (Ar)3d10

Indium Yttrium

18 32 18 188

2 7 3,0 2s22p3 4 1s2Neptunium

Silicium

26,98

18 188 2

2 2,2 8 (Xe)4f145d96s1

18 32 17

Np 237,05

69,72 44,96

Cadmium Strontium

195,10

2 109 8 (Rn)5f146d77s2 18 32 32 14 Meitnerium 2 (266)

Zn Ca

2 14 8 (Ne)3s23p2

Aluminium

65,38 40,08

18 188 1

1,5

2 8

1,3

(Rn)5f 46d17s2

12,01 masse atomique 14,01

2 31 21 1,6 1,3 14s 4s224p1 8 (Ar)3d10 188 2

Argent Rubidium

2 Platine

192,22

2 59 1,1 2 60 1,2 2 61 8 (Xe)4f 45d06s2 8 (Xe)4f 55d06s2 8 (Xe)4f 35d06s2 18 18 18 20 21 22 8 8 8 2 Praséodyrne 2 Néodyme 2 Prométhium

1,6 1,0

Palladium

18 32 15

Carbone

2 13 8 (Ne)3s23p1 2

Zinc Calcium

63,55 39,10

2 46 8 (Kr)4d105s0 18 16 1

188 1

Cuivre Potassium

58,69 2,2

1,9 0,8

Mg Al-

2 30 20 (Ar)4s2104s2 8 (Ar)3d

2,5

102,91 106,40 107,87 85,47 visualise 112,40 87,62 114,82 88,91 118,70 91,22 Le schéma ci-dessous l’évolution de 77 78 79 55 80 56 81 57 82 72 l’électronégativité des atomes en fonction du périodes. Osnuméro Ir des familles Pt 6 aAu Cset des Hg Ba Tl La- Pb Hf

2 Rhénium

1,9

1,2

24,31

2 29 19 (Ar)4s1104s1 8 (Ar)3d

Nickel

Rhodium

101,07

18 32 13

186,21

2 45 8 (Kr)4d85s1 18 15 1

Technétium

98,91

15 2

58,93

2 44 8 (Kr)4d75s1 18 13 2

1,9

2 28 8 (Ar)3d84s2

Cobalt

Molybdène

95,94

2 27 8 (Ar)3d74s2

nom

10,81

Magnésium

22,99 2 25 8 (Ar)3d54s2

2 6 3 1s22s22p2

Bore

9,01

gaz rare

2,0

IIIa

symbole

1,01

22 9 2

1s électrons par couche

électrons par orbitale

élément non-métalliqueHydrogène

18 32

2 24 8 (Ar)3d54s1

IVa Va VIa VIIa 0 CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS électronégativité

élément métallique

électrons par couche

IIa

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Les deux atomes oxygène sont liés par deux covalences parfaites formant une double liaison. � Ainsi, 2 atomes N mettent chacun en commun 3 électrons célibataires pour former la molécule N2 : N

→

Alors que, pour se lier, les atomes H et Cl ne mettent en commun qu’un électron célibataire, d’autres atomes mettent en commun plusieurs électrons célibataires.

Les deux atomes azote sont liés par trois covalences parfaites formant une triple liaison. Ce type de covalence parfaite se rencontre aussi dans les molécules constituées d’atomes diﬀérents mais de même électronégativité. C’est le cas, par exemple, dans la phosphine PH3 et le sulfure de carbone CS2. H

→

H S

Cette covalence est dite polarisée parce que la molécule présente deux pôles : l’un positif, l’autre négatif.

� Ainsi, dans la molécule H2O, l’atome O (χ = 3,5) met en commun chacun de ses e– célibataires avec l’e– célibataire de chacun des deux atomes H (χ = 2,1) : H

S →

La covalence polarisée

–

H S

� Ainsi, dans la molécule HCl, les atomes H et Cl mettent chacun en commun un électron célibataire et forment une paire liante. H

→

L’atome Cl (χ = 3,0) étant plus électronégatif que l’atome H (χ = 2,1), attire davantage à lui les électrons de liaison que l’atome H. Ceci a pour conséquence de faire apparaître : – sur le chlore (plus électronégatif que l’hydrogène) une charge partielle négative inférieure à la charge entière de l’électron et notée δ– ; – sur l’hydrogène (moins électronégatif que le chlore) une charge partielle positive notée δ+ : 1

–

� Ainsi, dans la molécule HCN, un atome H (χ = 2,1), un atome C (χ = 2,5) et un atome N (χ = 3) mettent en commun leurs e– célibataires : 1

La covalence polarisée résulte de la mise en commun de deux électrons célibataires entre deux atomes d’électronégativité diﬀérente.

Les deux liaisons covalentes sont polarisées vers l’atome oxygène plus électronégatif : l’atome O acquiert ainsi une charge partielle négative notée 2 δ– et chaque atome H, une charge partielle positive notée δ+ :

H →

N →

–

Dans la molécule HCN, l’atome H acquiert une charge partielle positive δ+ et l’atome N, une charge partielle négative 3 δ–. Quant à l’atome C, il acquiert une charge partielle négative δ– par sa liaison avec l’atome H et une charge partielle positive 3 δ+ par sa liaison avec l’atome N : sa charge résultante est donc 2 δ+.

Le cyanure d’hydrogène HCN est un gaz mortel utilisé autrefois dans les chambres à gaz de certains pénitenciers des ÉtatsUnis d’Amérique. Il a aussi été utilisé lors de la seconde guerre mondiale par les nazis comme moyen de gazage dans les camps d’extermination, sous le nom de Zyklon B. Il est aussi présent en très faible dose dans les gaz d’échappement des voitures et dans la fumée de tabac.

La ﬂèche au milieu de la barre de liaison indique vers lequel des deux atomes les e– de liaison sont attirés préférentiellement.

3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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� Ainsi, dans la molécule CO2, les deux atomes O (χ = 3,5) mettent chacun en commun 2 e– célibataires avec les 4 e– célibataires de l’atome C (χ = 2,5) : O

→

Les deux doubles liaisons sont polarisées vers les atomes oxygène : chaque atome O acquiert ainsi une charge partielle négative 2 δ– et l’atome C, une charge partielle positive 4 δ+. 2

–

→ O

Le méthanol CH3OH est un alcool préparé industriellement. Il est utilisé comme combustible (l’alcool à brûler) et aussi comme solvant. Il est tout à fait impropre à la consommation.

–

Le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique, est produit lors de toute combustion de substances carbonées et lors de la respiration.

Tu as pu remarquer que, dans chacun des exemples, la somme algébrique des charges partielles, portées par les atomes, est égale à 0 : les molécules sont électriquement neutres.

Ce gaz est indispensable pour la photosynthèse et n’est pas toxique par lui-même. Cependant, son accumulation dans l’atmosphère s’ajoutant à d’autres gaz, tel le méthane CH4, produit notamment par biofermentation, contribue à l’eﬀet de serre.

Écriture, selon Lewis, des formules de structure de quelques molécules et ions polyatomiques Les propriétés d’un corps dépendent non seulement de la nature des atomes constitutifs des molécules ou des ions mais aussi de leur agencement. L’agencement des atomes dans une molécule ou dans un ion se visualise par une formule de structure appelée « formule de Lewis ». Tu en as déjà écrit certaines dans le paragraphe précédent.

� Ainsi, dans la molécule CH3OH, quatre atomes H (χ = 2,1), un atome C (χ = 2,5) et un atome O (χ = 3,5) mettent en commun leurs e– célibataires suivant le modèle suivant : + H H 2

C H

H→ H

–

C H

–

Dans la molécule CH3OH, les 4 atomes H acquièrent une charge partielle positive δ+. Quant à l’atome C, il acquiert une charge partielle positive par sa liaison avec l’atome O et une charge partielle négative 3 δ– par sa liaison avec 3 atomes H : sa charge résultante est donc 2 δ–. 40

Ainsi, les formules de Lewis de Cl2, H2O et CO2 sont : Cl

Cl , H

H et

Toutes ces formules de Lewis ont été écrites en appliquant la méthode suivante : 1) écrire les représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule ; 2) former des liaisons covalentes entre les atomes par mise en commun d’électrons célibataires et vérifier la présence d’un octet d’électrons autour de chaque atome (ou d’un duet autour de chaque atome H) ; 3) écrire la formule de Lewis de la molécule.

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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Nous allons appliquer cette méthode d’écriture de formules de Lewis à quelques autres molécules binaires et ternaires.

Formule de Lewis de molécules binaires Suivons la méthode décrite pour écrire les formules de Lewis de S2, CH4 et NH3. 1)  Écriture des représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule 2 S

et 4 H

et 3 H

2)  Formation de liaisons covalentes et vérification de la présence des octets (ou duets) H H S

H H

H 3) Écriture de la formule de Lewis H H S

H H

Formule de Lewis de molécules ternaires Suivons la même méthode pour écrire les formules de Lewis de HClO, HNO2 et H2CO3. 1)  Écriture des représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule H

2 O

3 O

2)  Formation de liaisons covalentes et vérification de la présence des octets (ou duets) a)  Former autant de groupements OH qu’il y a de H dans la formule moléculaire H

b)  Mettre en commun l’e– célibataire de chaque groupement OH avec un e– célibataire de l’atome caractéristique de la molécule H

N H

c)  Mettre en commun les e– célibataires restant sur l’atome caractéristique avec les deux e– célibataires de l’oxygène non encore liés H H

N O

C O

3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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3) Écriture de la formule de Lewis H H

C O

Formule de Lewis d’ions polyatomiques Soit à écrire la formule de Lewis des ions ClO–, NO2–, CO32–. La formule de ces ions polyatomiques dérive de la structure des oxacides correspondants établie ci-avant. La formule des ions s’obtient en enlevant de la formule de Lewis des oxacides l’(les) hydrogène(s) sous forme d’ion H+ : ceci confère, pour chaque H+ enlevé, une charge négative au groupement restant. Ce groupement négatif est un ion polyatomique. La paire d’électrons qui liait H à O devient alors un doublet électronique autour de O. La formation des ions s’établit comme suit : a)

⎯→

N O

O O c)

O O

⎯→

Limite du modèle de l’octet Les chimistes ont pu isoler des molécules stables telles que PCl5 et SF6 dont la formule de Lewis peut s’écrire : Cl Cl F F Cl

F F

Tu remarques que, dans ces molécules, le phosphore P est entouré de 10 e– et le soufre S de 12 e–. Dans ces molécules, P et S sont entourés de plus de 8 e– (octet). Tu trouveras aussi la molecule H2SO4 decrite de la facon suivante : O

O S

O H

car le soufre ici, comme dans SF6 peut dépasser l’octet d’électrons. Tu étudieras peut-être, plus tard, d’autres modèles qui rendent compte de ces « anomalies » par rapport à la règle de l’octet. 42

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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1 Réaliser le test d’association suivant :

a) liaison ionique

1. partage de paire(s) d’e–

b) liaison covalente

2. transfert d’e– 3. liaison entre ions 4. covalence 5. liaison entre atomes

2 Écrire la formule de Lewis des molécules suivantes : HI, H2Se, PCl3, C2H6, SiCl4, H2SiO3. 3 Représenter la formule de Lewis des ions suivants : HCO3–, HS–, CN–, OH– et SiO32–. 4 Indiquer le sens de la polarisation et les charges partielles dans les molécules suivantes :

H Cl

chloroforme

Cl H

H H

butane

ammoniac

N H

H S

dibrome O

alcool éthylique sulfu re de carbone

5 Écrire la formule de Lewis de :

a) H2S : le sulfure d’hydrogène, gaz qui a une odeur d’œuf pourri ; b) l2 : le diiode en solution qui sert parfois à désinfecter des plaies ; c) SiO2 : le dioxyde de silicium ou silice, constituant cristallin de nombreuses roches telles que le granit, le sable… d) C2H4 : l’éthylène, utilisé pour fabriquer les plastiques à base de polyéthylène ; e) H2O2 : l’eau oxygénée, liquide incolore qui, dilué, est couramment utilisé comme antiseptique ou décolorant ; f) N2F4 : la tétraﬂuorohydrazine, liquide incolore servant de carburant pour les fusées. Indiquer, s’il y a lieu, les ﬂèches sur les liaisons et les charges partielles sur les atomes. 6 Écrire la formule de Lewis de :

a) BF3 : le ﬂuorure de bore, servant de catalyseur ; 3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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b) CO : le monoxyde de carbone, gaz très toxique. Dans le cadre du modèle de Lewis, quelle « anomalie » constates-tu à propos de ces deux molécules ? 7 Repérer parmi les molécules suivantes : Ne2, Cl2O, CF4, NO, I2 et PCl5, lesquelles ne

peuvent exister dans le cadre du modèle de Lewis (modèle de l’octet). Pour quelle(s) raison(s) ?

8 En utilisant le tableau ci-dessous, préciser si les énoncés suivants sont vrais ou faux :

a) la molécule GX présente une liaison covalente ; b) la molécule AX présente une liaison ionique ; c) la molécule LX4 présente une liaison ionique ; d) la molécule Z2 présente une liaison covalente ; e) la molécule EZ présente une liaison covalente. VIIIa

G IIa A E

IIIa IVa Va VIa VIIa

9 Trois atomes A, B et C possèdent les distributions électroniques suivantes :

A : 2 e–, 8 e–, 1 e– ; B : 2 e–, 8 e–, 4 e– ; C : 2 e–, 8 e–, 7 e–. a) Selon le modèle de l’octet, quel est le nombre de covalence(s) et/ou de liaisons ioniques qu’ils peuvent réaliser ? b) Proposer diﬀérentes formules de Lewis de molécules stables résultant de l’association des atomes A, B et C, liés deux à deux. 10 Déterminer la formule moléculaire d’un composé formé d’atomes X et Y sachant que l’atome X possède 9 protons et l’atome Y 14 protons. Représenter la formule de Lewis de cette molécule.

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Les fullerènes et le graphène

Les dispositions diﬀérentes que peuvent prendre les atomes constituant les solides atomiques covalents président à la formation de variétés diﬀérentes appelées variétés allotropiques (de allos, autre, et tropos, genre, manière, direction…). Les variétés allotropiques des solides atomiques covalents constitués uniquement d’atomes carbone sont le diamant, le graphite, les fullerènes et le graphène. Nous développerons ici les fullerènes et le graphène qui sont des variétés du carbone découvertes récemment : elles présentent des propriétés prometteuses dans divers domaines.

Les fullerènes Jusqu’en 1985, on ne connaissait que deux formes allotropiques du carbone : le diamant et le graphite. En 1985, des chercheurs provoquant l’impact d’un rayon laser sur le graphite, dans une atmosphère inerte, observèrent la formation de petites boules de carbone constituées chacune de 60 atomes carbone disposés aux sommets de pentagones et d’hexagones formant une cage ressemblant à un ballon de football.

3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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Cette trouvaille, C60 , fut baptisée « fullerène ». Cette appelation vient du nom de B. Fuller, architecte précurseur, puisqu’il réalisa en 1967, pour l’exposition universelle de Montréal, un dôme géodésique ayant la structure du C60. Des laboratoires, dans le monde entier, se mirent à rechercher des méthodes de synthèse du fullerène C60. Leurs recherches furent couronnées de succès et bien au-delà puisqu’elles mirent en évidence qu’à côté du C60, s’étaient synthétisées d’autres « cages » de carbone C28, C50, C70… C240, ayant parfois la forme d’un ballon de rugby ou d’un dirigeable. Les schémas ci-dessous illustrent la structure spatiale du fullerène C60 et du fullerène C70. Dans ces structures, chaque atome carbone est lié par trois covalences, aux carbones voisins.

C60

C70

Ces molécules-cages ont d’incroyables propriétés : elles ont une remarquable stabilité et une grande dureté. Elles sont également bonnes conductrices de l’électricité, peuvent abriter d’autres molécules et se greﬀer sur d’autres. Ces propriétés oﬀrent de nouvelles perspectives dans des domaines variés : � la pharmacologie : elles pourraient véhiculer des médicaments, des hormones, des anticorps, vers des

organes distants ;

� la réalisation de matériaux ultra- résistants ou supraconducteurs ; � la synthèse de nouveaux lubrifiants et de carburants pour fusées ; �…

Stimulés par la découverte de fullerènes, les chimistes sont parvenus à synthétiser de nouveaux arrangements d’atomes de carbone, sous la forme de tubes appelés « nanotubes ». Ces molécules aux propriétés fascinantes, diﬀérentes de celles de tous les autres matériaux, ouvrent une nouvelle fenêtre sur le monde de la chimie.

UAA5 Liaisons chimiques et configuration spatiale de la matière

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Le graphène3 Le graphène est un matériau constitué d’une seule couche d’atomes carbone et donc d’épaisseur d’un atome de carbone. Il fut découvert en 2004 par les russes André Geim et Konstantin Novoselov qui reçurent le prix Nobel de Physique en 2010. En plus d’être transparent, il est à la fois souple et extrêmement solide : deux cents fois plus solide que l’acier à masse égale. Il est aussi imperméable à tous les gaz et très bon conducteur d’électricité. Ce matériau intéresse des entreprises qui investissent massivement dans sa production et dans la recherche de nouvelles propriétés qui pourraient résoudre un certain nombre de nos problèmes.

Ainsi : – la firme IBM aﬃrme avoir créé un transistor à base de graphène qui pourrait être utilisé dans nos ordinateurs ; – l’Institut Nanosciences et Cryogénie de Grenoble et l’Institut des Matériaux de Nantes viennent de mettre au point des batteries lithium-ion qui comprennent des électrodes en graphène : leur performance est multipliée par 10 et le nombre de cycles de charge/décharge des batteries est considérablement augmenté. Ceci intéresse au plus haut point les fabricants de voitures électriques. Ainsi, la firme Tesla travaille sur une voiture possédant des batteries lithium-ion dopées au graphène qui auraient une autonomie de 800 km. – Nokia et Samsung espèrent que le graphène remplacera avantageusement l’oxyde mixte d’indium-étain présent dans les cellules photovoltaïques et les écrans de smartphones. Ces oxydes sont rares, chers, toxiques et fragiles. Le graphène transparent et bon conducteur les remplacerait dans l’avenir et permettrait de fabriquer des écrans pliables ou des vêtements intelligents capables de contenir un ordinateur miniature. Mais la route est encore longue : – la production de graphène en grande quantité, de bonne qualité et de très grande pureté n’est pas encore pour demain ; – les dangers potentiels du graphène sur notre santé doivent encore être étudiés. Il n’en reste pas moins que le graphène pourrait révolutioner dans le futur nos modes de vie, dans de multiples domaines. 3. Inspiré de l’article : Graphène : le champion toutes catégories, Revue Athéna 308, février 2015. Texte de Thibault Grandjean.

3 • Liaisons covalentes parfaite et polarisée

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Avant-propos ��3 Comment utiliser ce manuel ? ��4

UAA 5 Liaisons chimiques et conﬁguration spatiale de la matière Chapitre 1 Formation et charge des ions. Modèles de l’octet et de Lewis ��9 Pour en savoir plus… Quand ion rime avec nutrition… ��21 Chapitre 2 Liaison ionique et composés ioniques ��25 Pour en savoir plus… Le chlorure de sodium : un sel qui conserve…��30 Chapitre 3 Liaisons covalentes parfaite et polarisée��33 Pour en savoir plus… Les fullerènes et le graphène ��45 Chapitre 4 Configuration spatiale. Polarité et solubilité dans l’eau ��49 Pour en savoir plus… L’origine de l’eau ��61 Chapitre 5 Cohésion de la matière. Relations structure-propriétés ��63 Pour en savoir plus… Les vêtements du futur ��76

UAA 6 Caractériser un phénomène chimique Chapitre 1 Effets thermiques des réactions chimiques ��81 Pour en savoir plus… Énergie et CO2, un couple à maîtriser ��99 Chapitre 2 Vitesse de réaction �� 103 Pour en savoir plus… Écocatalyse, une promesse pour une chimie verte et dépolluante �� 117

UAA 7 Les équilibres chimiques Chapitre 1 Réactions complètes et incomplètes. Équilibre chimique dynamique �� 123 Pour en savoir plus… Simulation expérimentale d’un état d’équilibre dynamique �� 136 Chapitre 2 Spontanéité des réactions et prévision du caractère complet ou incomplet d’une réaction chimique�� 139 Pour en savoir plus… Impossible n’est pas chimique… ou la synthèse de la soude par Ernest Solvay �� 149 Chapitre 3 Équilibre chimique, approche quantitative �� 153 Pour en savoir plus… Un équilibre chimique menacé ou l’acidification des océans�� 170 Chapitre 4 Déplacement de l’équilibre chimique. Principe de Le Chatelier �� 173 Pour en savoir plus… Hémoglobine et dioxygène, un couple parfait �� 188

UAA 8 La molécule en chimie organique Chapitre 1 Classification des composés organiques et inorganiques. Représentation et nomenclature des alcanes�� 193 Pour en savoir plus… Ces hydrocarbures gazeux qui nous entourent �� 206 Chapitre 2 Composés oxygénés en chimie organique et leurs usages �� 209 Pour en savoir plus… Boire ou conduire… il faut choisir ! �� 220 Chapitre 3 Combustion des alcanes �� 225 Pour en savoir plus… Gaz de schiste, un bon choix ? �� 238 Chapitre 4 Réaction d’estérification�� 241 Pour en savoir plus… Les odeurs �� 250 Chapitre 5 Réaction de saponification �� 253 Pour en savoir plus… Les détergents synthétiques et biodégradables�� 265

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Table des matières

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Annexes �� 267 Annexe 1 Tables de données �� 268 Annexe 2 Tables d’énergie �� 270 Annexe 3 Canevas de rapport de laboratoire �� 273 Annexe 4 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel �� 274 Index �� 275

Table des matières

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