Chimie 3 - Sciences Générales - Nouvelle édition 2021 - Extrait by VAN IN

Sciences générales

Ce manuel s’adresse aux élèves de 3e 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.

Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert

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 3e 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 3e pleinement dans l’enseignement de demain !

CHIMIE

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

Sciences générales

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

vanin.be

9 782804 198268

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Réaction chimique Équation chimique : écriture et signification

Les chimistes simplifient la réalité expérimentale d’une transformation chimique par une réaction chimique.

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La réaction chimique est symbolisée par une équation chimique qui respecte la loi de Lavoisier.

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Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir ➜ réaction chimique, ➜ coefficient.

pondérer une équation chimique ; traduire une réaction chimique par une équation pondérée ;

SAVOIR-FAIRE

effectuer la lecture moléculaire ou atomique d’une équation chimique.

PROCESSUS

décrire une transformation chimique sous forme d’une équation chimique moléculaire (C2) ; décrire la photosynthèse et la respiration cellulaire à l’aide d’une équation chimique pondérée (C3) ;

iti

traduire en une équation chimique un phénomène chimique montré ou décrit (T2).

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UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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Dans le chapitre précédent, tu as observé, à l’échelle macroscopique, des transformations chimiques : • l’action du vinaigre sur du calcaire ; • la formation d’un solide jaune après mélange de deux solides blancs ; • l’apparition d’un solide blanc au fond d’un récipient lors du mélange de deux solutions incolores. Les observations et les pesées réalisées ont permis de confirmer la loi de Lavoisier bien connue sous cette forme : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »

Dans une transformation chimique, des réactifs (corps de départ) deviennent des produits (corps obtenus) ayant généralement des propriétés différentes de celles des réactifs. Pour rendre compte d’une transformation chimique à l’échelle microscopique, les chimistes ont besoin de connaître la composition moléculaire et/ou atomique des réactifs et des produits.

Prenons, comme exemple, l’expérience assez simple qui consiste à plonger un clou légèrement rouillé dans une solution d’esprit de sel.

L’observateur peut se limiter à décrire l’aspect macroscopique de la transformation chimique. Il notera, par exemple : • qu’il se produit une forte effervescence ; • que la solution prend une couleur verdâtre ; • que la rouille disparaît ; • que le récipient s’échauffe légèrement ; • …

Mais s’il veut rendre compte de la transformation chimique à l’échelle microscopique, il devra, dans un premier temps, identifier les corps qui réagissent et qui se forment, puis déterminer leurs formules moléculaires.

iti

Ainsi, pour notre expérience, cela revient à : • déterminer la composition chimique du clou et de la solution d’esprit de sel ; • identifier le gaz qui se forme et le composé qui colore la solution en vert ; • attribuer une formule moléculaire aux réactifs et aux produits identifiés.

3 • Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification

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� le dihydrogène, de molécules H2 ;

La réaction chimique

� le chlorure de fer, de molécules FeCl2.

Pour décrire une transformation chimique à l’échelle microscopique, les chimistes doivent identifier les réactifs et les produits.

La réaction chimique peut maintenant être décrite de manière symbolique par une équation chimique.

Ainsi, pour l’expérience précédente, l’identification est la suivante :

Pour ce faire, il faut : � identifier les réactifs et les produits ;

� le clou est constitué essentiellement de fer ;

� écrire d’abord, dans le premier membre de l’équation, les formules atomiques ou moléculaires des réactifs séparées par le signe + ;

� la solution d’esprit de sel est une solution d’acide chlorhydrique ; � le gaz responsable de l’effervescence est le dihydrogène ;

� écrire ensuite, dans le second membre, les formules moléculaires des produits séparées par le signe + ;

� le composé qui colore la solution en vert est le chlorure de fer.

� tracer, entre les deux membres, une flèche indiquant le sens du déroulement de la réaction.

Cette réaction chimique est une modélisation car elle simplifie la réalité expérimentale. En effet, elle ne permet pas de rendre compte de toutes les observations.

1er membre

Le fer et l’acide chlorhydrique réagissent ensemble pour donner du chlorure de fer et du dihydrogène.

Connaissant la composition des réactifs et des produits, il est possible de modéliser la transformation chimique par une réaction chimique :

Ainsi, dans notre exemple, ne sont pas pris en considération : � la rouille qui réagit avec l’acide chlorhydrique ; �…

iti

� le léger échauffement du récipient ;

Une réaction chimique est un modèle d’une transformation chimique.

L’équation chimique

Les scientifiques ont vite compris la nécessité d’utiliser une écriture universelle pour traduire une réaction chimique. Ils vont pour cela utiliser les formules moléculaires des différents corps chimiques intervenant dans la réaction chimique. Ainsi, dans la réaction décrite précédemment : � l’acide chlorhydrique est constitué de molécules HCl ; � le fer, d’atomes Fe ; 144

UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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HCl

2 e membre

→

FeCl2

L’équation chimique ci-dessus, montre le réarrangement des atomes lors de la réaction entre le fer Fe et l’acide chlorhydrique HCl. La représentation des atomes par des sphères permet d’illustrer encore mieux le réarrangement atomique. Ainsi, si l’atome H est représenté par une petite sphère blanche, l’atome chlore par une sphère verte et l’atome Fe par une sphère grise, la représentation imagée de la réaction chimique est la suivante : +

→

Si ces deux représentations visualisent bien le réarrangement atomique, elles montrent aussi qu’il y a plus d’atomes dans les produits que dans les réactifs, ce qui n’est pas en accord avec la loi de Lavoisier. Pour y remédier, il faut pondérer l’équation chimique.

L’écriture pondérée et la lecture d’une équation chimique Pour respecter le fait qu’au cours d’une réaction chimique « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », il faut pondérer l’équation c’est-à-dire faire en sorte qu’il y ait le même

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nombre d’atomes de chaque sorte dans les réactifs (1er membre) et les produits (2e membre).

L’écriture pondérée des équations chimiques de la photosynthèse et de la respiration cellulaire

Ici, il manque 1 atome Cl et 1 atome H dans le premier membre de l’équation chimique. C’est la raison pour laquelle une 2e molécule HCl est ajoutée dans les représentations (on ne peut, en effet, jamais modifier la composition d’une molécule ni la formule moléculaire d’un corps ; on ne peut donc écrire dans ce cas H2Cl2).

Au cours de biologie, tu as déjà probablement étudié la photosynthèse et la respiration cellulaire des végétaux et tu as sans doute construit un schéma récapitulatif semblable à celui-ci : CO2

La représentation imagée de la réaction chimique devient :

→

H2 +

FeCl2

H2O

Le chiffre 2 écrit devant HCl est appelé coefficient ; il multiplie par 2 le nombre d’atomes de chaque espèce dans la formule moléculaire HCl.

Minéraux

2 HCl

Transformation de matière organique (glucose) en matière minérale

La représentation symbolique ou équation chimique est :

Production de matière organique (glucose) à partir de matière minérale

PHOTOSYNTHÈSE

→

H 2O O2

RESPIRATION

CO2

Un coefficient est un chiffre précédant une formule moléculaire ou un symbole atomique : il indique le nombre de molécules ou d’atomes qu’il faut prendre en compte dans une équation pour la pondérer.

iti

En chimie, comme en mathématique, le coefficient 1 ne s’écrit pas, mais est sous-entendu.

L’équation chimique que nous venons de pondérer se lit : Deux molécules acide chlorhydrique HCl et un atome fer Fe réagissent pour donner une molécule dihydrogène H2 et une molécule chlorure de fer FeCl2. Les deux « + » de l’équation se lisent « et », tandis que la flèche signifie « réagissent pour donner ». Nous venons de faire ainsi la lecture atomique et moléculaire de l’équation chimique. Si, dans l’équation chimique de la réaction, les réactifs et les produits n’apparaissent que sous forme moléculaire, nous réaliserons alors la lecture moléculaire de l’équation chimique. Les équations chimiques sont également utilisées en biologie entre autres dans l’étude de la photosynthèse et de la respiration cellulaire des végétaux.

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En identifiant les échanges gazeux et la production ou la transformation de matière organique, tu as pu décrire les réactions chimiques qui avaient lieu lors de la photosynthèse et lors de la respiration cellulaire des végétaux. Ainsi, la réaction chimique globale de la photosynthèse peut s’énoncer : le dioxyde de carbone et l’eau réagissent pour donner du glucose et du dioxygène. Cette réaction ne peut s’effectuer sans apport de lumière et sans la présence de chlorophylle. De même, la réaction chimique globale de la respiration cellulaire peut s’énoncer : le glucose et le dioxygène réagissent pour donner du dioxyde de carbone et de l’eau. Cette réaction produit également de l’énergie utilisable par les cellules de la plante. 3 • Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification

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Ainsi, par exemple, lors de la respiration cellulaire, la molécule glucose ne réagit pas avec les 6 molécules dioxygène en une seule étape pour donner les 6 molécules dioxyde de carbone et les 6 molécules eau. Il se passe en réalité plusieurs réactions successives qui peuvent être représentées par des équations chimiques.

Sachant que les formules moléculaires du glucose, du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l’eau sont respectivement C6H12O6, O2, CO2 et H2O, il est possible d’écrire les équations chimiques pondérées de ces deux réactions. Pour la photosynthèse, l’équation chimique s’écrit : 6 CO2 +

6 H2O

→

C6H12O6 +

La somme de ces équations s’appelle équation bilan car elle ne tient compte que des réactifs initiaux et des produits finaux.

6 O2

Pour la respiration cellulaire, l’équation chimique s’écrit : C6H12O6

6 O2

→

6 CO2 +

Ainsi, les équations écrites ci-dessus sont les équations bilan de la photosynthèse et de la respiration cellulaire.

6 H2O

Ces processus biologiques sont assez complexes.

1 Parmi les énoncés suivants, repère les trois propositions correctes :

a) une équation chimique rend compte de toutes les observations réalisées lors de la transformation chimique ; b) une transformation chimique est un phénomène observable à l’échelle macroscopique ; c) une réaction chimique peut être représentée symboliquement et schématiquement ;

d) une réaction chimique rend compte du réarrangement atomique à l’échelle microscopique ;

e) un coefficient représente le nombre d’atomes ou de molécules qui réagissent ou qui sont produites lors d’une transformation chimique.

iti

Justifie pourquoi les deux autres propositions sont incorrectes. 2 La photo ci-dessous illustre la combustion du charbon de bois

lors de la préparation d’un barbecue.

a) À l’aide de cette photo et de tes souvenirs personnels, dresse une liste des observations possibles liées à cette combustion.

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UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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b) La combustion du charbon de bois est une transformation chimique. Quels sont les arguments que tu mettrais en avant pour appuyer cette affirmation ? c) Sachant : – que le charbon de bois est le combustible et qu’il est essentiellement constitué de carbone, – que le comburant est présent dans l’air, – et que du gaz carbonique (CO2) est produit lors de cette combustion, propose une réaction chimique qui modélise cette combustion du charbon de bois et écris l’équation chimique correspondante. d) L’équation chimique rend-elle compte de toutes tes observations ? 3 L’équation chimique

Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

signifie que :

a) l e zinc et l’acide chlorhydrique s’additionnent pour donner du chlorure de zinc et du dihydrogène ; b) le zinc et l’acide chlorhydrique se mélangent pour donner du chlorure de zinc et du dihydrogène ;

c) le zinc et l’acide chlorhydrique réagissent pour donner du chlorure de zinc et du dihydrogène.

Choisis la bonne lecture.

4 Lorsqu’on fait réagir ensemble du carbonate de calcium CaCO3 et une solution

d’acide chlorhydrique HCl, on obtient une solution de chlorure de calcium CaCl2, de l’eau H2O et du dioxyde de carbone CO2 qui se dégage.

L’équation chimique est :

CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2

a) Quelles sont les formules des réactifs ? des produits ? b) Vérifie si l’équation est pondérée et fais-en la lecture moléculaire.

iti

5 Dans l’équation chimique :

2 NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2 H2O

ombien y a-t‑il de types de molécules ? c) C d) Quelles sont les molécules présentes dans les réactifs et les produits ? e) Réalise la lecture moléculaire de l’équation.

6 Soit l’équation chimique suivante :

N2 + 3 H2 → 2 NH3 Les différentes molécules sont schématisées comme suit :

– la molécule N2 par

– la molécule H2 par

– la molécule NH3 par

3 • Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification

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Dès lors, quelle situation modélise les rapports entre les réactifs de cette équation chimique ? a)

e) Aucun de ces modèles 7 Sachant que les coefficients figurant dans une équation chimique doivent

être des nombres premiers entre eux (c’est-à-dire dont le plus grand commun diviseur est 1), précise quelle est l’équation correctement pondérée.

a) 2 HCl + 2 Mg(OH)2 → 2 MgCl2 + 4 H2O b) 2 HCl + Mg(OH)2 → MgCl2 + 2 H2O

8 Pondère les équations chimiques suivantes :

c) 4 HCl + 2 Mg(OH)2 → 2 MgCl2 + 4 H2O

i) Al4C3 + H2O → Al(OH)3 + CH4

b) H2 + Cl2 → HCl

j) Fe2O3 + CO → FeO + CO2

c) Al + HCl → AlCl3 + H2

k) H3PO4 + K2O → K3PO4 + H2O

d) HCl + Mg(OH)2 → MgCl2 + H2O e) N2O5 + H2O → HNO3

l) NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 m) Mg + HBr → H2 + MgBr2

f) CH4 + O2 → CO2 + H2O

a) Na + Cl2 → NaCl

n) BaO + H3PO4 → H2O + Ba3(PO4)2 o) KCl + Pb(NO3)2 → PbCl2 + KNO3

h) H2S + O2 → H2O + SO2

p) C3H8 + O2 → CO2 + H2O

g) Al2O3 + HCl → AlCl3 + H2O

9 Voici des informations concernant des réactions chimiques.

iti

Réaction 1

Lorsqu’on fait réagir du zinc Zn et une solution d’acide sulfurique H2SO4, on obtient du dihydrogène H2 qui se dégage et une solution de sulfate de zinc ZnSO4. Réaction 2

Un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre Cu(OH)2 et une solution de sulfate de sodium Na2SO4 sont obtenus lorsqu’une solution de sulfate de cuivre CuSO4 est mélangée avec une solution d’hydroxyde de sodium NaOH.

À propos de ces deux réactions, a) r epère, dans chaque cas, les formules des réactifs et celles des produits ; b) t raduis chacune de ces réactions par une équation chimique pondérée ; c) fais, de chaque équation chimique pondérée, la lecture atomique et/ou moléculaire.

10 Après avoir lu « Pour en savoir plus … », réponds aux points suivants.

a) R éalise la lecture atomique et moléculaire de l’équation de la réaction chimique qui se passe dans un airbag. b) Quelles sont les « qualités » que doit avoir un airbag pour être à la fois efficace et sans danger ? c) Q uel est le gaz provoquant le gonflement du ballon ?

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11 Laboratoire

LABORATOIRE

Traduire des réactions chimiques par leurs équations

Tu viens d’apprendre à pondérer des équations chimiques. Tu vas maintenant réaliser des réactions chimiques que tu traduiras ensuite par leurs équations. Tu comprendras ainsi que, pour être correcte, une équation chimique doit non seulement être pondérée, mais doit en plus correspondre à la réalité expérimentale. a) Afin de réaliser ce laboratoire, tu auras besoin du matériel et des réactifs suivants :

Matériel

Réactifs

2 tubes à essais 2 cylindres gradués (10 et 100 mL) 1 bouchon muni d’un tube coudé 1 erlenmeyer avec bouchon 1 tube à essais à usage unique 1 balance 1 bec bunsen 1 pilon 1 brosse pour tube à essais 1 spatule (petite cuillère)

solution diluée d’acide chlorhydrique HCl ruban de magnésium carbonate de calcium CaCO3 eau de chaux Ca(OH)2 solution de nitrate d’argent AgNO3 tournures de cuivre solution diluée de chlorure de cuivre CuCl2 clous en fer solution de phosphate de sodium Na3PO4 fer en poudre soufre en poudre

b) Identifie les pictogrammes de danger sur les flacons de réactifs. c) Applique les modes opératoires suivants :

iti

Réaction A � Dans un tube à essais, faire réagir environ 10 mL d’acide chlorhydrique dilué et un morceau de ruban de magnésium d’environ 3 cm. � Dès que le magnésium est en contact avec l’acide chlorhydrique, maintenir un second tube à essais retourné au-dessus du tube où a lieu la réaction, pour récolter le gaz produit. � Quand la réaction est terminée, retirer le tube à essais retourné, approcher une allumette enflammée de l’ouverture de ce tube légèrement incliné et identifier le gaz grâce au phénomène observé. � Éliminer les produits selon les indications du professeur. � Nettoyer le matériel de verrerie. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : …

…

→ … + MgCl2 (gaz produit et (chlorure de mis en évidence) magnésium)

Réaction B � Dans un tube à essais, verser environ 10 mL d’acide chlorhydrique dilué et y ajouter ensuite quelques petits morceaux de carbonate de calcium (marbre ou calcaire). � Pour identifier le gaz dégagé, boucher le tube à essais avec un bouchon muni d’un tube à dégagement coudé et faire barboter le gaz formé dans une solution d’eau de chaux. � Éliminer les produits selon les indications du professeur. � Nettoyer le matériel de verrerie. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : …

+ … → … + H2O + CaCl2 (gaz produit et (eau) (chlorure mis en évidence) de calcium)

3 • Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification

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Réaction C � Dans un tube à essais, verser environ 5 mL d’une solution diluée de nitrate d’argent et y ajouter quelques tournures de cuivre. � Observer le phénomène qui se passe au niveau des tournures de cuivre afin de visualiser l’argent métallique formé. � Observer également, après environ 30 minutes, la coloration de la solution résultant de la formation de nitrate de cuivre. � Éliminer les produits selon les indications du professeur. � Nettoyer le matériel de verrerie. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : …

…

→ … + (métal produit)

Cu(NO3)2 (nitrate de cuivre)

…

Réaction D � Dans un erlenmeyer de 100 mL, verser 90 mL de chlorure de cuivre en solution diluée et y ajouter environ 0,7 g de fer (petits clous par exemple). � Boucher et agiter pendant 2 minutes. � Observer le phénomène qui se passe au niveau du fer afin de visualiser le cuivre métallique produit. � Observer également la coloration de la solution résultant de la formation de chlorure de fer. � Éliminer les produits selon les indications du professeur. � Nettoyer le matériel de verrerie. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : … → … + FeCl2 (métal produit) (chlorure de fer)

Réaction E � Dans un tube à essais, verser environ 5 mL d’une solution diluée de chlorure de cuivre et y ajouter 5 mL d’une solution diluée de phosphate de sodium. � Observer la couleur du précipité de phosphate de cuivre. � Éliminer les produits selon les indications du professeur. � Nettoyer le matériel de verrerie. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : +

… → Cu3(PO4)2 + (phosphate de cuivre)

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…

NaCl (chlorure de sodium)

Réaction F (sous hotte) � Dans un tube à essais en pyrex et à usage unique, verser un mélange homogénéisé de 1,4 g de fer et 0,8 g de soufre. � Chauffer le fond du tube jusqu’à ce qu’un point rouge incandescent apparaisse dans le milieu réactionnel. � Laisser alors l’incandescence se communiquer d’elle-même à toute la masse. � Après refroidissement, observer, au fond du tube à essais, la lave constituée de sulfure de fer. � Éliminer le tube selon les indications du professeur. � Compléter et pondérer l’équation ébauchée ci-dessous : …

…

→ FeS (sulfure de fer)

d) Dans un tableau de synthèse, � décris les pictogrammes de danger associés aux réactifs que tu as manipulés ; � rassemble les 6 équations chimiques pondérées ; � transcris leur lecture atomique ou moléculaire.

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Une réaction chimique qui sauve des vies…

Depuis quelques années, toutes les voitures sont équipées de coussins d’air : « airbag » en anglais.

Le schéma (A) représente la coupe d’un « airbag » et de son unité de contact située sous un volant.

iti

L’« airbag » se gonfle instantanément en cas de choc brutal. Le gaz responsable du gonflage est du diazote N2. Ce gaz provient de la décomposition de l’azoture de sodium NaN3. L’équation chimique de cette décomposition est : 2 NaN3 → 2 Na + 3 N2

Comme l’ « airbag » doit être gonflé en une fraction de seconde, la décomposition de NaN3 est rendue quasi instantanée grâce à un détonateur qui se déclenche lors de la fermeture d’un circuit électrique permettant le passage d’un courant.

Cette fermeture est provoquée, lors d’une décélération brutale, par des billes métalliques.

Le schéma (B) montre les différentes parties du générateur de gaz de l’« airbag ». La réaction de décomposition de NaN3 est accélérée par l’ajout de catalyseurs1 adéquats : l’ « airbag » peut ainsi se gonfler en environ 3/100 de seconde. Les sacs gonflés contiennent un volume de diazote N2 qui peut varier entre 35 et 60 litres selon les modèles ; ils doivent se dégonfler en environ 2 secondes afin d’éviter que le conducteur ou le passager n’étouffe.

1. Senseur électronique, récepteur du choc 2. Filtre haute fréquence, inhibiteur d’ondes parasites 3. Détonateur, déclencheur de la décomposition de NaN3 4. Mélange détonant (NaN3 et catalyseurs) 5. Chambre à gaz (N2 et produits secondaires) 6. Filtre 7. « Airbag » (N2)

1. Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction et qui se retrouve intacte après la réaction. 3 • Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification

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IN N VA s on iti Ed Livre_361185SFX_CHIMIEMANUEL_CC2020.indb 152

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Établissement des formules moléculaires

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L’association des atomes constituant les molécules ne se fait pas de façon aléatoire. Elle est régie par la capacité qu’a chaque atome de se lier à d’autres. Il en résulte des molécules bien définies auxquelles correspondent des formules moléculaires.

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Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS donner la valence des principaux groupements.

SAVOIR-FAIRE retrouver la valence principale d’un atome en consultant le tableau de Mendeléev ;

établir la formule moléculaire d’un corps en connaissant les atomes ou les groupements constitutifs ainsi que leurs valences.

PROCESSUS

iti

construire une formule moléculaire à partir d’informations du tableau périodique (A2).

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UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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Nous savons que l’eau, ce liquide indispensable à la vie, est constituée de molécules et que les molécules eau sont constituées d’atomes hydrogène et oxygène. Pour déterminer la proportion des différents atomes constituant une molécule, les chimistes ont recours à diverses méthodes d’analyse : l’une d’entre elles est l’électrolyse. Nous allons électrolyser l’eau pour découvrir en quelle proportion les atomes hydrogène et oxygène sont associés dans la molécule eau.

Rechercher la formule moléculaire de l’eau

Pour ce faire : • remplir un voltamètre avec de l’eau acidulée1 ; • raccorder l’appareil à un générateur de courant continu (24 volts MAX) et observer ce qui se passe ; • couper le courant dès l’obtention d’environ 30 mL de gaz dans l’une des burettes (tubes du voltamètre munis d’un robinet), puis noter le volume de gaz obtenu dans chacune des burettes ; • pour identifier les gaz produits, recueillir un tube à essais de chacun d’eux ; • montrer que l’un des gaz détone à l’air au contact d’une ﬂamme (ce procédé est le test d’identification du dihydrogène) ; • montrer que l’autre gaz ravive le point d’ignition d’un fin tison (ce procédé est le test d’identification habituel de la présence de dioxygène).

tube de trop-plein

gaz 2

iti

gaz 1

burettes graduées

électrodes de Pt

générateur de courant continu

1. L’eau acidulée, solution à 10 % d’acide sulfurique, permet le passage du courant électrique. En fin d’électrolyse, la quantité d’acide n’a pas changé.

4 • Établissement des formules moléculaires

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Il semble bien que les associations entre atomes ne soient pas quelconques, mais qu’elles dépendent d’une propriété inhérente aux atomes.

Formule moléculaire de l’eau Les résultats de cette expérience montrent que : � le gaz 1 est du dioxygène constitué de molécules O2 et le gaz 2 est du dihydrogène constitué de molécules H2 ; � le volume du gaz dihydrogène est double de celui du gaz dioxygène.

Pour découvrir cette propriété réglementant l’association des atomes entre eux, choisissons un atome étalon (H le plus simple de tous), et examinons les associations qu’il forme avec d’autres atomes. Intéressons-nous d’abord aux associations respectives entre l’hydrogène et chacun des 8 atomes de la 2e ligne horizontale du tableau de Mendeléev situé en fin de livre.

La réaction d’électrolyse peut être représentée de manière imagée comme ci-dessous où un atome H est une sphère blanche et un atome O est une sphère rouge :

Les analyses chimiques montrent que : – les molécules LiH, BeH2, BH3, CH4, NH3, H2O, HF existent ; – aucune association n’existe entre Ne et H.

iti

→

C’est sur la base de ces résultats que les scientifiques ont établi la formule moléculaire de l’eau H2O. Cette formule rend compte de l’association de 2 atomes H et de 1 atome O dans la molécule.

L’équation chimique pondérée de cette électrolyse est : 2 H2O → O2 + 2 H2 À l’heure actuelle, avec les données fournies par le tableau périodique, il est possible de généraliser l’écriture des formules moléculaires de la plupart des molécules, sans qu’une expérimentation soit nécessaire. Pour cela, il nous faut définir le concept de valence.

Valence d’un atome L’électrolyse de l’eau a permis aux chimistes de retenir H2O comme formule moléculaire de l’eau. Mais pourquoi les atomes H et O, lorsqu’ils s’unissent, forment-ils des molécules H2O et pas HO2 ou H3O2 ou encore H4O ? 156

UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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Modèles des molécules H2, HCl, H2O, NH3 et˜CH4

Tu peux donc remarquer que les atomes Li, Be, B, C, N, O, F et Ne n’ont pas la même capacité de se lier aux atomes H : – 1 atome Li se lie à 1 atome H, – 1 atome Be se lie à 2 atomes H, – 1 atome B se lie à 3 atomes H, – 1 atome C se lie à 4 atomes H, – 1 atome N se lie à 3 atomes H, – 1 atome O se lie à 2 atomes H, – 1 atome F se lie à 1 atome H, – 1 atome Ne ne se lie à aucun atome H. À cette capacité de liaison (étalonnée avec l’hydrogène), les chimistes ont donné le nom de valence (du latin valentia : capacité, valeur). Nous pouvons quantifier la valence d’un atome par le nombre2 d’atomes H que cet atome peut fixer. Ainsi, un atome Li, qui se lie à 1 atome H, a la valence I. 2. Pour la détermination de certaines formules moléculaires, le professeur t’indiquera les valences que tu ne peux pas trouver directement.

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De même – un atome Be, qui se lie à 2 atomes H, a la valence II, – un atome B, qui se lie à 3 atomes H, a la valence III, – un atome C, qui se lie à 4 atomes H, a la valence IV, – un atome N, qui se lie à 3 atomes H, a la valence III, – un atome O, qui se lie à 2 atomes H, a la valence II, – un atome F, qui se lie à 1 atome H, a la valence I.

En observant à présent le tableau ci-après, établi à partir du tableau de Mendeléev, tu peux voir que les chiffres romains de Ia à VIIIa indiqués tout au-dessus des colonnes sont les mêmes que ceux du tableau de Mendeléev. Les chiffres romains I, II, III, IV, III, II, I et le 0, écrits en couleur en dessous des premiers, te permettent de retrouver facilement les valences principales des atomes dont nous venons de parler.

L’atome Ne, quant à lui, n’a pas de valence (valence zéro).

IIa

IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa III

III

H 3

Na Mg K Ca

0 2

He 7

B C N O F Ne

Li Be 11

Al Si P S Cl Ar 29

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

Br Kr

Valence d’un groupement d’atomes

Ces chiffres indiquent également la valence de tous les atomes situés dans la colonne correspondante.

Tu as découvert précédemment quelques groupements particuliers d’atomes : (OH), (NO3), (CO3), (SO4), (PO4). Comme les atomes, les groupements ont aussi une valence. Pour la découvrir, examinons les associations que ces groupements forment avec l’hydrogène. L’analyse chimique montre que les molécules H(OH) (donc H2O), HNO3, H2CO3, H2SO4 et H3PO4 existent.

iti

Si la numérotation des colonnes croît de Ia à VIIIa, celle de la valence principale croît de I à IV et ensuite décroît jusqu’à 0.

Ainsi – un atome H, comme un atome Li, a la valence I ; il a donc la capacité de lier un autre atome H pour former la molécule H2 ; – un atome Cl, comme un atome F, a la valence I ; il a donc la capacité de lier 1 atome H pour former la molécule HCl ; – un atome S, comme un atome O, a la valence II ; il a donc la capacité de lier 2 atomes H pour former la molécule H2S ; – un atome As, comme un atome N, a la valence III ; il a donc la capacité de lier 3 atomes H pour former la molécule AsH3 ; – un atome Si, comme un atome C, a la valence IV ; il a donc la capacité de lier 4 atomes H pour former la molécule SiH4.

Dès lors, – le groupement (OH) a la valence I puisqu’il se lie à 1 atome H ; – le groupement (NO3) a la valence I puisqu’il se lie aussi à 1 atome H ; – le groupement (CO3) a la valence II puisqu’il se lie à 2 atomes H ; – le groupement (SO4) a la valence II puisqu’il se lie aussi à 2 atomes H ; 4 • Établissement des formules moléculaires

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– le groupement (PO4) a la valence III puisqu’il se lie à 3 atomes H.

Si les indices trouvés se prêtent à une simplification, il faut généralement l’opérer :

Tu trouves ci-après un tableau reprenant les valences des principaux groupements.

a) C O IV

Apprends-les parfaitement. Valence I (OH)

Valence II (CO3)

(NO3)

(SO4)

b) Ca (CO3) II

c) C2O4 c) Ca2(CO3)2 d) CO2 d) CaCO3

L’analyse d’un corps révélant la présence dans ses molécules de certains atomes ou de groupements d’atomes permet, par la connaissance de leurs valences, d’écrire la formule moléculaire de ce corps.

Remarquons que, dans les formules moléculaires, le symbole du métal s’écrit toujours en premier lieu.

Selon cette méthode, écrivons la formule moléculaire du corps contenant des atomes Ca et des groupements (PO4) :

Cette méthode s’appelle la méthode du chiasme3.

b) Ca (PO4)

iti

II III

c) Ca3(PO4)2

De même, écrivons la formule moléculaire du corps contenant des atomes Fe (III) et des atomes O : a) Fe O III II b) Fe O

De manière générale, en chimie minérale, l’écriture d’une formule moléculaire respecte un ordre qui est déterminé par l’électronégativité croissante des atomes (voir tableau de Mendeleev). Le premier symbole correspond à l’atome le moins électronégatif et le dernier au plus électronégatif.

Une méthode pour écrire des formules moléculaires consiste à écrire, sous chaque atome ou groupement, sa valence et à croiser les valences dont les valeurs seront indiquées en indice.

IV II

Méthode d’écriture des formules moléculaires

II III

b) C O

Valence III (PO4)

a) Ca (PO4)

a) Ca (CO3)

À titre d’exemples, examinons quelques formules moléculaires et la valeur de l’électronégativité des atomes qui les constituent : Formule moléculaire CaCO3

Formule moléculaire Fe2O3 Formule moléculaire H2SO4 Formule moléculaire NaCl

χ Ca 1,0

C 2,5

O 3,5

χ Fe 1,8

O 3,5 χ

H 1,5

S 2,5

O 3,5

χ Na 0,9

Cl 3,0

III II c) Fe2O3

3. Du grec khiasma signifiant « croisement ».

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L’ordre des symboles n’est donc pas quelconque, pas plus que ne l’est l’ordre des lettres dans un mot. Ce n’est d’ailleurs pas la seule analogie entre le français et la chimie comme le montre le parallélisme suivant. En français

En chimie

un atome

un mot est composé de lettres liées entre elles

une molécule est composée d’atomes liés entre eux

je, ami

KI, NaOH

il y a 26 lettres dans notre alphabet

il y a une centaine d’atomes connus

a, b, c...

H, He, Li...

avec 26 lettres, on peut écrire un grand nombre de mots

avec 100 atomes, on peut former un grand nombre de molécules

livre, ciel, musique, paix, gâteau, sport…

KBr, CuCl2, Al2(SO4)3, HF, NaCl, Ba(OH)2...

beaucoup d’assemblages de lettres n’existent pas

beaucoup d’assemblages d’atomes n’existent pas

tma !?

une lettre

HNaBa !?

CaSO4 et non SCaO4 !

iti

chimie et non michie !

dans la formule d’une molécule, l’ordre des symboles n’est pas quelconque

dans un mot, l’ordre des lettres n’est pas quelconque

4 • Établissement des formules moléculaires

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1 Quelle est la valence des atomes arsenic, étain, magnésium, silicium et baryum ? 2 Écris la formule moléculaire du corps dont les molécules sont constituées

des atomes ou des groupements suivants (les valences que tu ne peux trouver te sont données) :

a) P et H b) Fe (II) et O c) Zn (II) et Cl d) Ag (I) et (NO3)

e) Mg et (SO4) f) Al et (PO4)

3 Écris la formule moléculaire du corps dont l’analyse a révélé la présence

des atomes ou des groupements suivants (les valences que tu ne peux trouver te sont données) :

a) carbone et oxygène b) calcium et carbonate (CO3) c) cuivre (II) et nitrate (NO3) d) sodium et nitrate e) sodium et phosphate (PO4)

f) hydrogène et ﬂuor

g) fer (II) et hydroxyde (OH) h) aluminium et sulfate (SO4)

iti

4 Complète le tableau par les formules correctes résultant des autres associations.

(CO3)

(NO3)

(SO4)

(PO4)

Na2CO3 MgCl2

K Ca Al

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UAA2 La réaction chimique : approche qualitative

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Il y a eau et « eau » !

Tous les jours, tu es amené à boire de l’eau, que ce soit l’eau du robinet, l’eau minérale, l’eau gazeuse…

iti

Mais sache que toute « eau… » n’est pas nécessairement bonne à boire. En fait, bon nombre de substances appelées « eau... » ou « eau de… » n’ont souvent que peu de points communs avec l’eau potable. Si les eaux-de-vie, à consommer toujours avec modération, sont appréciées des amateurs de boissons alcoolisées (le rhum fabriqué à partir de canne à sucre, la vodka à partir de céréales diverses, le scotch whisky à partir de malt…), il vaut mieux s’abstenir de boire : – de l’eau-forte, solution concentrée d’acide nitrique, dont les graveurs se servent pour attaquer la plaque de cuivre ; – de l’eau égyptienne, solution de nitrate d’argent, dont on se servait jadis pour teindre en noir les cheveux ; – de l’eau acoustique de Ludwig, solution alcoolisée à base de plantes, ancien remède populaire allemand contre la surdité ; – de l’eau régale, mélange d’acide chlorhydrique et d’acide nitrique, appelée ainsi parce qu’elle possède la propriété de dissoudre le métal que les alchimistes nommaient le roi des métaux: l’or (en latin regalis = « du roi »).

De plus, il ne viendrait à l’idée de personne de boire de l’eau de Javel, solution aqueuse d’hypochlorite et de chlorure de sodium, utilisée comme décolorant et désinfectant ou l’une des nombreuses eaux de toilette, mélanges d’alcool et d’essences de lavande, iris, ambre gris, vanille, rose… Si tu es curieux d’en savoir encore plus, sache qu’il existe aussi – l’eau oxygénée – l’eau de Seltz – l’eau de chaux – l’eau de Cologne – l’eau iodée – l’eau bénite – l’eau distillée – l’eau déminéralisée – l’eau de riz – l’eau ferrugineuse ! et beaucoup d’autres encore…

4 • Établissement des formules moléculaires

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iti

Ed s N

Avant-propos ��III Comment utiliser ce manuel ? �� IV Qu’est-ce que la chimie ?�� VI

UAA1

Chapitre 1 Séparation des mélanges. Modèle moléculaire de la matière��3 Pour en savoir plus… Minuscules les molécules ! ��13 Chapitre 2 Modèle atomique de la matière ��15 Pour en savoir plus… Les symboles atomiques et la magie du 7 ��23 Chapitre 3 Composition des molécules��25 Pour en savoir plus… Des molécules ordinaires… pas toujours ��33 Chapitre 4 Évolution du modèle atomique ��35 Pour en savoir plus… Quand la chimie peint le ciel : les feux d’artifice ��50 Chapitre 5 Atomes et éléments : une histoire d’isotopes ��53 Pour en savoir plus… Quelques usages des isotopes ��59 Chapitre 6 Classification des corps purs simples en métaux et non-métaux��63 Pour en savoir plus… Les alliages, de géniaux mélanges ��72 Chapitre 7 Tableau périodique des éléments��75 Pour en savoir plus… L’audacieux Mendeléev avait-il une boule de cristal ? ��84 Chapitre 8 Ions monoatomiques et électronégativité des atomes ��87 Pour en savoir plus… Quand ion rime avec nutrition… ��97 Chapitre 9 Concentration massique d’une solution �� 101 Pour en savoir plus… À propos du sel… �� 110

UAA2

iti

Chapitre 1 Le bon emploi des substances chimiques au laboratoire et au quotidien �� 115 Pour en savoir plus… Signification de quelques pictogrammes commerciaux �� 124 Chapitre 2 Dissolution, transformation chimique et loi de la conservation de la masse ��127 Pour en savoir plus… Propos sur Lavoisier �� 138 Chapitre 3 Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification �� 141 Pour en savoir plus… Une réaction chimique qui sauve des vies… �� 151 Chapitre 4 Établissement des formules moléculaires �� 153 Pour en savoir plus… Il y a eau et « eau » ! �� 161 Chapitre 5 Classification et obtention des corps minéraux �� 163 Pour en savoir plus… Un déboucheur acide ou un déboucheur basique ? �� 177 Chapitre 6 Réaction de dissociation et réaction acide-base selon Arrhénius �� 179 Pour en savoir plus… Mesure et danger de la conductivité des solutions aqueuses �� 186

Annexes

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En guise de conclusion �� 189 Annexes �� 191 Annexe 1 Tables de données �� 192 Annexe 2 Matériel de laboratoire �� 194 Annexe 3 Techniques de laboratoire �� 197 Annexe 4 Canevas de rapport de laboratoire �� 201 Annexe 5 Codes et mentions de danger et de prudence �� 202 Annexe 6 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel �� 206 Index �� 207

iti

Tableau de Mendeléev

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Annexes

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