Physique-Chimie 5e
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Thème 1 : Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
L'eau que nous buvons est-elle pure ?
Ch. 2
La matière : états, masse et volume
Ch. 3
Les changements d'état de la matière
Ch. 4
Les mélanges
Ch. 5
La matière à l'échelle microscopique
Thème 2 : Mouvement et interactions
Ch. 6
Introduction à la vitesse et au mouvement
Thème 3 : L'énergie et ses conversions
Ch. 7
Introduire la notion d'énergie
Ch. 8
Les circuits électriques
Thème 4 : Des signaux pour observer et communiquer
Ch. 9
Le son
Ch. 10
La lumière
Chapitre 5

Exercices

Je me teste

Je sais

1
Les particules sont :




2
Lors d'une dissolution, à l'échelle microscopique :




3
La matière est constituée de :



4
Une particule :



5
Si on refroidit une substance, au niveau microscopique, les particules :




6
La masse d'un mélange est :



7
Le modèle particulaire de la matière :


Je sais faire

8
Le mouvement brownien a permis de mieux comprendre le mouvement des particules :



9
Les particules :


10
Les trois états de la matière.

Légende le schéma avec les mots suivants : particule - vide - état solide - état liquide - état gazeux.

    Doc. 1 : Les trois états de la matière.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    A
    B
    C
    D
    E

    Exercice corrigé

    Compétence : Modéliser des phénomènes pour les expliquer.

    11
    Un sirop de sucre.

    Pour réaliser une recette, Jonathan doit dissoudre du sucre dans l'eau. Il s'interroge sur ce qui se passe pour les particules de ces corps quand ils sont mélangés.

    1. Schématise les particules d'eau à l'état liquide en les représentant chacune par un haricot bleu.

    2. Schématise les particules du sucre à l'état solide et cristallin en les représentant chacune par un vers rouge.
    3. Les particules changent-elles au cours de la dissolution ?

    4. Schématise les particules de la solution d'eau sucrée.
    Étapes de la méthode
    • Pour représenter la matière à l'échelle des particules qui la composent, il faut prendre en compte les aspects suivants de leur organisation :
      • la distance : les particules sont-elles groupées ou dispersées ?
      • la contrainte de mouvement : les particules sont-elles attachées ou libres ?
    • Les transformations que l'on observe avec nos yeux peuvent résulter soit du changement d'organisation des particules, soit de la transformation de ces particules. Pour déterminer de quelle situation il s'agit, faut se demander si de nouvelles espèces chimiques font leur apparition ou non.
    Corrigé
    1. Schéma des particules de l'eau pure à l'état liquide :
    Doc. 1 : L'eau à l'état liquide.
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    2. Schéma des particules du sucre cristallisé :

    Doc. 2 : Sucre cristallisé.
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    3. Aucune nouvelle espèce chimique n'étant à priori décelable après cette opération, on peut faire l'hypothèse qu'il s'agit d'une simple réorganisation des particules. Les particules n'ont donc normalement pas changé au cours de la dissolution.

    4. Schéma de la solution d'eau sucrée :

    Doc. 3 : Dissolution.
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    Exercice similaire

    12
    Des molécules rafraichissantes.

    Emmanuel veut se servir un verre de menthe à l'eau.

    1. Représente la situation obtenue au niveau des particules lors du mélange. En considérant que l'eau et le sirop sont des corps purs, on représentera chaque particule de sirop par un △ et chaque particule d'eau par un ◯.

    Je m'entraine

    13
    Particules et jeux vidéos.

    Leïla doit faire un exposé de Physique-Chimie sur l'organisation microscopique de la matière à l'état solide. Elle a l'idée d'utiliser une image de jeu vidéo pour illustrer son travail.

    Doc. 1 : Particules et jeux vidéos.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.
    Crédits : Vshtogun/Shutterstock

    1. Quel est l'état physique initial de l'eau ? Quel est son état final ?

    2. Que représente chacun des cubes sur l'image ?

    3. Le solide représenté est-il un mélange ou un corps pur ?

    4. Quel changement d'état a eu lieu ?

    5. Pourquoi un solide a-t-il une forme propre ?

    6. Comment évolue la masse de l'eau au cours de ce changement d'état ?

    14
    Mélanges homogènes et hétérogènes au niveau microscopique.

    On représente au niveau microscopique des mélanges de deux liquides.

    Doc. 2 : Mélanges au niveau microscopique.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Quelle représentation correspond à un mélange homogène ? Explique ton raisonnement.

    2. Quelle représentation correspond à un mélange hétérogène ? Explique ton raisonnement.

    15
    Dissolution et aspect microscopique.

    Enzo dissout complètement 30 g de fructose (un corps pur) dans 200 mL d'eau pure.

    1. Combien d'espèces chimiques sont présentes dans ce mélange ?

    2. Est-ce un mélange homogène ou hétérogène ?

    3. Dessine une représentation à l'échelle microscopique de ce mélange et légende ton schéma.

    16
    Liquides non miscibles et aspect microscopique.

    Modéliser des phénomènes pour les expliquer.
    Compétence

    On mélange de l'eau et de l'huile : on obtient un mélange hétérogène.

    1. Combien de sortes de molécules sont présentes dans le mélange ?

    2. Dessine une représentation de ce mélange à l'échelle microscopique et légende ton schéma.

    Doc. 3 : Liquide non miscible.
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    Crédits : A. Aubert

    17
    Ébullition à l'échelle des particules.

    Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant le vocabulaire adapté.
    Compétence

    On fait chauffer de l'eau liquide jusqu'à la porter à ébullition.

    1. Décris à l'échelle des particules ce qui se passe au début du chauffage et lors de l'ébullition.

    18
    À l'échelle microscopique.

    Comprendre et interpréter des tableaux ou des documents graphiques.
    Compétence

    Voici une représentation de l'eau à l'échelle microscopique :

    Doc. 4 : Représentation de l'eau à l'échelle microscopique.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Indique s'il s'agit d'eau à l'état liquide, solide ou gazeux. Justifie ta réponse.

    19
    Les molécules présentes dans une cellule.

    Les êtres vivants sont constitués de cellules. En moyenne, une cellule contient 200 000 milliards de particules (deux suivi de quatorze zéros). On trouve :
    • 98,73 % de molécules d'eau ;
    • 0,47 % de molécules de divers lipides ;
    • 0,01 % de molécules de diverses protéines.
    1. Calcule le nombre de molécules d'eau qu'on trouve dans une cellule.

    20
    Masse et fusion de l'eau.

    Léa réalise l'expérience suivante :

    Doc. 5 : Expérience de la fusion de l'eau.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Quel est l'état physique initial de l'eau ? Quel est son état final ?

    2. Quel changement d'état a eu lieu ?
    3. Comment évolue la masse de l'eau au cours de ce changement d'état ?

    4. Propose une interprétation microscopique de cette observation expérimentale.

    Une notion, trois exercices
    Différenciation

    Compétence : Modéliser des phénomènes pour les expliquer.

    21-A
    Modèle particulaire et filtration. Un masque contre la pollution.

    Chaque hiver, les grandes agglomérations en France rencontrent des situations d'alerte à la pollution atmosphérique. Il est recommandé aux personnes à risques et aux sportifs de porter un masque pour sortir.

    Doc. 1 : Schéma des effets du masque contre la pollution.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Quel est l'état physique des constituants de l'air (en rouge et en bleu) ?

    2. Quel est l'état physique des grains de poussière polluante ?

    3. Compare la taille des constituants de l'air et des trous du masque.

    4. Compare la taille des grains de poussière et des trous du masque.

    5. Comment un filtre sépare-t-il les constituants de l'air des grains de poussière ?

    21-B
    Modèle particulaire et filtration. De l'eau sucrée.

    Manon dissout du sucre dans de l'eau mais elle en met trop : il reste du sucre solide non dissout. Elle souhaite le récupérer.

    1. Décris, au niveau macroscopique, comment un filtre sépare l'eau et le sucre non dissout.

    2. Fais un schéma représentant un filtre et faisant apparaitre les trous qu'il comporte.

    3. Complète le schéma en représentant les particules qui constituent un grain de sucre et celles qui constituent l'eau sucrée.

    21-C
    Modèle particulaire et filtration. Filtration d'une eau sableuse.

    Noé réalise une filtration pour séparer de l'eau du sable qu'elle contient.

    Schéma d'une filtration pour séparer de l'eau et du sable.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Explique, au niveau microscopique, comment le sable va être filtré. Fais un schéma et rédige une explication.

    J'approfondis

    22
    Diffusion des gaz.

    Modéliser des phénomènes pour les expliquer.
    Compétence

    Le dioxyde d'azote est un gaz de couleur rousse. On réalise l'expérience suivante. Attention, ce gaz est toxique et son usage réclame des précautions particulières d'utilisation.

    Diffusion des gaz.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    1. Qu'observes-tu lors de cette expérience ?

    2. Schématise les molécules présentes dans chacun des récipients au début et à la fin de l'expérience (tu considéreras que l'air est constitué d'un seul type de particules tout comme le dioxyde d'azote.

    3. Explique pourquoi un gaz n'a ni forme ni volume propre.

    23
    Tout est une histoire de particules.

    On dépose un glaçon dans un bécher. On place le bécher sur une plaque chauffante que l'on allume. On éteint la plaque chauffante lorsqu'il ne reste presque plus d'eau dans le bécher.

    1. Qu'est-il arrivé à l'eau qui constituait le glaçon ?

    2. Dessine l'allure de la courbe représentant la température de l'eau en fonction de la durée du chauffage.

    3. Pour chaque partie de la courbe, décris le changement qui s'opère pour les particules d'eau.

    24
    Ébullition et évaporation.

    On verse de l'eau dans une casserole que l'on dépose sur le rebord de la fenêtre. Au bout d'une journée, le niveau de l'eau aura baissé et cela s'accentuera les jours suivants. En effet, l'eau va s'évaporer progressivement, passant à l'état gazeux au niveau de la surface de contact entre l'eau et l'air ambiant. Plus la surface de la casserole est grande, plus l'évaporation sera rapide.
    Si on souhaite obtenir le même résultat plus rapidement encore, il suffit de faire chauffer la casserole. Au bout d'un moment, des bulles de gaz vont se former de façon régulière au sein du liquide et son niveau va baisser rapidement. Il s'agit d'une ébullition car des bulles de vapeur d'eau se forment dans l'ensemble du volume du liquide.

    1. Quel est le nom utilisé pour désigner le changement d'état dont il est question ici ?

    2. À l'aide du texte ci-dessus, explique pourquoi on dit que l'évaporation est un phénomène surfacique et l'ébullition un phénomène volumique.

    3. Quelle conséquence cela a-t-il pour les vitesses de ces deux phénomènes ?

    4. Cite en t'aidant du texte ci-dessus, trois paramètres qui influencent la vitesse de l'évaporation.

    5. Fais un schéma qui représente le phénomène d'évaporation au niveau microscopique.

    25
    La danse des particules.

    On peut se représenter le mouvement des molécules en effectuant une chorégraphie dans la classe, chaque élève se comportant comme une molécule. Créez une chorégraphie qui met en scène :

    1. la fusion d'un solide ;

    2. la dissolution d'un solide dans un liquide ;

    3. le mélange de deux liquides non miscibles.

    26
    Un parfum dans l'air.

    En ouvrant un flacon de parfum, il flotte vite dans l'air une odeur agréable.

    1. Schématise un flacon de parfum incliné et représente la surface libre du parfum.

    2. Représente les particules de parfum au niveau microscopique (bien que ce ne soit pas un corps pur, tu pourras représenter des particules toutes identiques).

    3. Représente sur le schéma le phénomène impliqué par la diffusion de l'odeur.

    Doc. 2 : Parfum
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    27
    Conservation de la masse.

    Caroline a appris en classe qu'au cours d'une dissolution, la masse de la solution est égale à la somme des masses du solvant et du soluté.
    Elle aimerait modéliser cette propriété à l'aide d'un modèle particulaire dans le cas de la dissolution de sel dans l'eau.

    1. Représente le sel à l'échelle microscopique. Tu pourras choisir n'importe quelle forme de particule.

    2. Représente l'eau à l'échelle microscopique.

    3. Représente le mélange du sel et de l'eau.

    4. À quel détail dois-tu faire attention pour bien montrer que la masse se conserve ?

    28
    Une nouvelle échelle de températures.

    Au quotidien, on mesure les températures en degrés Celsius. 0 °C correspond à la température de fusion de l'eau solide dans des conditions standards. En 1848, Lord Kelvin a montré qu'il existe une température en-dessous de laquelle il est impossible de descendre : le zéro absolu. Cela correspond à -273,15 °C ou 0 K dans l'échelle de Kelvin.

    1. Quelle est la température la plus faible dans l'univers (en degrés Celsius) ?

    2. Quelle est la température de fusion de l'eau solide en Kelvin ?

    3. Quelle est la température de vaporisation de l'eau liquide en degrés Celsius et en Kelvin ?

    4. Au niveau microscopique, comment évolue le mouvement des particules d'eau si la température diminue ?

    5. Propose une hypothèse sur le mouvement des particules d'eau à la température du zéro absolu.

    29
    La membrane Gore-Tex.

    Interpréter des résultats.
    Compétence

    La membrane Gore-Tex est un tissu imperméable et respirant. C'est une couche fine qui contient des milliards de trous microscopiques d'un diamètre d'environ 0,2 micromètre appelés « pores ». Chaque pore est 20 000 fois plus petit qu'une goutte d'eau et 700 fois plus grand qu'une molécule d'eau.

    1. Pourquoi la pluie ne peut-elle pas traverser la membrane ?

    2. Pourquoi la vapeur d'eau due à la transpiration peut-elle traverser la membrane ?

    3. Calcule la taille approximative d'une molécule d'eau.

    4. Pourquoi peut-on dire que ce tissu est imperméable et respirant ?

    Je résous un problème

    Compétence : Mettre en œuvre un raisonnement logique simple pour résoudre un problème.
    À l'ouverture d'une boite de chocolats, avant même de déguster le contenu, on peut en apprécier l'aspect brillant et le décor travaillé. Pourtant, lorsque l'on essaie d'en confectionner soi-même, le chocolat est mat et terne avec parfois des traces blanches à sa surface.
    Explique à l'échelle des particules comment les différentes étapes de la préparation du chocolatier permettent d'obtenir du chocolat brillant et croquant.

    Doc. 1
    Beurre de cacao : un seul liquide pour plusieurs solides possibles.

    Le chocolat contient au minimum 31 % minimum de beurre de cacao. À l'état solide, 5 cristallisations différentes sont possibles pour les molécules de ce beurre. Les formes 1 à 3 évoluent spontanément vers les formes 4 et 5, plus stables, en provoquant l'apparition de taches blanches peu appétissantes. La technique du tempérage, permet d'obtenir d'emblée, par pré-cristallisation, uniquement les cristaux de la forme 4 qui rend le chocolat croquant et brillant.

    Cristaux12345
    Températures de solidification (plage en °C)16 à 1821 à 2427 à 2931 à 3434 à 37

    Doc. 2
    Courbe de température à suivre pour sélectionner les cristaux de forme 4.

    Doc. 2 : Courbe de température à suivre pour sélectionner les cristaux de forme 4.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.

    Lors de la solidification finale du beurre de cacao, la cristallisation qui s'opère est « guidée » par les cristaux présents à ce moment-là dans la préparation.

    Exercices supplémentaires

    30
    Modèle moléculaire d'un gaz.

    1. Les mots ou groupes de mots suivants caractérisent les molécules dans l'état gazeux excepté un. Quel est l'intrus ?




    31
    Les molécules présentent dans une cellule

    Les êtres vivants sont constitués de cellules. En moyenne, une cellule contient 200 000 milliards de particules (2 suivi de quatorze zéros). On trouve :
    • 98,73 % de molécules d'eau
    • 0,47 % de molécules de divers lipides
    • 0,01 % de molécules de diverses protéines
    1. Calcule le nombre de molécules d'eau qu'on trouve dans une cellule.

    32
    Le quatrième état de la matière : le plasma.

    99 % de l'univers visible n'est pas l'état solide, ni liquide, ni gazeux mais à l'état de plasma. Le Soleil, la foudre et les aurores boréales sont des exemples de plasmas naturels. Les néons et certains écrans sont des plasmas fabriqués par l'Homme.
    Pour créer un plasma, on apporte de l'énergie à un gaz. Un mélange complexe de particules plus petites que celles étudiées dans ce chapitre se crée. On trouve des atomes ou des molécules qui, du fait de la grande énergie présente, sont « épluchés » de leurs électrons, formant une sorte de gaz constitués d'ions et d'électrons.

    1. Quel est le quatrième état fondamental de la matière ?

    2. Est-ce que les particules dans un plasma ont une faible ou une haute énergie ?

    3. Quelles sont les particules qui sont citées dans le texte ?


    Une aurore boréale.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.
    Crédits : United States Air Force/Joshua Strang/Wikimedia

    33
    Le quatrième état de la matière : le plasma.

    Le sucre utilisé en confiserie est le plus souvent constitué de particules de saccharose. Quand un sirop de sucre refroidit, ces particules vont se liées entre elles pour constituer du sucre solide. Pour fabriquer une confiserie crémeuse, on favorise la constitution de cristaux entre ces particules par un chauffage doux.
    Au contraire, pour fabriquer une sucrerie dure et cassante, on empêche la formation de cristaux par un chauffage plus brutal et l'ajoute d'autres sucres comme le glucose de taille différente.

    1. Quel est le nom de la particule qui compose le plus souvent les sucres ?

    2. Un caramel est-il constitué de solides cristallin ou amorphe ?

    3. Même question pour une sucette ?

    34
    Une année miraculeuse.

    En 1905, Albert Einstein publia quatre articles scientifiques qui bouleversèrent les sciences physiques dans de nombreux domaines. Il avait alors 26 ans. C'est ce qu'on appelle son année miraculeuse. Un de ces articles proposait une explication du mouvement brownien.

    1. Au niveau microscopique, de quoi est constituée l'eau liquide (en considérant que c'est un corps pur) ?

    2. Décris le mouvement des constituants de l'eau.
    3. Pourquoi est-ce que les grains de pollens dans l'eau ont un mouvement rapide et désordonné ?
    Albert Einstein en 1921.
    Le zoom est accessible dans la version Premium.
    Crédits : F. Schmutzer/Wikimedia

    Parcours de compétences

    Compétence : Modéliser des phénomènes pour les expliquer.

    35
    Une année miraculeuse.

    Relis le texte concernant la membrane Gore-Tex (exercice n° 29).

    1. Fais un schéma représentant la membrane en Gore-Tex et la manière dont les gouttes d'eau sont bloquées tandis que les particules d'eau passent.
    Niveau 1
    J'identifie le phénomène physique à expliquer.
    Dans quel état physique se trouve l'eau lorsqu'elle est sous forme de gouttes ?
    Coup de pouce
    Niveau 2
    Je fais le lien entre le phénomène et le modèle qui m'est proposé pour expliquer.
    Regarde le bilan et décris l'organisation des particules à l'état liquide.
    Coup de pouce
    Niveau 3
    J'utilise le modèle qui m'est proposé pour expliquer le phénomène.
    Ta représentation doit faire apparaitre la différence entre la goutte d'eau liquide et la particule.
    Coup de pouce
    Niveau 4
    Je propose un modèle permettant d'expliquer le phénomène.
    Vérifie que la taille des trous de ta membrane permet d'expliquer ce qu'il se passe.
    Coup de pouce

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