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Physique-Chimie 2de

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Chapitre 3


Cours




1
Constitution de la matière


Doc. 1
Essayer de voir les atomes

Retrouvez une vidéo sur le premier homme à avoir observé des atomes.

Vocabulaire

  • Anion : ion négatif.
  • Atome : brique élémentaire de la matière.
  • Cation : ion positif.
  • Composé ionique : solide composé d'ions disposés en structure ordonnée pouvant se dissocier en solution.
  • Espèce chimique : ensemble constitué d’un très grand nombre d’une même entité.
  • Ion : entité chimique élaborée à partir d’atomes et électriquement chargée.
  • Molécule : entité chimique neutre élaborée à partir d’atomes.

  • C
    Cas particulier des composés ioniques

    On appelle composés ioniques des corps constitués d’ions liés entre eux par des interactions électrostatiques.

    Mise en solution dans l'eau, ces composés ioniques se dissocient en cations (ions ++) et en anions (ions -).

    L’électroneutralité est vérifiée en permanence. Un composé ionique apporte donc en solution autant de charges positives que de charges négatives.



    Exemple de quelques composés ioniques :
  • NaCl\text{NaCl} (sel de cuisine, structure cristalline ordonnée) se dissocie dans l’eau en Na+\text{Na}^+ et Cl\text{Cl}^- ;
  • Al2(SO4)3\text{Al}_{2}(\text{SO}_{4})_{3} (sulfate d'aluminium) se dissocie dans l'eau en 2 Al3+\text{Al}^{3+} et 3 SO42.\text{SO}^{2-}_{4}.
  • Pas de malentendu

    Il n’y a pas toujours autant de cations que d’anions mais il y autant de charges positives que de charges négatives.

    B
    À l’échelle macroscopique

    La masse d'une entité chimique est en général de l'ordre de 10-26 kg. On en compte des milliards de milliards dans le moindre échantillon de matière (environ 30 millions de milliards de milliards de molécules d’eau dans 1 L, par exemple).

    Ce qui définit une espèce chimique au niveau macroscopique, c’est-à-dire à notre échelle, dépend intrinsèquement de l’entité microscopique qui la compose


    Des paramètres physiques permettent de caractériser ce corps au niveau macroscopique : son état physique à une température donnée (solide, liquide ou gazeux), sa couleur, sa masse volumique, etc.

    Ces paramètres sont directement liés aux interactions au niveau microscopique des entités chimiques qui constituent cette espèce chimique.

    Exemple : ce qui définit le sel de cuisine, c’est l’entité NaCl\text{NaCl}. Sa structure cristalline au niveau microscopique (doc. 2) permet d’expliquer ses caractéristiques macroscopiques observées : son aspect, son état physique, etc.


    A
    À l’échelle microscopique

    Depuis le début du XXe siècle, l’existence des atomes est confirmée. Ils ont même pu être visualisés dès les années 1950 (doc. 1). À l’échelle microscopique, il faut considérer différents types de structures chimiques s’appuyant sur la notion d’atome :

  • la structure atomique (par exemple le fer : Fe\text{Fe}) ;

  • la structure moléculaire (par exemple le saccharose : C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}) ;

  • la structure ionique avec des ions positifs appelés cations et des ions négatifs appelés anions (Na+\text{Na}^+ et Cl\text{Cl}^- dans une eau salée par exemple).

  • Doc. 2
    Le sel à l'échelle microscopique

    Le sel à l'échelle microscopique
    Légende : Gris : Na+ ; Vert : Cl-.

    2
    La quantité de matière

    Éviter les erreurs

    Attention à exprimer les masses dans la même unité avant de se lancer dans les calculs.

    Vocabulaire

  • Mole : ensemble de NA=6,02214076×1023N_{\mathrm{A}}=6\text{,}02214076 \times 10^{23} entités.

  • Quantité de matière : nombre d’entités (unité : mol) que contient un échantillon.

  • Doc. 3
    Dune de sable à Abu Dhabi

    Dune de sable à Abu Dhabi
    Quelle unité est adaptée pour compter le nombre de grains de sable constituant une dune ?

    Éviter les erreurs

    Une rédaction appropriée doit éviter d’utiliser laformulation « le nombre de moles est… » ou bien « la quantité de matière d’ions Zn2+\text{Zn}^{2+} est de 3,0 mol ».
    Il convient d’écrire « la quantité d’ions Zn2+\text{Zn}^{2+} est de 3,0 mol ».

    A
    Détermination de la masse d’une entité

    La masse des molécules est calculée en faisant la somme des masses des atomes les constituant.

    Exemple : la masse d’une molécule d’eau H2O\text{H}_2 \text{O} est égale à la masse de deux atomes d’hydrogène H\text{H} plus celle d’un atome d’oxygène O.\text{O}.

    De même pour les ions polyatomiques, leur masse est la somme des masses des atomes les constituant.

    Exemple : la masse d’un ion sulfate SO42\mathrm{SO}_{4}^{2-} est égale à la masse d’un atome de soufre S\text{S} à laquelle s’ajoute celle de quatre atomes d’oxygène O\text{O}. En effet, la masse des électrons est négligeable devant la masse des atomes et elle n’affecte donc pas la masse de l’entité.


    B
    Nombre d’entités et quantité de matière

    La proportionnalité, entre la masse de l’échantillon meˊchm_{éch} et le nombre NN d’entités chimiques qu’il contient, permet de calculer NN à partir de la masse mm d’une entité :
  • 1 entité → mm ;
  • NN entités → meˊchm_{ éch} ;
  • d'où N=meˊchmN = \dfrac{m_{ éch }}{m}.

  • N étant très élevé (des milliards de milliards !), il est plus simple d’imaginer des boîtes de rangement de ces entités. En chimie, ces boîtes s'appellent des moles. La quantité de matière s'exprime en moles (symbole : mol).

    Chaque mole contient un nombre défini d’entités :
    NA=6,022×1023N_{A}=6\text{,}022 \times 10^{23} mol-1. Ce nombre s'appelle nombre d'Avogrado.
    Comme il y a proportionnalité entre nn et NN, on a :
  • 1 mol → NAN_A ;
  • nn mol → NN ;
  • d'où n=NNAn=\dfrac{N}{N_{\mathrm{A}}}.
  • Application

    Calculer la quantité de matière nn correspondante à meˊch=10m_{éch}=10 g de sucre (C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}).

    Corrigé : Une molécule de sucre a une masse mm égale à :
    m=12m(C)+22m(H)+11m(O)=12×1,99×1026+22×1,67×1027+11×2,66×1026=5,68×1025kg\begin{aligned} m&=12 m(\mathrm{C})+22m(\mathrm{H})+11m(\mathrm{O}) \\&=12 \times 1\text{,}99 \times 10^{-26}+22 \times 1\text{,}67 \times 10^{-27}+11 \times 2\text{,}66 \times 10^{-26} \\&=5\text{,}68 \times 10^{-25} \, \mathrm{kg} \end{aligned}

    Il y a proportionnalité entre meˊchm_{éch} et NN :
    1 molécule → mm, d'où Nm=meˊchN \cdot m=m_{éch} soit N=meˊchmN=\dfrac{m_{éch}}{m}
    N=0,0105,68×1025=1,76×1022N=\dfrac{0\text{,}010}{5\text{,}68 \times 10^{-25}}=1\text{,}76 \times 10^{22} molécules.

    Il y a proportionnalité entre NN et nn :
    NAN_A molécules → 1 mol d'où N=nNA soit n=NNAN=n \cdot N_{\mathrm{A}} \text { soit } n=\dfrac{N}{N_{\mathrm{A}}}
    n=1,76×10226,022×1023=2,9×102n=\dfrac{1\text{,}76 \times 10^{22}}{6\text{,}022 \times 10^{23}}=2\text{,}9 \times 10^{-2} mol de molécules.

    Remarque : Le résultat a deux chiffres significatifs.

    Supplément numérique

    Retrouvez une vidéo en anglais sur les méthodes de calcul pour passer de la masse d'un échantillon à la quantité de matière.

    Données

    Différentes masses d’atomes :
    • m(H)=1,67×1027m(\mathrm{H})=1\text{,}67 \times 10^{-27} kg ;
    • m(C)=1,99×1026m(\mathrm{C})=1\text{,}99 \times 10^{-26} kg ;
    • m(O)=2,66×1026m(\mathrm{O})=2\text{,}66 \times 10^{-26} kg.

    Pas de malentendu

    Bien écrire le nombre d’atomes en indice et les charges en exposant.
    Le coefficient multiplicateur 4 dans SO42\mathrm{SO}_{4}^{2-} ne s’applique qu’à l'atome de O.\text{O}.
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