Physique-Chimie 1re Spécialité

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1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 2
Composition chimique des solutions
Ch. 3
Évolution d'un système chimique
Ch. 4
Réactions d'oxydoréduction
Ch. 5
Détermination d'une quantité de matière par titrage
Livret Bac : Thème 1
Ch. 6
De la structure à la polarité d'une entité
Ch. 7
Interpréter les propriétés d’une espèce chimique
Ch. 8
Structure des entités organiques
Ch. 9
Synthèse d'espèces chimiques organiques
Ch. 10
Conversions d'énergie au cours d'une combustion
Livret Bac : Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Modélisation d'interactions fondamentales
Ch. 12
Description d'un fluide au repos
Ch. 13
Mouvement d'un système
Livret Bac : Thème 2
3. L'énergie, conversions et transferts
Ch. 14
Études énergétiques en électricité
Ch. 15
Études énergétiques en mécanique
Livret Bac : Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 16
Ondes mécaniques
Ch. 17
Images et couleurs
Ch. 18
Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière
Livret Bac : Thème 4
Méthode
Fiches méthode
Fiche méthode compétences
Annexes
Chapitre 1
Cours

Composition chimique d'un système

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1
La masse molaire

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A
De quoi s'agit‑il ?

La masse molaire est la masse d'une mole d'entités chimiques (atomes, ions ou molécules) identiques. Elle est notée M et a pour unité le g·mol-1.

Chaque élément chimique naturel ou artificiel possède une masse molaire moyenne disponible dans le tableau périodique des éléments (voir doc. 1 et rabat de fin).

Cette valeur est calculée à partir de la masse et de la répartition des isotopes de cet élément.

Exemple : le chlore est présent majoritairement sous deux formes isotopiques ^{35}\text{Cl} (75{,}8\, \%) et ^{37}\text{Cl} (24{,}2 \, \%) : la masse molaire de l'élément \text{Cl} est alors de 35,5 g·mol-1. On a ainsi :
M_{\text{Cl}}=\dfrac{75{,}8}{100} \times 35+\dfrac{24{,}2}{100} \times 37=35{,}5 g·mol-1
Cette valeur est conforme à celle mentionnée dans le tableau périodique des éléments à retrouver sur le rabat de fin du manuel.
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Doc. 1
Le chlore (\text{Cl})

Le chlore Cl
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Doc. 2
La constante d'Avogadro

Cette constante correspond au nombre d'entités élémentaires qui se trouvent dans une mole de matière.
N_{\mathrm{A}} : 6,02 \times 1023 mol-1.

Le nom de cette constante rend hommage au chimiste Amedeo Avogadro (1776-1856) pour ses travaux quantitatifs sur les gaz. Par usage, on appelle aussi cette constante le nombre d'Avogadro.

Placeholder pour Amedeo AvogadroAmedeo Avogadro
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B
Comment se calcule‑t‑elle ?

La masse molaire d'une entité chimique se détermine à partir des différents éléments chimiques qui la composent.

Pour les espèces chimiques monoatomiques, la masse molaire est directement celle de l'élément telle qu'indiquée dans la classification périodique des éléments.

Pour les espèces chimiques moléculaires, la masse molaire est égale à la somme des masses molaires des éléments constituant la molécules coefficientées par le nombre d'apparition de l'élément dans la molécule.

Pour les ions, la masse molaire est la même que celle de l'espèce neutre associée, la masse des électrons gagnés ou perdus étant toujours négligeable devant la masse de l'entité chimique neutre.
  • M(\text{Al})=27{,}0 g·mol-1. La masse molaire est celle indiquée dans le tableau périodique.
  • La molécule de dioxyde de carbone comporte 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène :
    M(\text{CO}_{2})=M(\mathrm{C})+2 M(\mathrm{O})=12{,}0+2 \times 16{,}0=44{,}0 g·mol-1.
  • M(\mathrm{Na}^{+})=M(\mathrm{Na})=22{,}9 g·mol-1. La masse molaire d'un ion monoatomique est égale à la masse molaire de l'élément.
  • M(\mathrm{SO}_{4}^{2-})=M(\mathrm{SO}_{4})=M(\mathrm{S})+4 M(\mathrm{O})=32{,}1+4 \times 16{,}0=96{,}1 g·mol -1.

Remarque : Parfois, les éléments chimiques et entités chimiques peuvent être indiqués en indice et non entre parenthèses après la lettre M.
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Doc. 3
Étiquette d'une bouteille d'éthanol

Éthanol, ou ethyl alcohol

Formule : \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}
M= 46,07 g·mol-1
T_{\text{éb}}= 79 °C
\rho= 0,789 g·L-1
Pictogramme inflammable
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Pas de malentendu

  • Attention à la rigueur dans l'écriture : distinguer clairement n et m, ainsi que m et M.
  • Bien différencier la constante d'Avogadro N_\text{A} le nombre d'entités N(a) pour une espèce a.
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    Supplément numérique

    Retrouvez sur le calcul des masses molaires des espèces chimiques.
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    2
    La détermination d'une quantité de matière

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    La quantité de matière est indispensable au chimiste pour décrire l'état d'un système chimique et expliquer son évolution. Il n'existe pas d'appareil de laboratoire permettant une mesure directe de sa valeur. Il faut donc la calculer à partir d'une autre mesure simple.

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    A
    À partir de la masse (tous les états)

    La quantité de matière et la masse d'une même entité chimique \text{X} sont proportionnelles entre elles, suivant la relation :

    n(\mathrm{X})=\dfrac{m(\mathrm{x})}{M(\mathrm{x})} avec :
    • la quantité de matière n(\text{X}) en mol ;
    • la masse m(\text{X}) en g ;
    • la masse molaire M(\text{X}) en g·mol-1.
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    Doc. 4
    Mesure expérimentale

    Placeholder pour Mesure de poids et de volume Mesure de poids et de volume
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    2,8 mol de fer solide (a) et 2,8 mol d'eau liquide (b).
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    B
    À partir du volume (corps pur liquide)

    Pour les liquides, dans le cas des corps purs, il peut être plus facile de mesurer un volume. Dans ce cas, on utilise la masse volumique du liquide. La masse d'un liquide est alors le résultat du produit m(\text{X})=\rho(\text{X}) \cdot V(\text{X}).

    En remplaçant dans la formule précédente, on obtient :
    n(\text{X})=\rho(\text{X}) \cdot \dfrac{V(\text{X})}{M(\text{X})} avec :
    • la quantité de matière n(\text{X}) en mol ;
    • la masse volumique \rho(\text{X}) en g·L-1 ;
    • le volume de corps pur liquide V(\text{X}) en L ;
    • la masse molaire M(\text{X}) en g·mol-1.
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    Éviter les erreurs

  • Attention aux unités en chimie : la masse est en g et le volume en L.

  • Attention à distinguer P pour pression et \rho pour masse volumique !

  • La masse volumique \rho est une donnée propre à un corps pur et son unité SI est le kg·m-3. Attention donc à bien identifier son unité avant de l'utiliser pour le calcul d'une quantité de matière de liquide.
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    C
    À partir du volume (corps pur gazeux)

    Dans les mêmes conditions de température et de pression, une mole de gaz occupe un volume précis qui ne dépend pas de la nature du gaz considéré. Ce même volume molaire se note V_\text{m} et s'exprime en L·mol-1. La relation est alors :
    n(\text{X})=\dfrac{V(\text{X})}{V_{\text{m}}} avec :
    • la quantité de matière n(\text{X}) en mol ;
    • le volume de gaz V(\text{X}) en L ;
    • le volume molaire V_{\text{m}}(\text{X}) en L·mol-1.

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    Pas de malentendu

    Lorsque la pression ou la température d'un système varie, alors la valeur du volume molaire varie. Par exemple, à la même pression P = 1,013 bar, le volume molaire vaut V_\text{m} = 22,4 L·mol-1 à T = 0 °C et il vaut V_\text{m} = 24,0 L·mol-1 à T = 20 °C.
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    Application
    Un système chimique présente, entre autres, l'ensemble des quantités de matière de toutes les espèces chimiques. Donner la composition d'un système chimique de 3,5 g de sel (chlorure de sodium \text{NaCl}) et 4,2 g de fer.

    Corrigé

    n_{\mathrm{sel}}=\dfrac{m_{\mathrm{sel}}}{M(\mathrm{NaCl})}=\dfrac{3{,}5}{58{,}5}=6{,}0 \times 10^{-2} mol ;
    n_{\text {fer}}=\dfrac{m_{\text {fer}}}{M(\mathrm{Fe})}=\dfrac{4{,}2}{55{,}8}=7{,}5 \times 10^{-2} mol.
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    Données

    • M(\text{NaCl})= 58,5 g·mol-1;
    • M(\text{Fe})= 55,8 g·mol-1.

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