cours de chimie des secondes 5 du lycée thibaut de...
TRANSCRIPT
Cours de Chimie des Secondes 5
du Lycée Thibaut de Champagne de Provins
Année 2009-2010 M. Eric Jouguelet
Chapitre 1 Synthétique ou naturel ?
Lorsque l'on utilise un produit pour laver les sols, il est souvent parfumé à l'orange, au muguet
ou à d'autres parfums. Le chimiste arrive ainsi à synthétiser des substances qu'il serait difficile
d'extraire rapidement de la nature (essence de rose par exemple). Le but de ce chapitre est de
dresser des listes et de classer quelques espèces chimiques. On verra aussi par quel processus
on peut obtenir une substance de synthèse.
I. Qu'est-ce qu'une espèce chimique ?
Une espèce chimique est une substance qui ne peut être décomposée par un procédé physique
comme la filtration, la distillation, etc.
Ex : le chocolat, l'alcool de pharmacie, le diamant, l'essence, l'or, le plastique.
Finalement, on parle d'espèce chimique lorsque la substance n'est pas un mélange mais un
corps pur.
Figure 1 : à gauche, une espèce chimique qui est un corps pur et, à droite, un mélange
chimique constitué de deux espèces chimiques.
II. Comment différencier une espèce naturelle d'une espèce synthétique ?
- Une espèce chimique naturelle est issue de la Nature (on peut parler de l'herboristerie). Par
exemple, l'huile d'amande douce est une espèce chimique naturelle.
- Une espèce chimique synthétique est une espèce synthétisée par le chimiste dans son
laboratoire ou dans l'industrie.
* espèce de synthèse imitant la nature (par exemple, l'acide salicylique)
* espèce de synthèse artificielle (de meilleure qualité que l'espèce naturelle, l'acide
acétylsalicylique)
Il est souvent impossible de différencier une espèce chimique naturelle d'une espèce
synthétique (production d'insuline par exemple).
NATURE LE CHIMISTE
COPIAGE
Naturelle
Synthèse
Artificielle
Figure 2 : Un schéma des espèces chimiques naturelles, synthétiques et synthétiques
artificielles.
III. Manipulation d'une espèce chimique.
III.1. Sécurité générale.
a. Voir polycopié sur la sécurité.
b. Comment utiliser le bec Bunsen ?
III.2. Pictogrammes de sécurité.
Pictogramme Interprétation Pictogramme Interprétation
Explosif
Toxique
Inflammable
Toxique, irritant,
sensibilisant, narcotique
Comburant
Sensibilisant, mutagène,
cancérogène,
reprotoxique
Gaz sous pression
Danger pour le milieu
aquatique
Corrosif
Toxique
Figure 3 : Les anciens pictogrammes encore
présents sur les produits chimiques.
CONCLUSION GENERALE
A travers ce chapitre, on voit bien qu'il est stupide de
dire qu'une espèce est chimique ("ah j'aime bien ce
chewing-gum, il est chimique ").
En fait tout est chimique ! Il faudrait plutôt dire :
j'aime bien telle boisson parce qu'elle est constituée
d'espèces chimiques synthétiques mais… c’est plus
long !
Chapitre 2 Comment extraire une espèce chimique ?
Introduction :
Dans le chapitre précédent, nous avons vu ce qu'était un mélange chimique et une espèce
chimique. Cependant, nous ne savons pas encore comment extraire une espèce chimique.
Que signifie extraire ? C'est séparer un élément du mélange de la matière première dont il fait
partie (extraction d'une essence de rose par distillation, extraction de l'huile par un solvant
organique).
Voyez-vous, un parfum éveille la pensée. Victor Hugo, Les rayons et les ombres, XXVIII
I. Quelles techniques de séparation utilise-t-on ?
Expression : faire sortir par pression (un liquide) : par exemple, un jus de citron, une huile. Décantation : séparer par gravité des matières solides ou liquides en suspension qu'on laisse
déposer. Filtration : faire passer à travers un appareil (tissu ou passoire) un liquide pour le débarrasser
des particules solides qui s'y trouvent (filtre à café). Décoction : action de faire bouillir dans l'eau une substance pour en extraire les principes
solubles. Macération : opération qui consiste à laisser tremper à froid un corps ou une substance dans
un liquide pour en extraire les constituants solubles. Distillation : technique qui consiste à amener à ébullition un mélange liquide, puis à
condenser les vapeurs qui se dégagent pour les récupérer dans un autre récipient.
La distillerie de Provins produit du bio-éthanol, des
alcools traditionnels et des drêches à partir du blé. Le
site emploie 45 salariés permanents.
Activité 1 : A CHACUN SA SÉPARATION !
mélanges proposés espèce à
séparer A
espèce à
séparer B
technique
utilisée
vinaigrette
jus d'orange
lait
solution saturée en sel
décoction de peaux de
citron
sang
eau + cyclohexane
menthe à l'eau
rhum
Hydrodistillation ou entraînement à la vapeur.
Il s'agit de mélanger la substance qui contient l'espèce à extraire avec de l'eau et à faire
entraîner par les vapeurs d'eau cette espèce chimique dans le distillat final. Ce distillat
contient le mélange chimique eau + alcool. (voir TP sur l'hydrodistillation).
Figure 4 : Le montage d’hydrodistillation avec le distillat recueilli dans l’erlenmeyer.
Le texte qui suit est extrait du roman de Patrick Süskind, Le Parfum (éditions Fayard, 1986).
"Il sortait son gros alambic, une chaudière de cuivre rouge coiffée d'un chapiteau - un
alambic "tête de maure". Tandis que Grenouille coupait en petits morceaux le matériau à
distiller, Baldini faisait fiévreusement du feu dans le foyer en maçonnerie, sur lequel il plaçait
la chaudière de cuivre, bien garnie d'eau dans son fond. Il y jetait les plantes coupées en
morceaux, enfonçait la tête de maure sur son support et y branchait deux petits tuyaux pour
l'arrivée et la sortie d'eau. Peu à peu la chaudière parvenait à ébullition. Et, au bout d'un
moment, d'abord en hésitant et goutte à goutte, puis en un mince filet, le produit de la
distillation s'écoulait de la tête de maure par un troisième tuyau et aboutissait dans un vase
florentin que Baldini avait mis en place. Peu à peu cette soupe se séparait en deux liquides
distincts: en bas se ramassait l'eau des fleurs ou des plantes et au-dessus flottait une épaisse
couche d'huile. Si, par un bec inférieur de ce récipient florentin, on évacuait
précautionneusement l'eau des fleurs, qui n'avait qu'un faible parfum, il restait l'huile pure,
l'essence, le principe vigoureux et odorant de la plante."
Exercice : Dans quelle partie du montage a lieu la condensation ? Pourquoi l'eau est-elle
évacuée par le bas du vase florentin ?
II. Extraire avec un solvant.
1. Densité
Réalisons tout d’abord l’expérience de cours… On veut connaître le métal dont est fait un cylindre.
Pour la masse, nous mesurons simplement à la balance en tarant avant (m=178g) et pour le volume, nous plongeons le cylindre dans une éprouvette graduée et la différence de hauteur d’eau nous donne le volume : 20 mL.
La masse volumique est donnée par la formule =m/V (m en kg et V en m3) et la densité d est le rapport entre la masse volumique de l’espèce chimique et celle de l’eau qui est de 1000 kg/m3.
3
3
6
0
178.108900 .
20.10
89008, 9
1000
mkg m
V
d
Le métal possédant une telle densité est le cuivre !
2. Miscibilité-solubilité.
Le solvant est un liquide dans lequel on dissout des espèces chimiques (le soluté) : par exemple, le sulfate de cuivre (soluté) se dissout dans l'eau (solvant) pour donner une solution aqueuse de sulfate de cuivre..
Pour réaliser une extraction par solvant, il faut que les solvants soient non-miscibles (ne se mélangent pas). L'eau et l'huile sont non-miscibles.
On peut extraire une espèce chimique contenue dans une substance en utilisant un solvant dans lequel l'espèce chimique à extraire est très soluble. Le sucre, le sel ou la soude sont très solubles dans l'eau car ils se dissolvent très facilement. Nous avons vu en TP que le diiode est très peu soluble dans l'eau.
2. Passer d'un mauvais solvant à un très bon solvant.
Dans le cas de l'eau iodée vue en TP : le diiode peu soluble dans l'eau passe immédiatement dans le solvant où le diiode est le plus soluble (cyclohexane).
Pour extraire une espèce chimique d'un liquide à un autre, on utilise une ampoule à décanter. L'espèce soluble va migrer pendant le mélange vers son solvant préféré.
Si les molécules sont organiques (constituées en majorité de molécules de carbone et d'hydrogène) alors elles sont plus solubles dans la phase organique (solvant comme le dichlorométhane et cyclohexane).
Dans l'ampoule à décanter, l'eau (phase aqueuse) et le solvant (phase organique) se répartissent suivant leur densité notée d.
La densité de l'eau est de d=1, celle du dichlorométhane de d=1,32 donc le dichlorométhane est plus dense que l'eau ("plus lourd") et coule sous l'eau.
Figure 5 : Dans les ampoules à décanter, on observe la migration progressive du diiode de
l’eau (en a) vers le cyclohexane qui se voit teinté en rouge foncé en (b).
Chapitre 3
Comment synthétiser une espèce chimique ?
Introduction :
La chimie de synthèse a réellement commencé au début du XIXè siècle par Wöhler qui a
accidentellement découvert la synthèse de l'urée. La mauvéine, un colorant violet a été
inventée ensuite par Henry Perkin et, dès lors, les robes de l'empire ou de l'Angleterre
victorienne prirent des teintes magnifiques impossibles à obtenir par la chimie naturelle.
Une robe victorienne teinte à la mauvéine.
I. Qu'est-ce qu'une synthèse chimique ?
1. Commencer sa synthèse.
- Faire une synthèse, c'est effectuer une transformation chimique qui va transformer certains réactifs en produits.
réactifs1 + réactifs2 → produits1 + produits2
- une synthèse s'effectue dans des conditions particulières que l'on note souvent au dessus de
la flèche (les réactifs en excès, le solvant qui est utilisé ou la température).
acide acétique + alcool isomylique → acétate d'isoamyle + eau
2. Finir sa synthèse.
Une fois la synthèse terminée, il faut souvent extraire le produit désiré par une extraction
(distillation, extraction par solvant,...)
II. Comment être sûr de sa synthèse ? La chromatographie.
Il s'agit de caractériser les produits de la synthèse. On effectue une chromatographie sur papier buvard (Whatman) ou beaucoup plus souvent
une chromatographie sur couche mince de silice (CCM). C'est la phase fixe. On pose quelques gouttes de produits avec une pipette Pasteur sur une ligne de dépôt et on
pose la plaque dans un bain de solvant. Le solvant qui touche à peine la plaque va s'élever par capillarité et entraîner les espèces
chimiques déposées : on l'appelle éluant ou phase mobile.
Plus l'espèce chimique a une grande solubilité dans l'éluant , plus elle monte. A la fin, on trace une ligne de front de solvant et on révèle à la lampe UV. On extrait du chromatogramme les différents rapports frontaux des taches révélées. On
définit le rapport frontal par Rf = h/H
CHAPITRE 4
Des modèles simples de description de l’atome
Retour au cours de chimie
Introduction :
La révélation de la structure de l'atome s'est faite très rapidement une fois la radioactivité
découverte par Becquerel à la fin du XIXè siècle. C'est l'anglais Rutherford qui a permis de
révéler la structure de l'atome (noyau et électrons) en le bombardant avec des particules alpha.
I. Un modèle de l'atome
1. le noyau.
Le noyau est constitué de protons et de neutrons. Il y a Z protons et N neutrons. Le nombre de
nucléons (les constituants du noyau) est désigné par la lettre A.
A = Z (protons) + N (neutrons), A le nombre de nucléons.
Z le nombre de protons et aussi le numéro atomique de l'atome (son numéro de série en
somme).
On représente symboliquement le noyau d'un atome X par la représentation symbolique A
ZX.
2. l'atome
L'électron est une particule 1830 fois moins lourde que le proton qui tourne autour du noyau
(masse de l'électron = 9,1.10-31
kg, masse du proton = 1,673.10-27
kg). L'électron est chargé
électriquement (il est responsable de la conduction électrique dans un fil de cuivre par
exemple) et a la charge électrique élémentaire négative e=-1,6.10-19
C (C pour l'unité de
charge qui est le coulomb).
Les protons sont chargés avec une charge opposée positive +e ce qui fait qu'un atome qui est
constitué de Z protons (charge Z×e), de N neutrons (N×0) et de Z électrons (charge -Z×e) est
neutre.
L'atome est donc neutre et sa masse est concentrée dans son noyau.
Calculons la masse d'un atome de lithium (3 protons, 4 neutrons) avec les données du tableau
:
particule proton neutron électron
symbole p n e-
masse mp = 1,673×10-27 kg mn = 1,675×10-27 kg me = 9,109×10-31 kg
charge +e 0 -e
M(atome lithium 73Li) =
3×1,673.10-27
+4×1,675.10-27
+3×9,109.10-31
=1,172.10-26
kg.
on remarque que l'on trouve la même chose si l'on considère que la
masse des électrons est négligeable.
Le noyau est très petit : il est 100 000 fois plus petit que l'atome. Si le noyau était un ballon de
football au lycée, l'électron sera probablement situé à Bray ou à Nogent !
II. L'élément chimique
1. définition.
Lors du TP sur le cuivre dans tous ses états, nous avons observé qu'avec du cuivre, nous ne
pouvions avoir que des dérivés du cuivre : il est impossible d'avoir du plomb ou de l'or à partir
du cuivre ! Ainsi, le cuivre peut être sous différents états comme l'oxyde cuivre noir,
l'hydroxyde de cuivre bleu, les ions cuivre II bleus ou le cuivre métallique rouge orangé.
Lors des transformations chimiques, c'est l'élément cuivre qui est conservé et qui se trouve
sous différentes formes.
Un élément est l'ensemble des entités atomiques caractérisées par le même numéro atomique
Z.
2. les isotopes
Les isotopes sont des atomes ayant le même nombre Z de protons mais un nombre de
neutrons N différents.
En général, un élément chimique a plusieurs isotopes comme le carbone : 12
6C
(98,99%),13
6C(1,11%),14
6C(traces) ou l'hydrogène 11H(99,985%),
21H(0,015%),
31H(traces).
3. les ions monoatomiques
Un ion monatomique est un atome dont le nombre d'électrons est différent du nombre de
proton Z.
III. Un modèle du cortège électronique
1. répartition en couche
Les électrons se répartissent dans des couches autour des atomes : ce sont des zones de
probabilité où ils ont le plus de chance d'être présents. La physique n'est en effet plus la même
qu'à notre échelle et les choses ne sont plus ponctuelles mais disons... cotonneuses comme cet
électron ci-dessous autour du noyau d'hydrogène invisible.
Les électrons se rangent en couches (comme les étagères d'une bibliothèque) de noms K,L,M.
La première couche K a deux électrons maximum, L et M peuvent en recevoir 8.
Exemple : l'atome de chlore 17Cl
Il y a 17 électrons à disposer : (K)2(L)
8(M)
7
Exemple : l'atome d'oxygène 8O
Il y a 8 électrons à disposer : (K)2(L)
6
Exemple : l'ion d'oxygène 8O2-
Il y a 8+2 électrons à disposer : (K)2(L)
8
* Ci-dessus, un exemple avec le silicium (Z=14) :
2. électrons périphériques.
Toutes les couches ne sont pas d'égale importance : on distingue les (ou la) couches internes
et la couche externe qui contient elle les électrons périphériques et qui est la dernière remplie.
Par exemple dans le cas de l'oxygène, la couche L est la dernière couche remplie et contient 6
électrons périphériques.
CHAPITRE 5 La classification périodique des éléments chimiques (1869)
Introduction :
Depuis longtemps, on a remarqué que certaines espèces
chimiques ont le même comportement. On a essayé de
classer tout ce désordre de la nature pour aboutir enfin en
1869 à une classification que l'on utilise encore aujourd'hui.
Le mérite de Dimitri Mendeleiev est d'avoir établi ce
tableau avec très peu d'éléments connus au milieu du XIXè
siècle.
I. Comment Mendeleïev a-t-il inventé le tableau périodique ?
Les chimistes ont été intrigués que des propriétés similaires se retrouvent à intervalles réguliers comme nous venons de le voir avec les halogènes en TP.
o Théorie des triades étudiées par Davy (lithium, sodium, potassium). o En 1700, seuls 12 corps simples ( formés d'un seul élément) ont été isolés:
l'antimoine, l'argent, l'arsenic, le carbone, le cuivre, l'étain, le fer, le mercure, l'or, le phosphore, le plomb et le soufre.
o En 1817, le chimiste allemand Döbereiner suggère l'existence de la triade chlore, brome, iode.
o En 1818, théorie des triades étudiées par Davy (lithium, sodium, potassium).
Les critères actuels de la classification : on range les éléments par numéro atomique Z croissant. Les 118 éléments chimiques sont rangés en lignes et en colonnes, de façon à ce que les éléments d'une colonne possèdent le même nombre d'électrons sur leur couche externe.
LE TABLEAU PERIODIQUE DES ELEMENTS
II. Comment utiliser la classification périodique ?
1. Critères de classification
-Les éléments ayant des propriétés chimiques voisines forment une famille : ils sont dans une même colonne comme la famille des halogènes, des alcalins, des alcalino-terreux ou des gaz rares. Ils ont le même nombre d'électrons externes.
-Sur une même ligne, les atomes des éléments ont la même couche externe :
Ligne 1 : Couche K puis Ligne 2 : Couche L puis Ligne 3 : Couche M
2. Exemple de familles
a. les alcalins (voir film).
Ils n'ont qu'un électron sur leur couche externe. Les alcalins (Li, Na, K,…) se coupent facilement. Ils réagissent violemment avec l'eau. La solution devient basique et fait rosir la phénolphtaléine. Ils ont à l'état ionique une charge positive.
b. les halogènes. (voir TP) Ils sont à un électron de la couche complète. Ils ont à l'état ionique une charge négative.
c. les alcalino-terreux. (voir TP) Ils sont à un électron de la couche complète. Ils ont à l'état ionique une charge négative.
3. Pour se souvenir des éléments
Ligne 2 : Lili Becqueta Bien Chez Notre Oncle Ferdinand- Nestor.
Ligne 3 : Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer d'Argent.
Halogènes : Les Fières Clochettes des Brebis d'Italie.
Chapitre 6
De l’atome aux édifices chimiques
Introduction :
On trouve très peu d'éléments chimiques qui sont sous forme d'atomes isolés (dans les rivières : or, argent, cuivre que l'on trouve à l'état naturel ou natif). Ils peuvent gagner des électrons pour devenir des ions ou encore s'assembler pour former des molécules (l'ADN, H2O). La question intéressante est comment prévoir l'existence des édifices chimiques de manière simple.
I. Observons la nature.
1. Quelles sont les espèces chimiques monoatomiques que l'on rentre dans la Nature ?
- les chlorures : (K)2(L)8(M)8
- certains ions comme Ca2+ (K)2(L)8 ; K+ (K)2 (L)8; Mg2+(K)2(L)8
Ils sont tous chimiquement inertes car, comme leurs voisins les gaz nobles, leur couche électronique extérieure est complète (K)2, soit (K)2(L)8 soit (K)2(L)8(M)8.
2. Règle de l'octet
Au cours des réactions chimiques, les atomes réagissent de manière à acquérir la configuration électronique du gaz rare le plus proche dans la classification périodique. Pour H,He,Li,Be, on parle de règle du duet car la couche K se remplit avec 2 électrons et pas huit. Exemples : Ne (K)2(L)8 Z=10 est stable. Al3+ : l'aluminium va se " stabiliser " vers le néon, son gaz rare le plus proche et va céder trois électrons (un autre atome ou ion les prendra !).
3. Extension des atomes (ou ions) aux molécules.
Dans les molécules (qui sont bien sûr constituées d'atomes), les atomes obéissent aussi à la règle de l'octet. Les atomes se partagent les électrons en voyant égoïstement le partage
comme un gain d'électron. Dans l'exemple ci-dessous de la molécule de HCl (chlorure d'hydrogène), H qui possède un électron dans sa couche externe va partager son électron avec un électron de l'atome de chlore. Pour l'hydrogène, ce partage signifie un bilan de deux électrons et pour le chlore, un gain d'un électron plus les sept initiaux soit huit. La règle de l'octet est remplie pour le chlore (il a complété sa couche et ressemble à l'argon) et la règle du duet est remplie pour l'hydrogène qui ressemble à l'hélium. Les électrons partagés forment un doublet liant (2 électrons = doublet) ou liaison covalente, les six autres qui restent autour du chlore forment 6/2=3 doublets non liants qui ne servent à rien.
II. Comment symboliser les édifices chimiques ? La représentation de Lewis.
On rappelle que seuls les électrons de la couche externe de l'atome présentent un réel intérêt pour la chimie. Les réactions chimiques ne mettent en jeu que les électrons des couches externes des atomes. Lewis, en 1916, inventa une représentation ou un modèle de la chimie des électrons périphériques
1. Comment faire une bonne représentation de Lewis ?
Méthode :
1/ Connaître la formule brute de la molécule
2/ Trouver le nombre n d'électrons périphériques de chaque atome et en faire la somme
3/ Diviser ce total par 2 pour trouver le nombre de doublets qui vont intervenir
4/ Répartir ces doublets en doublets liants (liaison covalente simple, double ou triple) ou en doublets libres en respectant :
- la règle du duet pour l'atome d'hydrogène
- la règle de l'octet pour les autres atomes
2 Exemples
CO2 - La formule brute est CO2
- l'atome C a 4 électrons périphériques et l'atome O en a 6 Au total : 16 électrons périphériques - Ce qui fait 8 doublets C désire avoir 4 électrons de plus et l'oxygène 2 pour remplir la règle de l'octet.
nombre d'électrons périphériques : 16
nombre de doublets totaux : 16/2=8
nombre d'électrons liants : 4+2×2=8
nombre de doublets liants : 8/2=4
nombre de doublets non liants : 8-4=4
Exercice : CH4, NH3, H2O.
3 Notion d'isomérie.
Deux isomères ont même formule brute mais des enchaînements d'atomes différents (ex l'éther de diméthyle CH3-O-CH3 ou l'alcool éthylique CH3CH2OH).
III. La géométrie des édifices chimiques.
La géométrie des molécules peut s'expliquer par la répulsion entre doublets d'électrons. Les doublets se repoussent au maximum en se répartissant dans l'espace. Pour que le chimiste puisse " visualiser " la molécule, il utilise une nouvelle représentation (après la formule brute, la formule semi développée, la formule développée, la représentation de Lewis !) : c'est la représentation en 3D de Cram. Le triangle noir indique que le H va vers l'avant, le H en haché vers l'arrière (on acceptera le triangle haché ou le pointillé), les autres vont dans le même plan. Ici, c'est le méthane qui est représenté avec les atomes d'hydrogène aux sommets d'un tétraèdre régulier. Discussion de la géométrie de l'ammoniac et de l'eau (avec ordi).
Conclusion générale.