Constitution de la matière

A. Description et caractéristiques de la matière à l'échelle macroscopique

1 - Corps purs et mélanges au quotidien

a) Aspect visuel
Ci-dessous, huit photos d'un verre contenant des liquides divers. Comment pourrions-nous les classer en deux catégories par simple observation ?

1 2 3 4
5 6 7 8

 

On voit que certains verres contiennent manifestement des mélanges : les photos 2, 3, 4. Pour les autres images, si le verre contient un mélange, il n'est pas visible.

On peut donc créer deux catégories :

  • La catégorie des mélanges homogènes dont les constituants ne sont pas visibles à l'oeil nu
  • La catégorie des mélanges hétérogènes qui regroupe les mélanges dont plusieurs constituants sont visibles à l'oeil nu.

Remarque : certains mélanges peuvent sembler homogènes de loin et hétérogènes de près (comme par exemple le jus d'orange, dont la pulpe est visible de près).

b) Mélanges et corps purs
Un corps pur ne contient qu'une seule substance chimique.

Rappel : Toutes les substances sont chimiques !

Parmi les exemples suivants, lesquels sont des corps purs ?


lait

eau en bouteille
eau déminéralisée

acétone

or 18 carats

or 24 carats

fourchette en inox

bicarbonate de soude

pâte à tartiner
 
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2 - Comment identifie-t-on une espèce chimique ?

On peut caractériser une espèce chimique de différentes façons, que ce soit grâce à ses propriétés chimiques (réaction chimique avec une autre espèce) ou ses caractéristiques physique (masse volumique, température de changement d'état).

a) Masse volumique

La masse volumique ρ (prononcer "rhô") d'une espèce chimique s'obtient en divisant la masse m d'un échantillon de cette espèce par son volume V.

ρ=mV

ρ en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)
m en kilogramme (kg)
V en mètres cube (m3)

Remarque : : même si le kg.m-3 est l'unité du Système International, il est courant en chimique d'utiliser d'autres unités, comme le kg.L-1, le g.L-1, ou le g.cm-1. On passe facilement des unes aux autres en se rappelant que 1m3 = 1000L et que 1kg = 1000g.
On a donc :
1000 kg.m-3 = 1kg.L-1 = 1g.mL-1 = 1g.cm-3.

La masse volumique permet de distinguer 2 corps purs, cette valeur dépend des conditions de l'expérience, mais à température et pression ambiante, la valeur est généralement disponible sur Wikipédia.
Quelques masses volumiques de référence :

  • air : 1.2 kg.m-3
  • ethanol : 790 kg.m-3 = 790 g.L-1
  • glace d'eau : 910 kg.m-3 = 910 g.L-1
  • huile de tournesol : 920 kg.m-3 = 920 g.L-1
  • eau : 1000 kg.m-3 = 1000 g.L-1 (définition initiale du kilogramme)
  • aluminium : 2700 kg.m-3 = 2700 g.L-1
  • fer : 7870 kg.m-3 = 7870 g.L-1
  • cuivre : 8960 kg.m-3 = 8960 g.L-1
  • plomb : 11350 kg.m-3 = 11350 g.L-1
  • or : 21400 kg.m-3 = 21400 g.L-1
  • osmium (métal le plus dense) : 22610 kg.m-3 = 22610 g.L-1
b) Température de changement d'état

La matière existe sous différents états : solide, liquide ou gazeux. Le changement d'état correspond au passage d'un état à un autre.


Les différents changements d'état
La température d'ébullition est la température à laquelle cette espèce passe de l'état liquide à l'état de gaz. Sous une pression donnée, l'ébullition d'un corps pur se fait à une température constante, caractéristique de ce corps.

De même, la température de fusion est la température à laquelle un corps pur passe de l'état liquide à l'état solide.

Remarque : L'inverse n'est pas forcément vrai : il est possible de garder de l'eau liquide en-dessous de sa température de solidification. On parle alors de surfusion.

L'eau du tube restera liquide jusqu'à -3°C avant de geler brusquement à 1'50"

Quelques températures de fusion de référence :

  • azote : -219°C
  • ethanol : -114°C
  • mercure: -39°C
  • eau : 0°C (définition initiale du degré centigrade)
  • étain : 232°C
  • plomb : 327°C
  • aluminium : 660°C
  • or : 1064°C
  • fer : 1538°C
  • tungstène : 3422°C
c) La chromatographie

Un paquet de colorants

gâteau d'anniversaire pour ma fille
Les colorants alimentaires utilisés en pâtisserie permettent d'obtenir n'importe quelle couleur en les mélangeant dans différentes proportions, en suivant les règles généralement indiquées à l'arrière de la boite.

Est-il possible de savoir si un colorant est pur ou bien s'il a été obtenu par un mélange de deux colorants différents ?
 

Résultat obtenu par un groupe

Un support sur lequel sont déposées les substances à étudier ou comparer a son extrémité trempée dans un solvant appelé éluant. L'éluant monte par capillarité le long du support et entraîne avec lui les substances étudiées à des "vitesses" qui leur sont propres. Si deux échatillons atteignent le même niveau, on peut considérer qu'ils sont constitués de la même substance chimique.

Il existe différentes méthodes de chromatographies. Elles sont couramment utilisées en laboratoire pour identifier certains composés et le procédé donne des résultats de qualité.
Nous avons réalisé une chromatographie sur couche mince, certes très grossière, mais qui nous permet de conclure sur la nature des colorants testés.

En effet, on voit sur la photo du résultat obtenu ci-contre que les taches de colorants bleu, jaune et rouge se sont déplacés le long du papier à des vitesses différentes. Le rouge n'a quasiment pas bougé, alors que le bleu a totalement quitté a ligne de dépôt.

Ces trois colorants se sont estompés, mais sont restés unis. En revanche dans le cas du colorant vert, la tache s'est dissociée en une tache bleue montant au même niveau que le colorant bleu et une tache jaune montant au même niveau que le colorant jaune.
Cela nous permet donc d'affirmer que non seulement le colorant vert est un mélange, mais qu'il a été obtenu en utilisant le colorant bleu et le colorant jaune que nous avons testés.

 
d) Les tests caractéristiques
Il est possible de caractériser certains gaz à l'aide de leur propriétés chimiques :
Le dioxygène et le test de la bûchette incandescente.
Dans cette vidéo, le chimiste et vulgarisateur @brusicor02 vérifie grâce à ce test que le gaz produit est bien du dioxygène.

Que se passe-t-il ?
Le dioxygène est le gaz dans l'air responsable de la combustion des matériaux (c'est un comburant). En son absence, la combustion ne peut pas avoir lieu (et donc la bûchette s'éteindrait) et inversement, elle va devenir plus vive en présence d'une source de dioxygène.
C'est exactement ce qu'il se passe ici : l'augmentation de la luminosité de la bûchette traduit la production de dioxygène par la réaction.

Le dihydrogène et le test de l'aboiement.
Dans cette vidéo, je fais réagir de l'acide chlorhydrique sur de la paille de fer.
On peut deviner (la qualité de la vidéo trahit son âge) une effervescence dans le tube, caractéristique de la présence d'un gaz. en présentant une flamme de briquet à l'embouchure du tube, on voit une petite explosion accompagné d'un bruit sifflant, ressemblant à l'aboiement d'un chiot.

Que se passe-t-il ?
Le dihydrogène est un gaz extrêmement inflammable (c'est un combustible). Sa combustion est très rapide, tellement qu'elle va produire un bruit caractéristique que ne produit aucun autre gaz qui se consume. Ce sifflement, ou aboiement, est caractéristique du dihydrogène.

Le dioxyde de carbone et l'eau de chaux.
Dans cette vidéo, Nicolas Braneyre présente la réaction du dioxyde de carbone avec de l'eau de chaux et s'en sert pour montrer la présence de ce gaz dans les boissons pétillantes.

Que se passe-t-il ?
L'eau de chaux est une solution aqueuse saturée en hydroxyde de calcium [Ca2+,2HO-]. le dioxyde de carbone CO2 est très soluble dans l'eau et va réagir avec les ions Ca2+ pour donner du carbonate de calcium CaCO3. Cette espèce, très peu soluble dans l'eau va précipiter et former le voile blanchâtre dans la solution.

3 - Composition de l'air

L'air est constitué de nombreux gaz, mais principalement d'environ :
     - 80% de diazote;
     - 20% de dioxygène.

Ce qui signifie en résumé que si l'air était représenté par ce tableau, la composition serait comme ci-contre.

Le carré bleu représente les autres gaz de l'atmosphère (principalement, l'argon), le dioxyde de carbone ne serait qu'un petit point dans ce carré bleu.

 

4- Constitution de l'atome

a) Schéma
  • Un atome est composé d'électrons tournant autour d'un noyau.
    Dans le noyau se trouvent les protons et les neutrons : les nucléons
  • Les protons possèdent une charge électrique positive :
    1,6x10-19C (coulomb).
  • Les électrons possèdent une charge électrique négative :
    -1,6x10-19C (coulomb).
  • Les neutrons ne possèdent pas de charge électrique.
  • Les protons et les neutrons ont à peu près la même masse :
    mp ≃ mn = mnucléon = 1,67 × 10-27 kg.
  • Les électrons sont 1500 fois plus légers :
    me = 9,1 × 10-31 kg.
b) Symbole du noyau

Les atomes sont classés en fonctions de leurs propriétés chimiques. Or, ces propriétés sont liées au nombre de protons présents dans le noyau.

Le nom d'un atome dépend uniquement du nombre de protons qu'il contient.
Si deux atomes ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent, ils sont dits isotopes du même élément.

Exemple : Le cuivre Cu est présent sous deux formes sur Terre, 63Cu contenant 34 neutrons et 65Cu avec 36 neutrons.

Le noyau atomique est représenté par un symbole :
X Z A Z : c'est le numéro atomique ou nombre de protons.
A : c'est le nombre de nucléons, appelé aussi nombre de masse.

3) La classification périodique

La Classification périodique des éléments est un tableau classant l'ensemble des éléments chimiques existants.
L'intérêt de ce tableau est qu'il classe tout d'abord les éléments par numéro atomique Z croissant (c'est le nombre en haut à gauche dans la case).
Mais il les classe également par:

  • groupe (les colonnes) : les éléments présents dans un même groupe ont des propriétés chimiques similaires,
  • période (les lignes) : les éléments présents dans une même période ont le même nombre de couches électroniques.

Enfin, il indique une valeur appelée ici "masse atomique relative", que l'on retrouvera plus tard, mais qui pour le moment doit être considérée comme le le nombre de nucléons A de l'isotope majoritaire lorsque l'on arrondi ce nombre à l'unité.

c) Quelques exercices autour de l'atome
Donner le numéro atomique de l'atome de ___.
Z=.
Score : 0/3
Un atome porte le numéro atomique Z=___.
C'est donc un atome de : .
Score : 0/3
Un atome contient ___ protons et ___ neutrons.
Son numéro atomique Z vaut donc : et son nombre de nucléons : .
Score : 0/3
Un atome contient ___ nucléons dont ___ neutrons.
C'est donc un atome de : et son symbole est :
 

Score : 0/3
Calculez la masse d'un atome de ______.
Sa masse est de : x10kg.
Score : 0/3
Un atome contenant ___ neutrons a une masse de ___kg.
Sa représentation est donc :
 

Score : 0/3
Un atome a une masse de ___ kg, et son noyau a une charge électrique de ___C.
Sa représentation est donc :
 
Score : 0/3
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