Constitution et transformation de la matière

A. Détermination de la composition d'un système chimique

1 - Mole et concentration molaire

a) Une mesure du nombre d'atomes
Jusqu'à présent, on assimile la "quantité" d'un produit en fonction de la mesure de son volume ("je prends 1,5L de soda") ou de sa masse ("Je prends 800g de champignons").
Pour les objets dénombrables, il est aussi possible d'en indiquer directement le nombre ("Je prends 3 croissants").
En chimie, s'il est relativement facile de prendre un volume ou une masse de substance donnée, on imagine qu'il est difficile de prendre un certain nombre d'atomes, car ceux-ci sont extrêmement petits et il est impossible de les compter un à un !
Il ne faut pas oublier que les Sciences Physiques ne fonctionnent jamais avec des mesures exactes, et qu'une connaissance approximative du nombre suffit.

Amadeo Avogadro est le premier à avoir tenté d'évaluer le nombre d'atomes présents dans une quantité de matière donnée.
La constante d'Avogadro NA est le nombre d'atomes de carbone 12 (12C) contenus dans 12 grammes de carbone 12.

NA = 6,02 x 1023 mol-1

Une mole d'objets est un "paquet" contenant 6,02 x 1023 objets.
A partir de maintenant, une quantité de matière s'exprimera en moles.

b) Une nouvelle concentration
La concentration molaire d'une substance est donc la quantité de matière d'un soluté dissout contenu dans un volume V de solution :

c=nV

  -n en moles (mol)
-V en litres (L)
-c en moles par litre (mol.L-1)

2 - Détermination d'une quantité de matière

a) Une mesure du nombre d'atomes
On prélève __×10__ atomes de __.
Cela représente ×10mol.
b) Masse molaire atomique
La masse molaire atomique d'un atome est la masse d'une mole de cet atome pris à l'état naturel.
Elle est notée M et s'exprime en gramme par mole (g.mol-1).

Compte tenu de la façon dont la mole a été définie, il se trouve que la masse molaire d'un élément est approximativement égale au nombre de nucléons (protons+neutrons) qu'il contient.
Le nombre de masse indiqué dans le tableau de classification de votre livre représente ce nombre de nucléons, en prenant en compte que pour certains éléments (comme le cuivre MCu=63,5g.mol-1 ou le chlore MCl=35,5g.mol-1) existent sous plusieurs formes isotopiques. Leur masse molaire atomique est donc une moyenne prenant en compte l'importance de chaque isotope

c) Masse molaire moléculaire
La Masse molaire moléculaire d'une molécule correspond à la masse d'une mole de cette molécule.
Elle se calcule en faisant la somme des masses molaires atomiques des atomes qui composent cette molécule.

Exemple :La molécule de saccharose C12H22O11
MC12H22O11 = 12×MC + 22×MH + 11×MO = 12×12+22×1+11×16 =342g.mol-1

__ a pour formule brute __.
Sa masse molaire vaut donc M = g.mol-1.
d) Masse d'un échantillon et quantité de matière
La masse m et la quantité de matière n d'un échantillon contenant une seule substance de masse molaire M se déduisent l'une de l'autre par les relations :
m=n×M et n=mM   -n en moles (mol)
-m en grammes (g)
-M en grammes par mole (g.mol-1)
__ __ a pour formule brute __ et pour masse molaire M__ = __g.mol-1.
__g de __ contient donc ×10 mol de __.
__ __ a pour formule brute __ et pour masse molaire M__ = __g.mol-1.
__×10__mol de __ a donc une masse de ×10 g.

Application :
i. Déterminer la quantité de matière de saccharose (C12H22O11) contenue dans un sucre de 3g.

ii. Calculer la masse de sucre en poudre à peser pour prélever 0,15 mol de saccharose.
msaccharose=nsaccharose×Msaccharose=0,15×342=51,3g

e) Concentration massique et molaire
La concentration massique cm et la concentration molaire c d'une solution sont reliées par les relations :
cm=c×M et c=cmM   -cm en grammes par litre (g.L-1)
-c en moles par litre (mol.L-1)
-M en grammes par mole (g.mol-1)

On dissout une quantité n=__×10__mol de __, de formule brute __ dans un volume de __ml d'eau.
La solution obtenue aura une concentration c=×10mol.L-1.

Quel volume d'une solution de __ de concentration c=__×10__mol.L-1 doit-on prélever pour avoir une quantité n=__×10__mol de __ ?
Il est nécessaire de prélever un volume V=mL.
f) Dilution et concentration
Lors d'une dilution la quantité de matière de soluté ne change pas. Cela nous permet donc d'écrire : c1×V1=c2×V2 ou encore s'il s'agit de déterminer la concentration finale :

c1×V1V2=c2

On dispose dans le laboratoire d'une solution S0 de __, de concentration C0=__×10__mol.L-1.
Quel volume V0 de cette solution faudrait-il prélever pour préparer un volume V1=__mL d'une solution S1 de concentration C1=__×10__mol.L-1 ?
Il est nécessaire de prélever un volume V0=mL.
g) Volume molaire

Le volume molaire Vm est le volume occupé par 1 mole d'un gaz. Ce volume molaire dépend notamment de la pression et de la température de l'expérience mais aussi du type de gaz.
Pour le moment, vous devrez simplement faire le lien entre volume et quantité de matière.
Remarque : A température et pression standards (25°C, 1013hPa), le volume molaire de la plupart des gaz est de 24.8L.mol-1

V=n×Vm

Une bouteille de gaz de camping contient une masse m=___g de ___ de formule ___, de masse molaire M= __g.mol-1.
Quel volume occupera ce gaz s'il s'échappe de la bouteille ?
Donnée : Vm = ___ L.mol-1

Le volume occupé par le gaz échappé de la bouteille sera V=L.

3 - Couleur et concentration

a) Pigments et colorants

Les pigments sont des substances colorées où elles sont insolubles
Les colorants sont des substances solubles dans le solvant utilisé

→Si l'ont regarde avec un microscope une substance colorée par des pigments, il sera possible d'observer des grains de pigments, ce qui ne sera pas le cas pour une substance colorée par des colorants

Les pigments et colorants peuvent être naturels(l'espèce chimique est présente telle quelle dans la nature), synthétiques(elle peut être présente dans la nature, mais il est moins cher de la produire en laboratoire) ou artificiels(elle n'existe pas dans la nature).

Colorants et pigments ont un rôle central dans le monde actuel, car l'aspect visuel est un élément prépondérant pour nos achats, notre lieu de vie ou notre propre image !

Couleur d'une substance colorée

La couleur apparente d'une substance colorée s'explique à l'aide de la synthèse soustractive vue dans la partie précédente.

On devine facilement la couleur du sulfate de cuivre au regard de son spectre ci-dessus : puisque les longueurs d'ondes supérieures à celles du vert sont absorbées, il a nécessairement une couleur bleue probablement proche du cyan (car le vert est peut absorbé).
Le bleu vif E133 est plus étonnant car sa couleur est difficile à différencier à l'oeil nu du sulfate de cuivre alors que sont spectre d'absorbance pourrait nous indiquer une couleur davantage magenta.

Mélange de substances colorées

De même que pour la couleur d'une substance colorée, la couleur d'un mélange de substances à la condition qu'elles ne réagissent pas entre elles se déduit de la synthèse soustractive des couleurs.
De même, leur spectre d'absorbance sera la somme des 2 spectres individuels

b) Absorbance

Rappel : la lumière blanche naturelle est composée d'un spectre continu de longueurs d'ondes comprises entre 380nm et 780nm.
Une substance incolore laisse passer l'ensemble du spectre visible

Une solution paraît colorée car elle absorbe une partie du spectre qui la traverse.

Un spectrophotomètre envoie une lumière blanche sur un échantillon de solution colorée et mesure pour chaque radiation la proportion de lumière ayant traversé l'échantillon


Le spectrophotomètre utilisé au labo.
 

La transmittance T d'une solution est le rapport entre l'intensité d'une lumière monochromatique incidente et l'intensité de cette même lumière une fois qu'elle a traversé cette solution.

T=II0

On utilise plus souvent l'absorbance A qui est lié à la transmittance par :

A=-log(Tλ)

Si l'on réalise cette mesure sur tout un ensemble de longueurs d'onde, on obtient alors un spectre d'absorbance.

Spectre du colorant E133 ("Bleu vif")

Spectre du Sulfate de cuivre

 
c) Loi de Beer-Lambert
On imagine facilement que plus la concentration d'un produit coloré est importante, et plus la solution va paraître foncée. Il est donc possible d'encadrer la concentration d'une solution donnée en réalisant une échelle de teinte.
Cependant cette méthode n'est pas très précise, ni très rapide, car on doit préparer une solution intermédiaire à chaque fois que l'on souhaite augmenter le degré de précision de la mesure. De plus, notre oeil ne permettant pas de chiffrer l'intensité de la couleur, il n'est possible d'avoir qu'une évaluation qualitative (exemples : "plus foncé que" ou "moins foncé que") de la concentration.

Echelle de teinte, solution de sulfate de cuivre

En revanche, si l'on est capable de mesurer l'absorbance de la concentration, par exemple avec un colorimètre, on va pouvoir essayer de trouver une relation mathématique entre la concentration d'une solution et sa capacité à absorber la lumière :

Absorbance en fonction de la concentration

Spectre d'absorbance du permanganate, on se placera au maximum d'absorption (à 550nm), pour maximiser la sensibilité de la mesure

B. Suivi et modélisation de l’évolution d’un système chimique

1- Réaction d'oxydo-réduction

a) Expériences
Expérience de l'arbre de Diane
Une tournure de cuivre (Cu) est plongée dans une solution aqueuse de nitrate d'argent (Ag+,NO3-).
Une chevelure d'argent se forme sur la tournure pendant que la solution prend une teinte bleutée, caractéristique des ions Cu2+.
Réaction de l'acide chlorhydrique sur les métaux
De l'acide chlorhydrique concentré est déposée sur du cuivre, du fer, du zinc, de l'aluminium, de l'or et de l'argent. Les métaux nobles ne réagissent pas.

Si l'on prend une solution de sulfate de cuivre (Cu2+, SO42-) et que l'on y plonge un clou en fer, on va très rapidement observer un dépôt orange de cuivre autour du clou.
Si l'on remplace le clou par de la poudre de fer, celle-ci prendra une teinte rougeâtre, mais surtout la coloration bleue de la solution disparaîtra.
Enfin, un ajout de quelques gouttes de soude dans le filtrat de la solution précédente fera apparaître un précipité vert foncé d'hydroxyde de fer (II)
(si besoin, voir la vidéo sur les tests caractéristiques des ions en 2nde).
Le fer métallique Fe se transforme en ion fer (II) Fe2+ tandis que l'inverse se produit pour les ions cuivre (II) Cu2+ qui se transforment en cuivre métallique Cu.
Il est donc possible d'écrire l'équation de réaction :

Cu2++Fe Cu + Fe2+

b) Demi-équations et couples rédox

L'expérience précédente montre que les ions Cu2+ sont capables de "voler" 2 électrons aux atomes de fer pour se transformer en atomes de cuivre.
Cu2+ et Cu forment ce qui s'appelle un couple oxydant/réducteur plus généralement appelé couple rédox, comme Fe2+ et Fe.
La demi-équation d'oxydoréduction permet de ne prendre en compte qu'un seul couple rédox mais surtout de faire apparaître les électrons e- non représentés dans les équations de transformation
Ici on peut écrire :

Cu2+ + 2e- = Cu et Fe2+ + 2e- = Fe

On remarque par rapport à la transformation chimique qu'on a vue jusqu'à présent que le signe est remplacé par le signe =.
En effet, en fonction des conditions, la réaction peut se faire dans un sens, ou dans l'autre.

Un couple oxydant/réducteur ou couple rédox est constitué de deux espèces chimiques que l'on peut obtenir par gain (l'oxydant) ou perte (le réducteur) d'un ou plusieurs électrons.

La demi-équation d'oxydoréduction qui est liée est de la forme :

Oxydant+ne-=Réducteur

On peut également en cas de besoin équilibrer la réaction avec des espèces présentes dans la solution, comme H2O, H+ (milieu acide) ou HO- (milieu basique)
Par exemple, le couple permanganate/ion manganèse MnO4-/Mn2+ est un couple souvent utilisé en chimie. Utilisé en solution aqueuse il fait intervenir également de l'eau H2O et des ions H+ :

MnO4- + 8H+ + 5e- = 4H2O + Mn2+

c) Les piles

Une réaction rédox fait donc intervenir un échange d'électrons entre 2 couples rédox, or les électrons sont les responsables du courant électrique dans les conducteurs métalliques et ne sont par ailleurs pas capables de circuler en solution aqueuse où seuls les ions circulent... serait-il possible de forcer les électrons à se déplacer à travers un circuit électrique avant d'atteindre l'oxydant ?
C'est le principe d'une pile, où les espèces censées réagir ensembles sont séparées dans des récipients différents.

Exemple de la pile Daniell
Cette pile a été créée en 1836 par John Daniell.
Pour "obliger" les électrons à circuler dans le circuit électrique, on sépare la pile en 2 parties : l'une contenant les espèces cuivre et l'autre contenant les espèces zinc. Un papier imbibé d'électrolyte (l'eau du robinet peu suffire, mais on utilise plutôt du nitrate de potassium K+,NO3-) permet le passage des ions.

Cette pile utilise la réaction
Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu.
Le zinc (métal) disparaît donc pour se transformer en ions Zn2+.
On dit que la pile « consomme » du zinc.

Lorsque la pile n’est pas branchée, les électrons ne peuvent pas circuler, la réaction n’a pas lieu.
C’est pourquoi une pile ne s’use pas quand on ne l’utilise pas.

Les lames de métal sont appelées des des électrodes.

Remarque : Sens commun et oxydoréduction
Il est assez courant d'entendre qu'il est possible de faire une pile avec une pomme de terre, un citron ou n'importe quel autre fruit. C'est l'affirmation développée dans la vidéo ci-dessous
Voici maintenant une expérience avec une demi-pomme et des lames de différents métaux :

On voit que ce qui fait la pile est le choix du métal et non le fruit qui se contente d'être une solution aqueuse dans laquelle les ions peuvent circuler.
D'ailleurs, on peut remplacer le fruit par un coton ou un mouchoir en papier humides !

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