Transformations de la matière

1) Les molécules et leur représentation

Ci-contre, la représentation de la molécule d'aspirine.
En noir, les atomes de carbone ; en rouge, les atomes d'oxygène et en blanc les atomes d'hydrogène.

Vous pouvez faire tourner la molécule sur elle-même en cliquant dessus et zoomer en utilisant la molette de la souris.
(désolé, le tactile n'est pas pris en charge !)

 
a. La formule brute
La formule brute d'une molécule indique la nature des atomes qui la constituent et le nombre de chacun de ces atomes. Ce nombre est précisé en indice, droite du symbole de ces atomes.
Exemple : La molécule d'aspirine ci-dessus comporte 9 atomes de carbones, 4 atomes d'oxygène et 8 atomes d'hydrogène. Sa formule brute est donc C9H8O4.

b) Les liaisons covalentes
Elles correspondent à la mise en commun par deux atomes de deux électrons, chaque atome fournissant un électron. Elle est schématisée par un trait :
Exemple :Deux atomes d'hydrogène vont mettre en commun leur électron pour créer une liaison covalente et former ainsi une molécule de dihydrogène H2 :

De même deux atomes d'oxygène mettront chacun deux électrons en commun pour former du dioxygène O2 :

b. Formules développée et semi-développée
Dans la formule développée, toutes les liaisons entre les différents atomes apparaissent.
Exemples :
le dioxyde de carbone CO2 :
l'aspirine C9H8O4 :

Dans la formule semi-développée, les liaisons avec les atomes d'hydrogène ne sont pas représentées.
Exemple : l'aspirine devient

Remarque :
Il est possible que 2 molécules aux structures différentes partagent la même formule brutes : elles sont isomères l'une de l'autre.

les molécules de méthylpropane et de butane sont isomères l'une de l'autre et ont pour formule brute C4H8.
2) Modéliser une transformation chimique
a) La recette de cuisine
Pour réaliser une quinzaine de crêpes, il vous faudra :
  • 250g de farine
  • 0,5L de lait
  • 3 oeufs
Cette recette courante reste compréhensible quand on l'écrit sous la forme :
250g farine + 12L lait + 3 oeufs 15 crêpes
  • Les coefficients en vert, que nous appelons proportions sont appelés coefficients stoechiométriques en chimie.
  • Les ingrédients (à gauche) sont appelés réactifs.
  • Les produits (à droite) sont appelés ... produits.
b) Application à la chimie
On fait brûler du méthane CH4 dans le dioxygène O2 de l'air.
La combustion produit du dioxyde de carbone CO2 et de l'eau H2O.
➔Ecrire l'équation de réaction correspondante.
On commence par écrire cette phrase sous la même forme que la recette de cuisine précédente :
méthane + dioxygène dioxyde de carbone + eau
On l'écrit ensuite en utilisant les formules brutes :
CH4+O2CO2+H2O
Sous cette forme, on remarque qu'il n'y a pas le même nombre d'atomes d'hydrogène ou d'oxygène du côté des réactifs et des produits.
Le principe fondateur de la chimie moderne est la phrase célèbre d'Antoine de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme"
Appliqué aux réactions chimiques, cela indique qu'il doit nécessairement y avoir autant d'atomes de chaque espèce du côté des réactifs et des produits.
Si ce n'est pas le cas, c'est soit que la "recette" de la transformation est incomplète, soit que les "proportions" ne sont pas les bonnes. On va donc ajouter les coefficients stoechiométriques nécessaires à la conservation de la matière :
CH4+2O2CO2+2H2O
Pour équilibrer une équation modélisant une transformation chimique :
  • On écrit la réaction avec les formules brutes des substances, les réactifs à droite et les produits à gauche
  • On ajuste les coefficients stoechiométriques si nécessaires, en commençant par les atomes qui n'apparaissent qu'une seule fois
Exercice 30p158 du livre, disponible à cette adresse.
Ajuster les équations suivantes :
  • CO(g) +O2(g) → CO2(g)
  • I2(g)+SO42−(aq) → I(aq)+S2O82−(aq)
  • CO(g)+NO(g) → CO2(g)+N2
  • CH3OH(l)+O2(g) → CO2g)+H2O(l)
  • Al(s)+O2 → Al2O3
  • C6H6(g) +O2 → CO2+H2O(l)
  • Cu2+(aq)+Al(s) → Cu(s)+Al3+(aq)
  • C7H8(g)+O2 → CO2 +H2O(l)
  • CO(g)+NO2 → CO2+N2
  • Fe3+(aq)+I-(aq) → I2(g)+Fe(s)
  • NO3(aq)+Fe2+(aq)+H+(aq) → NO(g)+H2O(l)+Fe3+(aq)
3) Transformations physiques
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.
On le voit sur la vidéo : la température augmente jusqu'à l'ébullition de l'eau, puis reste constante.
Cependant, on voit que la flamme continue de chauffer : elle continue donc de donner de l'énergie à l'eau. Toute cette énergie est utilisée pour transformer l'eau liquide en eau gazeuse (la vapeur d'eau).
4) Synthèse d'une espèce chimique
Synthétiser une espèce chimique consiste à fabriquer, à partir d'espèces chimiques de base, en effectuant des transformations chimiques qui comportent généralement plusieurs étapes, une nouvelle espèce chimique.
Différence naturel / synthèse
Le terme chimique a pris une connotation négative. Cependant il faut prendre conscience que toutes les substances sont "chimiques". Le terme chimique ne s'oppose pas au terme naturel.
Une molécule de synthèse est indiscernable de la même molécule d'origine naturelle.

La composition chimique d'une banane naturelle

Pourquoi synthétiser un produit ?
  • La molécule n'existe pas dans la nature
  • une molécule naturelle existe, mais on veut améliorer ses propriétés
    C'est le cas de l'aspirine, qui est une amélioration de l'acide salicylique présente dans l'écorce des saules (d'où son nom). Utilisée par les hommes depuis l'antiquité (et certains singes !) pour ses propriétés analgésiques, l'acide salicylique provoquait des douleurs à l'estomac.
    L'aspartame est une molécule ayant un pouvoir sucrant 150 fois supérieure à celle du saccharose (sucre en poudre). Elle est utilisée dans les "sucrettes" et n'a aucun pouvoir nutritionnel.
    Très largement utilisée dans les boissons "light", elle a depuis été ciblée par une campagne de défiance. Le consensus scientifique va pourtant dans le sens de son innocuité.
  • une molécule naturelle existe, mais il est plus économique de la synthétiser que de la cultiver.
    C'est le cas de la vanilline.
Protocole opératoire
Il sert de "recette" à la synthèse et précise :
  • la nature et les quantités de réatifs et de solvants utilisés
  • les règles de sécurité à respecter
  • les montages réactionnels à utiliser
  • l'ordre des étapes de séparation pour isoler la molécule fabriquée
  • une étape de vérification de la nature de la molécule isolée (vérifier que l'on a bien isolé le produit que l'on voulait fabriquer !)
Exemples de montages réactionnels :
Entraînement à la vapeur
Pour extraire un produit
  Chauffage à reflux
Pour éviter les pertes de matière
Une vidéo montrant le montage tel qu'il aurait été utilisé en TP. Un jeune vidéaste présente très clairement la synthèse, à domicile. Il y a quelques erreurs mais c'est vraiment bien fait.

5) La chromatographie
La chromatographie est une méthode d'analyse qui permet de façon simple d'identifier une substance chimique. Elle peut donc être réalisée à la suite d'une synthèse afin de s'assurer que la molécule extraite est bien celle désirée.

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.

 
Chromatographie de colorants alimentaires filmée au lycée (accéléré 16 fois)
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