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)
6)Les transformations nucléaires
a. Rappels
Constitution de l'atome
  • 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.
Symbole du noyau

Le noyau atomique est représenté par un symbole :

XZA

Z : c'est le numéro atomique ou nombre de protons.
A : c'est le nombre de nucléons, appelé aussi nombre de masse.

Exemple : Un noyau possède 27 nucléons dont 14 neutrons. Représenter son symbole.

Si deux noyaux ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent (donc même Z mais A différents), alors ils sont appelés isotopes d'un même élément.
Ex : Le carbone compte 3 isotopes : 12C (98,93% du carbone sur Terre), 13C (1,07% du carbone sur Terre) et 14C (radioactif et présent à l'état de traces).

b. La radioactivité
Cours sur la radioactivité
Définition

Dans la nature, la plupart des noyaux sont stables, car l'interaction forte maintient dans le noyau les protons et les neutrons ensemble.
Cependant, certains noyaux comportant un trop grand nombre de protons par rapport aux neutrons, ou bien un trop grand nombre de neutrons par rapport aux protons voire une trop grande nombre de protons et de neutrons seront instables et se désintègreront spontanément en un nouveau noyau plus stable au bout d'un temps plus ou moins long en émettant un rayonnement sous forme de particules chargées et souvent, d'ondes électromagnétiques.

La radioactivité est la désintégration spontanée et aléatoire des noyaux atomiques instables en noyaux plus stables.

Un phénomène naturel

Aux origines de l'Univers, les seuls noyaux qui existaient étaient des noyaux d'hydrogène et d'hélium.
Tous les autres éléments ont été fabriqués par les premières générations d'étoiles, fusionnant progressivement les noyaux d'hydrogène et d'hélium pour donner tous les éléments que nous connaissons actuellement.
Ainsi, nous sommes tous constitués d'atomes produits il y a des milliards d'années dans la fournaise d'une étoile qui a explosé...

Les poussières et astéroïdes qui ont formés la Terre contenaient des éléments radioactifs et ce sont actuellement eux les principaux responsables de la radioactivité terrestre.
D'ailleurs, sans radioactivité naturelle, la Terre se serait refroidie depuis longtemps, car c'est elle qui explique à l'heure actuelle la température du centre de la Terre (5300°C).

La radioactivité est donc essentiellement un phénomène naturel.

La radioactivité artificielle

Depuis une centaine d'années, l'Homme est capable de fabriquer des noyaux radioactifs par collision de particules dans des accélérateurs : on parle alors de radioactivité artificielle.

Exemple : En médecine nucléaire on injecte au patient un isotope radioactif d'un élément inoffensif pour le corps, comme de l'iode 131.
L'isotope radiocatif ayant exactement les même propriétés chimiques que l'isotope stable, il ne peut être dangereux chimiquement pour le patient.
Grâce aux rayonnements émis par l'isotope radioactif lors de sa désintégration, on peut suivre son trajet dans le corps et donc s'assurer de la bonne santé du patient.
c. Transformations nucléaires naturelles

Il est possible qu'un noyau se désintègre naturellement car le nombre de ses nucléons n'est pas "équilibré".
En effet, si un noyau comporte généralement davantage de neutrons que de protons, un excès de neutrons ou au contraire un déficit va rendre le noyau instable : il est alors possible qu'un proton se transforme spontanément en neutron ou inversement. On parle de radioactivité β
Il est également possible que le noyau soit simplement trop gros, et il se séparera d'un noyau d'4He, soit de 2 protons et 2 neutrons. Ce qui donne :

Nom : particule Condition Equation
Alpha
(α)
noyau d'hélium 4
H24e
Le noyau contient trop de nucléons XZAYZ-2A-4+H24e
Bêta-
-)
Électron
e-10
Le noyau comporte un excès de neutrons : l'un d'eux se transforme en proton XZAYZ+1A+e-10
Bêta+
+)
Positron
e10
Le noyau comporte un excès de protons : l'un d'eux se transforme en neutron XZAYZ-1A+e10

Remarques :

  • Le positron (ou positon) est l'antiparticule de l'électron
  • L'antimatière n'est pas une imagination de science fiction : la physique actuelle prévoit que chaque type particule de matière ordinaire, possède son antiparticule, de même masse, mais de charge électrique opposée.
    Ainsi le positron a une charge opposée à celle de l'électron et donc égale à celle d'un proton
  • En pratique ces réactions dégagent de l'énergie. Cette énergie se traduit par l'énergie cinétique des particules produites (elles se déplacent très vite) mais également par une émission d'ondes électromagnétiques dans le domaine gamma (γ)
  • En étudiant l'énergie produite par la désintégration β les physiciens du début du XXèmes se rendent compte qu'il en "manque" : une partie de l'énergie semble diparaître lors de la désintégration !
    Comme cela est contraire au principe de conservation de l'énergie, Wolfgang Ernst Pauli ne voit pas d'autre moyen que de supposer en 1931 l'existence d'une nouvelle particule, le neutrino ν00 de charge nulle et très difficile à détecter qui emporterait avec elle ce déficit d'énergie.
    Bien que purement spéculative, cette particule finit par être découverte en 1956.

Comment savoir si le noyau est radioactif α, β+ ou β- ?

Il ne vous sera pas demandé de le deviner, cependant des diagrammes sont disponibles pour le savoir.
Par exemple, un petit programme que j'ai réalisé permet en cliquant sur un isotope instable de réaliser le "chemin" de désintégration jusqu'à un élément stable.

d. Activité et demi-vie
  • Spontanément les noyaux radioactifs vont se désintégrer. Comme si à chaque instant ils jouaient leur survie aux dés.
    L'activité d'un échantillon contenant des noyaux radioactifs correspond au nombre de noyaux qui se désintègrent chaque seconde.
    Elle s'exprime en bequerels (Bq).
    => voir l'exercice 22p192 du LivreScolaire
  • Un échantillon de matière peut contenir plusieurs milliards de noyaux radioactifs. De ce fait, le temps nécessaire à la désintgération totale des noyaux peut être extrêmement long et surtout dépend du nombre de noyaux au départ.
    Pour caractériser la durée pendant laquelle un échantillon va rester radioactif, il nous faut une valeur indépendante de la taille de l'échantillon : la demi-vie.
    La demi-vie t1/2 est le temps au bout duquel la moitié des nouyaux radioactifs d'un échantillon s'est désintégrée.

    Exemple :
    La demi-vie du carbone 14 est de 5730 ans.
    Si un échantillon contient 1000 noyaux de 14C il n'en contiendra plus qu'environ 500 au bout de 5730 ans et 250 au bout de 11460 ans.

  • Détermination de la demi-vie t1/2 d'un échantillon radioactif
    Vous disposez d'une population de noyaux radioactifs de la taille que vous souhaitez. Chaque année, chacun des noyaux a une certaine probabilité (strictement comprise entre 0 et 1) de se désintégrer.
    Encadrer expérimentalement la demi-vie t1/2 de votre échantillon.
    Nombre initial (conseillé : 500-10000) :
    Probabilité que le noyau se désintègre chaque année (conseillé : 0.05-0.3) :

     
    Avec la probabilité choisie, la demi-vie de cette espèce est comprise entre ans ≤ demi-vie ≤ ans.
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