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Sciences 3e
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PIERRE PIRSON, HENRI BORDET, DOMINIQUE CASTIN, RENÉ VAN ELSUWE, PHILIPPE SNAUWAERT
Nathalie MATTHYS
Michel FEYS
Bernard SUYS
Biologie, chimie, physique
Ce manuel s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent lecours de sciences de base (3 périodes de sciences par semaine).
Entièrement en couleur, ce manuel pluridisciplinaire a étéconstruit pour amener chaque élève à :use représenter le monde conformément aux modèles scienti-
fiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformerses conceptions et ses représentations ;
umaîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents eten les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ;
uexercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques ;
udévelopper sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêtpour le monde qui l’entoure.
Au sein d’une mise en pages claire et attrayante, l’élève découvrira une iconographie très riche, notamment en dessins« à main levée», lui permettant de les reproduire très facilement.Également, les synthèses des chapitres sont proposées selondes modèles différents (tableaux, diagrammes, cartes mentales),afin de l'aider à personnaliser et enrichir son mode de synthèse,tout en se confrontant à des techniques largement utilisées enentreprise.
Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investis-sant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se positionner dans le monde qui l’entoure, voirepoursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…
Des manuels précis et attrayants• les trois disciplines scientifiques
dans un seul parcours pédagogique• de nombreux dessins et photos en
couleurs• une mise en pages dynamique • des chapitres structurés
de manière particulièrement claire
ISBN : 978-2-8041-0594-5
SCI3
www.deboeck.com
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Sciences de base
SCI3:Mise en page 1 13/07/11 15:30 Page1
III
Avant-propos
Ce manuel, qui s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent 3 périodes de sciences par se-
maine (sciences de base), s’inscrit dans le contexte du décret Missions et propose une ré-ponse au programme de sciences de base en vigueur depuis septembre 20091.Ce livre peut être adapté au cours de sciences générales en exploitant davantage les expé-riences proposées et en développant les activités et concepts marqués d’un + . Les change-ments proposés par les auteurs de ce programme pour organiser l’acquisition des savoirs et pour clarifier la démarche pédagogique ont été intégrés dans cette nouvelle édition qui a été remaniée en profondeur tant sur la forme que sur le fond.
En effet, ce manuel pluridisciplinaire a été construit comme un support pour l’enseignant et l’élève de l’enseignement libre afin d’amener chaque élève à :
se représenter le monde conformément aux modèles scientifiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformer ses conceptions et ses représentations ; maîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents et en les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ;exercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques, c’est-à-dire les analyser dans leur contexte et considérer qu’ils sont une réponse partielle aux problè-mes posés ; développer sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêt pour le monde qui l’entoure 2.
Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investissant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont, nous l’espé-rons, lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se position-ner dans le monde qui l’entoure, voire poursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…
Pour illustrer ce manuel, nous avons choisi d’éviter les dessins effectués dans un style qu’on retrouve classiquement dans les livres de sciences. Comme pédagogues, nous avons constaté que les dessins « vectorisés » et graphiquement très élégants proposés habituellement dans ces ouvrages donnent à nos élèves l’impression d’être irréalisables par eux-mêmes. Ce qui constitue souvent un argument, voire un alibi, pour ne pas entreprendre d’essayer de les re-produire. Nous considérons que les élèves doivent aussi savoir réaliser des dessins de prin-cipe, à main levée, comme les réalise le professeur, au tableau noir… ou numérique. Cela fait partie intégrante de son apprentissage « multimédia ». « Légender des dessins » reste trop souvent la seule façon de questionner nos élèves qui prétendent… ne pas savoir dessiner. Les photocopies largement distribuées par les professeurs permettent de gagner du temps face à une matière abondante, mais nos élèves risquent de devenir des « analphabètes » de dessin élémentaire. Voilà pourquoi les dessins que nous proposons sont plus des illustrations simples que des graphiques léchés. Pour les mêmes raisons, les reproductions scannées de
constructions issues de cahiers d’élèves pourront rassurer ces derniers.
1 2e degré 3 et 4 sciences de base (3h), humanités générales et technologiques, FESec, D/2009/7362/3/18.2 Ibid.
IVAvant-propos
Par ailleurs, l’élève sera encouragé à la fin de chaque chapitre à rédiger une synthèse des diffé-rentes notions abordées. Cette étape est importante pour structurer ses acquis, surtout dans le type de démarche que proposent les nouveaux programmes. Si la synthèse est proposée dans le manuel, rappelons qu’il est préférable que ce soit l’élève lui-même qui la construise. Il pourra ensuite confronter son propre document à celui présent dans le manuel. Différentes formes sont proposées afin de permettre à l’élève de personnaliser et d’enrichir son mode de synthè-se. Par exemple, en physique, la synthèse est présentée sous forme de « carte mentale » pour habituer l’élève à ce genre de technique largement pratiquée en entreprise (et dont le concept a été introduit par Tony Buzan). Elle permet d’établir des liens hiérarchiques entre les concepts et des liens sémantiques entres les idées, ce qui, pour certains, favorise la mémorisation. Des études de linguistique ont même prouvé que seuls les « mots de rappel » (ou « mots-clés ») donnent de la valeur ajoutée à un texte, alors qu’ils constituent moins de 10 % des mots de ce texte. En chimie et en biologie, selon le sujet abordé, nous proposons des diagrammes et tableaux accompagnés de quelques définitions.
Étant donné notre choix pour un manuel plutôt qu’un cahier à compléter, l’élève prendra des
notes structurées dans un cahier ou un classeur et veillera toujours à bien noter les pages du manuel auxquelles se rapportent ces notes, au fur et à mesure de l’apprentissage. Cette prise de notes présente souvent des difficultés pour les élèves ; il sera sans doute nécessaire de leur donner des consignes régulièrement et de guider leur apprentissage en la matière. Noter les dates des cours directement dans le cahier rappelle à l’élève le temps passé sur une matière et donc souvent sa difficulté relative.
Enfin, il nous a paru important que l’apprenant puisse disposer :d’un – glossaire pour découvrir et/ou vérifier la signification de termes scientifiques afin de développer son autonomie et d’enrichir son vocabulaire ;d’un – index permettant de retrouver rapidement une notion découverte précédem-ment ;d’un – tableau périodique dépliable en fin d’ouvrage.
Des changements importants sont à l’origine de ce nouveau manuel : depuis les changements de programmes scolaires jusqu’au passage à un nouveau format et à la couleur, en passant par le remaniement de l’équipe d’écriture. Nous tenons donc tout d’abord à remercier Sophie Todoroff pour le travail accompli par le passé et lui souhaitons bonne route.
Par ailleurs, cette nouvelle version fait écho aux conseils avisés de nos collègues Luc Nach-tergaele, Serge Thomas, Jean Richir, Ludovic Miseur ainsi que de quelques étudiants en bac régendat sciences de l’ENCBW (Sonia Azaz, Laurent Gruber…). Nous les en remercions.
Nous sommes également reconnaissants envers l’équipe éditoriale qui nous a laissé le temps de mûrir le projet et a su nous donner une nouvelle opportunité de mettre dans les mains des élèves et des professeurs un outil qui soit, autant que possible, un support à la fois attractif et pertinent pour l’apprentissage des sciences.
Les auteurs
V
Biologie, chimie et physique
Trois disciplines scientifiques sont regroupées dans ce manuel sous le terme « sciences ».Le mot « science » vient du mot latin scientia, « connaissance », venant lui-même du verbe latin scire (« savoir ») qui désigne à l’origine la faculté mentale propre à la connaissance. D’après le dictionnaire Le Robert, la science est « l’ensemble de connaissances, d’études d’une valeur uni-verselle, caractérisées par un objet (domaine) et une méthode déterminés, et fondées sur des relations objectives vérifiables »3. Les trois disciplines scientifiques abordées dans le cadre de ce cours sont la biologie, la chimie et la physique : elles font partie des SCIENCES DE LA NATU-RE. Il s’agit de sciences expérimentales et, à ce titre, elles nécessitent la pratique d’une démar-che dite expérimentale. Le biologiste, le chimiste ou le physicien qui observe un phénomène, s’interroge, formule des hypothèses. Pour vérifier ces hypothèses, il réalise des expériences, s’interroge encore, expérimente, élabore des modèles, représentations simplifiées de la réalité. Ainsi, petit à petit, les scientifiques, ensemble, construisent des théories en rassemblant les diverses lois induites par les expériences.
La biologie s’attache à l’étude des êtres vivants, de leur structure, de leur fonctionnement et de leurs interactions entre eux et avec leur milieu. Les champs d’application de cette discipline sont variés et étendus : depuis les plus petites molécules constituant un virus jusqu’aux mo-difications climatiques à l’échelle planétaire qui influencent la répartition géographique de certaines espèces.
La chimie est une science qui étudie principalement la structure et les transformations de la matière. Les chimistes s’intéressent aux toutes petites parties élémentaires et à la manière dont ces parties élémentaires sont assemblées pour former les corps de l’Univers. Ils décrivent les changements observés lors des transformations de la matière et essaient de les expliquer par des modèles. Grâce à ces modèles, les chimistes peuvent prévoir certaines transformations. Par exemple, lorsque certains gaz sont émis dans l’atmosphère, ceux-ci acidifient les pluies. Ou encore, le mélange de deux déboucheurs de canalisation différents peut dégager une très forte chaleur et être source de danger…
La physique, ou « étude des lois de la nature », englobe toutes les sciences de la nature. Elle donne souvent l’explication la plus profonde du « comment » de la chimie et même de la bio-logie ou de la médecine (le mot physician est resté en anglais pour « docteur en médecine » !). Elle fournit les méthodes et techniques aux autres sciences de la nature. Ses domaines d’appli-cation sont tellement vastes qu’elle s’est déchargée, dans l’histoire, de ces branches pour qu’el-les deviennent des spécialités à part entière. Elle utilise (et développe) le plus souvent l’outil mathématique et était, à l’origine, une branche de la philosophie. Dans nos cours d’humanités, la physique passe en revue des domaines et concepts aussi différents que l’optique, l’électro-statique, l’électricité, les forces, la chaleur, l’énergie, le travail, la puissance, les mouvements, les ondes, le nucléaire, l’astronomie, les particules élémentaires etc. Toutes les technologies de notre monde sont basées sur les lois de la physique ! Il faut donc pouvoir s’y retrouver pour éviter les « débats de comptoir » face aux sujets qui, parfois, préoccupent…
3 Le Robert, édition 2004, p. 2381.
VIAvant-propos
Un manuel aux multiples facettes
Il est vivement conseillé de respecter l’ordre des chapitres si l’on veut garder une cohérence quant aux prérequis et à la complexité croissante de certaines activités proposées. Chaque chapitre débute par une introduction qui fait le lien avec le chapitre précédent, un itinéraire à suivre qui reprend le fil conducteur du chapitre étudié et les objectifs à atteindre. En fin de cha-pitre, se trouve une synthèse qui permet de structurer les connaissances et qui pourrait servir de support pour entraîner les élèves à réaliser leurs propres synthèses. Les familles de tâches sont à chaque fois précisées en début de chapitre (Rappel de ces familles, p. 261).
Nous avons fait le choix de travailler selon un format en deux colonnes (de type « 1/3 et 2/3 ») pour assurer une cohérence et une fluidité dans l’enchaînement des concepts abordés. Le fil conducteur et l’enchaînement des concepts se trouvent dans la colonne 2/3. Les divers contex-tes d’apprentissage sont répartis en différentes rubriques (ci-après). Nous avons eu le souci d’aider l’élève dans sa lecture et son orientation à travers ces différentes rubriques et colonnes. Nous avons ainsi introduit une autre nouveauté : des flèches � discrètes qui apparaissent de temps en temps dans le texte. Elles orientent provisoirement l’élève vers une activité ou une illustration à ne pas manquer située le plus souvent dans les colonnes extérieures. Ainsi, le corps du texte reste plus cohérent et écarte les digressions, sans l’alourdir. La couleur de ces flèches est en rapport avec la couleur attribuée dans ce manuel à chacune des disciplines (� biologie, � chimie, � physique).
QUE LA LUMIÈRE SOIT... VISIBLE
Utilise un petit L.A.S.E.R. (Light A Stimulated Emission of Radiation) qui émet un faisceau lumineux vers un écran. Prends garde à
mplification by
tes yeux et à ceux des autres : c’est très dangereux pour la rétine !Le faisceau lumineux est-il visible (ne cherche pas à le regarder de face) ? Que vois-tu ? Propose une expérience permettant de visualiser le trajet de la lu- mière.L’air dans le labo constitue un milieu homogène et isotrope. Que signifient ces termes ?
Rédige une conclusion sur la condition de visibilité de la lumière et concer-nant la propagation de la lumière dans un milieu homogène.Sur le schéma ci-contre, délimite de manière aussi précise que pos-sible les zones de vision complète, partielle ou d’invisibilité de l’objet situé derrière le carton. Que peux-tu conclure ?
Des expériences simples et constructives. Les consignes sont tantôt volontairement peu directives de façon à dé-velopper la créativité et l’esprit de recherche de l’élève, tantôt plus précises afin d’entraîner la lecture et la mise en œuvre d’un protocole.
Les informations : des « clins d’œil » destinés à éveiller la curiosité et l’esprit critique de l’apprenant.
Un remède aux mains moites !
La magnésie ou oxyde de magnésium
est une poudre blanche souvent utilisée
par les grimpeurs et les gymnastes pour
sécher les mains moites.
VIIAvant-propos
Représentation de la digestion
Vous pouvez construire un poster
présentant un modèle de la DIGESTION
que vous afficherez en classe et qui vous
permettra de mieux comprendre ce
phénomène.
Mais que se passe-t-il donc dans ce sys-
tème digestif, tout au long de ce parcours
d’environ 18 mètres ?
Que deviennent les aliments après diges-
tion ?
En groupe, entamez vos recherches à
l’aide des explications qui suivent.
Des tâches qui permettent à l’élève d’exercer une compétence en mobilisant les savoirs et savoir-faire à maîtriser. Ces tâches sont classées par famille. La des-cription des familles de tâches se trouve à l’annexe 1.
Ton menu d’hier
Fais la liste de tout ce que tu as mangé
et bu hier. Calcule la part de glucides,
lipides et protides (grâce au document 6).
As-tu respecté la règle « GPL 421 » ?
Des questions posées afin de faire découvrir de nouveaux concepts, de construire un raisonnement et/ou de faire avancer les représentations. Ce signe annonce également des exercices.
Miroirs tournants
Effectue une recherche sur la méthode
plus précise employée par
Albert A. Michelson pour mesurer la
vitesse de la lumière grâce à des miroirs
tournants.
@Des recherches en bibliothèque ou sur Internet sont proposées afin de découvrir des applications de certains concepts dans la vie de tous les jours ou des explications complémentaires.
La loi de la conservation de la masse
« Lors de la réaction chimique se déroulant dans un système isolé, la masse totale du système demeure constante. » �
Le logo « Important » marque des défini-tions, règles, concepts, lois importantes à mé-moriser absolument.
Pour en savoir plus : des pistes, qui dépassent par-fois le programme officiel, sont proposées pour ap-profondir certains points.
Lewis
En 1916, G. N. Lewis propose une repré-
sentation des électrons concernés par les
liaisons chimiques. Ces électrons sont les
électrons de valence.
: 2 électrons
: 1 électron
Dans cet exemple, l’élément possède
6 électrons de valence.
+
Sommaire
Avant-propos III
Chapitre 1 La structure de la matière 2
Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique
Chapitre 2 La formation des images 32
Comprendre le comportement de la lumière dans les instruments d’optique
Chapitre 3 Une alimentation équilibrée 70
Manger pour assurer ses fonctions vitales
Chapitre 4 L’équilibre statique des objets 98
Représenter les forces pour résoudre des applications concrètes
Chapitre 5 La nutrition des plantes : la photosynthèse 126
Cultiver les plantes et déterminer les facteurs qui influencent leur croissance
Chapitre 6 Les molécules de la chimie minérale 148
Mieux connaître les produits chimiques pour les utiliser avec prudence
Chapitre 7 L’électrisation des corps 182
Tester les phénomènes électrostatiques pour les expliquer d’un point de vue atomique
Chapitre 8 La réaction chimique 208
Analyser les réactions chimiques d’un point de vue moléculaire pour les représenter par des équations chimiques
Chapitre 9 Les relations des vivants avec leur milieu 230
S’informer et agir pour expliquer l’impact de l’homme sur l’environnement
Glossaire 251
Annexes 259
Index 269
Tableau de Mendeleïev
�
�ITINÉRAIRE À SUIVRE
1 Changement d’échelle1 Niveaux d’organisation2 Les cellules3 Les molécules4 Les atomes5 En résumé
2 Les éléments chimiques1 Les symboles des éléments chimiques2 Le classement des éléments chimiques
3 La structure de l’atome1 De la molécule à l’atome : confusions2 La structure de l’atome : mise au point
3 La structure de l’atome : un modèle du xxe siècle
4 Les dimensions de l’atome5 Le tableau périodique et la structure de
l’atome6 Le tableau périodique et la structure des
ions
4 Exercices
5 Synthèse
LA STRUCTURE
DE LA MATIÈRE
2211
5
11
IT
Regarde autour de toi : ton pull, le tableau, ta gomme, ton banc, l’air que tu respires, la poussière de craie... Comment ne pas s’étonner devant une telle diversité au sein de la matière ? La matière
vivante et non vivante témoigne d’une organisation complexe qui intéresse des scientifiques de nom-breuses disciplines dont la physique, la biologie et la chimie. Au cours de ce chapitre, nous aborderons différents niveaux d’organisation de la matière. Selon l’instrument d’observation utilisé, les choses nous apparaissent sous un tout autre angle ; selon le degré d’imagination dont nous faisons preuve, nous pouvons nous représenter certains matériaux et expliquer leurs propriétés. Toutefois, la compréhension de la structure de la matière a nécessité des millénaires et pose encore question aux experts. Ce premier chapitre te permettra de poser des bases qui t’amèneront à approfondir l’organisation de la matière vivante et non vivante par la suite : changer d’échelle pour mieux comprendre le monde qui t’entoure...
Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique
GUIDE POUR L’ÉTUDE
– préciser l’ordre de grandeur des objets et êtres suivants : atome, molécule, protéine, virus, bactérie, cellule, organisme, tissu
– citer et identifier les parties de la cellule et leur rôle (membrane, noyau, cytoplasme)– citer le pouvoir de résolution de l’œil, du microscope optique et du microscope électronique– décrire la signification du concept de « modèle scientifique »– décrire les notions de modèle moléculaire, de modèle atomique, de réactif, de produit, de
phénomène chimique, de phénomène physique– écrire le symbole des éléments chimiques ainsi que leur nom correctement orthographié– décrire les différents modèles de l’atome qui ont été vus– préciser les propriétés physiques des métaux et des non-métaux
– tenir compte des limites de la vision lors de l’approche d’un nouveau phénomène– utiliser un microscope optique– représenter la cellule– réaliser un dessin scientifique et rédiger des observations précises– représenter la composition d’un mélange– placer, dans les bonnes périodes historiques, sur une ligne du temps, les événements et
personnages suivants : Démocrite, Dalton, modèle d’Aristote, adhésion du grand public à la théorie atomique, tableau périodique de Mendeleïev, découverte de l’électron, du proton et du neutron ainsi que des modèles atomiques de Thomson, Rutherford et Chadwick
– préciser la structure atomique d’un élément chimique en t’aidant du tableau périodique– reconnaître une molécule d’après sa composition atomique– écrire le symbole d’un ion d’après son nom et inversement– classer des corps purs selon leur caractère métallique– identifier les métaux et les non-métaux d’après leur place dans le tableau périodique
Famille de tâches 1– prévoir quelques propriétés d’un élément chimique selon sa place dans le tableau périodique Famille de tâches 2– préparer une solution aqueuse– tester et comparer les propriétés des corps pursFamille de tâches 4– représenter la structure de la matière selon un niveau d’observation donné– réaliser une ligne du temps présentant l’évolution du modèle de l’atome
SAVOIRS
SAVOIR-FAIRE
TÂCHES
4 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
1 CHANGEMENT D’ÉCHELLE
1. Niveaux d’organisation
L’organisation du monde vivant est hiérarchisée, c’est-à-dire que chaque niveau s’édifie à partir du niveau inférieur : la communauté biologique réunit différentes populations d’organismes en liens étroits entre eux et avec leur milieu. Ces populations sont constituées d’ensembles d’individus d’une même espèce vivant dans une région donnée à un moment donné. Chaque individu, suivant son degré de complexité, est formé par un ensem-ble de systèmes qui se coordonnent de manière très précise (système di-gestif, système nerveux…). Dans chacun de ces systèmes, chaque organe assure une (ou plusieurs) fonction(s) spécifique(s) en étroite collaboration avec les autres organes. Les différents tissus qui composent l’organe assu-rent un (ou des) rôle(s) spécifique(s). C’est le cas de l’estomac qui participe à la digestion par exemple. Enfin, ces tissus sont composés de cellules, unités de fonctionnement des êtres vivants, qui peuvent faire des échanges avec l’extérieur, se multiplier, fabriquer des substances…
Orque. Poissons exotiques.
Population de méduses. Tissu musculaire. Globules rouges.
Système circulatoire. Foie.
Invasion bactérienne
Notre corps compte de 10 à 100 fois plus
de bactéries que de cellules. Ces bactéries
colonisent notre peau, notre bouche,
notre système digestif, nos muqueuses…
Ces bactéries d’espèces différentes sont
pour la plupart utiles et non dangereuses.
milliards d’humains
La population humaine approche actuel-
lement des 7 milliards d’habitants.
Consulte l’évolution des statistiques
mondiales en temps réel sur le site
www.worldometers.info/fr
@
Définir, illustrer
Note les définitions des termes suivants
et illustre ceux-ci par des exemples :
communauté biologique, population,
organisme, système d’organes, organe,
tissu, cellule.
5Chimie
Eh oui, nous ne pouvons pas tout observer à l’œil nu ! En effet, le pouvoir de résolution de notre œil est limité. La résolution est la distance minimale entre deux points qui permet de les distinguer l’un de l’autre. Par exemple, regarde les 2 points suivants :
Tu peux les voir tous les deux car ils sont suffisamment espacés. Ce ne sera pas le cas si la distance qui les sépare est inférieure à 0,1 mm (ou 100 μm) car la lumière réfléchie par chaque point frappe la même cellule réceptrice de l’œil. Pour l’œil, la résolution est de 1 mm pour un objet se trouvant à 3 m de distance.
Une façon d’accroître la résolution est d’augmenter le grossissement de tel-le sorte que les objets apparaissent plus grands. Ainsi, tu peux utiliser une loupe ou un microscope par exemple. Il existe de nombreux types de mi-croscopes. Parmi eux, citons les microscopes optiques (ou photoniques) et les microscopes électroniques fonctionnant respectivement avec la lumière et avec des particules appelées électrons.
Intestin grêle
Cellule
Veine
Artère
Canal lymphatique
Ce schéma illustre quatre niveaux d’observation différents :un organe (l’intestin grêle) ; –
les replis qui tapissent sa face interne ; –
une villosité dans laquelle arrive un vaisseau sanguin (une artère) qui –
pourra recueillir les produits de la digestion et d’où s’en va une veine. Le canal lymphatique peut être assimilé à une « canalisation de net-toyage des tissus » ;une cellule bordée de microvillosités et contenant un noyau. –
Replis, villosités et microvillosités ont pour rôle d’augmenter la surface d’échanges entre la lumière de l’intestin et l’intérieur du corps.
Organiser
En partant de tes observations et de tes
connaissances,
cite les différents niveaux d’organisa-1.
tion de ton corps, du plus grand au
plus petit, en utilisant les mots clés
suivants : cellule, molécule, intestin,
système digestif, tissu ;
propose des moyens d’observation 2.
pour chaque niveau d’organisation.
Œil.
Loupe.
Microscope optique.
6 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
2. Les cellules
EXPÉRIENCE : OBSERVATION DE CELLULES AU MICROSCOPE OPTIQUE
Objectif
Décrire et schématiser des cellules animales.
Matériel et méthode
Prépare une coupe microscopique.1. Racle doucement l’intérieur de ta joue avec un coton-tige. –
Place la matière grisâtre sur une lame en verre. –
Ajoute une goutte d’eau et couvre d’une lamelle –
Tu peux aussi colorer ta coupe avec une goutte de bleu de méthy- –
lène ou d’eau iodée.Observe la coupe et réalise un dessin légendé selon les consignes de 2. la fiche « dessin scientifique ». �
Résultat
Rédige tes observations.Remets ton dessin légendé � et tes observations.
Micrographie de cellules de l’intérieur de la joue (100x). Dessin réalisé par un élève.
Interprétation
Propose un modèle de la cellule en t’aidant des pistes suivantes.À l’image de notre organisme, la cellule contient beaucoup d’eau ; le li- –
quide épais contenant cette eau (à raison de 85 %) et d’autres substances (glucides, lipides, protides et bien d’autres) est appelé cytoplasme.Une barrière sépare la cellule du milieu extérieur et est composée de –
substances qui ne se mélangent pas à l’eau (lipides et protéines) : il s’agit de la membrane cytoplasmique.Un – noyau « commande » toutes les fonctions de la cellule (se reproduire, fabriquer des substances…).
50 μm
Comment utiliser le microscope ?
Place l’échantillon sous l’objectif dont le
grossissement est le plus faible. Utilise
les vis de réglage afin d’obtenir une vision
nette en faisant attention de ne pas
écraser la coupe microscopique. Choisis
l’objectif approprié à ton observation.
Note le grossissement : il correspond au
produit des grossissements de l’oculaire
et de l’objectif.
Comment réaliser un dessin scientifique ?
Ce type de dessin sera fait au crayon
(dans un cercle de 3 cm de rayon pour
les observations pratiquées au micros-
cope) et sera aussi proche que possible
de la réalité. Tu n’oublieras pas de le
faire précéder d’un titre, de lui adjoindre
une légende (à l’aide de flèches parallè-
les tracées à la latte et d’en préciser le
grossissement (10 × 40 = 400 fois par
exemple).
7Chimie
Tous les tissus vivants sont composés de cellules dont la taille et les autres caractéristiques sont liées à leur fonction. Les cellules auxquelles nous nous intéressons dans le cadre de ce chapitre contiennent un noyau (elles sont appelées cellules eucaryotes) et leur diamètre varie entre 10 et 100 μm (1 μm = 10–6 m = 10–3 mm). Il existe donc une très grande variété de cellules, comme tu peux le voir sur le schéma ci-dessous. Cependant, toutes les cel-lules ont un certain nombre de points communs dont le plus important est de pouvoir, à elles seules, assurer leurs fonctions vitales : en effet, les cellules respirent, fabriquent des substances, se multiplient, meurent… Mais de quoi sont-elles composées ? De ce que nous mangeons, buvons, « respirons »…
cerveau
sang
muscle
cœur
intestin
spermatozoïdes
Pourquoi les cellules sont-elles si petites ?
La plupart des cellules sont microscopi-
ques. Imaginons-les sous forme cubique ;
n’oublions pas qu’elles sont en trois
dimensions…
a)
b)
c)
Rapport surface/volume de différents assem-blages.
a. Prenons, par exemple, un morceau de
tissu biologique (cubique) de 50 μm
de côté ; calcule son volume et sa
surface s’il n’était composé que d’une
seule cellule de 50 μm de côté.
b. Prenons à présent une cellule de
10 μm de côté. Calcule son volume et
sa surface...
c. Revenons à notre morceau de tissu
de 50 μm de côté : s’il est composé de
cinq cellules dans chacune des trois di-
mensions, de combien de cellules est-il
composé ? Calcule son volume total et
sa surface totale, en tenant compte des
surfaces de chacune des cellules.
La différence est de taille : une surface
de 75 000 μm2 pour le tissu composé
de 125 cellules contre une surface de
15 000 μm2 pour un tissu de même
volume (125 000 μm3) composé d’une
seule cellule. Une surface plus grande
permet un échange de substances plus
grand. Donc, la plupart des cellules sont
microscopiques parce qu’il s’agit là de la
seule façon de posséder suffisamment
de surface d’échange par rapport à leur
volume.
+
8 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
3. Les molécules
L’étude de la structure chimique de la matière va t’emmener dans un univers situé bien au-delà de ce que tu peux voir. Pour commencer, choisissons la matière dont l’importance est vitale : l’eau. En effet, on estime que l’eau cou-vre environ 70 % de la Terre et qu’elle compose approximativement 70 % de ton organisme (75 % pour un nourrisson, 65 % pour un adulte).L’eau est en effet la matière la plus importante dans les organismes vivants. Présente abondamment dans les cellules et dans les espaces intercellulaires, l’eau forme une solution avec des sels minéraux, des sucres, des protéines et de nombreuses autres substances. C’est donc grâce à l’eau que la vie est pos-sible. L’expérience ci-après te permet de découvrir la composition du sérum physiologique et d’approcher le concept de molécule.
TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PRÉPARATION DU SÉRUM PHYSIOLOGIQUE
Le sérum physiologique sert au lavage des fosses nasales, à l’hygiène ocu-laire chez le nourrisson, l’enfant et l’adulte. �Objectif
À l’aide du matériel et des produits que le professeur met à ta disposition, prépare 100 mL de cette solution avec le soluté et le solvant adéquat. �Matériel et produits
Balance, récipient de 100 mL, petit berlin, pissette d’eau distillée, enton-noir et chlorure de sodium (sel de cuisine).D’après toi, parmi les récipients suivants, lequel choisirais-tu pour réaliser une mesure précise d’un volume de 100 mL ? Justifie.
Verrerie de laboratoire.
Solution
Soluté : substance dissoute dans un solvant.
Solvant : substance ayant le pouvoir de dissoudre d’autres substances.
Solution : mélange homogène de deux ou plusieurs composés.
Que d’eau !
Organisme Pourcentage
d’eau
L’homme 65 %
Le chien 67 %
Le maïs 70 %
L’œuf de poule 75 %
Le poisson 80 %
Le champi-gnon
89 %
La tomate 91 %
La laitue 95 %
À toi de préparer
Observe attentivement l’étiquette ci-des-
sous et décris la composition du sérum
physiologique. Propose un moyen de pré-
parer une solution de même composition
et de même concentration que ce sérum.
Précise les quantités de substances néces-
saires pour faire 100 mL de solution.
Sérum physiologique.
9Chimie
Méthode de préparation d’une solution
À l’aide d’une balance, prélève la masse déterminée de chlorure de 1. sodium (sel de cuisine) dans le petit berlin (figures a, b).Dissous avec un peu d’eau le chlorure de sodium et verse-le dans le 2. ballon jaugé (figures c, d).Á l’aide d’une pissette d’eau distillée, lave ton berlin et récupère le 3. liquide dans le jaugé (figures e, f ).Agite et ajoute de l’eau distillée (le solvant) afin d’atteindre le volume 4. déterminé par le trait de jauge du ballon de 100 mL (figures g, h).
a b
e
gd
c
f
h
Préparation d’une solution de concentration précise.
Conclusion
La dissolution du sel dans l’eau est un phénomène physique : la nature même des corps n’a pas changé. En effet, si on fait évaporer l’eau de la solution, on retrouve le sel : soluté de départ. Au cours de la dissolution, les molécules de sel se sont mélangées aux molécules d’eau.Les schémas que tu as dessinés sont des exemples de modèles scientifiques.
Modèle scientifique
Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité permettant de mieux
comprendre les phénomènes qui y sont associés.
En ce qui concerne la matière, les scientifiques disent que tout se passe comme si la matière était faite de petits corpuscules appelés MOLÉCULES. Il s’agit du MODÈLE MOLÉCULAIRE DE LA MATIÈRE.
Interprétation
Plonge virtuellement au cœur de la so-1.
lution et propose un schéma légendé
modélisant le contenu du récipient.
Propose un nouveau schéma légendé 2.
modélisant le contenu d’un récipient
contenant 1,8 g de NaCl par 100 mL
de solution.
Cette nouvelle solution sera-t-elle plus 3.
ou moins concentrée que celle que
vous avez réalisée ?
Exprime avec tes mots ce que repré-4.
sente la notion de concentration.
De manière très naturelle, la concen-5.
tration massique est exprimée en g/L
ou g.L–1. Précise la concentration de ta
solution dans cette unité.
SOLVANT + SOLUTÉ
SOLUTIONAQUEUSE
eau + sel
Sirop de sucre
Le sirop de sucre contient 1 kg de sucre
pour 1 L d’eau. Représente sous forme
de modèle moléculaire le sirop de sucre
sachant que :
le mélange contient 20 fois plus de –
molécules d’eau que de molécules de
sucre ;
les molécules de sucre sont 20 fois plus –
grosses que celles de l’eau.
SOLVANT + SOLUTÉ
SOLUTIONAQUEUSE
eau + sucre
10 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
4. Les atomes
Notre étude de la matière se poursuit : d’un point de vue chimique, celle-ci est composée de molécules (par exemple, l’eau est constituée de molécules d’eau). Et les molécules, de quoi sont-elles composées ? �
EXPÉRIENCE : ÉLECTROLYSE DE L’EAU
Objectif
Il s’agit de décomposer l’eau à l’aide d’une source d’énergie électrique afin de vérifier vos hypothèses.Matériel et méthode
Réalise un schéma légendé de l’appareil à électrolyse. –
Le professeur branche l’appareil sur une alimentation électrique 12 volts –
(noté 12 V).
Électrolyseur.
Résultats
Prends note de tes observations qualitatives en cours d’expérience.1. Réalise un second schéma représentant tes observations après environ 2. 10 minutes.Prends note des volumes de gaz produits (observations quantitatives).3.
a
d
b
e f g
c
Électrolyse de l’eau : a – vue de haut ; b, c, d – progression de la réaction ; e – arrêt de la réaction ; f – test d’identification de l’hydrogène ; g – test d’identification de l’oxygène.
Casser des molécules
Serait-il possible de casser des molécules
d’eau ? Et si on y parvenait, qu’obtien-
drait-on ? Formule une hypothèse.
Invention de la pile
Quelques traces anciennes de piles datant
d’avant J.-C. ont été découvertes. Toute-
fois, l’ancêtre des piles actuelles est bien la
pile de Volta (physicien italien), inventée
le 17 mars 1800. À peine quelques mois
plus tard, le 2 mai 1800, deux chimistes
britanniques utilisent la pile de Volta pour
réaliser la première électrolyse de l’eau.
Pile de Volta.
+
Électrolyse
La partie électro, formée à partir du grec
elektros qui signifie « ambre jaune », fait
référence à l’électricité (voir aussi cha-
pitre 7). La partie lyse provient du grec
lysis, « action de délier, séparer ». L’élec-
trolyse est donc l’action de décomposer
les molécules avec de l’électricité.
11Chimie
Interprétations
À ton avis, quels sont les gaz produits ? Formule une hypothèse.Des tests sont réalisés pour identifier les gaz. S’il explose au contact d’une flamme, il s’agit de dihydrogène ; s’il rallume un tison (bout de bois encore rouge), il s’agit de dioxygène.Décris ce qu’il s’est passé au cours de l’électrolyse de l’eau en termes de mo-lécules.
Conclusion
Nous avons pu décomposer l’eau en deux corps tout à fait différents. Il s’agit d’un phénomène chimique. Puisque l’eau peut être décomposée, on peut en déduire que les molécules d’eau sont constituées de plus petites particu-les encore : on les appelle les atomes. D’après les volumes produits obtenus par électrolyse, on peut supposer que chaque molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.
corps pur exemple
de propriété
molécules qui le
constituent
atomes qui le
constituent
eau téb = 100 °Ctf = 0 °Cà pression atm
molécules d’eau atomes d’oxygène d’hydrogène
oxygène ravive un tison molécules de dioxygène
atomes d’oxy-gène
hydrogène explose au contact d’une flamme
molécules de dihydrogène
atomes d’hydro-gène
Décomposition de l’eau
2 moléculesd’eau
2 moléculesde dihydrogène
1 moléculede dioxygène
+se transforment
en
Par conséquent, il convient de proposer un nouveau modèle de la composi-tion de la matière.
Modèle atomique de la matière
La matière est faite de molécules, elles-mêmes constituées d’atomes.
Légendeatome d’oxygèneatome d’hydrogène
Modèle d’une molécule d’eau.
milliards de mil-liards de molécules
Sachant qu’il y a environ 20 gouttes
dans 1 mL d’eau, on considère qu’une
goutte d’eau a un volume de 0,05 mL ou
0,05 mm3. Les chimistes estiment, d’une
part, que, dans une goutte d’eau, il y a
environ 30 000 milliards de milliards de
molécules (3.1022) et, d’autre part, que le
volume d’une molécule d’eau est approxi-
mativement de 1,5.10–24 mm3 (0,000 000
000 000 000 000 000 001 5 mm3). C’est
extrêmement petit et invisible !
+
Pour t’exercer
Résous les exercices 1, 2 et 3.
Hypothèse d’avogadro
Des volumes égaux de gaz contiennent le
même nombre de particules
12 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
5. En résumé
Le changement d’échelle nous emmène du monde macroscopique (du grec macro, « long, très grand ») au monde microscopique (du grec micro, « petit »). Nous utilisons ces termes dans le sens suivant :
– macroscopique : « ce qui peut être observé à l’œil nu » ; – microscopique : « ce qui ne peut être observé à l’œil nu ».
NIV
EAU
MAC
ROSC
OPI
QU
E
ORG
AN
ISM
E
Œil
hum
ain
SYST
ÈME
D’O
R-G
AN
ES
Salamandre
Bouche
Œsophage
Intestin
AnusFoie
Pancréas
Estomac Cloaque
ORG
AN
ETI
SSU
200 μm
NIV
EAU
MIC
ROSC
OPI
QU
E
Mic
rosc
ope
optiq
ue
Mic
rosc
ope
élec
tron
ique
CELL
ULE
Microvillosités
Membrane cellulaire
Noyau
200 nm
MO
LÉCU
LE
0,2 nm
ATO
ME
Ordres de grandeur
Remarque : cette catégorisation en niveaux macroscopique et microscopi-que est, comme tous les modèles, discutable mais elle est utile pour la com-préhension des phénomènes étudiés.
13Chimie
Du plus petit au plus grand
La nature s’édifie à partir des niveaux inférieurs ; rétablis l’ordre en classant du plus petit au plus grand les différents éléments ci-dessous.
a) Schéma du système nerveux de l’animal.
b) Tissu nerveux cérébral.
c) Modèle de molécule d’acide désoxyribonu-cléique (ADN). Il s’agit d’une molécule organi-que.
d) Neurone, cellule nerveuse comportant de nombreuses ramifications.
e) Bernache du Canada (une variété d’oie) : organisme.
f ) Noyau, élément de la cellule, observé au microscope électronique. Il renferme l’ADN.
g) Dessin d’un encéphale (organe) d’une Bernache du Canada.
14 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
2 LES ÉLÉMENTS CHIMIQUES
La matière de la Terre et de tout l’Univers est constituée à partir d’un peu plus d’une centaine de briques élémentaires appelées « éléments chimiques ». Ceux-ci ont été découverts petit à petit depuis l’Antiquité. La représentation de ces éléments a évolué au cours des siècles selon les théories et les préoc-cupations de l’époque.
1. Les symboles des éléments chimiques
LES MONOGRAMMES ALCHIMIQUES
Au Moyen-Âge, pour écrire leurs formules, les alchimistes créent un symbo-lisme inspiré des Anciens… Ces derniers associaient leurs dieux aux planè-tes dont ils partageaient le ciel. Ainsi, la planète Mars est associée au dieu sanguinaire de la guerre ; leur représentation est le bouclier et la pointe de la flèche. Nos alchimistes, en quête de symboles, en font le monogramme du fer, matériau utilisé pour fabriquer les armes. Les biologistes utilisent cet emblème de la dureté pour en faire le symbole de l’homme.La planète Vénus est associée à la déesse de la beauté ; on la représente par son miroir dont le manche est en forme de croix. Les alchimistes en font le monogramme du cuivre, métal très brillant quand il est bien poli. Plus tard, les biologistes s’emparent de cette figure de la beauté pour en faire le sym-bole de la femme.
fer cuivre or argent
Symboles du fer, du cuivre, de l’or et de l’argent.
LES SYMBOLES DU XVIIIe SIÈCLE
Le 18 avril 1787, Lavoisier (1743-1794) lit à l’assemblée Royale de l’Académie des Sciences un mémoire sur la nécessité de réformer et de perfectionner la nomenclature en Chimie. Ce mémoire contient aussi un nouveau Système de Caractères Chimiques, de Hassenfratz et Adet, adapté à cette nomenclature. Dans ce système, les métaux sont représentés dans un cercle par une ou deux lettres (sauf l’or).
AsZ Sb
H Feor mercure fer
zinc antimoine arsenic
Symboles de l’or, du mercure, du fer, du zinc, de l’antimoine et de l’arsenic.
AN
TIQ
UIT
É–
3500
– 4
76M
OYE
N-Â
GE
476
– 14
53TE
MPS
MO
DER
NES
1453
– 1
789
1453
Chut
e de
l’Em
pire
rom
ain
d’O
rient
476
Dép
ositi
on
du d
erni
erem
pere
ur ro
mai
nd’
Occ
iden
t
15Chimie
LES SYMBOLES DU XIXe SIÈCLE
John Dalton
Physicien et chimiste anglais (1766-1844), John Dalton est le véritable créa-teur de la théorie atomique. On lui doit plusieurs lois dont la loi des propor-tions qui porte son nom. Il étudie sur lui-même la maladie appelée dyschro-matopsie, mieux connue depuis sous le nom de daltonisme. C’est vers 1810 que John Dalton crée les symboles pour la plupart des éléments connus à ce moment. Bien qu’à cette époque les Anglais et les Français s’échangent plus volontiers des boulets de canon que des symboles chimiques, on peut raisonnablement penser qu’en sa qualité d’associé étranger à l’Institut de France, John Dalton est au courant du Système de Caractères Chimiques de Hassenfratz et Adet. Dalton améliore cette notation, entre autres en systé-matisant le symbolisme : tout élément est représenté dans un cercle ; les plus récemment découverts sont caractérisés par une ou deux lettres rap-pelant leur nom.
S
argent
carbonehydrogène phosphore
C
cuivre
Ar
arsenic
G
or
oxygène
Quelques symboles de John Dalton.
Jöns Jacob Berzelius
Chimiste suédois (1779-1848), membre de l’Académie des Sciences de Suède (1808), président et secrétaire perpétuel de cette Académie, le ba-ron Berzélius sépare la chimie minérale et la chimie organique (1806) ; il isole de nombreux corps simples (sélénium, calcium, baryum, strontium…). C’est lui aussi qui fait connaître les propriétés du silicium. Berzélius géné-ralise l’usage des lettres pour représenter les éléments chimiques et dé-pouille le symbole du cercle qui l’entourait. L’usage fera attribuer à tous les métaux nouvellement découverts le suffixe -ium et le symbolisme en un ou deux caractères sera imposé comme notation internationale. Berzélius a également l’idée d’affecter des exposants (remplacés aujourd’hui par des indices) pour préciser le nombre d’atomes d’une espèce dans une molécule.
Agargent
carbonehydrogène phosphore
Cucuivre
Asarsenic
Au
OH C P
or
oxygène
Quelques symboles de Jöns Jacob Berzelius.
ÉPO
QU
E CO
NTE
MPO
RAIN
E 1
789
– ...
1789
Révo
lutio
nfra
nçai
se
16 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
DU CORPS PUR À SON SYMBOLE
Le cuivre
Niveau macroscopique
Niveau microscopique
Niveau symbolique
Cu
Remarque : le rayon atomique des atomes de cuivre est de 128 pm, c’est-à-dire 128.10-12 m, soit 1,28.10-10 m. Invisible par microscopie optique !
CONVENTION
Chaque élément est donc symbolisé :par la première ou les deux premières lettres du nom : –
exemples carbone C calcium Ca cuivre Cu
par d’autres lettres appartenant au nom : –
exemples chlore Cl cadmium Cd
ou par d’autres lettres venant de son nom dans une autre langue (latin, –
etc.) : exemples sodium Na (natrium) potassium K (kalium)
Symboles chimiques
Par convention, la première lettre est toujours écrite en majuscule d’imprimerie et la
deuxième (quand elle est présente) en minuscule !
Parmi les différents éléments chimiques du tableau périodique (voir tableau déplia-
ble à la fin du livre), tu connaîtras parfaitement les noms (orthographe comprise) et
les symboles se trouvant ci-contre. �
Sodium (Na) solide (à conserver dans le pétrole).
Dichlore (Cl2), dibrome gazeux (Br2), diiode (l2).
Fer (Fe) solide.
Cuivre (Cu) solide.
Pour t’exercer
Tu es maintenant capable de faire
l’exercice 6.
17Chimie
Quelques éléments chimiques
accompagnés de leur symbole et autres informations
Z Symbole Nom Information
1 H hydrogène « qui engendre l’eau »2 He hélium du grec « soleil »3 Li lithium du grec « pierre »4 Be béryllium présent dans le minéral « béryl »5 B bore de l’arabe « fondant »6 C carbone élément à la base des structures vivantes7 N azote « qui empêche la vie »8 O oxygène « qui engendre les acides »9 F fluor du latin « écoulement », présent dans l’émail
des dents10 Ne néon « gaz nouveau »11 Na sodium du latin « remède au mal de tête », utilisé dans
certains types d’éclairage12 Mg magnésium de la province grecque de Magnésie, utilisé en
escalade et en gym sous forme de sel13 Al aluminium provenant du minerai appelé alumine, utilisé
comme feuille d’emballage14 Si silicium du latin « pierre à feu », utilisé en l’électronique15 P phosphore « porteur de lumière », présent dans les allu-
mettes16 S soufre présent dans les allumettes17 Cl chlore gaz de couleur vert-jaune18 Ar argon gaz inerte présent dans l’air19 K potassium du latin kalium20 Ca calcium du latin calcarius, élément constituant des os24 Cr chrome du grec « couleur », orne les motos et les voitu-
res anciennes25 Mn manganèse intervient dans la fabrication d’aciers spéciaux26 Fe fer composant de l’acier27 Co cobalt de l’allemand « mauvais génie »28 Ni nickel de l’allemand « faux cuivre »29 Cu cuivre utilisé en électricité30 Zn zinc utilisé pour la fabrication de gouttières33 As arsenic du grec « mâle », poison mortel35 Br brome du grec «puanteur »47 Ag argent métal noble utilisé en bijouterie48 Cd cadmium constituant des piles, très polluant50 Sn étain du latin « plomb argentifère »53 I iode du grec « violet », capable de se sublimer56 Ba baryum du grec « lourd »78 Pt platine de l’espagnol « argent », métal noble79 Au or métal noble utilisé en bijouterie80 Hg mercure appelé « vif argent » dans l’Antiquité , toxique82 Pb plomb utilisé dans les batteries de voiture92 U uranium de la planète Uranus94 Pu plutonium de la planète Pluton
Z
Z est le numéro atomique : il est propre à
chaque élément chimique.
Minéral
Les trois photos ci-dessous montrent le
corps pur et un minéral dont il est issu.
Chrome, chromodiopside.
Mercure, cinabre.
Arsenic, réalgar.
18 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
2. Le classement des éléments chimiques
A) DEUX CATÉGORIES DE CORPS PURS SIMPLES
L’ensemble de l’Univers semble construit sur base d’une centaine d’éléments chimiques. Les corps purs qui les contiennent peuvent être classés selon leurs propriétés. Il est important pour le chimiste de connaître les propriétés des substances qu’il utilise afin d’en faire un usage adapté.
TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PROPRIÉTÉS DES CORPS PURS
Objectif
Classer les corps purs simples selon leurs propriétés. Les propriétés qui vont être testées sont des propriétés physiques, c’est-à-dire qui n’altèrent pas la nature du corps. Au cours de l’expérience, l’échantillon ne se trans-forme pas en un autre corps comme lors des phénomènes chimiques (ou réactions chimiques).
Matériel et méthode
Échantillons : aluminium, carbone, cuivre, fer, iode, magnésium, plomb, sili-cium, soufre, zinc. Pour classer les échantillons, tu peux réaliser cinq tests.
Test 1. Masse volumique : inférieure ou supérieur à 2,5 g.cm–3 ? �Matériel nécessaire : balance de précision au centigramme, cylindre �gradué de 10 cm³, eau et plomb. La masse volumique d’un corps est sa masse par unité de volume. �Autrement dit, on peut la déterminer en cherchant la masse d’1 cm³ de l’échantillon. Pèse un cylindre gradué contenant un volume d’eau déterminé (par �exemple 20 cm³) puis plonge des morceaux de plomb dans de l’eau jusqu’à ce que le volume ait augmenté de 5 cm³. Prends note de la nouvelle masse et calcule l’augmentation de masse par cm3. Calcule la masse volumique du plomb. Tu n’as pas le temps de déterminer la masse volumique de tous les �échantillons ? Voici quelques données :
ÉchantillonsMasse
volumique (g/cm3)Échantillons
Masse
volumique (g/cm3)
aluminiumcarbonecuivreferiode
2,72,28,97,94,7
magnésiumplombsiliciumsoufrezinc
1,711,42,32,17,1
Les chimistes utilisent des unités différentes de celles adoptées dans le S.I. pour des raisons pratiques.
Test 2. Aspect : brillant ou terne ?
Matériel nécessaire : papier de verre. �Observe et frotte éventuellement avec le papier de verre les échan- �tillons pour déterminer s’ils ont un éclat métallique ou s’ils sont ternes.
Test 3. Malléabilité : malléable (on peut le plier) ou cassant ?
Les échantillons qui sont en poudre sont cassants. Pour les autres, si tu �parviens à les plier, ils sont malléables.
Dangereux iode !
Diiode I2
Nouveau symbole de danger :
Nocif par inhalation et par contact avec
la peau. Nocif pour l’environnement.
Test 1 : masse volumique.
Précieux cuivre !
Le cuivre est caractérisé par sa grande
conductivité électrique, sa résistance à la
corrosion et sa recyclabilité. Il s’agit donc
d’un matériau de choix notamment pour
l’électronique, le transport de l’électricité
dans les maisons, la télécommunication,
la plomberie...
Éléments au quotidien
Cherche les utilisations courantes de l’Al,
Fe, C, Pb, Mg, Si, Zn.
@
19Chimie
Test 4. Conductivité électrique : conducteur ou non conducteur d’élec-
tricité ?
Matériel nécessaire : circuit électrique. �Sans rentrer dans les détails, considérons le montage expérimental ci- �contre � : un générateur (une pile ou un chargeur de batterie 9 V par exemple) alimente un circuit en électricité. Celui-ci est ouvert ; deux fils sont munis d’une pince crocodile à leur extrémité. L’expérience consiste à placer l’échantillon entre les pinces crocodiles et déterminer si l’échantillon conduit l’électricité : si c’est le cas, le circuit électrique est donc fermé et la lampe s’allume. Les échantillons sous forme de poudre ne conduisent pas l’électricité.
Test 5. Conductivité thermique : conducteur ou non conducteur de
chaleur ?
Matériel nécessaire : bougie, pince, chronomètre. �Réalise le montage ci-contre � �. Seuls les échantillons existant sous for-me de tige peuvent être testés. Place un peu de cire solidifiée à une ex-trémité de la tige. Allume la bougie à l’autre extrémité et évalue le temps mis par la chaleur pour se propager le long de l’échantillon et provoquer la fonte de la cire.
Résultats
Pour chaque expérience, prends note de façon précise des résultats obser-vés sous forme d’un grand tableau de ce type :
Échan-
tillons
Masse
volumique
(g/cm³)
Aspect :
terne ou
éclat mé-
tallique
Malléa-
bilité :
cassant ou
malléable
Conducti-
vité élec-
trique :
oui ou non
Conducti-
vité ther-
mique :
oui ou non
aluminium > 2,5
carbone < 2,5
cuivre > 2,5
…
Interprétation
Les éléments ont été classés dans le tableau périodique en fonction de leurs propriétés. Une de celles-ci est leur caractère métallique. Un métal a gé-néralement un éclat métallique, il est capable de se déformer sans casser, il conduit bien la chaleur et l’électricité (les conducteurs électriques revien-dront au chapitre 7). Contrairement aux non-métaux. Les métaux se trouvent classés dans la partie gauche du tableau périodique des éléments chimiques et les non-métaux dans la partie droite. Un « truc » pour séparer les métaux des non-métaux consiste à tracer, à travers le tableau, un escalier dont une des marches surmonte l’aluminium (Al) (qui est un métal). Cette séparation est illustrée à la page suivante. Comme tu peux le constater, les métaux sont, en moyenne, trois fois plus nombreux que les non-métaux. Cette séparation n’est pas parfaite et les éléments se trouvant aux alentours de la ligne de séparation ont des propriétés à la fois métalliques et non-métalliques.
Montage électrique.
Montage pour la conductivité thermique.
Classement des corps purs
Interprète ces résultats en classant les
échantillons testés en deux groupes et
en précisant les propriétés générales des
éléments de chaque groupe.
L’aluminium
L’aluminium (Al) est un métal malléable
argenté qui s’altère peu à l’air. Sa faible
densité en fait un matériau de choix
dans l’industrie aérospatiale. Il est aussi
largement utilisé dans le domaine de
l’emballage.
20 LA STRUCTURE
DE LA MATIÈREChapitre 1
Z
XAr
K
L
M
électronégativiténombre atomique
électrons par couches
symbole
masse atomique relative
TABLEAU DE MENDELEÏEVPÉRIODES
COUCHES
Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa COUCHES
1 K
1 2,1
H1,01
2 –
He4,00
K
2K
L
3 1,0
Li6,94
4 1,5
Be9,01
5 2,0
B10,81
6 2,5
C12,01
7 3,0
N14,01
8 3,5
O16,00
9 4,0
F19,00
10 –
Ne20,18
K
L
3K
L
M
11 0,9
Na22,99
12 1,2
Mg24,31
13 1,5
Al-26,98
14 1,8
Si28,09
15 2,1
P30,97
16 2,5
S32,06
17 3,0
Cl-35,45
18 –
Ar39,95
K
L
MIIIb IVb Vb VIb VIIb VIIIb Ib IIb
4K
L
M
N
19 0,8
K39,10
20 1,0
Ca40,08
21 1,3
Sc44,96
22 1,5
Ti47,87
23 1,6
V50,94
24 1,6
Cr52,00
25 1,5
Mn54,94
26 1,8
Fe55,85
27 1,9
Co58,93
28 1,9
Ni58,69
29 1,9
Cu63,55
30 1,6
Zn65,38
31 1,6
Ga69,72
32 1,8
Ge72,64
33 2,0
As74,92
34 2,4
Se78,96
35 2,8
Br79,90
36 –
Kr83,80
K
L
M
N
5K
L
M
N
O
37 0,8
Rb85,47
38 1,0
Sr87,62
39 1,3
Y88,91
40 1,4
Zr91,22
41 1,6
Nb92,91
42 1,8
Mo95,94
43 1,9
Tc98,91
44 2,2
Ru101,07
45 2,2
Rh102,91
46 2,2
Pd106,40
47 1,9
Ag107,87
48 1,7
Cd112,40
49 1,7
In114,82
50 1,8
Sn118,70
51 1,9
Sb121,75
52 2,1
Te127,60
53 2,5
I126,90
54 –
Xe131,30
K
L
M
N
O
6K
L
M
N
O
P
55 0,7
Cs132,91
56 0,9
Ba137,34
57 1,1
La138,91
72 1,3
Hf178,49
73 1,5
Ta180,95
74 1,7
W183,85
75 1,9
Re186,21
76 2,2
Os190,20
77 2,2
Ir192,22
78 2,2
Pt195,10
79 2,4
Au196,97
80 1,9
Hg200,60
81 1,8
Tl-204,37
82 1,8
Pb207,20
83 1,9
Bi208,98
84 2,0
Po[209]
85 2,2
At[210]
86 –
Rn[222]
K
L
M
N
O
P
7
K
L
M
N
O
P
Q
87 0,7
Fr[223]
88 0,9
Ra226,03
89 1,1
Ac[227]
104
Rf[261]
105
Db[262]
106
Sg[263]
107
Bh[262]
108
Hs[265]
109
Mt[266]
110
Ds[281]
K
L
M
N
O
P
Q
K
L
M
N
O
P
LANTHANIDES
57 1,1
La138,91
58 1,1
Ce140,12
59 1,1
Pr140,91
60 1,2
Nd144,24
61 –
Pm146,92
62 1,2
Sm150,40
63 –
Eu151,96
64 1,1
Gd157,25
65 1,2
Tb158,93
66 (1,2)
Dy162,50
67 1,2
Ho164,93
68 1,2
Er167,26
69 1,2
Tm168,93
70 1,1
Yb173,04
71 1,2
Lu174,97
K
L
M
N
O
P
K
L
M
N
O
P
Q
ACTINIDES
89 1,1
Ac[227]
90 1,3
Th232,04
91 1,5
Pa231,04
92 1,4
U238,03
93 1,3
Np237,05
94 1,3
Pu239,05
95 1,3
Am241,06
96 –
Cm247,07
97 –
Bk249,08
98 –
Cf251,08
99 –
Es254,09
100 –
Fm257,10
101 –
Md258,10
102 –
No255,00
103 –
Lr262,10
K
L
M
N
O
P
Q
1 2
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
2
8
1
2
8
2
2
8
3
2
8
4
2
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5
2
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6
2
8
7
2
8
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2
8
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1
2
8
8
2
2
8
9
2
2
8
10
2
2
8
11
2
2
8
13
1
2
8
13
2
2
8
14
2
2
8
15
2
2
8
16
2
2
8
18
1
2
8
18
2
2
8
18
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8
18
4
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5
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18
6
2
8
18
7
2
8
18
8
2
8
18
8
1
2
8
18
8
2
2
8
18
9
2
2
8
18
10
2
2
8
18
12
1
2
8
18
13
1
2
8
18
13
2
2
8
18
15
1
2
8
18
16
1
2
8
18
18
0
2
8
18
18
1
2
8
18
18
2
2
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18
18
3
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18
4
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18
5
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18
18
6
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18
7
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18
18
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8
18
18
8
1
2
8
18
18
8
2
2
8
18
18
9
2
2
8
18
32
10
2
2
8
18
32
11
2
2
8
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32
12
2
2
8
18
32
13
2
2
8
18
32
14
2
2
8
18
32
15
2
2
8
18
32
17
1
2
8
18
32
18
1
2
8
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32
18
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18
4
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18
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7
2
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18
32
18
8
2
8
18
32
18
8
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2
8
18
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18
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2
2
8
18
32
18
9
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2
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18
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32
10
2
2
8
18
32
32
11
2
2
8
18
32
32
12
2
2
8
18
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32
13
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2
8
18
32
32
14
2
2
8
18
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32
15
2
2
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18
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32
16
2
2
8
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8
9
2
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8
18
20
8
2
2
8
18
21
8
2
2
8
18
22
8
2
2
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23
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24
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2
2
8
18
25
8
2
2
8
18
25
9
2
2
8
18
27
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2
2
8
18
28
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2
8
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29
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2
8
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30
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31
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9
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8
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10
2
2
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32
32
8
2
2
8
18
32
32
9
2
Les métaux sont en bleu et les non-métaux sont en rose.
Définitions
Famille d’éléments chimiques : les éléments qui se trouvent dans une même co-
lonne du tableau périodique et qui possèdent des propriétés semblables.
Période : les éléments qui se trouvent sur une même ligne appartiennent à la même
période. Le caractère métallique diminue de gauche à droite pour chaque période.
Tableau périodique : tableau reprenant l’ensemble des éléments chimiques classés
selon leur masse atomique relative et leurs propriétés. Ces propriétés varient de
façon périodique, c’est-à-dire répétitive, cyclique.
Curiosité
L’hydrogène, bien qu’il soit présent dans la première colonne du tableau pé-riodique, apparaît comme fort différent des éléments de sa famille. Il n’est habituellement pas considéré comme métal. Toutefois, à de très hautes pressions (400 GPa), il semble présenter certaines propriétés des métaux.
.
Pour t’exercer
Résous les exercices 4 et 5.
Les éléments de la famille IVa. De g. à d. : le carbone (sous forme de graphite), le silicium, le germanium, l’étain et le plomb.
Les éléments de la famille VIa. De g. à d. : l’oxy-gène, le soufre, le sélénium et le tellure.
Les éléments de la première rangée du bloc b. Haut (de g. à d.) : le scandium, le titane, le vanadium, le chrome et le manganèse. Bas : le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc.
Le mercure
Le mercure (Hg) est le seul métal liquide
dans des conditions normales de tempé-
rature et de pression (à 0°C, 101 300 Pa).
Il est très toxique sous forme pure mais
aussi combiné à d’autres éléments. Son
utilisation dans les thermomètres est à
présent interdite ; il y est remplacé par
de l’alcool.
21Chimie
B) ÉLABORATION DU TABLEAU PÉRIODIQUE
Depuis les 7 métaux de l’Antiquité, le nombre d’éléments chimiques connus a augmenté continuellement. Avec l’invention de la pile de Volta � et l’uti-lisation de l’électricité en chimie, les scientifiques parviennent à décompo-ser des substances et à en extraire de nouveaux corps simples, comme le sodium, le potassium, le bore, le calcium, etc. On assiste à une explosion démographique des « corps simples ». Le besoin de classer les corps simples pour mieux les étudier se fait ressentir. Des essais de classements sont publiés mais des difficultés persistent.
LE PREMIER CONGRÈS DE CHIMIE
En 1860, cent quarante chimistes venus du monde entier se rassemblent à Karlsruhe pour participer au premier congrès de chimie.Ce premier congrès de chimie est l’événement source de nouvelles idées pour deux jeunes professeurs de chimie : Julius Lothar MEYER (1830-1895), de l’université de Breslau en Allemagne, et Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV (1834-1907), professeur de chimie à l’université impériale de St-Pétersbourg en Russie. Tous deux intéressés par un classement des éléments dans un but pédagogique, ils découvrent à ce congrès les nouvelles masses atomiques, première étape vers la « loi de la périodicité »… Si l’idée de la classification avait déjà été lancée auparavant, aucun système n’était communément admis.
LE GÉNIE DE MENDELEÏEV �C’est en 1869 que Mendeleïev, inspiré par les essais antérieurs et par le pre-mier congrès mondial de chimie, publie sa classification des 63 éléments chimiques connus à l’époque. Avant même que l’idée d’atome ne soit offi-ciellement admise, avant même que les secrets de la structure de l’atome ne soient percés !La classification du chimiste russe est basée sur les deux critères suivants : la masse atomique relative et les propriétés. C’est en ayant classé les 63 éléments chimiques connus par ordre de masse atomique croissante qu’il s’aperçoit qu’une similitude de propriétés apparaît tous les huit éléments. Il lui vient alors l’idée de placer ces éléments aux propriétés semblables les uns près des autres. Un tableau en deux dimensions apparaît. Ce n’est pour-tant pas si simple, Mendeleïev doit faire face à plusieurs incohérences : à titre d’exemple, il a l’idée de génie de laisser des places libres pour des éléments qui, selon lui, n’ont pas encore été découverts. Il en prédit même les proprié-tés en prenant le risque d’être contredit. Il s’agit d’une démarche nouvelle, qui ne se contente pas d’un classement mais qui se fait prédictive afin de diriger les recherches.À peine dix ans plus tard, un des éléments prédits est découvert par un Fran-çais : M. Paul-Emile LECOQ DE BOISBAUDRAN. Il appelle ce nouvel élément gallium. Cette découverte est suivie de près en 1886 par celle du germanium par un Allemand dénommé M. Clemens Alexander WINKLER. Ensuite, se suivent assez rapidement les découvertes des autres éléments chimiques naturels. À ce jour, tous ont leur place dans le tableau périodique et l’ingéniosité de Mendeleïev est reconnue.
Un travail ingénieux
Comment le tableau périodique a-t-il 1.
été construit par Mendeleïev (cite un
ou des critères de classement) ?
D’après toi, quel est l’intérêt de ce 2.
tableau périodique ?
Volta (1745-1827) présentant sa pile à l’Acadé-mie Française à Paris.
Un prof motivé !
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-
1907), né en Sibérie, serait le cadet d’une
famille de treize enfants. Il étudie la
chimie à St-Pétersbourg (Russie), tra-
vaille en Allemagne avec Robert Bunsen
puis est nommé professeur de chimie à
l’Université de St-Pétersbourg. L’élément
101 porte le nom de mendélévium en son
honneur.
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907).
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