AL7SP12TEPA0013-Sequence-03.pdf

1Squence 3 Chapitre 1 SP12

Sommaire

1. Physique : Cohsion de la matire et radioactivit Rsum Exercices 2. Chimie : Dissolution des solides Rsum Exercices

PhysiqueCohsion de la matire et radioactivitChimieDissolution des solides

Squence 3

Cned - Acadmie en ligne


Chapit

re 1

P

hys

ique

Cohsion de la matire et radioactivit

Chapitre

1Physique

Connatre les ordres de grandeurs des distances trs grandes et trs petites et les interactions fondamentales.

Connatre et appliquer la loi de Coulomb

Connatre la composition de latome, de son noyau et la dfinition de lisotopie

Connaitre lordre de grandeur des valeurs des masses dun nuclon et de llec-tron

Savoir que toute charge lectrique peut sexprimer en fonction de la charge l-mentaire e.

Connatre la dfinition de lactivit et lunit dactivit

Connatre la dfinition de la demi-vie dun nuclide

Savoir crire les quations des dsintgrations radioactives

Objectifs

A La matire diffrentes chelles

1. Du noyau de latome la galaxie

Ltalon de mesure des distances, le mtre, a t choisi parce quil est notre chelle. Mais la dcouverte du monde qui nous entoure nous contraint nous familiariser avec des distances bien plus grandes ou bien plus petites.

Nous sommes constitus datomes, dont les dimensions sont de lordre de 0,1 nanomtre (nm), chaque atome tant constitu dlectrons situs autour dun noyau dont la taille est de lordre de un picomtre (pm).

Lordre de grandeur de la majorit des cellules qui nous composent est gal 10 micromtres (Rm).Ds quil sagit destimer des dimensions lintrieur du systme solaire, plutt que dexprimer ces distances en multiples du mtre, on utilise lunit astronomique qui est gale la distance moyenne Terre-Soleil (150 millions de kilomtres).

Les dimensions du systme solaire, constitu du Soleil en son centre et des corps clestes gravitant autour de lui sont de lordre de quelques dizaines dunits astronomiques.


4 Squence 3 Chapitre 1 SP12

Squence 3

P

hys

ique Le Soleil nest quune toile parmi les centaines de milliards qui forment notre

galaxie.

Pour estimer les distances, on utilise alors lanne de lumire (ou anne-lumire, symbole a.l), gale la distance parcourue par la lumire en une anne (soit environ 1013 km).

Notre Galaxie, la Voie lacte, a une forme spirale contenue dans un disque de diamtre valant environ cent mille annes-lumire.

Lunivers est constitu de centaines de milliards de galaxie, certaines sont situes des distances de plusieurs milliards dannes lumire de la ntre.

Dans les deux cas : lchelle astronomique comme lchelle atomique, la matire a une structure lacunaire cest--dire quelle est concentre dans des zones spares par du vide.

Calculer la distance parcourue par la lumire en une anne. Exprimer lanne lumire en unit astronomique (UA).

A partir du cours ci-dessus, exprimez les ordres de grandeur des dimensions ou des distances en mtre en utilisant les puissances de 10.

noyau atome celluledistance

Terre-SoleilVoie lacte

Ordre de grandeur (m)

2. Les interactions fondamentales

Tous les phnomnes observables dans lunivers peuvent tre attribues quatre interactions fondamentales :

La gravitation qui entrane lattraction rciproque entre deux corps massifs. Ce sont les forces de gravitation qui expliquent les forces de pesanteur, les mou-vements des plantes, les structures des galaxies.

Linteraction lectromagntique responsable des forces attractives ou rpulsives entre particules charges et de la plupart des phnomnes quotidiens : lumire, lectricit, ractions chimiques, magntisme.

Linteraction nuclaire forte qui explique la cohsion du noyau atomique.

Linteraction nuclaire faible, qui intervient dans la radioactivit bta .

Alors que la gravitation et linteraction lectromagntique sont de porte illimite, les interactions nuclaires forte et faible ont une porte limite aux dimensions dun noyau atomique.

Activit 1

Activit 2



Squence 3

P

hys

iqueA partir du cours ci-dessus, donnez les interactions fondamentales responsables

de la cohsion des systmes suivants :

noyau atome celluleSystme solaire

Voie lacte

interaction

3. Linteraction lectrique ou lectrostatique

Une interaction entre deux particules se traduit par deux forces exerces par chacune des particules sur lautre, de mme direction et de mme valeur mais ayant des sens opposes

Nous avons dj tudi, en classe de seconde, linteraction gravitationnelle entre deux corps ponctuels de masses m et m spars par une distance d :

F FGm m

d= ='

'2 avec G = 6,67.10

11SI

Cette interaction gravitationnelle est toujours attractive ; les forces exerces sur cha-cun des corps sont orientes lune vers lautre selon la droite qui rejoint les deux corps.

Sachant que linteraction gravitationnelle est toujours attractive, reprsenter les

deux forces F et

F ' exerces par le noyau de latome dhydrogne sur llectron

et par llectron sur le noyau de latome dhydrogne. Calculer leur valeur.

Donnes : masse de llectron (m = 9,1.10-31 kg) ; masse du noyau dhydrogne (m=1,67.10-27 kg) ; rayon de latome dhydrogne (d=50 pm) ; G= 6,67.10-11 SI

Linteraction lectrostatique correspond linteraction lectromagntique exerce entre deux particules immobiles charges lectriquement. Lorsquelles sont en mouvement, lexpression de linteraction lectromagntique est plus complexe.

Linteraction lectrostatique est aussi appele interaction lectrique.

Lorsque deux particules, lune de charge q et lautre de charge sont situes une distance d lune de lautre, elles exercent lune sur lautre des forces qui sont attractives lorsque les charges q et sont de signes contraires mais qui sont rpulsives lorsque les deux charges sont de mme signe. Les forces lectriques exerces par chacune des deux particules sur lautre ont mme direction, sont de sens opposs mais ont mme valeur. En notant la valeur absolue du produit des deux charges, la valeur de la force est donne par la loi de Coulomb :

F F kqq

d= ='

'.

2

Dans cette relation, k est une constante gale 9.109 dans le systme internatio-nal dunits. Linteraction lectrique est lorigine de la plupart des phnomnes

Activit 3

Activit 4



Squence 3

P

hys

ique dobservation courante : en effet, elle permet non seulement dexpliquer tous

les phnomnes dits lectriques tels que la foudre ou le passage du courant dans un circuit mais elle permet aussi dexpliquer le modle de latome et donc de comprendre les ractions chimiques qui se produisent entre les atomes.

en mathmatiques, x sappelle valeur absolue de x ; x = x si x est positif et

x = -x si x est ngatif.

Reprsenter la force lectrique F exerce par la particule de droite sur la parti-

cule de gauche et la force lectrique F ' exerce par la particule de gauche sur la

particule de droite dans les quatre cas ci-dessous :

+ + + +

Sachant que llectron est charg ngativement et le noyau est charg positi-

vement, reprsenter les deux forces lectrique Fe et

Fe ' exerces par le noyau

de latome dhydrogne sur llectron et par llectron sur le noyau de latome

dhydrogne. Calculer leur valeur.

En vous aidant du rsultat de lactivit 4, justifiez que la cohsion de latome est davantage due linteraction lectromagntique qu linteraction gravitationnelle.

Donnes : charge de llectron (-1,6.10-19 C) ; charge dun noyau dhydrogne (1,6.10-19C) ; rayon de latome dhydrogne (d=50 pm)

B

B Structure dun atome

1. Les particules de latome

Nom Masse (en kg) Charge (en C)

Proton 1,67.1027 + 1,6.1019

Neutron 1,67.1027 0

Electron 9,1.1031 1,6.1019

Un atome est form dun noyau autour duquel se trouve le nuage lectronique constitu dlectrons.

Les particules du noyau sont appeles nuclons, il en existe deux sortes : les protons chargs positivement et les neutrons qui ne portent pas de charge lectrique. La masse dun proton et la masse dun neutron sont pratiquement gales.

Remarque

Activit 5

Activit 6



Squence 3

P

hys

iqueLes lectrons se trouvent autour du noyau, chacun porte une charge ngative qui

compense exactement celle dun proton. La charge du proton est appele charge lmentaire e car cest la plus petite charge lectrique ayant t dtecte dans lunivers. On utilise cette charge lmentaire e pour exprimer la charge lectrique des particules charges lectriquement (noyaux atomiques, cortges lectroniques, ions)

Le tableau ci-dessus rsume les proprits des ces trois particules. Il faut savoir toute la masse de latome est concentre dans son noyau.

Donner les ordres de grandeur des masses dun nuclon et dun lectron et justifier quon peut considrer que toute la masse dun atome est contenue dans son noyau.

Complter le tableau suivant :

Particule(s)noyau de latome

de fer (Z=26)cortge lectronique de

latome de feratome de fer ion Fe3+

Charge lectrique exprime en charge lmentaire e

Charge lectrique en coulomb (C) 4,2.10-18

Justifiez que la cohsion du noyau de latome implique lexistence dune interaction beaucoup plus importante que linteraction lectromagntique courte distance. Comment appelle-t-on cette interaction ?

2. Numro atomique

Le numro atomique Z (ou nombre de charge) est gal au nombre de protons que contient le noyau. Comme un atome est lectriquement neutre, le nombre Z de protons dans le noyau est aussi gal au nombre dlectrons qui constituent le nuage lectronique autour du noyau. Il permet de connatre la charge lectrique du noyau.

Le noyau dun atome contient 39 nuclons et le numro atomique de cet atome est Z = 19. Combien y a-t-il de protons et combien de neutrons dans le noyau ? Combien dlectrons dans le nuage lectronique ? Quelle est la charge du nuage lectronique ?

3. Le noyau de latome

Reprsentation dun nuclideLe nombre total de nuclons est appel nombre de masse, on le note A.Pour dterminer la composition dun noyau, il faut donc connatre deux nombres : Z et A.

Activit 7

Activit 8

Activit 9

Activit 10



Squence 3

P

hys

ique Tous les noyaux identiques (ayant mme nombre de charge et mme nombre de

masse) constituent un seul nuclide.

Si X est le symbole chimique de llment auquel appartient le nuclide, celui-ci

sera reprsent par : ZA X

A laide des valeurs numriques indiques dans le tableau ci-dessus, calculer la

masse et la charge lectrique du noyau de fluor : 919F ainsi que la charge et la

masse de latome correspondant.

IsotopesOn appelle isotopes deux noyaux possdant le mme nombre de protons mais un nombre diffrent de neutrons, les deux nuclides auxquels ces deux isotopes appar-tiennent ont donc mme nombre de charge, mais un nombre de masse diffrent.

Deux noyaux appartenant deux nuclides isotopes auront donc des proprits nuclaires diffrentes puisque leurs noyaux ne seront pas identiques. En revanche, les atomes possdant ces noyaux auront le mme nombre dlectrons (puisque les noyaux possdent le mme nombre de protons) et comme les proprits chimiques ne dpendent que des lectrons, les proprits chimiques de ces atomes seront donc identiques : les deux atomes appartiennent au mme lment chimique, et le symbole chimique X de llment auquel appartient le nuclide sera le mme pour deux isotopes.

On considre trois nuclides caractriss par leur nombre de charge Z et leur nombre de masse A :

Nuclide 1 : Z = 11, A = 22 ; nuclide 2 : Z = 11, A = 23 ; nuclide 3 : Z = 12, A = 24.

Quels sont, parmi ces trois nuclides, les deux noyaux isotopes ?

Rechercher, dans un tableau priodique, le symbole chimique de llment auquel

appartient chacun des atomes correspondants et crire chaque nuclide sous la

forme ZA X .

Indiquer la composition du noyau des nuclides suivants : 612C , 7

14N et 818O .

A quel symbole chimique (C pour carbone, N pour azote ou O pour oxygne) cor-

respond la lettre X dans le nuclide : 614 X ?

Stabilit du noyauLe graphique ci-contre illustre la notion de valle de stabilit. Elle est reprsente en gris et cest dans cette zone que se trouvent tous les noyaux stables. Le nombre N de neutrons figure en ordon-ne et le nombre Z de protons est en abscisse. On voit que les petits noyaux stables ont peu prs autant de protons que de neutrons alors que les gros noyaux stables ont peu prs 1,5 fois plus de neutrons que de protons.

Activit 11

Activit 12

Activit 13

50

50

100

150

100

Z

N

N = Z



Squence 3

P

hys

iqueUn nombre de charge Z = 100 et un nombre de masse A = 150 peuvent-ils simul-

tanment correspondre ceux dun noyau stable ?

C Emissions radioactives

1. La radioactivit : un phnomne nuclaireOn appelle radioactivit lmission de particules de grande nergie par des noyaux peu stables : ces noyaux se transforment et, au cours de la transformation, les particules de grande nergie sont jectes du noyau.

Cest la grande nergie des particules mises qui a permis de comprendre, ds la dcouverte de la radioactivit par Becquerel en 1896, que la radioactivit tait un phnomne nuclaire (d une transformation du noyau) et non un phnomne chimique qui naurait concern que les couches lectroniques de latome o les nergies mises en jeu sont beaucoup plus faibles.

On mesure la radioactivit avec des compteurs Geiger qui dtectent le passage des particules mises, ou avec des films-dosimtres constitus dune pellicule enferme dans un botier opaque mais qui est impressionne lorsque des particules traversent le botier.

Rechercher dans une encyclopdie comment Becquerel dcouvrit la radioactivit et quels scientifiques on doit les premires tudes sur la radioactivit.

2. Activit dune source radioactiveLactivit dune source radioactive se mesure en becquerel (Bq), elle est gale au nombre de dsintgrations radioactives par seconde.

Ainsi, le corps humain, qui contient naturellement, un certain nombre datomes radioactifs a une activit naturelle denviron 10000 becquerels. Les sources radioac-tives peuvent avoir des activits de quelques millions ou milliards de becquerel par gramme de substance.

Lactivit A dune source ne contenant quun seul type de noyaux radioactifs est proportionnelle au nombre N de noyaux radioactifs quelle contient.

Remarque : ne pas confondre lactivit dune source avec le nombre de masse dun nuclide, mme si on les dsigne tous les deux par la lettre A !

3. Demi-vie dun nuclideOn appelle demi-vie T dun nuclide le temps au bout duquel la moiti des noyaux radioactifs a t dsintgre.

Activit 14

Activit 15



Squence 3

P

hys

ique Comme lactivit dun chantillon (ne contenant quune seule sorte de nuclide)

est proportionnelle au nombre de noyaux radioactifs, la demi-vie reprsente aussi la dure au bout de laquelle lactivit dun chantillon contenant ces noyaux a t diminue de moiti.

Ainsi, la courbe ci-contre reprsente le nombre N de noyaux non dsintgrs dans un chantillon.

Initialement, lchantillon contenant N0

noyaux radioactifs identiques de demi-vie T, il

ne restera plus que N02

noyaux non dsint-

grs au bout dune dure gale T, seulement N04

au bout dune dure gale

2T et ainsi de suite, le nombre de noyaux non dsintgrs tant nouveau divis

par deux lors de chaque dure supplmentaire gale une demi-vie.

La courbe de dcroissance radioactive, reprsentant les variations en fonction du temps du nombre de noyaux non dsintgrs, a finalement lallure reprsente sur la figure ci-dessus. On obtiendrait une courbe semblable en reprsentant les variations de lactivit dun chantillon en fonction du temps.

La demi-vie est aussi appele parfois priode de dsintgration, mais cest un terme impropre puisquil ne sagit pas dun phnomne voluant de faon priodique.

Complter la courbe de la figure ci-dessus en indiquant le nombre de noyaux non dsintgrs au bout dune dure gale trois fois la demi-vie.

On dispose dun chantillon ne contenant quun seul type de noyaux radioactifs de demi-vie gale une semaine. Si lactivit initiale de lchantillon vaut 8,00.108 Bq, combien vaudra-t-elle au bout dune semaine ? De trois semaines ? de cinq semaines ?

D Les diffrents types de radioactivit

1. Radioactivit FUn nuclide est dit radioactif F(prononcer alpha), sil se transforme en mettant une particule F compose de deux protons et de deux neutrons. Comme cette particule Fnest autre quun noyau dhlium, on lappelle aussi parfois hlion et on la reprsente par : 2

4He .

4

N0

T

2

N0

N0

2T 3T

t

N

Remarque

Activit 16

Activit 17



Squence 3

P

hys

iqueLa radioactivit F concerne les noyaux les plus lourds qui ont trop de nuclons.

Le noyau pre (celui qui a mis la particule) a donc perdu deux protons : le nombre de charge diminue de deux units, il a aussi perdu deux neutrons, soit au total quatre nuclons : le nombre de masse diminue de quatre units. Si on note Z le nombre de charge du noyau pre et A son nombre de masse, le noyau-fils (cest--dire le noyau restant aprs lmission radioactive) aura donc pour nombre de charge Z2 et pour nombre de masse A4.

On reprsente donc cette dsintgration par lquation : ZA

Z-2A-4 + 2

4X X He

Ecrire lquation de la dsintgration Fdu Polonium 210 : 84210Po et de luranium 238 : 92

238U (il vous faudra rechercher les symboles des noyaux fils dans un tableau priodique des lments).

2. Radioactivit GUn nuclide est dit radioactif G(prononcer bta moins), sil se transforme en mettant un lectron. Comme llectron possde une charge lectrique oppose celle du proton, on lui attribue un nombre de charge gal 1 et on lui attribue un nombre de masse nulle puisquil ny a pas de nuclons dans un lectron.

Il peut paratre bien tonnant quun lectron puisse sortir du noyau puisque celui-ci nen contient pas ! En fait, lmission dun lectron correspond la transformation dans le noyau dun neutron en un proton plus un lectron, ce quon crit en notant

p le proton , n le neutron et e llectron : 01

11 + 1

0n p e

.

La radioactivit G concerne les noyaux instables cause dun excs de neutrons.Globalement, le noyau pre et le noyau fils possderont le mme nombre de masse (proton et neutron sont tous deux des nuclons) mais le nombre de charge du noyau fils sera suprieur dune unit : il aura gagn un proton.


Z+1A

10X X e

+

Une autre particule que llectron est mise : un antineutrino. Le nombre de charge de cette particule est nul, ainsi que son nombre de masse. Nous ne mentionnerons pas cette particule dans les quations.

Lquation de la dsintgration Gdu Csium 139 : 55139Cs et du phosphore 32 : 1532P .

3. Radioactivit G+Un nuclide est dit radioactif G+ (prononcer bta plus), sil se transforme en mettant un positon. Le positon nexiste pas naturellement et la radioactivit G+

Activit 18

Remarque

Activit 19



Squence 3

P

hys

ique ne sobserve que sur des noyaux artificiels (obtenus en bombardant, avec des

particules, des noyaux existant naturellement).

Comme le positon possde une charge lectrique oppose celle de llectron, donc gale celle du proton, on lui attribue un nombre de charge gal +1 et, comme sa masse est la mme que celle de llectron, on lui attribue un nombre de masse nulle (il ny a pas de nuclons dans un positon !).

Il peut, l aussi, paratre bien tonnant quun positon puisse sortir du noyau puisque celui-ci nen contient pas ! En fait, lmission dun positon correspond la transformation dans un noyau trs nergtique (obtenu artificiellement) dun proton en un neutron plus un positon, ce quon crit en notant n le neutron,

p le proton et e le positon : 11

01

10p n e +

La radioactivit G+ concerne les noyaux instables cause dun excs de protons.Globalement, le noyau pre et le noyau fils contiennent le mme nombre de masse mais le nombre de charge du noyau fils sera infrieur dune unit : il a perdu un proton.


Z-1A + 1

0X X eon dsigne par la mme lettre e llectron et le positon, mais on les distingue aisment par la valeur de leur nombre de charge.

une autre particule que llectron est mise : un neutrino. Le nombre de charge de cette particule est nul, ainsi que son nombre de masse. Nous ne mentionnerons pas cette particule dans les quations.

Ecrire lquation de la dsintgration G du phosphore 30 : 1530P et de lazote 13 : 7

13N .

4. mission LLa plupart des ractions radioactives (F,Get G+ ) saccompagnent de lmission dun rayonnement L(prononcer gamma). Il ne sagit pas proprement parler de lmission dune particule matrielle mais dun rayonnement lectromagntique de mme nature que la lumire visible mais de bien plus grande nergie (de plus courte longueur donde). Le noyau obtenu lissue dune dsintgration F ou Gest souvent dans un tat excit : il possde trop dnergie (on le note alors avec un astrisque : Z

A X* ) et il perd cet excs dnergie en mettant un rayonnement L.Comme il ne sagit pas de lmission de particules matrielles (mme si lon peut considrer que les rayonnements lectromagntiques sont constitus de particules appeles photons, ces particules nont ni masse ni charge), il ny a pas lieu dcrire dquation pour illustrer lmissionL, mais il faut savoir que ces rayonnements trs nergtiques qui accompagnent la plupart des ractions nuclaires sont trs dangereux par leur capacit dtruire les cellules vivantes (ils sont utiliss pour dtruire des cellules malades en radiothrapie).

Remarque 1

Remarque 2

Activit 20



Squence 3

P

hys

ique5. Dangers de la radioactivit

Les substances radioactives mettent des rayonnements ionisants, cest--dire susceptibles darracher des lectrons ou mme de briser les molcules quils ren-contrent. Tous les rayonnements ionisants sont dangereux car ils peuvent ragir avec les molcules des tissus biologiques quils traversent. Au niveau de la cellule, la lsion de lADN peut provoquer la mort de la cellule ou entraner des mutations dans la transmission gntique.

Il existe une irradiation naturelle due aussi bien au rayonnement cosmique qu la radioactivit naturelle des roches (diffrente selon les sols), et mme une radioac-tivit naturelle denviron dix mille becquerels mise par un corps humain (par le potassium quil contient). A des doses trs faibles et du fait des capacits rgn-ratrices des cellules, la radioactivit reste infrieure au seuil dapparition deffets significatifs mais la mise en prsence dobjets contamins peut provoquer de graves maladies ou le mme le dcs des personnes irradies selon la dose reue.



Rsum Tous les phnomnes observables dans lunivers peuvent tre attribus quatre

interactions fondamentales : gravitation, interaction lectromagntique, inte-raction nuclaire forte et interaction nuclaire faible.

La valeur de linteraction lectrique entre deux particules de charges lectriques respectives q et q spares par une distance d se calcule par la loi de Coulomb :

F kq q

d= .

. '2 avec k = 9 . 10

9 SI

Le noyau de latome contient des protons et des neutrons. On appelle nombre de charge Z le nombre de protons et nombre de masse A le nombre total de nuclons (protons et neutrons).

Les ordres de grandeur des masses dun nuclon et de llectron sont respecti-vement 10-27 kg et 10-31kg.

On peut donc considrer que toute la masse de latome est localise dans son noyau.

Toute charge lectrique peut sexprimer en fonction de la charge lmentaire e qui correspond la charge du proton et est la plus petite charg lectrique que lon peut rencontrer dans la nature.

Deux nuclides isotopes sont caractriss par un mme nombre de charge et un nombre de masse diffrent (mme nombre de protons mais nombre diffrent de neutrons).

Equation dune dsintgration F: ZA Z-2A-4 + 24X X HeEquation dune dsintgration G ZA Z+1A +-10X X eEquation dune dsintgration G : ZA Z-1A + 10X X eLmission Lconsiste en un rayonnement lectromagntique de haute nergie.

Lactivit A dun chantillon radioactif mesure le nombre de dsintgrations par unit de temps. Elle sexprime en becquerel (Bq) et se mesure laide dun compteur Geiger.

On appelle demi-vie T dun nuclide le temps au bout duquel la moiti des noyaux radioactifs a t dsintgre. Comme lactivit dun chantillon est pro-portionnelle au nombre de noyaux radioactifs, la demi-vie reprsente aussi la dure au bout de laquelle lactivit dun chantillon contenant ces noyaux a t diminue de moiti.

Tous les rayonnements ionisants sont dangereux car ils sont susceptibles de lser les tissus biologiques quils traversent.



ExercicesCohsion de la matire

Lire attentivement le texte ci-dessous avant de rpondre aux questions qui le suivent.

lchelle astronomique, ce sont les forces gravitationnelles qui expliquent la structure de lunivers. Cest en effet la force gravitationnelle qui explique le mouvement de la Terre autour du Soleil en courbant sans cesse sa trajectoire de faon ce quelle dcrive un cercle alors que sans cette force, elle irait en ligne droite se perdre dans lespace infini.

lchelle de latome, ce sont les forces lectriques qui expliquent la structure de la matire : en effet, les forces gravitationnelles entre particules sont ngligeables par rapport aux forces lectriques. Ce sont donc les forces lectriques qui permettent dexpliquer les ractions chimiques entre les diffrents atomes et de comprendre les arrangements entre atomes pour former des solides.

lchelle du noyau, cest linteraction forte qui explique la stabilit du noyau. Sans elle, les noyaux seraient dissocis par les forces lectriques rpulsives entre les protons. Mais linteraction forte est courte porte : elle nintervient entre les nuclons que lorsquils sont trs proches les uns des autres, cest--dire des distances correspondant aux dimensions du noyau, donc de lordre de 1014m .

Comment peut-on expliquer que seules les forces gravitationnelles interviennent lchelle astronomique alors qu lchelle de latome les forces lectriques sont plus importantes que les forces gravitationnelles (entre deux particules charges).

Connaissant les valeurs des constantes k = 9 . 109 S.I. et G = 6,67 . 1011 S.I., comparer la force gravitationnelle et la force lectrique sexerant entre un ion potassium K+ de masse 6,5 . 1026 kg et de charge 1,6 . 1019 C et un ion iodure I de masse 2,1 . 1025 kg et de charge 1,6 . 1019 C situs une distance d lun de lautre. En quoi ce rsultat est-il conforme au texte qui prcde ?

Dans un cristal diodure de potassium, chaque ion K+ se trouve une distance

d = 350 Wm de lion iodure I le plus proche 1 10 12 ).m m= De quelle nature est linteraction entre ces deux ions dans le cristal : gravita-tionnelle, lectrique ou interaction forte ?Le noyau de latome dhlium

Le noyau de latome dhlium

On tudie le noyau dun atome dhlium contenant deux protons (portant chacun une charge gale 1,6 . 1019 C) et deux neutrons. La distance entre deux nuclons peut tre estime 1015 m.

Exercice 1

Exercice 2



Squence 3

P

hys

ique Connaissant k = 9 . 109 S.I., calculer la force lectrique entre deux protons de

ce noyau.

Comment peut-on expliquer quen dpit de cette force rpulsive, le noyau soit stable ?

Isotopes de lhydrogne

Lhydrogne naturel est essentiellement constitu dhydrogne 1 dont le noyau ne contient quun proton, mais il existe aussi lhydrogne 2 ou deutrium dont le noyau contient un proton et un neutron et lhydrogne 3 ou tritium, dont le noyau contient un proton et deux neutrons.

Ecrire ces trois isotopes sous la forme : ZA X .

Couples disotopes

Associer par couples disotopes les diffrents nuclides numrs ci-dessous :

2759 X ; 92

238 X ; 2963X ; 18

38 X ; 2656 X ; 26

55X ; 2965X ; 92

235X ; 2758 X ; 17

35X ; 1840 X ; 17

37X .

Dans la rponse, on remplacera ( laide dun tableau priodique) la lettre X par le symbole de llment chimique auquel appartient chaque nuclide.

Stabilit des noyaux

Dans cet exercice, on note Z le nombre de charge et N le nombre de neutrons dans le noyau.

Les noyaux stables (ceux qui ne se dcomposent pas par radioactivit naturelle) ont peu prs autant de neutrons que de protons : N = Z tant que Z est infrieur 30 mais le nombre de neutrons est suprieur au nombre de protons pour les noyaux plus lourds.

Attention : ceci ne constitue quune vague indication de la zone dans laquelle on trouve les noyaux stables dans un diagramme sur lequel on porte N en ordonne et Z en abscisse (il serait utile de regarder dans un manuel de physique le diagramme complet). En fait, les noyaux stables, forment dans le diagramme (N,Z) une zone dite valle de stabilit.

Les nuclides radioactifs sont caractriss par un excs de neutrons. O se situe un tel nuclide, sur un diagramme (N,Z) par rapport un noyau stable de mme nombre de charge ? Reprsenter sur le mme diagramme le noyau pre et le noyau fils. Lmission radioactive a-t-elle entran un rapprochement ou un loignement par rapport la valle de stabilit ?

Les nuclides radioactifs + sont caractriss par un dfaut de neutrons. O se situe un tel nuclide, sur un diagramme (N,Z) par rapport un noyau stable de mme nombre de charge ? Reprsenter sur le mme diagramme le noyau pre et le noyau fils. Lmission radioactive a-t-elle entran un rapprochement ou un loignement par rapport la valle de stabilit ?

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5



Squence 3

P

hys

ique Les deux groupes de trois nuclides ci-dessous sont constitus dun nuclide

stable, indiqu en premier, et de deux nuclides radioactifs (lun est radioactif et lautre + .Prciser, pour chaque nuclide radioactif, le type de radioactivit observe et crire lquation de dsintgration.

Isotopes de liode : 53127I ; 53

119I ; 53133I ; isotopes du carbone : 6

12C ; 611C ; 6

14C .

quations de dsintgrations radioactives.

En vous aidant dun tableau priodique, crire les quations de dsintgration radioactives des nuclides suivants :

88226Ra (radioactivit F)

55137Cs (radioactivit G)

1530P (radioactivit G)

84218Po (trois quations crire dcrivant trois dsintgrations successives: mis-

sion dune particule F, puis mission par le noyau-fils dune particule G suivie dune nouvelle mission G)

Isotope 131 de liode

Liode 131 : 53131I est radioactif .

Ecrire lquation de sa dsintgration radioactive.

On appelle constante radioactive Q (exprime en s1) le quotient de lactivit dune source (exprime en Bq) par le nombre de noyaux radioactifs quelle contient. Sachant quune source contenant 1,0.1010 noyaux diode 131 a une activit de 1,0.104 Bq, calculer la constante radioactive de ce nuclide.

La demi-vie T dun nuclide, exprime en secondes, dpend de sa constante

radioactive Q (exprime en s1) selon la relation : T = 0 69,

. Calculer, en jours,

la demi-vie de liode 131. Quelle sera lactivit de la source mentionne la

question 2 au bout de 16 jours ?

Activit dun chantillon de plomb 212

On mesure, diffrentes dates, lactivit dun chantillon contenant initialement

No = 1,0.1012 noyaux de plomb 212 : 82

212Pb qui est radioactif . Les rsultats sont consigns dans le tableau ci-aprs:

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8



Squence 3

P

hys

ique

Activit(en 106 Bq)

18,0 16,9 14,8 12,2 10,0 8,2 6,7 5,5 3,7 2,5 1,8 1,3

Date (en heures) 0 1 3 6 9 12 15 18 24 30 35 40

Tracer la courbe reprsentant les variations de lactivit en fonction du temps.

Expliquer pourquoi cette courbe a la mme allure que la courbe reprsentant le nombre de noyaux non dsintgrs en fonction du temps.

On appelle constante radioactive Q (exprime en s1) le quotient de lactivit dune source (exprime en Bq) par le nombre de noyaux radioactifs quelle contient. Calculer la constante radioactive du plomb 212 partir de la valeur initiale de lactivit.

Dduire de la courbe la demi-vie de ce nuclide. Vrifier que ce rsultat est compatible avec la valeur de la constante radioactive dtermine la question prcdente sachant que le produit de la constante radioactive Q (exprime en s1) par la demi-vie (exprime en s) vaut toujours 0,69, quel que soit le nuclide radioactif.

Datation et radioactivit

Le carbone 14, produit en faible quantit dans la haute atmosphre, est absorb sous forme de dioxyde de carbone, par les vgtaux. Comme les plantes (et tout organisme vivant) absorbent du dioxyde de carbone, elles contiennent, comme latmosphre, une trs faible proportion de carbone 14. Cette proportion reste constante pendant toute la dure de vie de la plante car elle absorbe constamment du dioxyde de carbone, mais la proportion chute ds que la plante meurt car le

carbone 14 est radioactif et se dsintgre avec une demi-vie T = 5700 ans. On peut mesurer ainsi lactivit dun objet fossile et la comparer lactivit de la plante vivante ayant servi laborer cet objet.

Ecrire lquation de dsintgration du carbone 14 : 614C .

Expliquer pourquoi la proportion de carbone 14 par rapport au carbone 12 est constante dans un arbre vivant et pourquoi elle diminue quand larbre a t abattu.

Au bout de combien de temps la proportion de carbone 14 aura-t-elle diminu de moiti ?

Il existe dautres mthodes de datation base sur ltude de la radioactivit. Ainsi, la transmutation de lisotope 40 du potassium en argon avec une demi-vie de 1,5 milliard dannes, permet de dater la roche en comparant les quantits de potassium 40 et dargon (gnralement retenu dans la roche). Comparer les demi-vies du carbone 14 et du potassium 40. Sont-ils utilisables pour des datations concernant les mmes tranches dge ?

Exercice 9



Squence 3

P

hys

iqueRadioactivit de liode

Lors de la catastrophe de Tchernobyl, de nombreux corps radioactifs ont t rejets

dans latmosphre, en particulier de liode 131 qui est metteur et L (demi vie = 8 jours).

Ecrire lquation de cette dsintgration radioactive.

Liode 131 dpos par le nuage radioactif peut ensuite tre ingr sous forme daliment. Dans lorganisme, liode se fixe prfrentiellement sur la thyrode.

Pourquoi la radioactivit est-elle dangereuse pour les organismes vivants ?

Pour la protection des populations, il est prvu de distribuer, en cas daccident nuclaire, des comprims contenant un isotope non radioactif de liode. Quel est lintrt de cette mesure de protection ?

Exercice 10


Dissolution des solidesChapitre

2Chimie


Connatre les interactions responsables de la solidit des solides ioniques ou molculaires

Savoir interprter les mcanismes de dissolution dun solide

Savoir calculer les concentrations des espces dissoutes

Connatre leffet dune dilution sur la concentration

Objectifs

A Solide ionique

1. Ions monoatomiques

Constitution dun atome

La matire est constitue datomes, chaque atome contient un noyau autour duquel se trouve le nuage dlectrons.

Les particules du noyau sont appeles nuclons, il en existe deux sortes : les pro-tons chargs positivement et les neutrons qui ne portent pas de charge lectrique.

Les lectrons se trouvent autour du noyau, chacun porte une charge ngative qui compense exactement celle dun proton.

La charge dun proton est appele charge lmentaire : on la note +e (elle vaut 1,6.1019 C, lunit de charge lectrique est le Coulomb, not C). La charge dun lectron vaut donc : e.Comme dans un atome, le nombre dlectrons est gal au nombre de protons du noyau (ce nombre est appel nombre de charge ou numro atomique), latome est, globalement, lectriquement neutre.

Un atome daluminium possde, dans son noyau, 13 protons et 14 neutrons. Combien y a-t-il dlectrons autour du noyau ? Indiquer, en fonction de la charge lmentaire e, quelle est la charge lectrique du noyau et quelle est la charge lectrique de latome.

Activit 1



Squence 3

C

him

ieConstitution dun ion monoatomiqueUn ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagn un ou plusieurs lec-trons. Il nest donc plus neutre.

Un atome dont le symbole est X et qui gagne un lectron devient un ion X car il possde un lectron de plus autour du noyau que de protons dans le noyau et porte donc globalement une charge e. Si latome X gagne deux lectrons, il devient un ion X2 et de mme X3 sil en gagne trois.

Un atome dont le symbole est Y et qui perd un lectron devient un ion Y+ car il possde un lectron de moins autour du noyau que de protons dans le noyau et porte donc globalement une charge +e. Si cet atome Y perd deux lectrons, il

devient un ion Y2+ et de mme Y3+ sil en perd trois.

Un atome daluminium possde, dans son noyau, 13 protons et 14 neutrons. Comment sera not lion obtenu lorsque cet atome aura perdu trois lectrons ?

Structure lectronique dun ion monoatomique

Les lments chimiques de numro atomique infrieur ou gal 20 ne forment quun seul type dion monoatomique et cet ion, selon la rgle du duet et de loc-tet, possde une dernire couche lectronique avec deux ou huit lectrons. Pour acqurir cette dernire couche lectronique, latome peut perdre ou gagner un, deux ou trois lectrons.

Ainsi, latome de sodium Na, de numro atomique Z = 11, a pour structure lec-tronique : (K)2(L)8(M)1 et il aura tendance perdre un lectron pour donner lion Na+ de structure lectronique : (K)2(L)8.

Suivant la mme rgle, latome de soufre S, de numro atomique Z = 16, a pour structure lectronique : (K)2(L)8(M)6 et il aura tendance gagner deux lectrons pour donner lion S2 de structure lectronique : (K)2(L)8(M)8.

Les lments chimiques de numro atomique plus lev ont une structure lectronique plus complexe, nous retiendrons simplement que certains peuvent donner plusieurs sortes dions ; ainsi le fer peut donner lion Fer(II) : Fe2+ ou lion Fer(III) : Fe3+ .

Quel ion donne un atome de lithium (Z = 3) ? Mme question pour latome de chlore (Z = 17).

2. Ions polyatomiques

Un ion polyatomique est un groupe datomes (unis par des liaisons de covalence) qui ont perdu ou gagn un ou plusieurs lectrons.

Activit 2

Activit 3



Squence 3

C

him

ie

Ainsi lion sulfate : SO42 est form dun atome de soufre et de quatre atomes

doxygne et ce petit groupement de cinq atomes a gagn deux lectrons.

De mme, lion hydroxyde : OH est une association de deux atomes (lun doxy-gne, lautre dhydrogne) qui a gagn un lectron.

Quant lion ammonium : NH4+ , il est form dun atome dazote et de quatre

atomes dhydrogne et cet ensemble a perdu un lectron.

Combien datomes constituent lion H O3+ ? Quelle charge porte cet ion ? Mmes

questions pour lion nitrate NO3 .

3. Structure dun solide ionique

Un solide ionique est constitu dions positifs (cations) et dions ngatifs (anions). Les charges lectriques des cations et des anions se compensent, si bien que le solide est lectriquement neutre.

Ainsi, le chlorure de sodium solide contient autant dions Cl que dions Na+ alors

que le chlorure de magnsium contient deux fois plus dions Cl que dions Mg2+ .

Dans un solide ionique, les ions sont rgulirement rpartis, si bien quils sont tous retenus par les interactions lectrostatiques avec leurs voisins.

Par exemple, supposons que, sur le schma ci-contre, lion central reprsent en bleu soit un ion

Na+ . Il est attir aussi bien par lion Cl qui se trouve au-dessus que par celui qui se trouve au-

dessous, aussi bien par lion Cl qui est droite que par celui qui est gauche, aussi bien par lion

Cl qui est devant que par celui qui est derrire. Il se trouve donc pig par les six ions chlorure et de mme, en poursuivant la figure, on verrait que chaque ion chlorure est pig par six ions sodium. Lensemble est trs stable et il faut atteindre des tempratures leves pour faire dtruire cet difice et faire fondre les solides ioniques.

Combien dions ammonium NH4+ sassocient avec un ion phosphate PO4

3 pour former le solide ionique appel phosphate dammonium ?

En prenant une longueur de liaison de 0,35 nm, dterminer la valeur de linteraction lectrique entre un ion ammonium et un ion phosphate.

Donne : e = 1,6.10-19 C ; k = 9.109 SI

Activit 4

Activit 5

Activit 6



Squence 3

C

him

ieB Solide molculaire

1. Iectrongativit

Nous savons quune liaison de covalence rsulte de la mise en commun entre deux atomes dun doublet dlectrons. Ainsi, dans la molcule de chlorure dhydrogne, llectron appartenant latome dhydrogne est mis en commun avec un lectron appartenant latome de chlore.

On reprsente alors la liaison par un trait entre les deux atomes : H-Cl.

Mais latome de chlore a une plus grande lectrongativit que latome dhydro-

gne : cela signifie quil attire davantage lui le doublet dlectrons que ne le fait

latome dhydrogne ; la liaison est dissymtrique, on lappelle liaison polarise:

tout se passe comme si latome de chlore portait une petite charge ngative et

latome dhydrogne, une petite charge positive. Attention : latome de chlore na

pas pris llectron de latome dhydrogne, sans quoi, on obtiendrait deux ions.

Il y a bien mise en commun dlectrons, mais cette mise en commun nest pas

galitaire. Pour reprsenter cette rpartition ingalitaire du doublet dlectrons, on

peut crire la molcule de chlorure dhydrogne sous la forme : H

+

Cl

On indique ainsi clairement que la molcule, lectriquement neutre, prsente un ct lgrement positif et un ct lgrement ngatif. On dit alors que la molcule est polaire.

il existe des tables donnant llectrongativit des diffrents lments, mais leur utilisation ne nous sera pas ncessaire pour la suite de ce cours.

2. Interactions entre molcules

Lorsquune molcule prsente ainsi un ct lgrement positif et un ct lgrement ngatif, il y a des interac-tions lectrostatiques entre les diffrentes molcules.

Ces interactions sont appeles interactions de Van der Waals.

Entre des molcules non polaires composes datomes de mme lectrongativi-t, les interactions de Van der Waals sont plus faibles mais existent tout de mme car les atomes sont composs de particules charges lectriquement (lectrons et noyau) qui peuvent interagir avec des molcules proches.

La figure ci-contre reprsente de telles interactions entre deux molcules de chlo-rure dhydrogne (nous navons reprsent que les forces (attractives) entre les deux atomes les plus proches.

Remarque

H

+

Cl

H

+

Cl



Squence 3

C

him

ie Lorsque ces interactions concernent un atome dhydrogne et un autre atome, trs lectongatif (N,O,Cl,F) on parle de liaison hydrogne (alors quil ne sagit pas vraiment dune liaison, mais dune simple attraction lectrostatique).

Les forces de Van Der Waals permettent dexpliquer que des petits objets lectri-quement neutres soient attirs par une tige charge lectriquement. Supposons que la tige soit charge positivement (on lui a arrach des lectrons en la frottant nergiquement) : les molcules polaires des petits objets sorientent de faon prsenter la tige leur ct ngatif, et ils sont alors attirs.

3. Structure dun solide molculaire

Dans un solide molculaire (comme la glace), la solidit de ldifice est assur par les interactions lectrostatiques entre molcules voisines, interactions entre les petites charges lectriques portes par les diffrents atomes du fait de la diffrence dlectrongativit entre ces atomes.

La cohsion des solides molculaires est infrieure celle des solides ioniques.

C Dissolution dans leau

1. Leau est un solvant polaireLa molcule deau est forme dun atome doxygne li par deux liaisons de covalence avec deux atomes dhydrogne. Mais ces deux liaisons sont polarises, car latome doxygne est plus lectrongatif quun atome dhydrogne : ainsi, chaque atome dhydrogne porte une petite charge positive I+ alors que latome doxygne porte une charge ngative 2I. Or, la molcule deau est coude (les trois atomes ne sont pas aligns, si bien que la molcule est polaire : on peut lassimiler pour ses proprits lectriques un diple, cest--dire un ensemble de deux charges lectriques : une charge ngative porte par latome doxygne et une charge positive qui serait situe au milieu des deux atomes dhydrogne.

Comment peut-on expliquer que la molcule dammoniac NH3 soit une molcule polaire et pas la molcule de mthane CH4? Dans ces deux molcules, les liaisons sont polarises : chaque atome dhydrogne porte une petite charge positive et les atomes de Carbone et dazote une petite charge ngative.

2. Mcanisme de la dissolution dans leau

Lorsquon place un solide ionique dans de leau, les interactions lectriques entre les molcules deau et les ions du solide entranent une dislocation du cristal

Remarque

H+

O

+

H

2

Activit 7



Squence 3

C

him

ieionique : les ions quittent le solide pour sparpiller parmi les molcules deau. Cette dissolution du cristal saccompagne gnralement dun autre phnomne, appel solvatation ou hydratation : les ions agglutinent autour deux, par inte-raction lectrostatique, plusieurs molcules deau si bien que chaque ion se dplace avec, autour de lui, plusieurs molcules deau (on le prcise parfois en ajoutant le prfixe aqueux entre parenthse et en indice aprs le symbole chimique de lion)

Dans le cas dun compos molculaire et non ionique, il peut y avoir dissolution dans leau si ce compos contient des liaisons polarises qui vont entraner lexis-tence dinteractions lectriques entre les atomes de ce compos et les molcules deau. Dans ce cas, le compos est dit hydrophile, mais certaines molcules sont hydrophobes : elles ne se dissolvent pas dans leau. Les dtergents sont des molcules dont une extrmit est hydrophile (attirant leau) et qui possdent une longue chane (constitue datomes de carbone et dhydrogne) hydrophobe (attirant les lipides : huiles et graisses).

Un dtergent est un compos chimique dot de proprits tensioactives qui per-mettent de former des micelles avec les salissures qui sont ainsi emportes par leau de lavage. Rechercher, dans une encyclopdie, ce quon appelle des micelles et quelles proprits particulires des tensio-actifs permettent leur formation.

3. quation de la dissolution dans leau dun compos ionique

Les composs ioniques, lorsquils sont solides, scrivent sans prciser les charges des ions comme sil sagissait de molcules. On traduit ainsi le fait que les ions sont prisonniers les uns des autres. En revanche, quand le solide est dissous, on crit les ions sparment, en prcisant leurs charges.De plus, il est ncessaire de prciser ltat des espces chimiques par des no-tations places entre parenthses la n des formules (s : solide ; l : liquide ; g : gaz ; aq : en solution aqueuse).

Ainsi, le phosphate de sodium contient 3 ions Na+ pour chaque ion phos-phate PO4

3 . On lcrit sous la forme : Na PO (s)3 4 quand il est solide et

3 43Na aq + PO aq+( ) ( ) quand il est dissous.

Lquation de dissolution scrit donc : Na PO (s) 3 Na (aq) + PO (aq)3 4+

43

De mme le sulfate de fer(III) contient 2 ions Fe3+ pour trois ions sul-fate SO4

2 . On lcrit sous la forme : Fe SO (s)2 4 3( ) quand il est solide et 2 Fe (aq)+ 3 SO aq3+ 4

2 ( ) quand il est dissous.

Lquation de dissolution scrit donc : Fe SO (s) 2 Fe (aq)+ 3 SO (aq)2 4 33+

42( ) .

Activit 8



Squence 3

C

him

ie crire lquation de dissolution dans leau du chlorure de fer(III) sachant que ce compos ionique contient les ions Fe3+ et Cl .

Mme question, pour le sulfate de potassium constitu dions K+ et SO42 .

D Concentration dune solution aqueuse

1. Rappels : notion de quantit de matire

La masse molaire sobtient en additionnant les masses molaires atomiques de chacun des atomes qui constituent la molcule, lion ou le compos ionique que lon tudie.

Ainsi, connaissant les masses molaires des trois lments suivants :

Sodium : MNa = 23,0 g.mol1 ; Oxygne : MO = 16,0 g.mol1 ; Soufre : MS = 32,1 g.mol1

On peut en dduire que la masse molaire de lion sulfate SO42 vaut :

32,1 + 4 x 16,0 = 96,1 g.mol1 alors que la masse molaire du sulfate de sodium Na SO2 4 vaut : 2 x 23 + 32,1 + 4 x 16,0 = 142,1 g.mol

1 .

Lorsquon utilise une masse m dun compos (ionique ou molculaire) dont la

masse molaire est note M, la quantit de matire utilise vaut : nmM

= et elle

sexprime en moles (abrviation mol).

La masse molaire du sulfate de sodium vaut : M = 142,1 g.mol1 .Quelle quantit de matire contient un chantillon de sulfate de sodium de masse 25,0 g ?

2. Concentration molaire, concentration massique

Si un volume V de solution contient une quantit de matire dissoute n dune espce chimique X, la concentration molaire C de cette espce chimique dans la

solution vaut : CnV

= , elle sexprime en mol.L1.

Si on note m la masse de cette espce chimique X dans un volume V de solution, la concentration massique Cm de cette espce chimique dans la solution vaut :

Activit 9

Activit 10



Squence 3

C

him

ie

CmVm

= , elle sexprime en g.L1.

La concentration massique, en g.L1, est aussi gale au produit de la concentration molaire, en mol.L1, par la masse molaire M (en g.mol1) de lespce dissoute : C C Mm = . .On dissout 17,1 g de saccharose dans de leau de faon obtenir 50,0 mL de solution deau sucre.

Dterminez la concentration molaire C du saccharose dans cette solution ainsi que la concentration massique Cm.

La masse molaire du saccharose vaut : M = 342 g.mol1.

3. Application aux solutions ioniquesLa concentration molaire de chaque ion obtenu lors de la dissolution dun compos ionique dans leau est diffrente de la concentration molaire du compos ionique si chaque entit lmentaire du compos libre plusieurs ions.

Prenons lexemple du sulfate de sodium Na SO2 4 et supposons que nous disposions

dune solution de concentration molaire : C = 0,20 mol.L1 en sulfate de sodium.

La raction de dissolution : Na SO s Na aq + SO aq+ 42

2 4 2( ) ( ) ( ) montre que

chaque entit lmentaire Na SO2 4 libre dans leau 2 ions Na+ et un ion SO4

2 .

La concentration molaire en ions sodium vaudra donc le double de la concentration C alors que la concentration molaire en ion sulfate sera gale C. Comme les concentrations molaires ioniques scrivent en plaant le symbole de lion entre crochets, on crira :

Concentration molaire de lion sodium dans cette solution : Na+ = 0,40 mol.L1.

Concentration molaire de lion sulfate dans cette solution : SO42 = 0,20 mol.L1.

4. lectroneutralitToutes les solutions aqueuses sont lectriquement neutres. Ainsi une solution qui

ne contiendrait que des ions phosphate : PO43 et des ions ammonium : NH4

+

aurait une concentration en ions ammonium NH4+ triple de la concentration

en ions phosphate puisquil faut trois ions ammonium pour compenser la charge

lectrique de lion phosphate PO43 .

Lquation qui traduit cette obligation davoir une solution neutre sappelle lqua-tion dlectroneutralit. Dans le cas dune solution de phosphate dammonium,

Activit 11



Squence 3

C

him

ie cette quation scrit : NH4+ = 3 PO43

Si on mlange dans une mme solution du phosphate dammonium et du sulfate

de sodium, la solution contiendra quatre sortes dions PO43 , NH4

+ , Na+ et

SO42 . Lquation dlectroneutralit scrira :

Na NH4++ + = 3 PO 2 SO4

34

2 + .

On dispose dune solution de sulfate de fer (III) de concentration C = 5,0.102 mol.L1.Connaissant lquation de dissolution : Fe SO (s) 2 Fe (aq)+ 3 SO (aq),2 4 3

3+42( )

calculer les concentrations molaires en ions Fe3+ et en ions SO42 dans cette

solution.

Vrifier que ces concentrations satisfont bien lquation dlectroneutralit.

5. Effet dune dilution sur la concentration

La dilution dune solution aqueuse consiste en diminuer la concentration en ajoutant de leau.

La solution initiale, de concentration Ci et de volume Vi , est appele solution mre, la solution finale, de concentration Cf et de volume Vf , est appele solution fille.

La quantit de matire est une grandeur qui se conserve lors dune dissolution dans leau et aussi lors dune dilution (nous nenvisageons pas le cas dune espce chimique qui se transformerait en un produit diffrent par contact avec leau).

Lquation de conservation de la matire scrit alors : C V C Vi i f f. .=

On dispose dune solution aqueuse de diiode I2 de concentration 5,0.10 mol.L1.

Quel volume de solution mre faut-il prlever pour obtenir, en ajoutant de leau ce prlvement, 50,0 mL de solution dilue de diiode de concentration 1,0. 10 mol.L1 ?

6. Prparation dune solution ionique de concentration donne

Comment prparer, partir dun compos ionique solide, une solution ionique de concentration molaire donne ?

Nous allons voir quel est le protocole opratoire sur lexemple dune solution de sulfate de cuivre(II) dont on souhaite obtenir une solution de volume de 100 mL et de concentration C = 0,100 mol.L1 .

Activit 12

Activit 13



Squence 3

C

him

ieLa premire tape consiste peser soigneusement, avec une balance de prcision, la masse m de sulfate de cuivre ncessaire.

On introduit ensuite le sulfate de cuivre ainsi prlev dans une fiole jauge de 100 mL et on ajoute de leau dminralise jusquaux trois quarts. Il faut ensuite boucher la fiole et agiter longuement pour dissoudre totalement le sulfate de cuivre. On complte ensuite, avec de leau dminralise et on ajuste avec une pissette jusquau trait de jauge.

Sachant que le sulfate de cuivre a pour formule CuSO4 et que sa masse molaire vaut : M = 159,6 g.mol1, quelle masse m de sulfate de cuivre faudrait-il utiliser dans lexemple prcdent ?

En fait, le sulfate de cuivre utilis est pentahydrat, ce qui signifie que chaque mole de sulfate de cuivre CuSO4 est accompagne de cinq moles de molcules deau selon la formule CuSO4, 5H2O.

Sachant que la masse molaire de leau vaut M = 18,0 g.mol1, quelle masse m faudra-t-il prlever dans lexemple prcdent ?

Comment effectuer exprimentalement une dilution ?

Reprenons lexemple prcdent qui concernait une solution de sulfate de cuivre de concentration C = 0,100 mol.L1 et supposons quon souhaite, partir de cette solution initiale obtenir un volume V = 100 mL de solution de concentration C = 0,020 mol.L1.Le volume de la solution initiale prlever vaut donc : V=

C'V'C

mL= =0 020 100

0 10020

, .,

On utilise donc une pipette jauge de 20 mL pour prlever 20 mL de la solution initiale verse pralablement dans un becher. On introduit ce prlvement dans une fiole jauge de volume 100 mL contenant un peu deau dminralise et on complte, avec de leau dminralise, jusquau trait de jauge.

7. Extraction dun principe actif par extrac-tion liquide-liquide

On peut extraire une espce chimique dissoute dans un solvant (1) si on dis-pose dun autre solvant (2) dans lequel lespce chimique en question est plus soluble que dans le solvant (1).

Ceci suppose que les deux solvants ne soient pas miscibles.

Prenons lexemple de lextraction du principe actif (le diiode I2) contenu dans un mdicament : le Lugol : solu-tion aqueuse brune contenant des molcules de diiode et des ions iodure I ainsi que potassium K+.Si on verse dans la solution aqueuse contenant le diiode, du cyclohexane (sol-vant organique) et quon agite, il suffit de

Activit 14

Phase aqueuse

Phase organique



Squence 3

C

him

ie laisser ensuite le mlange reposer dans une ampoule dcanter pour que la phase organique surnage au-dessus de la phase aqueuse.

On constate que cette phase organique nest pas incolore comme ltait le cyclo-hexane pur mais quelle a une teinte violette alors que la solution aqueuse est devenue beaucoup plus ple : on a donc extrait une grande partie du diiode pour la faire passer dans la phase organique. Il suffit ensuite de laisser scouler la phase aqueuse pour ne conserver que le diiode dissous dans le cyclohexane.

Comment expliquer le dplacement du diiode partir de la polarit des deux solvants ?

Aurait-on pu raliser la mme exprience en utilisant du sulfate de cuivre de formule CuSO4 la place du diiode ?

Activit 15



RsumSolide ioniqueUn ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagn un ou plusieurs lec-trons. Il nest donc plus neutre.

Un ion polyatomique est un groupe datomes (unis par des liaisons de covalence) qui ont perdu ou gagn un ou plusieurs lectrons.

Un solide ionique est constitu dions positifs (cations) et dions ngatifs (anions). Les charges lectriques des cations et des anions se compensent, si bien que le solide est lectriquement neutre.

Dans un solide ionique, les ions sont rgulirement rpartis, si bien quils sont tous retenus par les interactions lectrostatiques avec leurs voisins.

Solide molculaireUne liaison de covalence rsulte de la mise en commun entre deux atomes dun doublet dlectrons, mais si lun des deux atomes est plus lectrongatif que lautre, il attirera davantage le doublet dlectrons et la liaison sera polarise.

Lorsquune molcule, du fait des liaisons polarises, prsente un ct lgrement positif et un ct lgrement ngatif, elle est dite polaire.

Les interactions entre molcules polaires (interactions de van der Waals, liaison hydrogne) expliquent (mme sil ne sagit en fait que dinteraction lectrostatique) la cohsion des solides molculaires.

Dissolution dans leauLa molcule deau est polaire, les interactions lectriques entre les molcules deau et les ions dun solide ionique ou entre les molcules deau et les molcules dun solide molculaire permettent dexpliquer le mcanisme de la dissolution.

La dissolution dans leau dun solide ionique entrane la dispersion des ions dans la solution quon peut traduire par une quation de dissolution :

Exemple : K SO (s) 2 K (aq) + SO (aq)2 4+

42

Concentration dune solution aqueuse

Lorsquon utilise une masse m dun compos (ionique ou molculaire) dont la

masse molaire est note M, la quantit de matire utilise vaut : nmM

= et elle sexprime en moles (abrviation mol).



Squence 3

C

him

ie Si un volume V de solution contient une quantit de matire dissoute n dune

espce chimique X, la concentration molaire C de cette espce chimique dans la

solution vaut : CnV

= , elle sexprime en mol.L1.

Si on note m la masse de cette espce chimique X dans un volume V de solution,

la concentration massique Cm de cette espce chimique dans la solution vaut :

CmVm

= , elle sexprime en g.L1.

La concentration massique est aussi gale au produit de la concentration molaire

par la masse molaire M (exprime en grammes) de lespce dissoute : C C Mm = .

lectroneutralitToutes les solutions aqueuses sont lectriquement neutres : les concentrations ioniques dans la solution vrifient lquation dlectroneutralit.

Effet dune dilution sur la concentration.Lorsquon ajoute de leau une solution, faisant passer son volume de la valeur initiale Vi la valeur finale Vf , la concentration dune espce chimique (qui ne se transforme pas en un produit diffrent par contact avec leau) passe de la valeur

Ci la valeur Cf selon la relation : C V C Vi i f f. .=

Extraction dun principe actif par extraction liquide-liquidePour extraire une espce chimique dissoute dans un solvant (1), il faut disposer dun autre solvant (2) dans lequel lespce chimique en question est plus soluble que dans le solvant(1). Ceci suppose que les deux solvants ne soient pas miscibles.



ExercicesForces lectriques dans un cristal de chlorure de sodium

Le chlorure de sodium est constitu dun empilement dions Na+ et dions CI La distance entre un ion Na+ et lion CI le plus proche vaut 282 pm.

Calculer la valeur de la force lectrique sexerant entre ces deux ions voisins.

Lion Na+ porte une charge q = 1,6 . 1019C et lion CI une charge q = 1,6 . 1019C la constante lectrique vaut 9 . 109S.I et un picomtre (pm) vaut 1012m.

Solution de chlorure de magnsium

Quel ion donne un atome de magnsium (Z = 12) ? Mme question pour latome de chlore (Z = 17).

crire la raction de dissolution dans leau du chlorure de magnsium.

Comment expliquer que les ions qui formaient un cristal ordonn dans le chlo-rure de magnsium solide se soient spars au contact de leau ?

Quelle masse de chlorure de magnsium faut-il dissoudre dans 100 cm3 deau pour obtenir une solution de concentration 0,10 mol.L1 en chlorure de magn-sium ? Quelle est la concentration molaire en ion magnsium et la concentration molaire en ion chlorure dans cette solution ?

Donnes : masses molaires atomiques : Magnsium : MMg = 24,3 g.mol1 ;

chlore : MCl = 35,5 g.mol1 ;

Vrai ou faux

Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses ?

La molcule deau est lectriquement neutre.

La dissolution dun compos ionique dans leau sexplique par les interactions lectriques entre les ions du solide et les molcules deau

La concentration molaire sexprime en mol.L1. Si on ajoute un litre de solution de saccharose de concentration molaire C0 ,

un autre litre de solution de saccharose de mme concentration molaire C0, la concentration molaire dans le mlange obtenu vaudra le double de C0 .

Lorsquon dilue une solution de faon diviser par deux sa concentration molaire, on divise aussi par deux sa concentration massique.

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3



Solution de nitrate de nickel

Donnes : masses molaires atomiques : Nickel : MNi = 58,7 g.mol1 ; azote :

MN = 14,0 g.mol1 ; oxygne : MO = 16,0 g.mol1 .

Le nitrate de nickel est constitu dions Ni2+ et dions NO3 .

crire la raction de dissolution dans leau du nitrate de nickel.

On dispose de 500 cm3 de solution de nitrate de nickel de concentration molaire 0,10 mol.L1. Cette solution sera appele solution So.Pour obtenir cette solution on a pes une masse m de nitrate de nickel et on a ajout progressivement de leau jusquau volume V = 500 cm3. Quelle masse m de nitrate de nickel a-t-il fallu dissoudre ?

Calculer la concentration massique de la solution So.

On ajoute 500 cm3 deau pure aux 500 cm3 de solution S0. Quelle est la concen-tration molaire de cette nouvelle solution ?

lectroneutralit

En utilisant lquation dlectroneutralit, calculer la concentration en ions sodium

Na+ dans les quatre solutions suivantes :

Premire solution : solution de chlorure de sodium dans laquelle Cl = 0,15 mol.L1.Deuxime solution : solution de chlorure de sodium et de chlorure de potassium.

Cette solution contient donc des ions potassium K+ en plus des ions sodium et chlorure.

Dans cette solution Cl = 0,15 mol.L1 et K+ =0,07 mol.L1

Troisime solution : solution de chlorure de sodium et de sulfate de sodium.

Cette solution contient donc des ions sulfate SO42 en plus des ions sodium et

chlorure.Dans cette solution [ ] , [ ] .Cl molL molL = = 0 15 3 101 2 1et SO4

2

Exercice 4

Exercice 5


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AL7SP12TEPA0013-Sequence-03.pdf