Cours de Chimie des Secondes 5

du Lycée Thibaut de Champagne de Provins

Année 2009-2010 M. Eric Jouguelet

Chapitre 1 Synthétique ou naturel ?

Lorsque l'on utilise un produit pour laver les sols, il est souvent parfumé à l'orange, au muguet

ou à d'autres parfums. Le chimiste arrive ainsi à synthétiser des substances qu'il serait difficile

d'extraire rapidement de la nature (essence de rose par exemple). Le but de ce chapitre est de

dresser des listes et de classer quelques espèces chimiques. On verra aussi par quel processus

on peut obtenir une substance de synthèse.

I. Qu'est-ce qu'une espèce chimique ?

Une espèce chimique est une substance qui ne peut être décomposée par un procédé physique

comme la filtration, la distillation, etc.

Ex : le chocolat, l'alcool de pharmacie, le diamant, l'essence, l'or, le plastique.

Finalement, on parle d'espèce chimique lorsque la substance n'est pas un mélange mais un

corps pur.

Figure 1 : à gauche, une espèce chimique qui est un corps pur et, à droite, un mélange

chimique constitué de deux espèces chimiques.

II. Comment différencier une espèce naturelle d'une espèce synthétique ?

- Une espèce chimique naturelle est issue de la Nature (on peut parler de l'herboristerie). Par

exemple, l'huile d'amande douce est une espèce chimique naturelle.

- Une espèce chimique synthétique est une espèce synthétisée par le chimiste dans son

laboratoire ou dans l'industrie.

* espèce de synthèse imitant la nature (par exemple, l'acide salicylique)

* espèce de synthèse artificielle (de meilleure qualité que l'espèce naturelle, l'acide

acétylsalicylique)

Il est souvent impossible de différencier une espèce chimique naturelle d'une espèce

synthétique (production d'insuline par exemple).

NATURE LE CHIMISTE

COPIAGE

Naturelle

Synthèse

Artificielle

Figure 2 : Un schéma des espèces chimiques naturelles, synthétiques et synthétiques

artificielles.

III. Manipulation d'une espèce chimique.

III.1. Sécurité générale.

a. Voir polycopié sur la sécurité.

b. Comment utiliser le bec Bunsen ?

III.2. Pictogrammes de sécurité.

Pictogramme Interprétation Pictogramme Interprétation

Explosif

Toxique

Inflammable

Toxique, irritant,

sensibilisant, narcotique

Comburant

Sensibilisant, mutagène,

cancérogène,

reprotoxique

Gaz sous pression

Danger pour le milieu

aquatique

Corrosif

Toxique

Figure 3 : Les anciens pictogrammes encore

présents sur les produits chimiques.

CONCLUSION GENERALE

A travers ce chapitre, on voit bien qu'il est stupide de

dire qu'une espèce est chimique ("ah j'aime bien ce

chewing-gum, il est chimique ").

En fait tout est chimique ! Il faudrait plutôt dire :

j'aime bien telle boisson parce qu'elle est constituée

d'espèces chimiques synthétiques mais… c’est plus

long !

Chapitre 2 Comment extraire une espèce chimique ?

Introduction :

Dans le chapitre précédent, nous avons vu ce qu'était un mélange chimique et une espèce

chimique. Cependant, nous ne savons pas encore comment extraire une espèce chimique.

Que signifie extraire ? C'est séparer un élément du mélange de la matière première dont il fait

partie (extraction d'une essence de rose par distillation, extraction de l'huile par un solvant

organique).

Voyez-vous, un parfum éveille la pensée. Victor Hugo, Les rayons et les ombres, XXVIII

I. Quelles techniques de séparation utilise-t-on ?

Expression : faire sortir par pression (un liquide) : par exemple, un jus de citron, une huile. Décantation : séparer par gravité des matières solides ou liquides en suspension qu'on laisse

déposer. Filtration : faire passer à travers un appareil (tissu ou passoire) un liquide pour le débarrasser

des particules solides qui s'y trouvent (filtre à café). Décoction : action de faire bouillir dans l'eau une substance pour en extraire les principes

solubles. Macération : opération qui consiste à laisser tremper à froid un corps ou une substance dans

un liquide pour en extraire les constituants solubles. Distillation : technique qui consiste à amener à ébullition un mélange liquide, puis à

condenser les vapeurs qui se dégagent pour les récupérer dans un autre récipient.

La distillerie de Provins produit du bio-éthanol, des

alcools traditionnels et des drêches à partir du blé. Le

site emploie 45 salariés permanents.

Activité 1 : A CHACUN SA SÉPARATION !

mélanges proposés espèce à

séparer A

espèce à

séparer B

technique

utilisée

vinaigrette

jus d'orange

lait

solution saturée en sel

décoction de peaux de

citron

sang

eau + cyclohexane

menthe à l'eau

rhum

Hydrodistillation ou entraînement à la vapeur.

Il s'agit de mélanger la substance qui contient l'espèce à extraire avec de l'eau et à faire

entraîner par les vapeurs d'eau cette espèce chimique dans le distillat final. Ce distillat

contient le mélange chimique eau + alcool. (voir TP sur l'hydrodistillation).

Figure 4 : Le montage d’hydrodistillation avec le distillat recueilli dans l’erlenmeyer.

Le texte qui suit est extrait du roman de Patrick Süskind, Le Parfum (éditions Fayard, 1986).

"Il sortait son gros alambic, une chaudière de cuivre rouge coiffée d'un chapiteau - un

alambic "tête de maure". Tandis que Grenouille coupait en petits morceaux le matériau à

distiller, Baldini faisait fiévreusement du feu dans le foyer en maçonnerie, sur lequel il plaçait

la chaudière de cuivre, bien garnie d'eau dans son fond. Il y jetait les plantes coupées en

morceaux, enfonçait la tête de maure sur son support et y branchait deux petits tuyaux pour

l'arrivée et la sortie d'eau. Peu à peu la chaudière parvenait à ébullition. Et, au bout d'un

moment, d'abord en hésitant et goutte à goutte, puis en un mince filet, le produit de la

distillation s'écoulait de la tête de maure par un troisième tuyau et aboutissait dans un vase

florentin que Baldini avait mis en place. Peu à peu cette soupe se séparait en deux liquides

distincts: en bas se ramassait l'eau des fleurs ou des plantes et au-dessus flottait une épaisse

couche d'huile. Si, par un bec inférieur de ce récipient florentin, on évacuait

précautionneusement l'eau des fleurs, qui n'avait qu'un faible parfum, il restait l'huile pure,

l'essence, le principe vigoureux et odorant de la plante."

Exercice : Dans quelle partie du montage a lieu la condensation ? Pourquoi l'eau est-elle

évacuée par le bas du vase florentin ?

II. Extraire avec un solvant.

1. Densité

Réalisons tout d’abord l’expérience de cours… On veut connaître le métal dont est fait un cylindre.

Pour la masse, nous mesurons simplement à la balance en tarant avant (m=178g) et pour le volume, nous plongeons le cylindre dans une éprouvette graduée et la différence de hauteur d’eau nous donne le volume : 20 mL.

La masse volumique est donnée par la formule =m/V (m en kg et V en m3) et la densité d est le rapport entre la masse volumique de l’espèce chimique et celle de l’eau qui est de 1000 kg/m3.

3

3

6

0

178.108900 .

20.10

89008, 9

1000

mkg m

V

d

Le métal possédant une telle densité est le cuivre !

2. Miscibilité-solubilité.

Le solvant est un liquide dans lequel on dissout des espèces chimiques (le soluté) : par exemple, le sulfate de cuivre (soluté) se dissout dans l'eau (solvant) pour donner une solution aqueuse de sulfate de cuivre..

Pour réaliser une extraction par solvant, il faut que les solvants soient non-miscibles (ne se mélangent pas). L'eau et l'huile sont non-miscibles.

On peut extraire une espèce chimique contenue dans une substance en utilisant un solvant dans lequel l'espèce chimique à extraire est très soluble. Le sucre, le sel ou la soude sont très solubles dans l'eau car ils se dissolvent très facilement. Nous avons vu en TP que le diiode est très peu soluble dans l'eau.

2. Passer d'un mauvais solvant à un très bon solvant.

Dans le cas de l'eau iodée vue en TP : le diiode peu soluble dans l'eau passe immédiatement dans le solvant où le diiode est le plus soluble (cyclohexane).

Pour extraire une espèce chimique d'un liquide à un autre, on utilise une ampoule à décanter. L'espèce soluble va migrer pendant le mélange vers son solvant préféré.

Si les molécules sont organiques (constituées en majorité de molécules de carbone et d'hydrogène) alors elles sont plus solubles dans la phase organique (solvant comme le dichlorométhane et cyclohexane).

Dans l'ampoule à décanter, l'eau (phase aqueuse) et le solvant (phase organique) se répartissent suivant leur densité notée d.

La densité de l'eau est de d=1, celle du dichlorométhane de d=1,32 donc le dichlorométhane est plus dense que l'eau ("plus lourd") et coule sous l'eau.

Figure 5 : Dans les ampoules à décanter, on observe la migration progressive du diiode de

l’eau (en a) vers le cyclohexane qui se voit teinté en rouge foncé en (b).

Chapitre 3

Comment synthétiser une espèce chimique ?

Introduction :

La chimie de synthèse a réellement commencé au début du XIXè siècle par Wöhler qui a

accidentellement découvert la synthèse de l'urée. La mauvéine, un colorant violet a été

inventée ensuite par Henry Perkin et, dès lors, les robes de l'empire ou de l'Angleterre

victorienne prirent des teintes magnifiques impossibles à obtenir par la chimie naturelle.

Une robe victorienne teinte à la mauvéine.

I. Qu'est-ce qu'une synthèse chimique ?

1. Commencer sa synthèse.

- Faire une synthèse, c'est effectuer une transformation chimique qui va transformer certains réactifs en produits.

réactifs1 + réactifs2 → produits1 + produits2

- une synthèse s'effectue dans des conditions particulières que l'on note souvent au dessus de

la flèche (les réactifs en excès, le solvant qui est utilisé ou la température).

acide acétique + alcool isomylique → acétate d'isoamyle + eau

2. Finir sa synthèse.

Une fois la synthèse terminée, il faut souvent extraire le produit désiré par une extraction

(distillation, extraction par solvant,...)

II. Comment être sûr de sa synthèse ? La chromatographie.

Il s'agit de caractériser les produits de la synthèse. On effectue une chromatographie sur papier buvard (Whatman) ou beaucoup plus souvent

une chromatographie sur couche mince de silice (CCM). C'est la phase fixe. On pose quelques gouttes de produits avec une pipette Pasteur sur une ligne de dépôt et on

pose la plaque dans un bain de solvant. Le solvant qui touche à peine la plaque va s'élever par capillarité et entraîner les espèces

chimiques déposées : on l'appelle éluant ou phase mobile.

Plus l'espèce chimique a une grande solubilité dans l'éluant , plus elle monte. A la fin, on trace une ligne de front de solvant et on révèle à la lampe UV. On extrait du chromatogramme les différents rapports frontaux des taches révélées. On

définit le rapport frontal par Rf = h/H

CHAPITRE 4

Des modèles simples de description de l’atome

Retour au cours de chimie

Introduction :

La révélation de la structure de l'atome s'est faite très rapidement une fois la radioactivité

découverte par Becquerel à la fin du XIXè siècle. C'est l'anglais Rutherford qui a permis de

révéler la structure de l'atome (noyau et électrons) en le bombardant avec des particules alpha.

I. Un modèle de l'atome

1. le noyau.

Le noyau est constitué de protons et de neutrons. Il y a Z protons et N neutrons. Le nombre de

nucléons (les constituants du noyau) est désigné par la lettre A.

A = Z (protons) + N (neutrons), A le nombre de nucléons.

Z le nombre de protons et aussi le numéro atomique de l'atome (son numéro de série en

somme).

On représente symboliquement le noyau d'un atome X par la représentation symbolique A

ZX.

2. l'atome

L'électron est une particule 1830 fois moins lourde que le proton qui tourne autour du noyau

(masse de l'électron = 9,1.10-31

kg, masse du proton = 1,673.10-27

kg). L'électron est chargé

électriquement (il est responsable de la conduction électrique dans un fil de cuivre par

exemple) et a la charge électrique élémentaire négative e=-1,6.10-19

C (C pour l'unité de

charge qui est le coulomb).

Les protons sont chargés avec une charge opposée positive +e ce qui fait qu'un atome qui est

constitué de Z protons (charge Z×e), de N neutrons (N×0) et de Z électrons (charge -Z×e) est

neutre.

L'atome est donc neutre et sa masse est concentrée dans son noyau.

Calculons la masse d'un atome de lithium (3 protons, 4 neutrons) avec les données du tableau

:

particule proton neutron électron

symbole p n e-

masse mp = 1,673×10-27 kg mn = 1,675×10-27 kg me = 9,109×10-31 kg

charge +e 0 -e

M(atome lithium 73Li) =

3×1,673.10-27

+4×1,675.10-27

+3×9,109.10-31

=1,172.10-26

kg.

on remarque que l'on trouve la même chose si l'on considère que la

masse des électrons est négligeable.

Le noyau est très petit : il est 100 000 fois plus petit que l'atome. Si le noyau était un ballon de

football au lycée, l'électron sera probablement situé à Bray ou à Nogent !

II. L'élément chimique

1. définition.

Lors du TP sur le cuivre dans tous ses états, nous avons observé qu'avec du cuivre, nous ne

pouvions avoir que des dérivés du cuivre : il est impossible d'avoir du plomb ou de l'or à partir

du cuivre ! Ainsi, le cuivre peut être sous différents états comme l'oxyde cuivre noir,

l'hydroxyde de cuivre bleu, les ions cuivre II bleus ou le cuivre métallique rouge orangé.

Lors des transformations chimiques, c'est l'élément cuivre qui est conservé et qui se trouve

sous différentes formes.

Un élément est l'ensemble des entités atomiques caractérisées par le même numéro atomique

Z.

2. les isotopes

Les isotopes sont des atomes ayant le même nombre Z de protons mais un nombre de

neutrons N différents.

En général, un élément chimique a plusieurs isotopes comme le carbone : 12

6C

(98,99%),13

6C(1,11%),14

6C(traces) ou l'hydrogène 11H(99,985%),

21H(0,015%),

31H(traces).

3. les ions monoatomiques

Un ion monatomique est un atome dont le nombre d'électrons est différent du nombre de

proton Z.

III. Un modèle du cortège électronique

1. répartition en couche

Les électrons se répartissent dans des couches autour des atomes : ce sont des zones de

probabilité où ils ont le plus de chance d'être présents. La physique n'est en effet plus la même

qu'à notre échelle et les choses ne sont plus ponctuelles mais disons... cotonneuses comme cet

électron ci-dessous autour du noyau d'hydrogène invisible.

Les électrons se rangent en couches (comme les étagères d'une bibliothèque) de noms K,L,M.

La première couche K a deux électrons maximum, L et M peuvent en recevoir 8.

Exemple : l'atome de chlore 17Cl

Il y a 17 électrons à disposer : (K)2(L)

8(M)

7

Exemple : l'atome d'oxygène 8O

Il y a 8 électrons à disposer : (K)2(L)

6

Exemple : l'ion d'oxygène 8O2-

Il y a 8+2 électrons à disposer : (K)2(L)

8

* Ci-dessus, un exemple avec le silicium (Z=14) :

2. électrons périphériques.

Toutes les couches ne sont pas d'égale importance : on distingue les (ou la) couches internes

et la couche externe qui contient elle les électrons périphériques et qui est la dernière remplie.

Par exemple dans le cas de l'oxygène, la couche L est la dernière couche remplie et contient 6

électrons périphériques.

CHAPITRE 5 La classification périodique des éléments chimiques (1869)

Introduction :

Depuis longtemps, on a remarqué que certaines espèces

chimiques ont le même comportement. On a essayé de

classer tout ce désordre de la nature pour aboutir enfin en

1869 à une classification que l'on utilise encore aujourd'hui.

Le mérite de Dimitri Mendeleiev est d'avoir établi ce

tableau avec très peu d'éléments connus au milieu du XIXè

siècle.

I. Comment Mendeleïev a-t-il inventé le tableau périodique ?

Les chimistes ont été intrigués que des propriétés similaires se retrouvent à intervalles réguliers comme nous venons de le voir avec les halogènes en TP.

o Théorie des triades étudiées par Davy (lithium, sodium, potassium). o En 1700, seuls 12 corps simples ( formés d'un seul élément) ont été isolés:

l'antimoine, l'argent, l'arsenic, le carbone, le cuivre, l'étain, le fer, le mercure, l'or, le phosphore, le plomb et le soufre.

o En 1817, le chimiste allemand Döbereiner suggère l'existence de la triade chlore, brome, iode.

o En 1818, théorie des triades étudiées par Davy (lithium, sodium, potassium).

Les critères actuels de la classification : on range les éléments par numéro atomique Z croissant. Les 118 éléments chimiques sont rangés en lignes et en colonnes, de façon à ce que les éléments d'une colonne possèdent le même nombre d'électrons sur leur couche externe.

LE TABLEAU PERIODIQUE DES ELEMENTS

II. Comment utiliser la classification périodique ?

1. Critères de classification

-Les éléments ayant des propriétés chimiques voisines forment une famille : ils sont dans une même colonne comme la famille des halogènes, des alcalins, des alcalino-terreux ou des gaz rares. Ils ont le même nombre d'électrons externes.

-Sur une même ligne, les atomes des éléments ont la même couche externe :

Ligne 1 : Couche K puis Ligne 2 : Couche L puis Ligne 3 : Couche M

2. Exemple de familles

a. les alcalins (voir film).

Ils n'ont qu'un électron sur leur couche externe. Les alcalins (Li, Na, K,…) se coupent facilement. Ils réagissent violemment avec l'eau. La solution devient basique et fait rosir la phénolphtaléine. Ils ont à l'état ionique une charge positive.

b. les halogènes. (voir TP) Ils sont à un électron de la couche complète. Ils ont à l'état ionique une charge négative.

c. les alcalino-terreux. (voir TP) Ils sont à un électron de la couche complète. Ils ont à l'état ionique une charge négative.

3. Pour se souvenir des éléments

Ligne 2 : Lili Becqueta Bien Chez Notre Oncle Ferdinand- Nestor.

Ligne 3 : Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer d'Argent.

Halogènes : Les Fières Clochettes des Brebis d'Italie.

Chapitre 6

De l’atome aux édifices chimiques

Introduction :

On trouve très peu d'éléments chimiques qui sont sous forme d'atomes isolés (dans les rivières : or, argent, cuivre que l'on trouve à l'état naturel ou natif). Ils peuvent gagner des électrons pour devenir des ions ou encore s'assembler pour former des molécules (l'ADN, H2O). La question intéressante est comment prévoir l'existence des édifices chimiques de manière simple.

I. Observons la nature.

1. Quelles sont les espèces chimiques monoatomiques que l'on rentre dans la Nature ?

- les chlorures : (K)2(L)8(M)8

- certains ions comme Ca2+ (K)2(L)8 ; K+ (K)2 (L)8; Mg2+(K)2(L)8

Ils sont tous chimiquement inertes car, comme leurs voisins les gaz nobles, leur couche électronique extérieure est complète (K)2, soit (K)2(L)8 soit (K)2(L)8(M)8.

2. Règle de l'octet

Au cours des réactions chimiques, les atomes réagissent de manière à acquérir la configuration électronique du gaz rare le plus proche dans la classification périodique. Pour H,He,Li,Be, on parle de règle du duet car la couche K se remplit avec 2 électrons et pas huit. Exemples : Ne (K)2(L)8 Z=10 est stable. Al3+ : l'aluminium va se " stabiliser " vers le néon, son gaz rare le plus proche et va céder trois électrons (un autre atome ou ion les prendra !).

3. Extension des atomes (ou ions) aux molécules.

Dans les molécules (qui sont bien sûr constituées d'atomes), les atomes obéissent aussi à la règle de l'octet. Les atomes se partagent les électrons en voyant égoïstement le partage

comme un gain d'électron. Dans l'exemple ci-dessous de la molécule de HCl (chlorure d'hydrogène), H qui possède un électron dans sa couche externe va partager son électron avec un électron de l'atome de chlore. Pour l'hydrogène, ce partage signifie un bilan de deux électrons et pour le chlore, un gain d'un électron plus les sept initiaux soit huit. La règle de l'octet est remplie pour le chlore (il a complété sa couche et ressemble à l'argon) et la règle du duet est remplie pour l'hydrogène qui ressemble à l'hélium. Les électrons partagés forment un doublet liant (2 électrons = doublet) ou liaison covalente, les six autres qui restent autour du chlore forment 6/2=3 doublets non liants qui ne servent à rien.

II. Comment symboliser les édifices chimiques ? La représentation de Lewis.

On rappelle que seuls les électrons de la couche externe de l'atome présentent un réel intérêt pour la chimie. Les réactions chimiques ne mettent en jeu que les électrons des couches externes des atomes. Lewis, en 1916, inventa une représentation ou un modèle de la chimie des électrons périphériques

1. Comment faire une bonne représentation de Lewis ?

Méthode :

1/ Connaître la formule brute de la molécule

2/ Trouver le nombre n d'électrons périphériques de chaque atome et en faire la somme

3/ Diviser ce total par 2 pour trouver le nombre de doublets qui vont intervenir

4/ Répartir ces doublets en doublets liants (liaison covalente simple, double ou triple) ou en doublets libres en respectant :

- la règle du duet pour l'atome d'hydrogène

- la règle de l'octet pour les autres atomes

2 Exemples

CO2 - La formule brute est CO2

- l'atome C a 4 électrons périphériques et l'atome O en a 6 Au total : 16 électrons périphériques - Ce qui fait 8 doublets C désire avoir 4 électrons de plus et l'oxygène 2 pour remplir la règle de l'octet.

nombre d'électrons périphériques : 16

nombre de doublets totaux : 16/2=8

nombre d'électrons liants : 4+2×2=8

nombre de doublets liants : 8/2=4

nombre de doublets non liants : 8-4=4

Exercice : CH4, NH3, H2O.

3 Notion d'isomérie.

Deux isomères ont même formule brute mais des enchaînements d'atomes différents (ex l'éther de diméthyle CH3-O-CH3 ou l'alcool éthylique CH3CH2OH).

III. La géométrie des édifices chimiques.

La géométrie des molécules peut s'expliquer par la répulsion entre doublets d'électrons. Les doublets se repoussent au maximum en se répartissant dans l'espace. Pour que le chimiste puisse " visualiser " la molécule, il utilise une nouvelle représentation (après la formule brute, la formule semi développée, la formule développée, la représentation de Lewis !) : c'est la représentation en 3D de Cram. Le triangle noir indique que le H va vers l'avant, le H en haché vers l'arrière (on acceptera le triangle haché ou le pointillé), les autres vont dans le même plan. Ici, c'est le méthane qui est représenté avec les atomes d'hydrogène aux sommets d'un tétraèdre régulier. Discussion de la géométrie de l'ammoniac et de l'eau (avec ordi).

Conclusion générale.

Un modèle simple arrive à expliquer facilement les propriétés des molécules : c'est le modèle de Lewis. Une grande partie de la chimie utilise la représentation de Lewis du lycée aux grandes firmes pharmaceutiques.