Présentation de la spécialité autour de la constitution de la matière

Dans ce cours, les professeurs de physique-chime Patricia et Thibault proposent de découvrir la spécialité de première via l'exemple de la constitution de la matière à l’échelle macroscopique (notre échelle) et l’échelle microscopique (l’échelle des atomes, des ions et des molécules). Pour illustrer cet exemple de cours de chimie, ils vont se pencher sur 3 liquides incolores qui contiennent de l'eau : de l'eau distillée, une solution physiologique et de l'eau de mer. La chimie est une science qui étudie la matière et ses transformations.

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En seconde : Constitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique

Description et caractérisation de la matière à l’échelle macroscopique

Analyse qualitative à l’échelle macroscopique

Tests chimiques pour détecter la présence ou l’absence d’une espèce chimique donnée.

ex  :   Test de présence d’eau dans l’échantillon avec du sulfate de cuivre anhydre.

Test de présence des ions chlorure dans l’échantillon avec une solution de nitrate d’argent.

Test de présence des ions sodium dans l’échantillon à la flamme.

Constitution de la matière à l’échelle macroscopique

Au vu des tests chimiques réalisés, l’eau distillée contient une seule espèce chimique (eau), on peut la modéliser comme un corps pur.
La solution physiologique et l’eau de mer contiennent plusieurs espèces chimiques (eau, ions chlorure et ions sodium), ce sont des mélanges.

Modélisation de la matière à l’échelle microscopique

La matière à l’échelle microscopique est modélisée par des entités chimiques : les atomes, molécules ou ions.

Atome : He

Molècule : H₂O

Anion : Cl^-

Cation : Na⁺

Échelle microscopique : L’eau est modélisée par des molécules d’eau représentées par différentes formules ou schémas.

Masse d’une molécule d’eau m_H2O = 3,0 × 10^-23 g

Échelle macroscopique : L’eau distillée est modélisée comme un corps pur.

Mesure de la masse d’une goutte d’eau

Mesure de la masse de 100 gouttes d’eau distillée :
m_{100 gouttes} = 5,0 g
Calcul de la masse moyenne d’une goutte d’eau distillée :
m_goutte = m_{100 gouttes} / 100
m_goutte = 0,050 g
Dans un litre d’eau distillée il y a près de 20 000 gouttes d’eau !

Nombre de molécules d’eau dans une goutte d’eau distillée

N_{molècules d'eau} = m_{goutte /} m_H2O
N_{molècules d'eau} = 0,050 g / 3,0 × 10^-23g = 1,7 × 10²¹
Dans une goutte d'eau, il y a 1 700 000 000 000 000 000 000 molécules d’eau = 1 700 milliards de milliards de molécules d’eau.

Les nombres d’entités présentes dans des échantillons de matière à notre échelle sont gigantesques.
Les chimistes ont introduit la notion de quantité de matière pour faciliter le dénombrement/comptage de ces entités dans un échantillon de matière.

La notion de quantité de matière

À l’image des paquets de billes, les chimistes regroupent les entités chimiques identiques par « paquets » d’entités chimiques.
Un « paquet » d’exactement 6,02214076 × 10²³ entités chimiques identiques est appelé une mole.
La quantité de matière est une grandeur physique, notée n et dont l’unité est la mole (de symbole mol), utilisée pour dénombrer les entités d’une espèce chimique dans un échantillon de matière.
La quantité de matière (exprimée en moles) d’une espèce chimique dans un échantillon de matière correspond au nombre n de « paquets » de 6,02214076 × 10²³ entités chimiques
identiques dans cet échantillon.

Description de la constitution de la matière à l’échelle microscopique et à l’échelle macroscopique

Une entité chimique est soit un atome, soit une molécule, soit un ion ; on lui associe une formule chimique et on peut dénombrer le nombre d’entités identiques dans un échantillon de matière.

Une espèce chimique est une collection d’un grand nombre d’entités chimiques identiques. La formule chimique de l’entité chimique sert aussi à désigner l’espèce chimique. La précision de l’état physique permet de distinguer l’espèce de l’entité.
Si modélise un échantillon de matière comme un corps pur, alors on considère qu’il n’est constitué que d’une seule espèce chimique.
Un échantillon de matière contenant au moins deux espèces chimiques est un mélange.

En première : Constitution et transformations de la matière

De nouvelles grandeurs à l’échelle macroscopique

Notion de masse molaire

« Les chimistes utilisent d’autres grandeurs pour déterminer la constitution d’un échantillon de matière simple ou complexe. »
La masse molaire est une grandeur physique caractéristique d’une entité et construit à partir de la masse d’une mole d’entités. Elle est notée M et exprimée en g/mol encore notée g.mol^-1
Ainsi une mole d’atome d’hydrogène H a une masse de 1,0 g. La masse molaire atomique de l’hydrogène est M(H)= 1,0 g.mol^-1.

Notion de masse molaire atomique

Sur la classification périodique des éléments, on lit :

• que la masse molaire atomique de l’oxygène est M(O) = 16,0 g.mol^-1. On en déduit que une mole d’atomes d’oxygène a une masse de 16,0 g.
• que la masse molaire atomique de l’hydrogène est M(H) = 1,0 g.mol^-1. On en déduit que deux moles d’atomes d’ a une masse de 2,0 g.

Notion de masse molaire moléculaire

Une mole d’eau H₂O comporte deux moles d’hydrogène et une mole d’oxygène.
La masse d’une mole d’eau est donc égale à la somme de la masse de deux moles d’hydrogène et de la masse de une mole d’oxygène soit 2,0 g + 16,0 g = 18,0 g.
La masse d’une mole d’eau étant de 18,0 g, la masse molaire moléculaire de l’eau est égale à M(H2O) = 18,0 g.mol^-1.
Détermination des masses molaires moléculaires à partir des masses molaires atomiques
M(H₂O) = 2 x M(H) + 1 x M(O)
M(H₂O) = 2 x 1,0 g.mol^-1 + 1 x 16,0 g.mol^-1 = 18,0 g.mol^-1

Utilisation de la masse molaire pour déterminer une quantité de matière

Pour calculer la quantité de matière notée n d’une entité chimique dans un échantillon, il suffit de connaitre la masse m d’entités présentes dans cet échantillon et la masse molaire M de cette
entité.

nombre de paquets = masse totale / masse d'un paquet

n = m / M

Pour calculer la quantité de matière en eau notée n_eau dans un échantillon, il suffit de connaître la masse m_eau de molécules d’eau présentes dans cet échantillon et la masse molaire moléculaire M(H₂O) de l’eau. : n_{eau =} m_{eau /} M(H₂O)

Grandeurs caractérisant le composition d’un mélange

En spécialité physique-chimie de première, on introduit la concentration en quantité de matière.
Concentration en quantité de matière d’un soluté :
Grandeur représentant la quantité de matière d’une espèce chimique dissoute par litre de solution. Elle peut s’exprimer en mol/L encore noté mol.L^-1
Pour la solution physiologique, la concentration en quantité de matière en chlorure de sodium est donnée par la relation : C_NaCl = n_NaCl / V_solution.

On dispose maintenant de grandeurs comme la concentration en quantité de matière pour dénombrer/compter facilement les entités chimiques présentes dans un mélange, une solution aqueuse par exemple.

Méthodes d’analyse chimique spécifiques

« Les chimistes développent au laboratoire des méthodes spécifiques et fiables pour dénombrer les différentes entités chimiques d’un mélange complexe. »
De nombreuses situa6ons nécessitent l’emploi de telles méthodes. Voici une liste non exhaustive :

• contrôle de qualité : industries agroalimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques et industrie des matériaux ;
• analyse chimique : médecine et analyses biomédicales, biologie, archéologie et datation, astrochimie, restauration d’œuvres d'art, police scien6fique, répression des fraudes, lutte anti-dopage, etc.
• synthèse chimique en laboratoire ou en industrie : identification ou confirmation de l’obtention du produit synthétisé ou pureté de ce produit.