1) Les états de la matière - rpn
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Lycée Denis-<strong>de</strong>-Rougemont <strong>Les</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>matière</strong><br />
OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
<strong>Les</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>matière</strong><br />
1<br />
Qu'entend-on par agitation thermique ? Quelle est <strong>la</strong> conséquence <strong>de</strong> l'agitation thermique<br />
à notre échelle ?<br />
Réponse :<br />
Il s'agit du mouvement propre <strong>de</strong>s particules (atomes et/ou molécules). La rapidité <strong>de</strong> ces<br />
mouvements donne <strong>la</strong> température au niveau macroscopique. Plus les vibrations <strong>de</strong>s<br />
particules sont gran<strong>de</strong>s et plus <strong>la</strong> température est élevée.<br />
Quelle est <strong>la</strong> gran<strong>de</strong>ur physique qui reflète l'agitation <strong>de</strong>s particules?<br />
Réponse :<br />
Il s'agit <strong>de</strong> <strong>la</strong> température.<br />
Pourquoi les corps se di<strong>la</strong>tent-ils lorsque leur température s'élève ?<br />
Réponse :<br />
2<br />
3<br />
Si on chauffe un cristal, l'agitation thermique <strong>de</strong>vient plus violente. L'amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s<br />
oscil<strong>la</strong>tions (distance d'oscil<strong>la</strong>tion) <strong>de</strong>s particules augmente, si bien que le soli<strong>de</strong> se di<strong>la</strong>te.<br />
a) Comment l'échelle <strong>de</strong>s <strong>de</strong>grés Celsius a-t-elle été établie?<br />
b) Et l'échelle <strong>de</strong>s Kelvins?<br />
c) Quelle re<strong>la</strong>tion y a-t-il entre les <strong>de</strong>ux échelles?<br />
d) Existe-t-il une autre échelle <strong>de</strong> température utilisée aujourd'hui?<br />
Réponses :<br />
4<br />
a) <strong>Les</strong> points <strong>de</strong> référence <strong>de</strong> l'échelle Celsius ont été choisie arbitrairement : Il s'agit du<br />
point <strong>de</strong> fusion <strong>de</strong> <strong>la</strong> g<strong>la</strong>ce (par définition 0 °C) et du point d'ébullition <strong>de</strong> l'eau sous une<br />
pression <strong>de</strong> 1 atm [1,01 bar] (par définition: 100 °C).<br />
b) Si on refroidit constamment <strong>la</strong> <strong>matière</strong>, on doit atteindre un état dans lequel les<br />
particules sont pratiquement immobiles. C'est le cas à <strong>la</strong> température du zéro absolu,<br />
qui est <strong>la</strong> température <strong>la</strong> plus basse possible. Le zéro absolu se situe à – 273 °C qui<br />
correspond par définition à 0 K.<br />
c) L'échelle <strong>de</strong>s <strong>de</strong>grés Kelvins (K) est un simple déca<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> l'échelle <strong>de</strong>s <strong>de</strong>grés Celsius<br />
<strong>de</strong> 273, pour faire coïnci<strong>de</strong>r le zéro absolu avec le zéro <strong>de</strong> l'échelle. Le point <strong>de</strong> fusion<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> g<strong>la</strong>ce est alors à 273 K et l'ébullition <strong>de</strong> l'eau sous <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> 1 atm à 373 K.<br />
d) Il s'agit <strong>de</strong> l'échelle <strong>de</strong>s <strong>de</strong>grés Fahrenheit. Le point <strong>de</strong> fusion <strong>de</strong> l'eau est à 32 °F et<br />
l'ébullition <strong>de</strong> l'eau à 212 °F.
Lycée Denis-<strong>de</strong>-Rougemont <strong>Les</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>matière</strong><br />
OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
Pourquoi l'eau n'est-elle pas utilisée comme liqui<strong>de</strong> thermométrique?<br />
Réponse :<br />
5<br />
L'eau liqui<strong>de</strong> se contracte <strong>de</strong> 0 à 4 °C puis se di<strong>la</strong>te <strong>de</strong> 4 à 100 °C. Il serait donc<br />
impossible <strong>de</strong> mesurer <strong>de</strong>s températures proche <strong>de</strong> 4 °C. Cette contraction <strong>de</strong> l'eau<br />
provient du fait que <strong>la</strong> masse volumique <strong>de</strong> l'eau augmente <strong>de</strong> 0 à 4 °C pour être<br />
maximum à 4 °C (ρ = 1000 kg/m 3 ), puis diminue lorsque <strong>la</strong> température augmente.<br />
La température <strong>de</strong> l'oxygène liqui<strong>de</strong> vaut –183 °C .<br />
Que vaut cette température en kelvins ?<br />
Réponse : La température vaut 90 K.<br />
Que vaut 210 K en <strong>de</strong>grés Celsius?<br />
Réponse : La température vaut – 63 °C.<br />
6<br />
7<br />
8<br />
Le NaCI fond à 801 °C alors que MgO fond à 2800 °C. Dans quel cas les forces<br />
réticu<strong>la</strong>ires sont-elles les plus gran<strong>de</strong>s? Comment peut-on expliquer cette différence ?<br />
Réponse :<br />
Dans MgO, car son point <strong>de</strong> fusion est beaucoup plus élevé que celui <strong>de</strong> NaCl. <strong>Les</strong> plus<br />
gran<strong>de</strong>s forces réticu<strong>la</strong>ires sont une conséquence <strong>de</strong> <strong>la</strong> forte liaison ionique entre les ions<br />
doublement chargés <strong>de</strong> MgO (Mg 2+ , O 2- ). Dans le sel <strong>de</strong> cuisine, ces forces sont plus<br />
petites, car il s'agit alors d'ions <strong>de</strong> charge unique (Na + et Cl - ). La force d'attraction<br />
électrostatique entre Mg 2+ et O 2- est environ 4 fois plus gran<strong>de</strong> qu'entre Na + et Cl – .<br />
9<br />
L'alcool éthylique bout à 78 °C, alors que l'eau bout à 100 °C. Dans quel cas les forces <strong>de</strong><br />
cohésion sont-elles les plus gran<strong>de</strong>s?<br />
Réponse :<br />
Dans l'eau, car elle a le plus haut point d'ébullition. L'agitation thermique doit être<br />
intensifiée jusqu'à ce que l'ébullition commence. On donne toujours les points d'ébullition à<br />
<strong>la</strong> pression <strong>de</strong> 1,01 bar (1 atm), qui correspond environ à <strong>la</strong> pression atmosphérique au<br />
niveau <strong>de</strong> <strong>la</strong> mer.<br />
10<br />
Quelle similitu<strong>de</strong> et quelle différence y a-t-il entre forces réticu<strong>la</strong>ires et forces <strong>de</strong><br />
cohésion ?<br />
- 2 -
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OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
Réponse :<br />
Similitu<strong>de</strong> : ces forces maintiennent les particules ; c'est pourquoi les volumes <strong>de</strong>s soli<strong>de</strong>s<br />
et <strong>de</strong>s liqui<strong>de</strong>s sont déterminés.<br />
Différence : les forces réticu<strong>la</strong>ires empêchent les particules <strong>de</strong> glisser les unes sur les<br />
autres ; c'est pourquoi seule <strong>la</strong> forme <strong>de</strong>s soli<strong>de</strong>s est déterminée.<br />
<strong>Les</strong> forces <strong>de</strong> cohésion n'empêchent pas les particules <strong>de</strong> glisser les unes sur les autres ;<br />
c'est pourquoi un liqui<strong>de</strong> est facilement déformable.<br />
11<br />
Considérons <strong>la</strong> forme et le volume. Dans quels <strong>états</strong> d'agrégation ces gran<strong>de</strong>urs sont-elles<br />
définies ?<br />
Réponse :<br />
Dans les soli<strong>de</strong>s, <strong>la</strong> forme et le volume sont définis. Dans les liqui<strong>de</strong>s, seul le volume est<br />
défini.<br />
Répon<strong>de</strong>z par vrai ou faux :<br />
12<br />
a) La température absolue d'un corps reflète l'intensité <strong>de</strong> l'agitation <strong>de</strong> ses particules.<br />
b) La chaleur se mesure en <strong>de</strong>grés Celsius.<br />
c) On peut fournir <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaleur à un corps, mais pas <strong>de</strong> <strong>la</strong> température.<br />
d) Il existe <strong>de</strong>s thermomètres qui fonctionnent sans liqui<strong>de</strong>.<br />
e) La température n'est pas une gran<strong>de</strong>ur additive.<br />
f) La température d'une personne peut être <strong>de</strong> 105 °F.<br />
Réponses :<br />
a) Vrai. L'agitation thermique est plus forte si <strong>la</strong> température augmente.<br />
b) Faux. Il s'agit <strong>de</strong> <strong>la</strong> température. La chaleur est une énergie et se mesure en<br />
Joules.<br />
c) Vrai. On ne peut fournir que <strong>de</strong> l'énergie. L'énergie fournie se transforme en fait en<br />
énergie cinétique <strong>de</strong>s particules (= agitation thermique) et <strong>la</strong> température se<br />
modifie.<br />
d) Vrai. Il s'agit <strong>de</strong> thermomètres fonctionnant avec un thermocouple : <strong>de</strong>ux métaux<br />
différents sont soudés ensemble. A <strong>la</strong> jonction, il apparaît une tension qui varie en<br />
fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> température. Il suffit ensuite <strong>de</strong> mesurer cette tension et <strong>de</strong> convertir<br />
<strong>la</strong> mesure en terme <strong>de</strong> température.<br />
e) Vrai. Lorsqu'on mé<strong>la</strong>nge 100 ml d'eau à 60 °C avec 100 ml d'eau à 20 °C, on ne<br />
peut pas additionner les <strong>de</strong>ux températures. On n'obtient pas <strong>de</strong> l'eau à 80 °C, mais<br />
bien à 40 °C dans ce cas.<br />
f) Vrai. 105 °F donne 40,55 °C. C'est une température possible pour une personne<br />
avec une forte fièvre.<br />
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OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
Inscrivez dans un schéma les noms <strong>de</strong> tous les changements d'état.<br />
Réponse :<br />
Comment distinguer si on a affaire à un corps pur ou à un mé<strong>la</strong>nge ?<br />
Réponse :<br />
13<br />
14<br />
En liquéfiant ou en vaporisant un corps, on voit si on a affaire à un mé<strong>la</strong>nge ou à un corps<br />
pur.<br />
Le comportement à <strong>la</strong> fusion.<br />
Un corps pur possè<strong>de</strong> un point <strong>de</strong> fusion net, c'est-à-dire que le passage soli<strong>de</strong> liqui<strong>de</strong> a<br />
lieu à une température bien déterminée ou à l'intérieur d'un très court intervalle <strong>de</strong><br />
température (1 à 2 °C). En <strong>de</strong>ssous du point <strong>de</strong> fusion, le corps pur est soli<strong>de</strong> ; en <strong>de</strong>ssus<br />
du point <strong>de</strong> fusion, il est liqui<strong>de</strong>.<br />
Le point <strong>de</strong> fusion dépend naturellement <strong>de</strong> <strong>la</strong> gran<strong>de</strong>ur <strong>de</strong>s forces réticu<strong>la</strong>ires. Plus les<br />
forces réticu<strong>la</strong>ires sont gran<strong>de</strong>s, plus le point <strong>de</strong> fusion est élevé. A une température<br />
inférieure au point <strong>de</strong> fusion, l'agitation thermique n'est pas capable <strong>de</strong> briser les forces<br />
réticu<strong>la</strong>ires; en <strong>de</strong>ssus du point <strong>de</strong> fusion, les forces réticu<strong>la</strong>ires sont rompues; seules les<br />
forces <strong>de</strong> cohésion agissent alors.<br />
Le comportement à l'ébullition.<br />
Un corps pur possè<strong>de</strong> un point d'ébullition constant, c'est-à-dire stable au cours du<br />
temps ; <strong>la</strong> température du liqui<strong>de</strong> ne s'élève plus malgré un apport continu <strong>de</strong> chaleur, car<br />
les particules "chau<strong>de</strong>s" (celles qui ont une forte agitation thermique) s'échappent<br />
continuellement en vapeur.<br />
Le point d'ébullition est fortement dépendant <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression. Au niveau <strong>de</strong> <strong>la</strong> mer<br />
(1,01 bar) l'eau bout à 100 °C. Le point d'ébullition diminue <strong>de</strong> 1 °C par 300 m d'altitu<strong>de</strong><br />
supplémentaire. Le point d'ébullition est une mesure indicative <strong>de</strong>s forces <strong>de</strong> cohésion :<br />
plus elles sont fortes, plus le point d'ébullition est élevé.<br />
- 4 -
Lycée Denis-<strong>de</strong>-Rougemont <strong>Les</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>matière</strong><br />
OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
15<br />
Pourquoi <strong>la</strong> diffusion s'effectue-t-elle beaucoup plus rapi<strong>de</strong>ment dans les gaz que dans les<br />
liqui<strong>de</strong>s ?<br />
Réponse :<br />
Parce que, dans les gaz, le libre parcours moyen, c'est-à-dire <strong>la</strong> distance moyenne qu'une<br />
particule <strong>de</strong> gaz parcourt d'un choc à un autre, est re<strong>la</strong>tivement grand. A pression<br />
normale, le volume propre <strong>de</strong>s particules <strong>de</strong> gaz ne représente qu'environ un millième du<br />
volume total, c'est-à-dire qu'une particule <strong>de</strong> gaz trouve dans l'espace à trois dimensions<br />
un chemin en moyenne 10 fois plus grand que son diamètre.<br />
Dans un gaz, les particules effectuent un parcours désordonné en zigzag en raison <strong>de</strong>s<br />
chocs avec les autres particules.<br />
<strong>Les</strong> particules <strong>de</strong> gaz frappant<br />
les parois du récipient sont<br />
cause <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression du gaz qui<br />
est mesurable (pression = force<br />
par unité <strong>de</strong> surface). Si on<br />
chauffe le gaz alors qu'aucune<br />
modification du volume n'est<br />
possible, <strong>la</strong> pression du gaz<br />
augmente (pneu d'auto au soleil), car les particules du gaz frappent plus violemment et à<br />
une ca<strong>de</strong>nce accrue les parois du récipient (agitation thermique plus intense <strong>de</strong>s<br />
particules <strong>de</strong> gaz).<br />
16<br />
Pourquoi une vapeur (gaz) se répand-elle beaucoup plus rapi<strong>de</strong>ment dans le vi<strong>de</strong> que<br />
dans l'air ?<br />
Réponse :<br />
Parce que, dans le vi<strong>de</strong>, les particules <strong>de</strong> gaz ne se heurtent pas à d'autres particules et<br />
peuvent ainsi se répandre sans obstacle. Dans le vi<strong>de</strong>, les particules <strong>de</strong> gaz poursuivent<br />
leur "vol" en ligne droite jusqu'à ce qu'elles rebondissent sur les parois du récipient. Dans<br />
l'espace, les particules se dép<strong>la</strong>cent aussi sans obstacle, car il est pratiquement sans<br />
<strong>matière</strong> (ultra-basse pression).<br />
Quelle est l'importance <strong>de</strong> <strong>la</strong> diffusion pour les organismes vivants ?<br />
Réponse :<br />
17<br />
La diffusion est importante pour les échanges d'eau (entrée et sortie à travers les parois<br />
cellu<strong>la</strong>ires).<br />
18<br />
On plonge 2 kg <strong>de</strong> g<strong>la</strong>ce à -25 °C dans 100 L d’eau chau<strong>de</strong> à 53 °C. Calculez <strong>la</strong><br />
température finale du mé<strong>la</strong>nge.<br />
- 5 -
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OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
Réponse :<br />
On voit facilement que toute <strong>la</strong> g<strong>la</strong>ce va fondre : en effet, il y a 50 fois moins <strong>de</strong> g<strong>la</strong>ce<br />
froi<strong>de</strong> que d’eau chau<strong>de</strong>. Donc, <strong>la</strong> g<strong>la</strong>ce va se réchauffer jusqu’à 0 °C, puis fondre, puis<br />
l’eau va se réchauffer jusqu’à <strong>la</strong> température finale. C’est l’eau chau<strong>de</strong> qui va fournir cette<br />
énergie en se refroidissant jusqu’à <strong>la</strong> température finale.<br />
En résumé : Q1 + Q2 + Q3 = Q4<br />
53<br />
T f<br />
0<br />
–25<br />
Q 1<br />
!T 1<br />
Q 2<br />
Q 4 !T 3<br />
Il suffit <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cer par les valeurs numériques et résoudre l’équation. On trouve :<br />
€<br />
€<br />
€<br />
€<br />
€<br />
€<br />
€<br />
m 1 ⋅ c ⋅ ΔT 1 + m 1 ⋅ L f + m 1 ⋅ c ⋅ ΔT 2 = m 2 ⋅ c⋅ ΔT 3<br />
- 6 -<br />
Q 3<br />
2⋅ 2060⋅ 25 + 2⋅ 3,3⋅10 5 + 2⋅ 4180⋅ ΔT 2 = 100⋅ 4180⋅ ΔT 3<br />
2⋅ 2060⋅ 25 + 2⋅ 3,3⋅10 5 + 2⋅ 4180⋅ (T f − 0) = 100⋅ 4180⋅ (53 − T f )<br />
103000 + 660000 + 8360⋅ T f = 418000⋅ (53 − T f)<br />
763000 + 8360⋅ T f = 22154000 − 418000⋅ T f<br />
426360⋅ T f = 21391000<br />
T f = 50,17 °C<br />
!T 2
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OS Chimie Corrigé <strong>de</strong>s exercices<br />
Corps purs, mé<strong>la</strong>nges et séparation <strong>de</strong>s mé<strong>la</strong>nges<br />
Répon<strong>de</strong>z aux questions ci-<strong>de</strong>ssous :<br />
19<br />
a) Combien existe-t-il <strong>de</strong> corps purs simples ?<br />
b) Comment appelle-t-on un mé<strong>la</strong>nge homogène constitué d’un soluté et d’un<br />
solvant ?<br />
c) <strong>Les</strong> mé<strong>la</strong>nges gazeux sont-ils homogènes ou hétérogènes ?<br />
d) <strong>Les</strong> corps purs sont-ils homogènes ou hétérogènes ?<br />
e) Qu’est-ce qui caractérise les métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> séparation « physiques » ?<br />
f) L’air est-il un corps pur ?<br />
g) Comment sépareriez-vous un mé<strong>la</strong>nge formé <strong>de</strong> sable, <strong>de</strong> sel, <strong>de</strong> sciure et <strong>de</strong><br />
poudre <strong>de</strong> fer ?<br />
h) Qu’est-ce qu’un aérosol ? Donnez également un synonyme.<br />
i) Qu’est-ce que <strong>de</strong>s fumées ? Donnez également un synonyme.<br />
j) Comment appelle-t-on un mé<strong>la</strong>nge hétérogène <strong>de</strong> 2 liqui<strong>de</strong>s, dont l’un est en<br />
suspension dans le second ?<br />
k) Qu’est-ce qu’un corps pur composé ?<br />
Réponses :<br />
a) Environ 100.<br />
b) Une solution.<br />
c) Homogènes.<br />
d) Homogènes.<br />
e) <strong>Les</strong> particules ne sont pas modifiées.<br />
f) Non, c’est un mé<strong>la</strong>nge.<br />
g) D’abord on enlève <strong>la</strong> poudre <strong>de</strong> fer par un aimant. Ensuite, on ajoute <strong>de</strong> l’eau : le<br />
sel se dissout, le sable reste au fond et <strong>la</strong> sciure flotte. On retire <strong>la</strong> sciure. Le sable<br />
est filtré et finalement on évapore l’eau pour récupérer le sel.<br />
h) Il s’agit <strong>de</strong> fines gouttelettes <strong>de</strong> liqui<strong>de</strong> en suspension dans un gaz. Synonyme :<br />
brouil<strong>la</strong>rd.<br />
i) Il s’agit <strong>de</strong> fines particules <strong>de</strong> soli<strong>de</strong> en suspension dans un gaz. Synonyme :<br />
poussières.<br />
j) Une émulsion.<br />
k) Il s’agit d’un corps constitué <strong>de</strong> plusieurs éléments.<br />
- 7 -