3 - Plantyn

S. Fodor / M.-J. Gilsonchimie35 périodes par semaineèmeannée

Plantyn développe et distribue des ouvrages pédagogiques pour les enseignantsainsi que du matériel éducatif pour les élèves et leurs parents. Plantyndéveloppe également des outils de soutien propres à la gestion spécifiqued’un établissement scolaire. Les éditions sont présentes en Flandre eten Communauté française de Belgique.Notre objectif est de maximaliser les chances de tous les apprenants entenant compte des intérêts individuels de chacun. Notre souhait est égalementde permettre aux enseignants de travailler dans des conditions optimalesen leur proposant des outils pédagogiques de qualité. Nous sommespersuadés qu’apprendre peut se faire dans un cadre agréable et contemporain.C’est ce que nous avons voulu faire transparaître dans notre devise« aimer apprendre ».Plantyn fait partie du groupe éditorial éducatif « Infinitas Learning ».PlantynAdresse : Waterloo Office Park, Drève Richelle 161, bât. L, 1410 WaterlooTéléphone : 02 427 42 47Fax : 02 425 79 03E-mail : editions.plantyn@woltersplantyn.beWebsite : www.plantyn.comCopyrightFotolia :Vasca, Cristina Fumi, Boris Ryzhkov, Lécrivain Delphine, bluesky6867, Brian Daly, StephenSweet, Artiloo, Georgy Solodko, Joachim Martin, jeff Metzger, Simages, evgenyb, GeraldBernard, Derrick Neill, Tanja Bagusat, WH CHOW, Ian Holland, Andrey Armyagov, fauxware,kameel, Frédéric Prochasson, Sergey Minaev, Hallgerd, stta.Wikipedia :Warut Roonguthai, Michael Pereckas,Autres :Thisisbossi, greschoj, andruw, Anke Merckx, Nino Barbieri, Huaiwei (Newater)Sxc :Miroslav Kostic, Thomas Bush, Debbie SchielCréation de cover + maquette : DoubleclicMise en page : Page-In — Pascale HeyrbautL’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si malgré cela, quelqu’unestime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser àl’éditeur.© Plantyn, Waterloo, BelgiqueTous droits réservés. Mises à part les exceptions formelles prévues par la loi, aucune partiede cette publication ne peut être reproduite, stockée dans une base de données ouretransmise publiquement, sous quelque forme ou de quelque manière que ce soit, sansl’autorisation écrite préalable de l’éditeur. Le photocopillage menace l’avenir du livre !CHIM35W/002-00ISBN 978-2-8010-5539-7 D 2009/0120/104

PréfacePlus les applications de la chimie modifient notre vie quotidienne et plusil importe que, lors de sa formation initiale, chacun(e) soit heureusementintroduit(e) dans ce domaine toujours prometteur.Les auteurs du présent ouvrage ont relevé le défi de proposer aux élèves« qui débutent en chimie », une approche essentiellement inductive.Avec un réalisme didactique qu’on ne peut qu’encourager, ils invitent lesélèves et leurs professeurs à regarder, à voir, à s’interroger, à manipuler,à « chercher à comprendre », à exprimer ce qu’ils pensent… afin debien asseoir quelques concepts de base de la discipline abordée. Enaccord avec l’esprit qui préside à la réécriture des programmes desciences pour l’enseignement secondaire, ce manuel ne traite que denotions essentielles. Si leur nombre est réduit, c’est afin d’en mieux fairepercevoir la signification… Du temps doit être pris pour que les motssoient évocateurs d’idées… et en sciences, les idées concernent souventune réalité observable.Les concepteurs de ce livre ont utilisé le meilleur de leur expérienceprofessionnelle pour faire de ces pages un outil utile. Puisse-t-il permettreà de nombreux jeunes, heureusement guidés par leurs professeurs, deconstruire solidement une part de leur savoir et de développer leurssavoir-faire. Leur devenir – dans quelque secteur que ce soit – dépendra deleur curiosité, de leur dynamisme et aussi de leur rigueur intellectuelle.A. Cheval3

IntroductionIl y a deux manières d’aborder un cours de chimie :› soit ouvrir un livre, le lire de la première à la dernière page pour en apprendre les notions de basepuis appliquer celles-ci dans des exercices afin d’en assurer la compréhension.› soit partir de mises en situation concrètes pour découvrir des notions qui petit à petit se complèterontet tel un jeu de Lego, construiront une première ébauche théorique de la chimie, esquisserprogressivement la démarche scientifique, l’utiliser, la peaufiner, avancer dans la compréhensiondes grandes découvertes par de petites manipulations, …“Vivre son cours au lieu de le subir.”C’est évidemment cette seconde alternative que nous avons choisie comme objectif dans ce fasciculequi s’adresse aux élèves de troisième année (dans le cadre d’un cours de 5 heures par semaine).Chaque notion est introduite ou illustrée par des documents et/ou des travaux pratiques.Les manipulations sont simples mais efficaces, adaptées au niveau des élèves, et n’exigent pas unmatériel sophistiqué.L’élève deviendra enfin acteur de son cours et la chimie lui sera désormais une science accessible.Nous tenons à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, par leur confiance ou leurs critiques,nous ont aidées à réaliser ce fascicule.M-J. Gilson et S. Fodor4

Compétences et familles de tâchesL’élève est amené, à travers ce fascicule, à aborder 6 compétences générales qu’il devra maîtriser àla fin de ses humanités :› Organiser ses observations et ses connaissances en justifiant ou en utilisant des classificationsétablies sur base de critères scientifiques.› Rédiger un rapport structuré suite à une recherche expérimentale permettant d’élaborer de nouveauxconcepts, de découvrir ou de valider des lois et des théories dans le cadre d’une situationconcrète.› Interpréter un phénomène ou prévoir son évolution et expliquer le fonctionnement d’un objettechnologique en utilisant des modèles ou des théories scientifiques dont il convient d’estimerla pertinence et les limites.› Résoudre une application numérique concrète en gérant les données de façon efficace, grâce auxoutils mathématiques et informatiques adéquats.› Communiquer oralement ou par écrit un raisonnement élaboré sur base de théories scientifiquesafin d’éclairer une personne confrontée à des questions relatives à la santé, la sécurité, l’éthique…› Élaborer un dossier permettant d’évaluer l’impact de découvertes scientifiques ou d’innovationstechnologiques sur notre mode de vie et sur l’environnement en vue de responsabiliser un public-cible.5

Une première approche des compétences générales passe par l’acquisition progressivede 9 compétences scientifiques :› S’approprier des concepts fondamentaux, des modèles ou des principes› Conduire une recherche et utiliser des modèles› Utiliser des procédures expérimentales› Bâtir un raisonnement logique› Utiliser des procédures de communication› Résoudre des applications concrètes› Utiliser les outils mathématiques et informatiques adéquats› Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentationsinterdisciplinaires› Établir des liens entre des démarches et notions vues en scienceset vues ailleursAu début de chaque chapitre apparaîtront les symboles des compétences scientifiques exercées.Afin de développer des compétences, l’élève doit aussi avoir l’occasion d’utiliser ses ressources dans laréalisation de tâches.Celles-ci ont été groupées en 4 familles de tâches :Ft1Ft2Ft3Ft4Décrire, expliquer un phénomène ou le fonctionnement d’un objet, prévoir l’évolution d’un phénomène.Mener à bien une recherche expérimentale.Résoudre une application concrète.Présenter sous une autre forme une information, un concept, un processus ou un phénomènenaturel.Ce fascicule propose des activités qui intègrent les compétences dans ces familles de tâches. Un logoprécisera la famille de tâche concernée.6

Travaux pratiques

Consignes de laboratoirePAS DE BRUIT› il est important d’entendre toutes les consignes,› l'écoute fait partie de l’observation, le bruit peut être cause d’accident !PAS DE MOUVEMENTS BRUSQUES› des substances sont dangereuses,› le matériel est souvent coûteux, … les vêtements aussi !NE JAMAIS GOÛTER LES SUBSTANCESPRENDRE DE PETITES QUANTITÉS DE SUBSTANCE› il est inutile de gaspiller,› les réactions peuvent parfois être violentes !SE SERVIR DÉLICATEMENT DE SON ODORAT› ne pas mettre le nez sur les substances,› amener avec la main les gaz dégagés jusqu’au nez.NE PAS LAISSER BRÛLER LA FLAMME D’UN BEC BUNSEN› la flamme bleue est une flamme très peu visible, ce qui peut provoquer des accidents !NE JAMAIS DIRIGER L’OUVERTURE D’UNE ÉPROUVETTE VERS SOI… NI VERS AUTRUI› certaines substances peuvent provoquer des irritations, voire même des blessures notammentau visage et aux yeux.BIEN NETTOYER LE MATÉRIEL› certaines substances réagissent ensemble,› du matériel sale peut fausser une expérience.GÉRER LES DÉCHETS› certaines substances sont dangereuses pour l'environnement et doivent être récoltées dansdes récipients adéquats.UTILISER LES ACCESSOIRES DE PROTECTION› tablier, gants, lunettes…Attention, chaque fois que tu rencontreras le sigle ! après une manipulation, tu seras deux foisplus vigilant !8

Matériel de laboratoireFt4Matériel qui permet de chauffer lessubstances.À côté de chaque photo, réalise le schémacorrespondant :ErlenmeyerVase de berlin ou bécherBallon à fond rond9

Ballon à distillerTube à essai ou éprouvetteCreuset (en porcelaine)10

Cuiller à combustionMatériel destiné à chauffer.À côté de chaque photo, réalise le schémacorrespondant :Bec BunsenTrépied et toile métallique11

Pinces métallique et en boisTriangle en porcelaineMatériel qui permet la mesure d’unvolume de liquide.À côté de chaque photo, réalise le schémacorrespondant :Cylindre graduéBallon jaugé12

Pipette graduée et jaugéeMatériel qui ne peut pas être chauffé.À côté de chaque photo, réalise le schémacorrespondant :EntonnoirCristallisoirVerre de montre13

Mortier et pilonSpatulePissettePipette pasteur14

Pictogrammes de sécuritéT : toxiqueT+ : très toxiqueProduits qui, par inhalation, ingestion ou pénétrationcutanée en petites quantités, entraînent la mortou des effets aigus ou chroniques.Xn : nocifXi : irritantProduits qui, par inhalation, ingestion ou pénétrationcutanée en petites quantités, entraînent la mort ou deseffets aigus ou chroniques.Produits non corrosifs qui en cas de contact ou d’inhalationpeuvent provoquer une irritation de la peau et des voiesrespiratoires, une inflammation des yeux.F: facilementinflammableF+ : extrêmementinflammableProduits pouvant s’enflammer facilement en présenced’une source d’inflammation à température ambiante(< 21°C).Produits pouvant s’enflammer très facilement enprésence d’une source d’inflammation même en dessousde O°C.O : comburantProduits pouvant favoriser ou activer la combustiond’une substance combustible.Au contact de matériaux d’emballage (papier, carton,bois) ou d’autres substances combustibles, ilspeuvent provoquer un incendie.C : corrosifProduits pouvant exercer une action destructive surles tissus vivants.E : explosif Ce sont des liquides ou des solides capables d’explosersous l’action d’un choc, d’un frottement, d’une flammeou de chaleur.N : dangereuxpour l’environnementProduits qui peuvent présenter un risque immédiatou différé pour une ou plusieurs composantes del'environnement (c-à-d. capables, par exemple decauser des dommages à la faune, à la flore ou deprovoquer une pollution des eaux naturelles et de l'air).15

Comment rédiger un rapport de travaux pratiques ?Le premier outil nécessaire à la rédaction de ce rapport est le cahier de laboratoire. Ce cahierde petit format contiendra les notes prises avant, pendant et après la manipulation. Celles-ciserviront à l’élaboration du rapport.Ce rapport possédera un titre. Le but de laboratoire explicitera la tâche demandée.Le rapport comprendra 5 parties :1 ère partie : Matériel et produitsDans cette partie, il s’agit de dresser la liste du matériel et des produits utilisés lors del’expérience.2 e partie : Manipulation (ou mode opératoire)Les étapes de la manipulation que l’on réalise seront notées dans l’ordre chronologique.Elles seront marquées d’un tiret, d’un point ou d’un numéro en début de ligne.3 e partie : SchémaUn schéma du montage ou de la manipulation est souvent nécessaire et permet d’éviter de troplongues descriptions.Il sera tracé au crayon et à la latte (à une échelle utilisable).4 e partie : ObservationCette observation peut être qualitative ou quantitative.L’observation qualitative est celle que l’on peut faire grâce à nos 5 sens : la vue, le toucher,l’odorat, l’ouïe et, très exceptionnellement, le goût.Un schéma complétera éventuellement ces observations qui seront notées de façon structurée etconcise.L’observation quantitative suppose des mesures que l’on peut effectuer lors de la manipulation.Celles-ci seront clairement notées dans un tableau.5 e partie : ConclusionEn quelques mots, la conclusion donne la réponse à la question posée, propose un classement,etc…16

Chapitre 1Les mélanges

Les compétencesÀ la fin de ce chapitre, tu seras capable de :› définir les mots suivants :- soluté,- solution,- solvant,- mélange,- mélange homogène,- mélange hétérogène,- phénomène physique,- dissolution,- concentration massique,› citer les propriétés d’un mélange,› distinguer les différents types de mélange,› utiliser correctement les mots suivants dans une phrase :- mélange,- mélange homogène,- mélange hétérogène,- soluble,- insoluble,- se dissoudre,- miscibles,› citer et décrire les méthodes de séparation des constituants d’un mélange vues en classe,› appliquer la formule de la concentration massique,› préparer une solution de concentration massique donnée.18Chapitre 1 - Les mélanges

Travaux pratiquesde laboratoiren° 1aNomDatePrénomClasseLes mélanges (1 RE PA R T I E)MatérielManipulation1 éprouvette,1 spatule,1 erlenmeyer,1 entonnoir,1 filtre,sel, eau.Verse une pincée de sel dans une éprouvette contenant un peu d’eau.SchémaObservation(Exceptionnellement, goûte la solution.)Chapitre 1 - Les mélanges19

Conclusion Que devient le sel ?Comment qualifier cette substance ?Comment qualifier le mélange obtenu ?ManipulationFiltre la solution.SchémaObservation Qu’obtiens-tu dans le filtre ?Qu’obtiens-tu dans l’erlenmeyer ?ConclusionLa filtration est-elle une bonne méthode de séparation des constituants de cemélange ?Imagine une méthode qui serait plus efficace et décris-la.Ft120 Chapitre 1 - Les mélanges

Travaux pratiquesde laboratoiren° 1bNomDatePrénomClasseLes mélanges (2 E PA R T I E)MatérielManipulation1 éprouvette,1 spatule,1 erlenmeyer,1 entonnoir,1 filtre,1 aimantfer, eau.Verse une pincée de fer dans une éprouvette contenant un peu d’eau.SchémaObservation(Fais glisser un aimant le long de l’éprouvette, qu’observes-tu ?)Chapitre 1 - Les mélanges21

Conclusion Que devient le fer ?Comment qualifier cette substance ?Comment qualifier le mélange obtenu ?ManipulationFiltre la solution.SchémaObservation Qu’obtiens-tu dans le filtre ?Qu’obtiens-tu dans l’erlenmeyer ?ConclusionLa filtration est-elle une bonne méthode de séparation des constituants de cemélange ?Imagine une autre méthode qui serait efficace et décris-la.Ft122 Chapitre 1 - Les mélanges

Propriétés d’un mélange• Un mélange de deux ou plusieurs substances se fait selon des proportions massiquesquelconques.• Les propriétés d’un mélange résultent des propriétés des constituants; en effet, les constituantsd’un mélange conservent leurs propriétés.• Les constituants d’un mélange sont séparables par des méthodes physiques.• Un mélange est un phénomène physique.Un phénomène physique est un phénomène au cours duquel les substances de départ ne setransforment pas en d’autres substances de nature différente.Remarque : pour indiquer un mélange, on inscrit le signe “+” entre les différents constituants.On peut classer les mélanges selon :- l’état des constituants d’un mélange : liquide + gaz, solide +solide…- l’homogénéité du mélange :- un mélange homogène est un mélange donton ne peut pas distinguer les constituants.Exemple : soluté (corps soluble) + solvant = solution.- un mélange hétérogène est un mélange dont on peutdistinguer les constituants.Exemple : 2 liquides non miscibles.- les méthodes de séparation des constituants d’un mélange.Eau + huilleRappel de quelques méthodes de séparationLa filtrationLa filtration est utilisée pour séparer les constituantsd’un mélange hétérogène solide + liquide (exemple :sable + eau). Le mélange est versé dans un filtre. Lerésidu solide reste dans le filtre tandis que le liquides’écoule dans un récipient.Chapitre 1 - Les mélanges23

La distillationPour séparer les constituants d’unmélange homogène solide + liquide(exemple : sel + eau), la filtration n’estpas une méthode efficace, il faut alorsutiliser la distillation.L’appareil de distillation consiste en unballon fermé communiquant seulementavec l’extérieur par un tube particulierappelé “tube réfrigérant”.Principe de la distillationLe mélange homogène est versé dans le ballon (a), celui-ci est alors fermé par un bouchon (b).Une source de chaleur (c) (généralement un bec Bunsen) chauffe alors le mélange.Après un certain temps, la vapeur du liquide sort du ballon par le tube réfrigérant (d). Celuici,comme son nom l’indique, refroidit alors, grâce à un courant d’eau continu, la vapeur qui secondense et s’écoule dans le récipient (e) posé à cet effet. Le soluté, quant à lui, reste dans leballon. Remarque :Il est également possible d’utiliser la distillation pour séparer des liquides miscibles, mais cela exigeun appareil plus sophistiqué et il est parfois nécessaire de répéter l’opération plusieurs fois. C’est decette manière que l’eau est séparée de l’alcool mais il est à noter qu’il est impossible d’obtenir del’alcool pur à 100%.La décantationPour séparer deux liquides non miscibles, c’est-à-dire formant unmélange hétérogène, il suffit de les laisser reposer, « décanter » dans unrécipient appelé, pour cette raison, ampoule à décanter.Principe de la décantationL’ampoule à décanter est prolongée dans le bas par un fin tube muni d’unrobinet.Dès que la ligne de séparation des deux liquides est nette, il suffit d’ouvrirle robinet le temps que le liquide le plus lourd s’écoule dans un premierrécipient.Il est alors possible de récupérer le second liquide dans un secondrécipient.24Chapitre 1 - Les mélanges

L’épuration des eauxL’épuration des eaux n’a pas pour objectif la transformation des eaux usées en eau potable ; ellevise seulement à permettre aux eaux usées puis épurées d’être rejetées dans les rivières sansprovoquer de pollution.Les eaux usées qui sont drainées grâce aux égouts jusqu’à une station d’épuration vont y subirplusieurs traitements :- un tamis va permettre l’élimination de gros déchets (bouteilles, boîtes de conserve, débris detout genre) : il s’agit là d’une épuration mécanique ;- l’eau est ensuite acheminée vers d’immenses réservoirs dans lesquels est insufflé de l’air qui vapermettre l’activité de bactéries ;- l’eau, riche en air et en oxygène, s’écoule alors dans des bassins de décantation où elle sedébarrasse du sable et d’autres particules en suspension ;- avant d’être déversée dans la rivière, cette eau doit encore subir un traitement bactérienet passer dans un nouveau bassin de décantation au fond duquel stagneront, sous forme deflocons, les polluants dissous.Station d’épuration de Membach (site AIDE)Station d'épuration de GolbeyClarificateur de la station d’épuration des eaux usées deGolbey (Vosges).Dans notre pays, beaucoup d’habitations ne sont pas encore reliées aux égouts et beaucoup d’égoutsse déversent directement dans les cours d’eau.Le nombre limité de stations d’épuration les oblige à traiter une quantité trop importante d’eau,ce qui les rend moins efficaces.Pour devenir de l’eau potable, l’eau rejetée par une station d’épuration devrait encore êtredébarrassée des phosphates et des nitrates…Possible ? Oui, mais coûteux !Chapitre 1 - Les mélanges25

De l’eau potable directement venue des égoutsLe gouvernement de Singapour propose à ses habitants une singulière eau potable, qui vient … deségouts. La riche cité-Etat asiatique, très densément peuplée (4,5 millions d’habitants sur moins de700 km 2 ) a en effet mis en œuvre cette solution originale pour faire face au manque d’eau douce,jusqu’à présent apportée par la pluie ou importée de Malaisie.L’idée : recycler les eaux usées pour en refaire de l’eau potable, et assurer ainsi la durabilité de laressource, plutôt que de la gaspiller en la rejetant à la mer.C’est ainsi qu’est né, il y a dix ans, le programme Newater, piloté par une agence publique. Aujourd’hui,ses quatre installations de recyclage, dont la plus grande peut produire plus de 120 000 m 3 d’eaupotable par jour, couvrent 15% de la demande du pays. Et une cinquième unité de traitement,prévue pour 2010, devrait faire passer cette proportion à 30%.Malgré son origine, la pureté de cette eau recyclée est nettement supérieure à celle des eauxpotables traditionnelles. Et ce, grâce à quatre étapes de traitement.Après la classique épuration des eaux usées par décantation, une membrane d’ultrafiltration, auxpores de moins de 0,1 micromètre de diamètre retient les particules en suspension et la plupartdes micro-organismes. Restent les molécules organiques et les sels dissous. C’est là qu’intervient leprocédé d’osmose inverse : l’eau sous pression traverse une nouvelle membrane qui élimine virus,métaux lourds, nitrates, sulfates, pesticides et autres hydrocarbures aromatiques.Suit une ultime désinfection par les ultraviolets et un ajustement de l’acidité. Le résultat est uneeau si pure que l’absence de sels minéraux lui donne un goût inhabituel. Mais la Newater ne seretrouve en bouteille que pour les opérations promotionnelles ou les visiteurs curieux.L’essentiel de cette eau est en fait utilisé par l’industrie, le reste est déversé dans les réservoirsd’eau douce de l’Etat, avant d’être à nouveau traité pour rejoindre les robinets des Singapouriens.Un procédé séduisant qui n’est cependant pas à la portée de toutes les collectivités. En cause,des procédés de purification sophistiqués, tels que l’osmose inverse, particulièrement onéreux. Legouvernement singapourien annonce un coût d’1$/m 3 d’eau traitée, soit tout de même moins cherque la désalinisation de l’eau de mer.Laure SchalchliScience & Vie Hors Série n° 24326Chapitre 1 - Les mélanges

› Décris les étapes permettant d’obtenir de l’eau pure à partir d’eaux usées :ExercicesChoisis la méthode adéquate en vue de séparer les constituants des mélanges suivants :› sable + eau› eau + pétrole› calcaire + eau› alcool + eau› sable + selChapitre 1 - Les mélanges27

Travaux pratiquesde laboratoiren° 2NomDatePrénomClasseLa chromatographie d’une encreBut du T.P.MatérielSéparer les différents pigments composant une encre.papier filtre,grand vase de berlin ou haut récipient,crayon,papier collant,marqueur ou encre (ne pas choisir une encre indélébile),eau salée.Manipulation - Découpe des bandelettes de papier filtre de 2 cm de largeur. Il en faut autant qued’encres à tester.- Dépose quelques gouttes d’encre sur une bandelette à 4 cm d’une extrémité. Répètecette opération pour chaque encre.- Fixe les bandelettes sur le crayon, en les collant, par l’extrémité opposée à latache.- Verse 2 cm d’eau salée dans le récipient.- Suspends les bandelettes dans le récipient de manière à ce que les taches se situentau-dessus du niveau de l’eau tandis que l’extrémité trempe dans le liquide (sinécessaire, adapte la longueur des bandelettes).SchémaChapitre 1 - Les mélanges29

ObservationConclusionFt130 Chapitre 1 - Les mélanges

La concentration massique d’une solutionLe mot « concentration » est souvent utilisé dans le langage courant pour désigner, par exemple, un grandnombre de personnes se trouvant réunies au même endroit. Ce mot est aussi utilisé par les chimistes etnous découvrirons dans ce chapitre le sens qu’ils lui donnent.Compare les quantités de sucre contenues dans différentes boissons et complète le tableau suivant :Étiquettes Masse (en g)contenuedans 100 mLMasse (en g)contenuedans un litreLipton Ice TeaSchweppes FantaChapitre 1 - Les mélanges31

Lim'ohCertaines boissons sont plus sucrées que d’autres car, dans un même volume, il y a des quantités variablesde sucres dissous. Chacune de ces solutions contient donc une masse variable de solutés : elles ont desconcentrations massiques différentes. Ces concentrations se mesurent en grammes par litre (g/L).Exprime la concentration massique des boissons envisagées et classe-les selon l’ordre croissant deconcentration :La concentration massique (γ) d’une solution est une grandeur qui se mesure par la masse desoluté présente dans un litre de solution. Son unité est le gramme par litre (g/L).γ = Vmm : masse de soluté (g)V : volume de solution (L)› Tu as bu la moitié de la bouteille de limonade. La concentration massique de cette dernièrea-t-elle changé ?32Chapitre 1 - Les mélanges

Exercices1. Dans une tasse de café sucré (200 mL), on a dissous 1 morceau de sucre de 6 g. Calcule laconcentration massique en sucre de la boisson :Ft32. À l’aide du tableau précédent, détermine le nombre de morceaux de sucre correspondant àla masse de sucre dissous dans un verre (250 mL) de Fanta :Ft33. Pour soigner un début de rhume, le pharmacien vend du sérum physiologique servant àdéboucher le nez. Ce sérum est principalement constitué d’eau et de chlorure de sodium.Sachant que la concentration massique du sérum est de 9 g/L, détermine la masse de selcontenue dans un pulvérisateur de 135 mL :Ft3Chapitre 1 - Les mélanges33

4. La glycémie exprime la concentration en glucose dans le sang d’une personne. Normalement,la teneur en glucose se situe entre 80 et 110 mg par dL de sang. Une personne souffrantd’un diabète de type 1 a une glycémie à jeun supérieure à 126 mg/dL.Dans ce texte, relève les différentes glycémies et exprime-les en g/L :Ft3En considérant qu’en moyenne, le volume de sang d’une personne est de 5 L, calcule la massede glucose présente dans le sang d’un individu. Envisage les différentes possibilités.Ft35. Au XIX e siècle, J. Knop a découvert la composition d’une solution nutritive assurant le bondéveloppement d’une plante.Ft2Dans 2 litres de cette solution, on trouve :• 0,5 g de nitrate de calcium,• 0,125 g de nitrate de potassium,• 0,125 g de sulfate de magnésium,• 0,125 g de dihydrogénophosphate de potassium,• 0,0005 g de chlorure de fer (III).› Exprime les concentrations massiques des sels présents dans la solution :34Chapitre 1 - Les mélanges

› Si tu devais réaliser 1 L de solution nutritive de Knop, comment procéderais-tu ?› Sachant que tu ne disposes que d’une balance précise à 0,01 g près, comment procéderais-tupour obtenir la masse de chlorure de fer nécessaire ?Chapitre 1 - Les mélanges35

Travaux pratiquesTravaux de pratiques laboratoirede laboratoire n° 3NomDatePrénomClasseLa concentration massique d’une solutionBut du T.P.MatérielPréparer ................... mL d’une solution de concentration donnéeγ = ................. g/L.1 ballon jaugé adapté,1 verre de montre,1 balance,eau distillée,soluté : . . . .Manipulation - Calcule, ci-dessous, la masse de soluté nécessaire à la préparation de tasolution.- Pèse cette masse de soluté.- Introduis-la dans le ballon jaugé.- Ajoute un peu d’eau distillée et agite jusqu’à dissolution du soluté.- Complète avec de l’eau distillée afin d’obtenir le volume désiré (on dit aussi :« amène au trait »).Calculde la massede solutéFt3Chapitre 1 - Les mélanges37

SynthèseChapitre 1 - Les mélanges39

40 Chapitre 1 - Les mélanges

Chapitre 2La réaction chimique

La démarche scientifique expérimentaleLa démarche scientifique utilisée par les chimistes est un cheminement constitué d’étapessuccessives qui vise à trouver la solution d’un problème posé. Plusieurs chemins sont possibles,plusieurs démarches peuvent donc être définies.Celle que nous allons ébaucher et que nous continuerons à utiliser est appelée démarche scientifiqueexpérimentale parce que, comme son nom l’indique, elle se base sur des expériences.Comment allons-nous procéder ?Face à un phénomène observé et reproduit plus simplement en laboratoire, nous commençons parnous poser des questions :Une substance a disparu. Qu’est-elle devenue ?À quel type de phénomène sommes-nous confrontés ?La simple observation du phénomène, aussi détaillée soit-elle, ne permet pas toujours de répondreà ces questions.Nous devons donc imaginer des réponses. Parfois, il est nécessaire d’en imaginer plusieurs.Cette étape de la démarche s’appelle l’élaboration d’hypothèses. Une hypothèse est en effet uneaffirmation qui tend à expliquer un phénomène observé. Mais chaque hypothèse doit être vérifiée.La vérification des hypothèses s’effectue généralement à l’aide d’expériences.L’observation de celles-ci confirmera ou infirmera l’une ou l’autre hypothèse.Dès qu’une hypothèse se trouvera vérifiée, nous aurons la réponse à notre question de départ ; nousaurons élaboré un modèle.Nous pouvons du moins le penser. En sciences, des découvertes ou expériences ultérieures peuventen effet tout remettre en question. Chaque réponse peut se retrouver confirmée, infirmée ou encorese révéler incomplète.Chaque jour, les sciences font un pas en avant, les théories ou modèles évoluent, se transforment,se complètent et construisent la connaissance du monde qui nous entoure.Loin de nous décourager, cette perspective doit nous motiver, nous pousser à participer activementà la recherche de la connaissance.Voilà ce à quoi tend la chimie, ce à quoi tendent les sciences, ce vers quoi nous mènent les démarchesscientifiques.Chapitre 2 - La réaction chimique43

Travaux pratiquesde laboratoiren° 4aNomDatePrénomClasseDécouverte d’une réaction chimiqueBut du T.P.MatérielÉlaborer des hypothèses.1 éprouvette,nitrate d’hydrogène dilué,cuivre.Manipulation ! Verse du nitrate d’hydrogène dans une éprouvette contenant du cuivre.SchémaObservationChapitre 2 - La réaction chimique45

Où est passé le cuivre ?HypothèsesFt146 Chapitre 2 - La réaction chimique

Travaux pratiquesde laboratoiren° 4bNomDatePrénomClasseRéaction chimique (suite)But du T.P.HYPOTHÈSEn° 1MatérielVérifier les hypothèses émises.Le cuivre s’est transformé en gaz jaune-brun.6 éprouvettes,nitrate d’hydrogène dilué,chlorure d’hydrogène dilué,sulfate d’hydrogène dilué,cuivre, zinc, fer.Manipulation ! - Verse quelques gouttes de nitrate d’hydrogène dilué dans 3 éprouvettescontenant respectivement du cuivre, du fer et du zinc.! - Verse respectivement quelques gouttes de chlorure d’hydrogène dilué, desulfate d’hydrogène dilué et de nitrate d’hydrogène dilué dans 3 éprouvettescontenant du cuivre.SchémaChapitre 2 - La réaction chimique47

ObservationConclusionDétermine si l’hypothèse n° 1 se vérifie.Ft148 Chapitre 2 - La réaction chimique

HYPOTHÈSEn° 2MatérielLe cuivre s’est dissous dans le nitrate d’hydrogène.1 éprouvette,nitrate d’hydrogène dilué,cuivre,1 bec Bunsen,1 creuset.Manipulation ! - Verse le nitrate d’hydrogène dilué sur le cuivre (ou récupère le contenu del’éprouvette de la 1 re manipulation).! - Verse la solution obtenue dans un creuset et chauffe-la à l’aide d’un bec Bunsenjusqu’à évaporation complète du liquide.SchémaObservationComment vérifier si le résidu est du cuivre ou non ?Chapitre 2 - La réaction chimique49

Manipulation! - Verse du nitrate d’hydrogène dilué sur le résidu.SchémaObservationConclusionDétermine si l’hypothèse n° 2 se vérifie.Ft150 Chapitre 2 - La réaction chimique

Notion de réaction chimiqueSi nous mettons en présence du cuivre et du nitrate d’hydrogène, ces deux substances disparaissent.Elles se transforment en nouveaux produits : un gaz jaune et un résidu bleu.Nous avons réalisé une réaction chimique.Cette réaction peut se noter :Cuivre + nitrate d’hydrogène → gaz jaune + résidu bleu(réactifs)(produits)« → » signifie : « se transforment en »Propriétés d’une réaction chimique• Une réaction chimique se fait selon une proportion massique bien déterminée des réactifs.• Dans une réaction chimique, les corps perdent leur individualité, leur nature est altérée et il estimpossible de les récupérer par des méthodes physiques.• Une réaction chimique est un phénomène chimique.Un phénomène chimique est un phénomène au cours duquel les substances de départ, appeléesréactifs, se transforment en d’autres substances de nature différente, appelées produits.Chapitre 2 - La réaction chimique51

Exercices1. Classe les phénomènes suivants en phénomène physique ou chimique :le fer qui rouillela formation de glaçonsune allumette qui brûlela formation de la buée sur une vitreun verre qui cassele sucre qui caramélise52 Chapitre 2 - La réaction chimique

l’action du suc gastrique sur unalimentle filament d’une ampoule qui devientincandescentun objet qui tombeChapitre 2 - La réaction chimique53

2. Choisis le terme adéquat parmi ceux qui suivent et complète le texte ci-dessous :physique ; chimique ; soluble ; insoluble ; miscible ; non miscible ; homogène ; hétérogène ;effervescence ; évaporation ; ébullition ; fusion ; solution ; dissolution ; soluté ; solvant ;bouillir ; fondre ; s’évaporer ; se dissoudre.Lorsque nous mettons un glaçon dans un verre de jus d’orange, il disparaît petit à petit :il .............................................. . Le glaçon redevient de l’eau qui se mélange au jus.Le jus et l’eau sont des liquides ............................................... , ils forment un mélange.............................................. . La ............................................... du glaçon est unphénomène ............................................... .Un morceau de sucre disparaît dans la tasse de café chaud. Il .................................... . Lesucre est .................................... dans le café. Le café s’appelle .......................... . Le sucres’appelle ................................................ Le café sucré s’appelle .................................... .Le café et le sucre forment un mélange ............................................... .La .............................................. du sucre dans le café est un phénomène ..................... .Au bout d’un certain temps, nous observons que l’eau, oubliée dans un récipient, disparaît. Elle............................................... . Ce phénomène .............................................. s’appelle............................................... .Quand nous chauffons de l’eau à 100 °C, des bulles se forment dans le fond du récipient.L’eau............................................... . Ce phénomène ...............................................s’appelle ............................................... .Lorsque nous mettons certains comprimés dans un verre d’eau, des bullesapparaissent. Ce phénomène .............................................. s’appelle ..................... .54 Chapitre 2 - La réaction chimique

Travaux pratiquesde laboratoiren° 5NomDatePrénomClasseClassification de phénomènesFt2But du T.P.En utilisant la démarche vue au cours de chimie, déterminer si les phénomènessuivants sont physiques ou chimiques.Justifie ta réponse (en cas de nécessité, vérifie celle-ci par des expériences approuvées,au préalable, par ton professeur).Rédige pour chaque expérience réalisée un rapport de laboratoire complet.Matériel5 éprouvettes,1 erlenmeyer,2 verres de montre,1 pince en bois,1 bec Bunsen,1 spatule,chlorure d’hydrogène dilué,cristaux d’iode,ruban de magnésium,calcium.Manipulation O - Verse du chlorure d’hydrogène dilué dans une éprouvette contenant un morceau! -de magnésium.Récolte le gaz formé dans une seconde éprouvette placée au-dessus de lapremière, ouverture vers le bas, et maintenue dans cette position.- Approche l’ouverture de cette éprouvette d’une flamme.O - Place 3 grains de calcium dans une éprouvette contenant de l’eau.- Récolte le gaz formé dans une seconde éprouvette placée au-dessus de lapremière, ouverture vers le bas, et maintenue dans cette position.- Approche l’ouverture de cette éprouvette d’une flamme.O - Chauffe quelques cristaux d’iode (2 ou 3 max.) dans un erlenmeyer que tuauras, au préalable, recouvert d’un verre de montre contenant un peu d’eau.O - Brûle un ruban de magnésium : enflamme-le en le tenant dans la flamme d’unbec Bunsen au moyen d’une pince en bois.- Dépose ensuite le résidu dans un verre de montre.O ! - Verse de l’acide dans une éprouvette contenant du calcaire.Chapitre 2 - La réaction chimique55

Les pluies acidesTout ce qui est acide n’est pas nécessairement bonPeut-être le mot acide te fait-il penser au goût acidulé des bonbons,du jus d’orange et de citron, qui est absolument inoffensif. Il existetoutefois une grande quantité d’acides réellement dangereux.Certains acides peuvent même attaquer la peau et provoquer devilaines brûlures. Deux substances particulièrement agressives, etdonc très dangereuses, sont l’acide sulfurique, parfois appelé levitriol, et l’acide nitrique. Ces deux substances sont intimementliées à l’apparition des pluies acides.La formation du sulfate d’hydrogène ou acide sulfuriqueLors de la combustion de combustibles fossiles, tels que lecharbon et le pétrole, il se forme du dioxyde de soufre. Le charbonet le pétrole sont des produits très utilisés non seulement dansl’industrie et les centrales électriques mais également par l’hommequi les utilise pour chauffer son habitation et pour rouler envoiture.Tout le monde est responsable des émanations de dioxyde desoufre par les cheminées et les pots d’échappement des voitures.À une altitude élevée, le dioxyde de soufre se combine à la vapeurd’eau de l’atmosphère. Il s’y forme ensuite de l’acide sulfurique. Lors des précipitations (pluie,neige, brouillard), les particules d’acide retombent sur terre.La formation du nitrate d’hydrogène ou acide nitriqueL’air ordinaire se compose d’environ 4/5 d’azote et 1/5 d’oxygène. À des températures normales, cesdeux éléments utiles restent parfaitement indépendants dans l’air et sont inoffensifs.À des températures très élevées, dans les fours et les moteurs, par exemple, ils réagissent pourformer une nouvelle substance : le dioxyde d’azote. Lorsque ce dioxyde d’azote se combine avec l’eauqui se trouve dans l’air, il se forme une substance particulièrement dangereuse : l’acide nitrique.Tant l’acide sulfurique que l’acide nitrique sont très dilués dans l’air. Mais souvenons-nous que lespetits cours d’eau forment de grandes rivières. La combinaison de ces deux acides est responsabledes pluies acides qui se précipitent sur la Terre.Dans les régions où l'élevage est prédominant, pour sedébarrasser des énormes quantités de déjections animales,on les utilise comme engrais pour fertiliser les champs.Lors de la décomposition de ces déjections animales, degrandes quantités d'amoniac se libèrent. Lorsque l'amoniacentre en contact avec l'eau, il se forme de l'amoniaque quineutralise les acides et forme des nitrates.Chapitre 2 - La réaction chimique57

Une substance qui peut neutraliser les acides ? Voilà une solution qui devrait nous plaire ! Maislorsque l’engrais arrive dans le sol, les bactéries transformeront l’ammoniac et les nitrates en acidenitrique qui acidifie le sol…Pluies acides et sèchesUne grande partie du dioxyde de soufre et du dioxyde d’azote retombe sur terre sans être combinéeavec l’eau, mais sous forme de résidus secs. Dans ce cas, nous parlons de précipitations sèches oude dépôts.Le sol contient naturellement suffisamment d’humidité pour former les deux acides : l’acide sulfuriqueet l’acide nitrique. Les ravages qui se produisent à ce stade-ci restent longtemps invisibles. Lorsqu’onpeut les voir, il est souvent trop tard pour intervenir. Le milieu en subit alors les conséquences.Les terrains sablonneux : premières victimesCertains sols supportent mieux les pluies acides que d’autres.Tous les polluants, y compris les acides sulfurique et nitrique, sont absorbés par le sol.Le calcaire du sol réagira avec les acides pour former de nouvelles substances inoffensives. Mais lesterrains sablonneux contiennent en général très peu de calcaire, et par conséquent les acides nepeuvent pas être neutralisés. Les conséquences des pluies acides y sont alors nettement perceptibles.En ces endroits, les symptômes seront perçus les premiers.Les plantes meurent lentementLes arbres à feuillage persistant tels que les conifères souffrent énormément des pluies acides. Ilsmeurent au terme de quelques années.L’eau des pluies acides pénètre évidemment aussi dans le sol. Les plantes se fixent dans le sol grâceà leurs racines. Elles y puisent l’eau et les substances nutritives dont elles ont besoin. Elles enabsorbent bien évidemment les acides qui peuvent alors poursuivre leur œuvre dévastatrice.En Europe, la première victime fut le sapin argenté. Les aiguilles se décolorent et finissent partomber. Le mal gagne d’abord les branches inférieures et rapidement les branches supérieures.Bientôt, il ne reste plus que la cime, sur un tronc nu. À ce stade, l’arbre est impossible à sauver.Lovecz 200658 Chapitre 2 - La réaction chimique

Les pluies acides agressent également la pierreL’homme ne détruit pas seulement la nature,mais également les vestiges de sa proprehistoire. Dans de nombreuses villes, les citadinssont fiers de leur magnifique cathédrale, deleur mairie ou d’autres édifices imposants. Leplus souvent, il s’agit de bâtiments en pierretrès anciens. Ce sont de véritables œuvres d’artd’une valeur inestimable.Nino Barbieri 2005Ces bâtiments ne sont pas à l’abri des pluies acides. La plupart de ces bâtiments furent construitsen pierres calcaires et l’acide attaque progressivement le calcaire. La conséquence est que, aprèsquelques années, il ne reste plus rien des jolis ornements et des magnifiques statues qui décoraientces édifices.Lorsque le vent est acide…Les pluies acides ne retombent pas nécessairement aux endroits où elles se sont formées. Lessubstances toxiques sont emmenées par le vent et couvrent d’énormes zones dans l’atmosphère.Elles aboutissent parfois très loin de la région du pollueur responsable.Plus de la moitié des 12 millions de tonnes de pluies acides qui tombent chaque année sur l’Est duCanada provient des États-Unis, poussée par les vents du sud-ouest.Ce phénomène s’observe également en Europe. La majeure partie des pluies acides qui retombent enNorvège provient de Grande-Bretagne, où le charbon sert à produire de l’électricité, puisque le paysdispose de gisements inépuisables. La Grande-Bretagne est également responsable de la pollutionqui affecte la Suède.Les régions les plus touchées par lespluies acides sont le sud de la Suède,la Norvège, certaines parties d’Europecentrale et l’est de l’Amérique du Nord.Dans certaines régions de Pennsylvanie,l’acidité de l’eau est mille fois plus élevéeque celle de l’eau de pluie normale.Chapitre 2 - La réaction chimique59

Les dommages sont considérablesEn Europe centrale, des milliers d’hectares de forêtssont gravement atteints et leur fin est proche. EnEurope du Nord, des milliers de lacs ont été à cepoint pollués par les pluies acides que les poissonsne peuvent plus y vivre.En Europe de l’Ouest, des espèces végétales et animales sont menacées de disparition dans lesrégions pauvres en calcaire. Comme si la situation n’était pas encore assez grave, l’acide qui seretrouve dans le sol décompose les métaux lourds des combinaisons chimiques où ils se trouvent :l’aluminium, le cadmium, le plomb et le cuivre se retrouvent ainsi dans l’eau. Dans l’eau qui estprécisément indispensable aux végétaux, aux animaux et aux hommes.Ces mêmes acides sont également responsables du fait qu’un grand nombre de substances nutritivestelles que le magnésium, le calcium et le potassium se libèrent et sont emportées par la nappephréatique en des endroits que les racines des plantes ne peuvent plus atteindre.Les dangers que ces phénomènes représentent pour notre Terre sont incalculables.Source « Je défends la nature » – Chantecler.60 Chapitre 2 - La réaction chimique

› Recherche et explicite les causes des pluies acides :Ft1› Recherche et explicite les conséquences des pluies acides sur notre environnement :Ft1Chapitre 2 - La réaction chimique61

Synthèse62 Chapitre 2 - La réaction chimique