Chimie, le minimum à savoir (Nouvelle édition)

CHIMIE
LE MINIMUM A SAVOIR
Grenoble Sciences
Grenoble Sciences poursuit un triple objectif :
de mode ou de programme,
Chaque projet est selectionne au niveau de Grenoble Sciences avec le concours de
referees anonymes. Puis les auteurs travaillent pendant une annee (en moyenne)
avec les membres d'un comite de lecture interactif, dont les noms apparaissent au
debut de 1'ouvrage. Celui-ci est ensuite public chez 1'editeur le plus adapte.
(Contact: Tel.: (33)4 76 51 46 95 - E-mail: Grenoble.Sciences@ujf-grenoble.fr)
Deux collections existent chez EDP Sciences :
recherche d'actualite, traites par des scientifiques de premier plan issus de
disciplines differentes.
Directeur scientifique de Grenoble Sciences
Jean BORNAREL, Professeur a 1'Universite Joseph Fourier, Grenoble 1
Comite de lecture pour "Chimie. Le minimum a savoir"
4 R. BARLET, Professeur a 1'Universite Joseph Fourier - Grenoble 1
4 D. LALANDAIS, Maitre de conferences a 1'Universite Pierre et Marie Curie - Paris 6
Grenoble Sciences rec,oit le soutien
du Ministere de la Jeunesse, de 1'Education nationale et de la Recherche,
de la Region Rhone-Alpes, du Conseil general de Hsere
et de la Ville de Grenoble.
Illustration de couverture : Alice GlRAUD
ISBN 2-86883-636-4
© EDP Sciences, 2003
CHIMIE
LE MINIMUM A SAVOIR
Jacques LE COARER
17, avenue du Hoggar
Pare d'Activite de Courtaboeuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, France
Ouvrages Grenoble Sciences edites par EDP Sciences
Collection Grenoble Sciences
Electrochimie des solides (C. Deportes et al.) - Thermodynamique chimique
(M. Oturan & M. Robert) - Chimie organometallique (D. Astruc) - Thermodyna-
mique chimique [CD] (/.P. Damon & M. Vincens)
Introduction a la mecanique statistique (E. Belorizky & W. Gorecki) - Mecanique
statistique. Exercices et problemes corriges (E. Belorizky & W. Gorecki) - La symetrie
en mathematiques, physique et chimie (/. Sivardiere) - La cavitation. Mecanismes
physiques et aspects industriels (/.P. Franc et al.) - La turbulence (M. Lesieur) -
Magnetisme : I Fondements, II Materiaux et applications (sows la direction d'E. du
Tremolet de Lacheisserie) - Du Soleil a la Terre. Aeronomie et meteorologie de 1'espace
(J. Lilensten & P.L. Blelly) - Sous les feux du Soleil. Vers une meteorologie de 1'espace
(J. Lilensten & }. Bornarel) - Mecanique. De la formulation lagrangienne au chaos
hamiltonien (C. Gignoux & B. Sihestre-Brac) - La mecanique quantique. Problemes
resolus, Tomes 1 et 2 (V.M. Galitsky, B.M. Karnakov & V.I. Kogan) - Analyse
statistique des donnees experimentales (K. Protassov)
Exercices corriges d'analyse, Tomes 1 et 2 (D. Alibert) - Introduction aux varietes
differentielles (/. Lafontaine) - Analyse numerique et equations differentielles
(J.P. Demailly) - Mathematiques pour les sciences de la vie, de la nature et de la
sante (F. & J.P. Bertrandias) - Approximation hilbertienne. Splines, ondelettes,
fractales (M. Atteia & J. Caches) - Mathematiques pour 1'etudiant scientifique,
Tomes 1 et 2 (Ph.]. Haug)
Bacteries et environnement. Adaptations physiologiques (/. Pelmont) - Enzymes.
Catalyseurs du monde vivant (/. Pelmont) - La plongee sous-marine a 1'air.
L'adaptation de 1'organisme et ses limites (Ph. Foster) - L'ergomotricite. Le corps, le
travail et la sante (M. Gendrier) - Endocrinologie et communications cellulaires
(S. Idelman & J. Verdetti) - Elements de biologic a 1'usage d'autres disciplines. De la
structure aux fonctions (sous la direction de P. Tracqui & J. Demongeot)
L'Asie, source de sciences et de techniques (M. Soutif) - La biologie, des origines a
nos jours (P. Vignais) - Naissance de la physique. De la Sicile a la Chine (M. Soutif)
Minimum Competence in Scientific English (/. Upjohn, S. Blattes & V. Jans) -
Listening Comprehension for Scientific English (/. Upjohn) - Speaking Skills in
Scientific English (/. Upjohn, M.H. Fries & D. Amadis)
Grenoble Sciences - Rencontres Scientifiques
Radiopharmaceutiques. Chimie des radiotraceurs et applications biologiques (sows
la direction de M. Comet & M. Vidal) - Turbulence et determinisme (sows la direction
de M. Lesieur) - Methodes et techniques de la chimie organique (sous la direction de
D. Astruc)
POUR LE LECTEUR
Cet ouvrage n'est pas un ouvrage classique et peut etre utilise de diverses fac.ons.
Decrivons ici quelques exemples d'utilisation :
* de la liste d'objectifs,
* des elements de cours,
* des items* et de leurs corriges,
4 des problemes et de leurs corriges,
4 de 1'index analytique
Cas : je prends cet ouvrage pour reconstituer une base solide en chimie
Schema de travail:
Dans ce cas, le lecteur a une vision globale des themes abordes en lisant le plan,
des capacites qu'il va acquerir en lisant les objectifs. II lira le premier chapitre puis,
avec les exercices progressifs (items) developpera certaines competences. Mais cet
apprentissage seul, s'il donne une bonne pratique des outils et une certaine
acquisition des connaissances peut conduire a un acquis parcellise. Des problemes
plus synthetiques sont proposes : ils ne doivent etre abordes que lorsque les
numeros d'items etudies sont d'un niveau plus eleve que ceux indiques en tete des
problemes.
Si, au cours de 1'apprentissage, un point bloque par oubli, utiliser 1'index
analytique ou, plus facile encore, revenir dans le cours a la partie concernee : elle
est tres souvent indiquee par son code.
* un « item » est un exercice court ne concernant 1'apprentissage que d'un seul objectif.
6 CHIMIE - LE MINIMUM A SAVOIR
Cas : j'ai des bases qui me semblent non-negligeables : j'ai ce livre et je compte
bien 1'utiliser de fac.on ponctuelle
Schema de travail:
Une question se pose a moi:
4 elle concerne une definition (par exemple, molarite)
4 elle concerne une capacite (exemple : je ne sais pas indiquer 1'oxydant et le
reducteur dans une reaction d'oxydoreduction)
En fin d'ouvrage, on trouvera trois annexes :
Annexe I - La temperature et la chaleur,
Annexe II - Les reactions equilibrees,
Annexe III - Couples acide/base et pH - Diagrammes de distribution.
L'objectif de ces annexes est soit d'amener le lecteur a une comprehension plus
profonde de deux groupes de concepts particulierement importants (et souvent
mal cernes) comme ceux de temperature et de chaleur ou d'equilibre (en chimie
essentiellement dynamique), soit d'apporter un outil simple permettant de suivre
le comportement des couples acide/base en fonction du pH.
Avec ce « minimum a savoir », nous souhaitons au lecteur une bonne forme en
chimie.
PLANDE L'OUVRAGE
OBJECTIFS 13
CHAPITRE 1 - LA MATIERE TELLE QU'ELLE NOUS APPARA!T 19
1 - Les etats de la matiere 19
1.1 - Les trois etats de la matiere 19
1.2 - Autres etats de la matiere 20
1.3 - Les changements d'etat 20
2 - Les melanges 22
2.1 - Les types de melanges 22
2.2 - Separation des melanges 23
2.3 - Le corps pur 24
2.4 - Caracterisation quantitative des melanges 24
2.5 - Distillation et recristallisation 24
3 - Corps simples et corps composes 26
CHAPITRE 2 - L'ATOME, SA STRUCTURE, SA REPRESENTATION 27
1 - Les particules elementaires 27
2 - Les representations de 1'atome 28
2.1 - La representation de BOHR 28
2.2 - Les nombres quantiques 29
2.3 - La formule quantique d'un atome (ou formule electronique) 30
3 - La couche de valence 31
3.1 - Cases quantiques 31
3.2 - Regie de HUND 32
3.3 - Representation de la couche de valence 32
3.4 - Valence d'un atome 33
4 - Classification periodique des elements 33
CHAPITRE 3 - LA MOLECULE ET LA LIAISON CHIMIQUE 37
1 - La liaison covalente 37
1.1 - Les formules de LEWIS 38
1.2 - Le modele ionocovalent ou datif 38
2 - La liaison ionique 39
3 - Formules brutes et formules developpees 40
3.1 - La masse moleculaire 40
3.2 - La formule brute 40
3.3 - La formule developpee plane 40
3.4 - La loi d'AVGGADRO 41
8 CHIMIE - LE MINIMUM A SAVOIR
4 - La structure des molecules 42
4.1 - La methode de repulsion des doublets de GlLLESPlE 42
Reperage des atomes centraux de la molecule 42
Decompte des doublets 42
Determination de la figure de repulsion 42
Determination de la geometrie de la molecule 44
4.2 - Representation geometrique 45
CHAPITRE 4 - LA REACTION CHIMIQUE ET I/EQUATION DE REACTION 47
1 - La Stcechiometrie et 1'equation de reaction 47
1.1 - Principes generaux 47
1.2 - L'equation chimique de reaction 48
1.3 - L'equation-bilan 49
2 - Les reactions en solution 50
2.1 - Definitions 50
2.2 - Les electrolytes 51
2.3 - Stcechiometrie et reactions en solution 51
3 - Les reactions en phase gazeuse 52
3.1 - Donnees generates sur les melanges gazeux 52
3.2 - Systeme gazeux et Stcechiometrie 52
CHAPITRE 5 - DEUX MILIEUX : L'AIR ET L'EAU 55
1.1 - Proprietes 55
1.1.1 - Composition de 1'air sec 55
1.1.2 - Le concept de gaz parfait 56
1.2-L'azote 56
1.2.1 - Proprietes physiques 56
1.2.2 - Proprietes chimiques 57
1.2.3 - L'ammoniac : NH3 57
1.2.4 - L'acide nitrique : NHO3 58
1.2.5 - Notion de sel: les nitrates 58
1.3 - L'oxygene 59
1.3.1 - Proprietes physiques 59
1.3.2 - Proprietes chimiques 59
1.3.3 - Proprietes des oxydes 60
2.1 - Proprietes physiques et structurales 60
2.2 - Proprietes chimiques 60
2.3 - L'ionisation de 1'eau 61
2.3.1 - Concept d'equilibre 61
2.3.2 - L'equilibre de dissociation de 1'eau 61
2.3.3 - Notion de pH 62
PLAN DE L'OUVRAGE 9
CHAPITRE 6 - LES ACIDES ET LES BASES 63
1 - Definitions 64
1.1 - Modele de BR0NSTED 64
1.2 - Reactions acido-basiques 64
1.3 - Cas de 1'eau 65
1.4 - Couples acide/base 65
2 - Classement des acides et des bases 65
2.1 - Forces des acides et des bases 65
2.2 - Fonctions multiples 66
3 - Application 67
3.1 - Reactions de neutralisation 67
3.2 - Retour sur le concept de « sel » 68
3.3 - Dosages acido-basiques 68
3.3.1 - Les dosages en general 68
3.3.2 - Les dosages acidimetriques 70
3.4 - Normalite des acides et des bases 70
CHAPITRE 7 - LES OXYDANTS ET LES REDUCTEURS 73
1- Definitions 73
1.1 - Oxydation et reduction 73
1.2 - Oxydants et reducteurs 73
2 - Reactions d'oxydoreduction 74
2.1 - Les demi-reactions d'oxydation et de reduction 74
2.2 - Les reactions d'oxydoreduction 74
3 - Les nombres d'oxydation 76
3.1 - Definition des nombres d'oxydation 76
3.2 - La determination des nombres d'oxydation 76
4 - Les equations de reaction d'oxydoreduction 77
4.1 - Identification des demi-reactions d'oxydation et de reduction 78
4.2 - Equilibrer les demi-reactions 78
4.3 - L'equation globale d'oxydoreduction 79
TEXTES DES ITEMS 81
1 - La matiere telle qu'elle nous apparait 81
2 - L'atome, sa structure, sa representation 83
3 - La molecule et la liaison chimique 84
4 - La reaction chimique et 1'equation de reaction 86
5 - Deux milieux : 1'air et 1'eau 90
6 - Les acides et les bases 92
7 - Les oxydants et les reducteurs 93
10 CHIMIE - LE MINIMUM A SAVOIR
TEXTES DES PROBLEMES 95
Problemel 96
Probleme2 98
ProblemeS 98
Probleme4 98
ProblemeS 100
Probleme6 100
Probleme7 101
ProblemeS 101
Probleme9 101
ProblemelO 102
Problemell 103
Problemel2 104
ProblemelS 104
Problemel4 104
ProblemelS 105
Problemel6 105
Problemel7 106
CORRIGES DES ITEMS 107
1 - La matiere telle qu'elle nous apparait 107
2 - L'atome, sa structure, sa representation 110
3 - La molecule et la liaison chimique 112
4 - La reaction chimique et 1'equation de reaction 121
5 - Deux milieux : 1'air et 1'eau 128
6 - Les acides et les bases 131
7 - Les oxydants et les reducteurs 134
CORRIGES DES PROBLEMES 139
Problemel 139
Probleme2 140
ProblemeS 141
Probleme4 143
ProblemeS 146
Probleme6 147
Probleme7 148
ProblemeS 149
Probleme9 151
ProblemelO 152
Problemell 153
Problemel2 155
ProblemelS 156
Problemel4 157
ProblemelS 158
Problemel6 160
Problemel7 161
TPLAN DE L'OUVRAGE
ANNEXE 1 - LA TEMPERATURE ET LA CHALEUR 163
1 - La temperature 163
2 - La chaleur 164
3 - Notion de « capacite calorifique » 164
4 - Une approche microphysique de ces notions 164
5 - La mesure des temperatures 165
6- Conclusion 166
ANNEXE 2 - LES REACTIONS EQUILIBREES 167
1 - Un exemple de calcul qui peut aider dans la comprehension 167
2 - L'equilibre de reaction 170
3 -Exemples d'equilibres 170
3.1 - L'eau - Concept d'activite 170
3.2 - Les couples acide-base 171
ANNEXE 3 - COUPLES ACIDE-BASE ET pH - DIAGRAMMES DE DISTRIBUTION 173
CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS 175
INDEX ANALYTIQUE 177
TABLE DES MATIERES 183
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
OBJECTIFS
1 - LA MATIERE TELLE QU'ELLE NOUS APPARAIT
1.1 - Etre capable d'identifier, parmi les substances de la vie quotidienne, celles
qui sont des gaz, des liquides ou des solides.
1.2 - Deux des grandeurs volume V, masse m, masse volumique p, d'une
substance etant connue, calculer la troisieme.
1.3 - Utilisant les seuls moyens de perception de nos sens, dans le monde qui nous
entoure, identifier si un melange est homogene ou heterogene.
1.4- Le processus d'obtention d'une substance (distillation, recristallisation...) et
1'evolution des proprietes physiques des fractions obtenues etant decrits, etre
capable de conclure a 1'obtention ou non d'un corps pur.
1.5 - Les temperatures d'ebullition et de fusion d'une substance etant donnees,
indiquer 1'etat de cette substance a une temperature definie, la pression etant
celle a laquelle les temperatures de transition sont fournies.
1.6 - Deux des trois grandeurs masse m, volume V, masse volumique p, pour
chacun des constituants d'un melange sont donnees et on suppose que les
volumes sont additifs ; calculer la masse volumique du melange.
1.7- La masse volumique d'un melange et celle de ses deux constituants sont
donnees. On suppose que les volumes sont additifs. Determiner la compo-
sition massique du melange.
2 - L'ATOME, SA STRUCTURE, SA REPRESENTATION
2.1 - Connaissant le numero atomique Z, d'un element, determiner la composition
en protons et en electrons d'un de ses atomes.
2.2 - On donne le numero atomique Z, d'un element et le nombre de masse A,
d'un de ses isotopes; determiner la composition en protons et en neutrons
d'un de ses nucleides.