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Cours de CHIMIE Générale

IntroductionIntroduction

La dLa déécouverte des atomes et molcouverte des atomes et molééculescules

introduction

Substance Matérielle.

1 Corps pur n Corps purs

Mélange

1 phase plusieurs phases

Homogène HétérogèneCorps SimplesCorps SimplesA, B et CA, B et C

Corps ComposCorps ComposééABCABC

AB AB C CA BA B

Purification parPurification parSSééparation Physiqueparation Physique

SSééparation Chimiqueparation Chimique

Se transforme dans uneSe transforme dans unerrééaction chimiqueaction chimique

Les mélanges

Le magnésium réagit avec de l’oxygène. Masses avant réaction Masses après réactionMagnésium Oxygène Magnésium Oxygène produit

50 g 25g 12 g - 63 g 70 g 25g 32 g - 63 g 50 g 50g - 17,1g 82,9 g 50 g 32,9g - - 82,9 g 70 g 46,1g - - 116,1 g

Lorsque des corps simples s'unissent pour former un corps composé défini,le rapport entre les masses de chaque réactif qui ont été consommées dans laréaction chimique est constant.

Loi des Proportions Définies - PROUST

Rapport (Magnésium Consommé/ Oxygène Consommé) =1,5

RapportRapport

38/25=1,538/25=1,5

50/32,9=1,5

Loi de Proust

Le carbone réagit avec de l’oxygène. Masses avant réaction Masses après réactionCarbone Oxygène produit

50 g 66,7g 116,7 g 50 g 133,33g 183,33 g

Lorsque deux corps simples peuvent former plusieurs composés, les massesde l'un des constituants s'unissant à une même masse de l'autre sont toujoursdans des rapports de nombres entiers..

Loi des Proportions Multiples -DALTON

Rapport (Carbone Consommé/ Oxygène Consommé)50/66,7=0,75 mais aussi 50/133,33=0,375 0,75/0,375=2

RapportRapport

133,33/66,7=2

Loi de Dalton

La vision atomique de la matière

Toute matière est constituée de particules élémentaires indivisibles lorsdes transformations chimiques. Ces particules microscopiques simples,

qui ne peuvent être fractionnées, indestructibles sont appelées les atomes.

- L ’hypothèse atomique de Dalton.

Ces atomesatomes sont désignés par des symbolessymboles et ont des propripropriééttééss.Ils constituent les éélléémentsments de la matière.

La vision atomique de la matière

Une molmolééculecule est une association d'atomes liés. →→FormuleFormule

Un corpscorps pur est un ensemble de molécules ou d’atomes identiques

Molécules constituées d’atomes de même nature → Corps simples

Un mméélangelange est un ensemble de molécules de nature différente.

Molécules constituées d’atomes de nature différente Corps composés

Le volume est préféré aux masses!Les observations mènent à des lois similaires à celles des masses.Les lois volumétriques (des combinaisons gazeuses) de GAY-LUSSACLe fluor et l’hydrogène forment de l’acide fluorhydrique

Pour les corps gazeux

Les Gaz

Pour les masses:Pour les masses: 19 g r 19 g rééagissent avec 1g agissent avec 1g pour former pour former 20g 20g

HypothHypothèèse dse d’’AvogadroAvogadro : Dans des conditions données detempérature et de pression, quel que soit le gaz parfaitquel que soit le gaz parfait, un volumede gaz contient toujours le même nombre de molécules

produisent1 volumede fluor(gaz)

et 1 volumed’hydrogène(gaz)

2 volumesd’acide (gaz)Corps composCorps composéé

Conséquence de l’hypothèse atomique: F réagit avec H pour donner HF

L’hypothèse d’Avogadro

produisent1 volumede fluor(gaz)

et 1 volumed’hydrogène(gaz)

2 volumesd’acide (gaz)Corps composCorps composéé

Conséquence de l’hypothèse d’Avogadro :N molécules F et N molécules H forment 2N molécules HF !!

Conclusion : Si 1 molécule HF contient 1 atome F,comme on dispose de 2N atomes F dans les produits,provenant de N molécules F dans les réactifs.

La formule molLa formule molééculaire de F correspond culaire de F correspond àà F F22Tout comme la formule molTout comme la formule molééculaire de H correspond culaire de H correspond àà H H22

L’hypothèse d’Avogadro et ses conséquences

L’oxygène réagit avec l’hydrogène pour former de l’eau (gaz!)

Les Gaz

produisent1 volumed’oxygène(gaz)

et 2 volumesd’hydrogène(gaz)

2 volumes d’eau(gaz)Corps composCorps composéé

Pour les corps gazeux

Il y a donc deux fois plus de molécules d’eaueau que d’oxygoxygèèneneOr chaque molOr chaque moléécule dcule d’’eau contient un atome deau contient un atome d’’oxygoxygèèneneDonc le corps simple Oxygène est constitué de molécules etchaque molécule contient 2 atomes d’oxygène =>Formule O=>Formule O22

On obtient : Hydrogène = H2 et Eau = HEau = H22OO

O2 + 2H2 → 2H2O

Première approche des masses atomiques

Première approche des masses atomiques

2 volumes H2 et 1 volume O2 donnent 2 volumes H2O2n molécules H2 et n molécules O2 donnent 2n molécules H2O

2H2 + O2 → 2H2OPour les masses: 1 g Pour les masses: 1 g r rééagit avec 8g pour former 9gagit avec 8g pour former 9gDonc 4 atomes H et 2 atomes O sont dans un rapport massique 1/8Donc 4 atomes H et 2 atomes O sont dans un rapport massique 1/8

Conséquence, 1 atome O est 16 fois plus lourd que 1 atome HDe même 1 atome F est 19 fois plus lourd que 1 atome HDe même 1 atome C pèse 0,75 fois la masse de 1 atome O,

soit l’équivalent de 12 fois 1 atome H

On peut donc maintenant définir des masses atomiques relativesmasses atomiques relatives

L’oxygène réagit avec l’hydrogène pour former de l’eau (gaz!)

cathode

- V +

anode- +

Pompe à vide

fluorescence du verre

Tube de Crookes et DTube de Crookes et Déécouverte de lcouverte de l ’é ’électronlectron

Rayons cathodiques

gazgaz

10.000V10.000V

Caractéristiques du proton: masse (m) = 1,6726.10-27 kgcharge(+e) = +1,602.10-19 C (coulomb)

Caractéristiques de l'électron: masse (m) = 9,11.10-31 kgcharge(-e) = -1,602.10-19 C (coulomb)

Tubes de Crookes

< 0,01 atm< 0,1 atm

Le rayonnement gamma (γ)

Le rayonnement bêta (β)

dû à un flux de particules positives.masse = 4* masse du proton, charge =2* charge élémentaire.

Radioactivité naturelle et Découverte du neutron

Becquerel en 1896 découvre que les minerais d'uranium émettent desradiations invisibles qui traversent les corps opaques

dû à un flux de particules de charge et demasse identiques à celles de l'électron

rayonnement électromagnétique pursans masse ni charge mais très énergétique.

Le rayonnement alpha (α)

Caractéristiques du neutron: masse (m) = 1,6749.10-27 kg

Caractéristiques du proton: masse (m) = 1,6726.10-27 kg charge(+e) = +1,602.10-19 C (coulomb)

Radioactivité naturelle et neutron

EcranCanon à particules

Polonium

Faisceau de particules α

Feuille d'or

1 1

2

3

2

3

4

4

Expérience de Rutherford

-Un noyau positif contenant toute la masse: Z protons et N neutrons. La dimension du noyau est de l'ordre de 10-14 à 10-15 m

Vision de lVision de l ’ ’atome :atome :

-Z électrons négatifs, très légers qui forment le nuage électronique.

Corps de dimension 10-10 m composé de:

Expérience de RUTHERFORD

ExpExpéériencerience InterprInterpréétation : Modtation : Modèèlele

Le modèle de l’atome vu par Rutherford

- Z Z éélectronslectrons assurent la neutralité électrique de l'atome. Ils évoluent autour du noyau en formant le nuage nuage éélectroniquelectronique

- Un noyau est constitué de Z protonsZ protons et de N neutronsN neutrons. La charge totale vaut +Ze. Z est le numéro atomique Z + N = A est le nombre de masse de l'atome.

Un atome peut gagner ou perdre des électrons.Il porte alors une ou des charges et devient un ionion.Un ion positif est appelé cationcation. Un ion négatif est un anionanion.

La paire Z et A caractérise un atome.On appelle nuclnuclééideide l'ensemble des atomes ainsi définis.On le symbolise par

612C 9

19FZ

AX 919F−

On appelle éélléémentment l’ensemble des nucléides de même ZZ.

Le modèle de l’atome par RUTHERFORD

Les notions de Masse

- Masse Atomique Relative:Ar

ElEléémentment = ensemble des nucléides de même ZZ.LL’’ElEléémentment est constitué d’un ensemble d’isotopesisotopes présents en fonction de leur abondance naturelle.

- Masse Moléculaire Relative:Mr

- Masse Réelle (microscopique 10-23g)- Notion de mole (symbole : mol)

- Masse Molaire Atomique A -Masse Molaire Moléculaire M unité : g/mol ou g mol-1

Une mole est la quantité de matière contenant autant departicules qu'il y a d'atomes dans 12 g du nucléide 12

6C.Nombre d'Avogadro NA = 6,022.10+23 mol-1 (entités par mole)Une mole d'un nucléide représente une masse qui lorsqu'elleest exprimée en gramme est numériquement égale à sa masseatomique relative exprimée en unités de masse atomique.

Ces notions sont basées sur les proportions relatives (Loi Pondérales).

Les notions de Masse

donc un nombre d ’Avogadro d ’entitésde masse égale à la masse molaire (exprimée en gramme)de volume égal au volume molaire

Dans des conditions données de température et de pression,quel que soit le gaz parfaitquel que soit le gaz parfait, une mole de ce gaz occupetoujours le même volume

Par convention, un symbole chimique représente une mole

Un symbole chimique= la mole

CC’’est lest l’’hypothhypothèèse dse d’’AvogadroAvogadro, d, dééduite des lois dduite des lois déécrivant lecrivant lecomportement des gazcomportement des gaz

Loi des Gaz Parfaits : P.V= n.R.T

1 mole de Gaz Parfait occupe 22,41 mole de Gaz Parfait occupe 22,4l l àà 0 0°°C(273,16K) sous 1 C(273,16K) sous 1 Atm Atm (101300Pa)(101300Pa)

??N2 + ?? H2 → ?? NH3??N2 + ?? H2 → ?? NH31 N2 + ?? H2 → 2 NH31 N2 + ?? H2 → 2? NH31 N2 + 3 H2 → 2 NH3 N2 + 3 H2 → 2 NH3

La stoechiomLa stoechioméétrie des rtrie des rééactions.actions.

le nombre d ’atomesUne Réaction conserve

Les conditions stoechiométriques

la masse

Une Réaction ne conserve pas

le nombre de moléculesla nature des molécules

le volume du système (à pression constante)

Réactions complètesRéactions inversiblesRéactions équilibrées

Quelques notions importantes:

la charge

La stoechiométrie des réactions

La Notion de Concentration.La Notion de Concentration.

Concentration = Quantités relatives des constituants

NormalitNormalitéé ((ééqq/l) /l) N N

Molarité (mol/l) M; [ ] M; [ ]

Titre volumique (%)Titre massique (%)

Composition masse volume (g/l)

Molalité (mol/kg) MFraction Molaire XX

Solvant Soluté Solution

La notion de concentration

Les RLes Rééactions Acides Bases (premiactions Acides Bases (premièère approche).re approche).

Une BaseBase est un composé qui mis en solution libère des ions OH-.

++

Un AcideAcide est un composé qui mis en solution libère des protons H+.

Les réactions acides-bases(1)

Exemple : NaOH Solvant Na+ + OH - (solvaté)

NaOH + HCl Solvant Na+ + Cl - + H2O

RRééaction fondamentale entre Entitaction fondamentale entre Entitéés Rs RééactionnellesactionnellesOH-(solvaté) + H+(solvaté) Solvant H2O

H+(solvaté) = H3O+

Exemple : HCl Solvant H+(solvaté) + Cl -

HCl Solvant H+(solvaté) + Cl -

NaOH Solvant Na+ + OH - (solvaté)

HCl Solvant H+ + Cl -

Ca(OH) 2 Solvant Ca2+ + 2 OH -++ 2 2 2

Les RLes Rééactions Acides Bases (suite).actions Acides Bases (suite).Un Acide polyfonctionnel Acide polyfonctionnel libère successivement plusieurs H+.

Une Base polyfonctionnelleBase polyfonctionnelle libère successivement plusieurs ions OH-

On appelle On appelle ééquivalent,quivalent, la quantit la quantitéé de mati de matièère qui correspond re qui correspond àà la laliblibéération ration d'une mole d'entitd'une mole d'entitéés rs rééactionnellesactionnelles..

Les réactions acides-bases(2)

Ca(OH) 2 + 2 HCl Solvant Ca2+ + 2 Cl - + 2 H2O

Exemple : Ca(OH) 2 Solvant Ca2+ + 2 OH -

Exemple : H2SO4 Solvant H+ + HSO4- Solvant 2H+ + SO42-

On appelle pH=-logOn appelle pH=-log[[H3O+]] c’est une expression de la concentration..

Force des Acides BasesForce des Acides Bases

Un acide fort dUn acide fort dééplace un acide faible de son sel.place un acide faible de son sel.

Donc Donc HCl HCl est un acide plus fort que est un acide plus fort que HNO2

On peut ainsi classer les acides en fonction de leur force.On peut ainsi classer les acides en fonction de leur force.

Force des acides et des bases

NaOH + HCl Solvant Na+ + Cl - + H2O -H2O NaCl

NaOH + HNO2 Solvant Na+ + NO2- + H2O -H2O NaNO2

NaOH + HCl + HNO2 Solvant Na+ + Cl - + H2O + HNO2

NaNO2 + HCl Na+ + Cl - + HNO2NaCl + HNO2 Na+ + Cl - + HNO2

Le titrage Acide / BaseLe titrage Acide / BaseLe titrage permet de dLe titrage permet de dééterminer la quantitterminer la quantitéé d d’’acide (de base)acide (de base)prpréésente dans un sente dans un ééchantillonchantillon

VVii

Acide Acide CCAcAc(x)(x)VVACAC

CCAcAc(x) V(x) VAC AC = = nnxxmolemoleHH++

Le titrage Acide/Base

Base Base CCBasBas

NaOH NaOH + + HCl HCl HH22O + NaO + Na+ + + Cl+ Cl--

Le titrage Acide / BaseLe titrage Acide / BaseLe titrage permet de dLe titrage permet de dééterminer la quantitterminer la quantitéé d d’’acide (de base)acide (de base)prpréésente dans un sente dans un ééchantillonchantillon

VVii

VVff

Acide Acide CCAcAc(x)(x)

Indicateur Indicateur

VVACAC

DilutionDilution

CCBasBas [V[Vff-V-Vii] = ] = nn molemoleOHOH--

A lA l’é’équivalence : quivalence : nnOHOH- - = n= nH+H+

Donc : Donc : CCAcAc(x) V(x) VAC AC = = CCBasBas [V[Vff-V-Vii]]

Le titrage Acide/Base

NaOH NaOH + + HCl HCl HH22O + NaO + Na+ + + Cl+ Cl--

Base Base CCBasBas

CCAcAc(x) V(x) VAC AC = = nnxxmolemoleHH++

Le titrage Acide / BaseLe titrage Acide / BasePour des acides et bases polyfonctionnelsPour des acides et bases polyfonctionnels

A lA l’é’équivalence : quivalence : nnOHOH- - = n= nH+H+

Le titrage Acide/Base

B(OH)y + B(OH)y + AcHx AcHx HH22O + O + BByy+ + + + AcAcxx--

x. x.CCAcAc.V.VAC AC = = nnmolesmolesHH++

xBxB(OH)y + (OH)y + yAcHx yAcHx xyHxyH22O + O + xBxByy+ + + + yAcyAcxx--

1/1/yByB(OH)y +1/(OH)y +1/xAcHx xAcHx HH22O + 1/O + 1/yByByy+ + + 1/+ 1/xAcxAcxx--

y.C y.CBB.[V.[Vff--VVii]= ]= nnmolesmolesOHOH--

DoncDonc x.x.CCAcAc.V.VAC AC = = y.Cy.CBB.[V.[Vff--VVii]]

Equivalent ! Equivalent ! 1/1/xAcHxxAcHx NormalitNormalitéé ! ! x.x.CCAcAc