Leçons de Chemistry

15 leçons

Acides et bases : propriétés, indicateurs et réactions – Un acide libère des ions H⁺ dans l'eau et une base libère des ions OH⁻. Les indicateurs montrent lequel est présent par un changement de couleur ou d'odeur, et quand H⁺ rencontre OH⁻ ils forment de l'eau et laissent un sel.
Enthalpie, calorimétrie et loi de Hess – L'enthalpie est H = U + pV. À pression constante, la chaleur reçue ou cédée est égale à ΔH ; à volume constant, elle est égale à ΔU. On mesure ΔU dans une bombe calorimétrique fermée et ΔH dans un calorimètre ouvert (un simple gobelet), avec q = C ΔT ou q = m c ΔT. Pour les gaz, ΔH = ΔU + Δn_g RT. L'enthalpie de réaction ΔrH est négative si la réaction est exothermique et positive si elle est endothermique, et ΔrH° = ΣΔfH°(produits) − ΣΔfH°(réactifs). Loi de Hess : la variation d'enthalpie totale est la même, que la réaction se fasse en une seule étape ou en plusieurs ; on peut donc additionner les équations thermochimiques comme en algèbre.
Équilibre chimique : Kc, Kp, Q et énergie de Gibbs – Dans un récipient fermé, une réaction réversible va dans les deux sens. Au bout d'un moment, la vitesse dans le sens direct devient égale à celle du sens inverse : les quantités ne changent plus, mais la réaction ne s'arrête pas. C'est l'équilibre dynamique. À l'équilibre, le rapport produits sur réactifs (chacun élevé à son coefficient) est un nombre fixe, la constante d'équilibre K. Kc utilise les concentrations, Kp les pressions partielles, et Kp = Kc(RT)^Δn. Les solides et liquides purs ne figurent pas dans K. Le quotient de réaction Q donne le sens : Q < K, la réaction va vers la droite ; Q > K, vers la gauche ; Q = K, c'est l'équilibre. K et l'énergie de Gibbs sont liés : ΔG = ΔG° + RT ln Q et ΔG° = −RT ln K.
L'approche de Kossel et Lewis et la liaison ionique – Les atomes s'associent pour avoir une couche externe stable de 8 électrons (un octet), comme un gaz noble. Kossel a expliqué que des atomes peuvent donner ou prendre des électrons pour former des ions (liaison ionique). Lewis a ajouté que des atomes peuvent aussi partager des paires d'électrons (liaison covalente). Les schémas de Lewis montrent ces électrons par des points et des traits. La charge formelle (V − L − B/2) aide à choisir le meilleur schéma de Lewis. Les ions s'empilent en un cristal, et l'énergie libérée est liée à l'énergie réticulaire.
L'échelle de pH : un acide ou une base, quelle force ? – Le pH est un nombre de 0 à 14 qui indique si une solution est acide ou basique. 7 est neutre, en dessous de 7 c'est acide, au-dessus de 7 c'est basique. Chaque cran vers le bas veut dire dix fois plus d'ions H⁺.
La mole, la masse molaire et les formules chimiques – Les atomes sont bien trop petits pour être comptés un par un, alors les chimistes les comptent en les pesant. Les masses atomiques s'expriment en u, où 1 u vaut un douzième de la masse d'un atome de carbone 12. Une mole contient 6.022 × 10²³ particules, et sa masse en grammes est égale à la masse de la formule en u. Avec les moles, on trouve le pourcentage de chaque élément dans un composé, puis on remonte des pourcentages à la formule brute et à la formule moléculaire.
Le carbone et ses composés : liaisons, hydrocarbures et nomenclature – Le carbone a 4 électrons externes : au lieu d'en gagner ou d'en perdre, il les partage (liaisons covalentes). Comme il peut se lier à lui-même (caténation) et fait toujours 4 liaisons (tétravalence), il forme des millions de composés : chaînes, ramifications et cycles, saturés ou insaturés. Les composés qui ont le même groupe fonctionnel forment une série homologue, où chaque membre diffère du suivant par –CH₂–. Un nom IUPAC se construit avec le nombre de carbones, puis un suffixe ou un préfixe pour le groupe fonctionnel.
Les polymères – Un polymère est une molécule géante, formée en reliant beaucoup de petites molécules (les monomères) en une longue chaîne. Dans la polymérisation par addition, les monomères qui ont une double liaison C=C l'ouvrent et se lient entre eux sans rien perdre (éthène → poly(éthène)). Dans la polymérisation par condensation, deux sortes de monomères, avec des groupes réactifs à chaque bout, se lient en libérant une petite molécule comme l'eau à chaque maillon (nylon, polyester). La nature fabrique aussi des polymères : amidon, cellulose, protéines, ADN, caoutchouc. Des chaînes séparées donnent des thermoplastiques, qui fondent et se recyclent ; des chaînes reliées entre elles (réticulées) donnent des thermodurcissables, qui ne fondent jamais. La plupart des plastiques ne pourrissent pas : il faut donc réduire, réutiliser et recycler.
Les solutions : comment les corps se dissolvent et en quelle quantité – Une solution est un mélange uniforme : un soluté est dissous dans un solvant. Dans l'eau (solution aqueuse), le soluté se divise en particules trop petites pour être vues, donc il ne se dépose jamais et il traverse le papier filtre. La concentration indique la quantité de soluté présente (% massique = soluté ÷ solution × 100). La solubilité est la masse maximale qui peut se dissoudre dans 100 g de solvant à une température donnée ; au-delà, la solution est saturée. L'évaporation, la cristallisation et la distillation permettent de séparer une solution.
Métaux et non-métaux : propriétés et série de réactivité – Les métaux sont en général brillants, durs, malléables, ductiles et bons conducteurs ; les non-métaux sont en général ternes, cassants et mauvais conducteurs. Les métaux donnent des oxydes basiques, réagissent avec l'eau et les acides dilués (en libérant du dihydrogène), et un métal plus réactif chasse un métal moins réactif de sa solution saline. Classer les métaux du plus réactif au moins réactif donne la série de réactivité.
Propriétés chimiques des composés du carbone : éthanol et acide éthanoïque – Les composés du carbone brûlent dans le dioxygène et donnent du CO₂, de l'eau, de la chaleur et de la lumière (combustion). Les oxydants forts transforment les alcools en acides (oxydation). Les composés insaturés fixent de l'hydrogène avec un catalyseur au nickel (addition). Les composés saturés échangent un hydrogène contre du chlore à la lumière du soleil (substitution). L'éthanol réagit avec le sodium en libérant du dihydrogène et se déshydrate en éthène. L'acide éthanoïque est un acide faible : il forme des esters avec les alcools et du CO₂ avec les carbonates.
Réactions chimiques et équilibrage des équations – Dans une réaction chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils changent seulement de partenaires. Une équation chimique doit donc avoir le même nombre de chaque sorte d'atome des deux côtés. On l'équilibre en changeant les nombres devant les formules, jamais les formules elles-mêmes.
Réactions redox : de l'oxygène au transfert d'électrons – Au début, oxyder voulait dire ajouter de l'oxygène ou retirer de l'hydrogène. Réduire, c'était l'inverse. Aujourd'hui on utilise une idée plus large : l'oxydation est une perte d'électrons et la réduction est un gain d'électrons. Les deux ont toujours lieu en même temps, d'où le nom de réactions redox. Un métal plus actif donne des électrons à l'ion d'un métal moins actif.
Structure de l'atome – Un atome a un noyau minuscule, lourd et positif, fait de protons et de neutrons. Les électrons tournent autour, dans des couches fixes K, L, M, N. Le nombre de protons (Z) donne l'élément ; protons + neutrons donnent le nombre de masse (A). Les électrons externes décident de la valence. Les isotopes ont le même Z ; les isobares ont le même A.
Vitesse d'une réaction chimique – La vitesse d'une réaction indique avec quelle rapidité un réactif disparaît ou un produit apparaît, par unité de temps. Vitesse = −Δ[R]/Δt = +Δ[P]/Δt (unité mol L⁻¹ s⁻¹). La loi de vitesse, v = k[A]^x[B]^y, se trouve par l'expérience ; x + y est l'ordre. La molécularité est le nombre de particules qui se rencontrent dans une étape élémentaire.