Catégorie : Réviser

Que retenir de la cinétique chimique pour le bac 2013 ?

Posted on by Cédric Lémery

La partie sur le temps du programme de bac 2013 se termine par la cinétique chimique.  Dans cette partie il faut comprendre que toutes les réactions chimiques ne sont pas instantanées. Certaines mettent un certain temps à atteindre l’état final et il y a quelques compétences autour de cette notion que l’on doit maîtriser avant d’aborder l’épreuve du bac. Voyons un peu quelles sont les 5 compétences exigibles de cette partie.

Je sais comment suivre dans le temps une synthèse organique par CCM et en estimer la durée.

Envisageons la réaction entre l’éthanol et l’acide éthanoïque, donnant de l’éthanoate d’éthyle et de l’eau : CH3CH2OH (l) + CH3COOH (l) ? CH3COOCH2CH3 (l) + H2O (l)

Cette réaction est assez lente, et on peut en suivre la cinétique à l’aide d’une chromatographie sur couche mince (CCM – besoin d’un rappel ? Voir cette animation sur la CCM). On obtient :

Sur cette chromatographie, on identifie les 2 réactifs à l’aide des témoins A & B. L’instant initial correspond à la tâche C1 pour laquelle on voit qu’il n’y a que les réactifs. Dès 5 minutes, en C2, une nouvelle tâche apparaît : c’est l’éthanoate d’éthyle. Progressivement, les tâches correspondant à l’ester, l’éthanoate d’éthyle, apparaissent tandis que les tâches correspondant aux réactifs s’estompent. Dans ce cas, on peut estimer la durée de réaction à environ 30 minutes. Bien entendu cette méthode n’est pas très précise.

Pour plus de précision, on utilisera des méthodes permettant de déterminer la quantité de réactifs disparus ou de produits obtenus comme les titrages (voir la partie correspondante du programme). On supposera par la suite qu’on utilise de tels méthodes qui nous permettent de tracer la quantité de produit obtenu au cours du temps :

Je sais mettre en évidence quelques paramètres influençant l’évolution temporelle d’une réaction chimique : concentration, température, solvant.

La concentration des réactifs, la température ou la nature du solvant sont des facteurs cinétiques c’est à dire qu’ils améliorent la cinétique d’une réaction. Pour le mettre en évidence, on modifie l’un de ces facteurs et on compare la courbe obtenue à celle sans modification du facteur :

La courbe bleue est la référence. La courbe verte est obtenue en modifiant une paramètre : température ou concentration d’un des réactifs plus élevée ou encore utilisation d’un solvant améliorant la cinétique. Dans tous les cas, on voit que pour un même temps, plus de produit a été créé : la cinétique est améliorée.

Au final on retiendra que la température augmente la cinétique car plus elle est élevée et plus on obtient rapidement de produit. De la même façon, la concentration des réactifs augmente la cinétique.

Je sais déterminer un temps de demi-réaction.

Le temps de demi-réaction est le temps qu’il faut pour que le système chimique soit à la moitié du chemin qu’il doit parcourir. Autrement dit, en utilisant la notion d’avancement chimique : x(t1/2)=xf/2. Sur un graphique tel que celui utilisé jusqu’ici, le temps de demi-réaction se détermine de la façon suivante :

Je sais mettre en évidence le rôle d’un catalyseur. Je sais extraire et exploiter des informations sur la catalyse, notamment en milieu biologique et dans le domaine industriel, pour en dégager l’intérêt.

Mettre en évidence le rôle d’un catalyseur est analogue à mettre en évidence le rôle d’un facteur cinétique, rien de bien compliqué ici.
La catalyse est extrêmement importante en chimie et est un domaine de recherche majeur. En effet, elle permet un contrôle précis des processus réactionnel. Dans les organismes vivants, tout est une histoire de catalyse : tel enzyme présente ici permet une réaction qui est impossible là-bas où elle n’est pas présente. Le CNRS propose un site dédié à la catalyse : une lecture de ce site en prenant des notes est un bon entraînement à cette compétence exigible (en particulier la partie « les grandes notions expliquées »).

Bac S 2013 : Mouvements dans un champ uniforme

Posted on by Cédric Lémery

Il y a dans séquence “COMPRENDRE : temps, mouvement et évolution” du programme de TS 2012 – bac 2013 une compétence exigible qui ne paie pas de mine mais qui est certainement l’une des plus vaste du programme pour le bac version 2013. Comme tout cela existait déjà dans le bac ancienne version, je recycle un article déjà paru et l’enrichi de ce qui fait la spécificité du bac version 2013.

Note : dans l’article qui suit, les vecteurs sont notés en gras. g est le vecteur gravitation tandis que g est la valeur de la gravitation. On peut écrire : g=9,8 N/kg mais on écrira g=-g.k où k est le vecteur unitaire vertical.

La compétence en question est :

Je connais et sais exploiter les trois lois de Newton ; les mettre en œuvre pour étudier des mouvements dans des champs de pesanteur et électrostatique uniformes.

En ce qui concerne le « je connais les trois lois de Newton », on se référera à l’article posté sur la cinématique.

Commençons par le champ de pesanteur. Une question de bac correspondant à cette compétence est du genre : on considère un caillou, une balle ou n’importe quel projectile (un oiseau bleu, un paf le chien) et l’on souhaite savoir si en l’ayant projeté avec une vitesse V0 qui forme un angle ? avec l’horizontale il arrive là où on le souhaite (dans un cochon vert, la fenêtre de Juliette, les buts…).

Autrement dit, à partir de conditions initiales (objet lancé à la hauteur h, avec une vitesse V0) on souhaite savoir si l’objet atteint une altitude h au bout d’une distance l.

Mouvements dans un champ de pesanteur uniforme

On considère un projectile lancé à l’instant t=0 avec une vitesse V0 qui forme un angle ? avec l’horizontale. On se muni d’un repère qui va bien (voir le schéma). Dans la mesure où l’on néglige les frottements, ce projectile dans un champ de pesanteur uniforme n’est soumis qu’à son poids P=mg. On dit qu’il est en chute libre. Attention ! Bien souvent, on croit que pour avoir une chute libre il ne faut pas avoir de vitesse initiale. Ce n’est pas comme ça que les physiciens voient les choses :

Une chute libre c’est lorsqu’un objet n’est soumis qu’à une seule force : son poids.

Application de la seconde loi de Newton

Ainsi, lorsqu’on appliquera la 2nde loi de Newton dans le référentiel considéré, on trouvera : mg=ma ? a=g. Cette dernière équation correspond en fait à 3 équations : selon x, y et z. Elle veut dire que ax=gx, ay=gy et az=gz. Comme a=(d²x/dt², d²y/dt², d²z/dt²) et g=(0,0,-g) on trouve

d²x/dt²=0, d²y/dt²=0 et d²z/dt²=-g.

Obtention des équations horaires

Ces trois dernières relations s’intègrent en :

dx/dt=A, dy/dt=B, dz/dt=-g.t+C où A, B et C sont des constantes d’intégration.

Pour trouver ces constantes d’intégration, on utilise les conditions initiales pour la vitesse puisque vx=dx/dt, vy=dy/dt et vz=dz/dt.

Ainsi, à t=0, dx/dt=A, dy/dt=B et dz/dt=C. Or, vx0=V0.cos?, vy0=0 et vz0=V0.sin? d’où :

A=V0.cos?, B=0 et C=V0.sin?

et on peut donc écrire :

dx/dt=V0.cos?, dy/dt=0, dz/dt=-g.t+V0.sin?

Pour conclure, il ne reste plus qu’à intégrer tout ça encore une fois :

x=V0.cos?.t+D, y=E, z=-g.t²/2+V0.sin?.t+F où D, E et F sont de constantes d’intégration.

Une nouvelle fois, pour trouver la valeur de ces constantes d’intégration, il faudra aller voir du côté des conditions initiales. Mais cette fois-ci ce n’est pas la vitesse initiale qui nous intéresse mais la position initiale. Comme on a centré le repère sur la position initiale,

x0=y0=z0=0, d’où D=E=F=0.

Ainsi, on trouve au final que :

x(t)=V0.cos?.t, y(t)=0, z(t)=-g.t²/2+V0.sin?.t

Ces trois équations sont les équations horaires du mouvement. Bien sûr, selon l’énoncé elles peuvent être légèrement différente. Par exemple, si le projectile n’est pas lancé à partir du sol, mais d’une hauteur h, on on trouvera pour z : z(t)=-g.t²/2+V0.sin?.t+h car z0=h et donc F=h.

Ces 3 dernières équations sont les équations horaires du mouvement. On peut en tirer un certain nombre d’information, comme par exemple le fait que y(t)= : il n’y a pas de mouvement selon y, tout se passe dans le plan xOz. Elle ne permettent pas de savoir si l’objet atteint h à la distance l. Il faut pour cela, exprimer z en fonction de x. C’est à dire obtenir l’équation de la trajectoire.

L’équation de la trajectoire

Un grand classique. Il faut passer de ce jeu d’équation : x(t)=V0.cos?.t, y(t)=0, z(t)=-g.t²/2+V0.sin?.t à une équation reliant x et z (on vient de démontrer que tout se passe dans le plan Oxz).

Pour cela, rien de plus simple, il faut éliminer le temps :

x=V0.cos?.t implique que t=x/(V0.cos?)

puis il faut injecter cette expression du temps dans z=-g.t²/2+V0.sin?.t ce qui donne :

z=-g/(2.V²0.cos²?).x²+tan?.x

Ainsi, on peut maintenant calculer l’altitude atteinte au bout d’une distance l.
Par exemple, avec une vitesse V0=10 m/s et ?=30°, on trouve qu’au bout de 5 m, l’altitude du projectile est 1,2 m.

Ouf ! C’était bien compliqué et on aimerait pouvoir se contenter de cela… mais il vous faudra également savoir appliquer les lois de Newton dans le cas d’une particule chargée dans un champ électrostatique.

Mais avant, une petite pause ludique pour vous entraîner :

TirProj

Mouvement d’une particule dans un champ électrostatique

Considérons une particule portant une charge q soumise à un champ électrostatique E,  que l’on prendra vertical, ayant une vitesse initiale V0 du genre de ce qu’on vient de voir (angle ? avec l’horizontale). Notre particule est soumise à 2 forces : son poids mg et la force électrostatique qE. La seconde domine largement la première et l’on considérera que notre particule n’est soumise qu’à la force électrostatique. A l’origine, notre particule est au point (0,0,0).

Reprenons le même genre de raisonnement que celui qui a été fait pour la gravité :

1. Appliquons la seconde loi de Newton : m.a=e.E d’où

d²x/dt²=0, d²y/dt²=0 et d²z/dt²=e.E/m

Remarquons que cette fois-ci la masse n’a pas disparu.

2. Effectuons la première intégration :

dx/dt=A, dy/dt=B, et dz/dt=e/m.E+C

3. Utilisons les conditions initiales v(0)=V0 pour obtenir A, B et C. On aura alors :

dx/dt=V0.cos?, dy/dt=0, dz/dt=e/m.E.t+V0.sin?

4. Intégrons une seconde fois :

x(t)=V0.cos?.t, y(t)=0, z(t)=eE/2m.t²+V0.sin?.t

Oui, il faut retenir tout ça. Oui, si vous ne comprenez rien à tout ça mais  que vous êtes capable de le refaire sur une copie, ça peut marcher (mais enfin, même si c’est plus coûteux en intelligence, il est toujours plus facile de retenir des choses que l’on comprend). Oui c’est possible. J’y suis arrivé aussi et bien d’autre avant nous.

Cinématique et dynamique Newtonnienne pour le bac 2013

Posted on by Cédric Lémery

La séquence « COMPRENDRE : temps, mouvement et évolution » du programme de TS 2012 – bac 2013 commence par la cinématique et la dynamique Newtonnienne. Il y a une dizaine de compétences exigibles dans cette partie qui sont plus ou moins longues et complexes à acquérir. Commençons par la cinématique et les lois de la dynamique.

Note : dans l’article qui suit, les vecteurs sont notés en gras.

Voici ce que le programme exige que vous sachiez sur cette partie :

Je sais extraire et exploiter des informations relatives à la mesure du temps pour justifier l’évolution de la définition de la seconde.

Difficile de se préparer à une telle compétence. On pourra, pour se mettre les idées en place, lire l’article de wikipedia sur la seconde.
A l’époque où l’on mesurait le temps avec la course du soleil, la seconde était définie comme une fraction du jour solaire.
Puis vint le temps où l’on prit en compte le fait que cette rotation évolue au cours des siècles et où l’on décida que la seconde serait définie comme une fraction de la durée que met la terre pour faire un tour complet autour du soleil, c’est à dire une fraction de l’année.
Maintenant, pour plus de précision et d’universalité, la seconde n’est plus définie à partir du mouvement de la terre mais à partir de la période de l’onde émise par un atome de Césium lorsqu’un de ses électrons passe d’une couche électronique à l’autre.

[dailymotion]http://www.dailymotion.com/video/xx49c9_la-mesure-du-temps_school#.UQ1GPpHkD1g[/dailymotion]
Vidéo extraite de delaphysique.com qui revient sur la mesure du temps

Je sais choisir un référentiel d’étude.

Les principaux référentiels d’étude utilisés en terminale sont :

  • Référentiel terrestre : celui de la vie de tous les jours. Pour étudier le mouvement des objets de notre environnement quotidien et du laboratoire.
  • Référentiel géocentrique : celui centré sur la terre dans laquelle celle-ci a un mouvement de rotation sur elle-même. C’est à dire qu’il est tel que les étoiles lointaines y sont fixes. Pour étudier le mouvement des satellites naturel (la lune) et artificiels.
  • Référentiel héliocentrique : référentiel centré sur le soleil dans lequel les étoiles lointaines sont fixes. Pour étudier le mouvement des planètes.
  • Référentiel jovien : le référentiel utilisé pour étudier le mouvement des satellites de Jupiter. Analogue au référentiel géocentrique mais pour Jupiter.

Je sais reconnaître des mouvements (rectiligne uniforme, rectiligne uniformément varié, circulaire uniforme, circulaire non uniforme) et donner dans chaque cas les caractéristiques du vecteur accélération.

Reconnaître des mouvements n’est pas bien compliqué. Donner les caractéristiques du vecteur accélération est une autre paire de manche. Tout d’abord, il faut bien comprendre ce qu’est le vecteur accélération : c’est le taux de variation du vecteur vitesse : a=?v/?t

vectvit.jpgPour bien définir le vecteur accélération, il faut avoir une idée claire sur ce qu’on appelle la vitesse. Dans la vie de tous les jours, la vitesse est un scalaire (un chiffre), alors qu’en physique c’est un vecteur, défini par sa norme, sa direction et son sens. Sa norme correspond à la définition de la vie de tous les jours : la distance parcourue par unité de temps (la seconde en physique), sa direction est tangente à la trajectoire et son sens est celui du mouvement.

Mouvement rectiligne uniforme : la trajectoire est une droite, la vitesse est constante, l’accélération est nulle.

source wikipedia

Mouvement rectiligne uniformément varié : la trajectoire est une droite, la vitesse est une proportionnelle au temps, le vecteur accélération est constant.

source wikipedia

Mouvement circulaire uniforme: la trajectoire est un cercle, la vitesse est constante. Pour autant le vecteur vitesse varie a chaque instant. Par conséquent le vecteur accélération est non nul : centripète (dirigé vers le centre du cercle), il change sans cesse de direction. Sa valeur est par contre constante et égale à v²/R.

Mouvement circulaire non uniforme: la trajectoire est toujours un cercle mais la vitesse varie. Le vecteur accélération admet cette fois-ci deux composantes : l’une tangentielle au mouvement et égale à la dérive de v par rapport au temps et l’autre, normale au mouvement (comme dans le cas circulaire uniforme) dont la valeur est constante et égale à v²/R.

Je sais définir la quantité de mouvement p d’un point matériel.

Le vecteur quantité de mouvement p est égal au produit de la masse par la vitesse : p=m.v
Nous en aurons besoin pour la suite :

Je connais les trois lois de Newton

Première loi : également appelée principe d’inertie
Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse vG du centre d’inertie G du solide ne varie pas, la somme des forces extérieures qui s’exercent sur le solide est nulle et réciproquement : toto_html_29182c88.gif

Cette loi est généralement appliquée aux solides au repos ou en mouvement de translation rectiligne uniforme pour déterminer les forces qui s’y appliquent (par exemple pour un palet qui glisse sans frottement, la réaction de la glace est exactement opposée au poids du palet).

Seconde loi : également appelé Postulat Fondamental de la Dynamique (PFD)
Dans un référentiel galiléen, la somme des forces extérieures appliquées à un solide est égale à la dérivée par rapport au temps de son vecteur quantité de mouvement : .
Dans le cas où la masse est constante, cette seconde loi devient : toto_html_b0d6cf8.gif

Dans cette dernière expression, les forces s’expriment en Newton (N), la masse en kilogramme (kg) et l’accélération en mètre par seconde carré (m.s-2). Nous allons beaucoup l’utiliser par la suite pour déterminer les trajectoires d’objets en mouvement.

Troisième loi : également appelé le principe des actions réciproques
Si 2 corps sont en interaction, alors la force exercée par le premier sur le second est égale et opposée à la force exercée par le second sur le premier : toto_html_m4594a5d6.gif

Cette loi s’oublie facilement et pourtant elle est fondamentale pour comprendre tout ce qui concerne la propulsion.

[Edit décembre 2013] : Toutes les explications en vidéo

Bac S 2013 : Contrôle qualité par dosage

Posted on by Cédric Lémery

Le chapitre « Contrôle qualité par dosage » du programme de TS 2012 – bac 2013 arrive assez tard dans le programme bien qu’il puisse être utilisé dans de nombreux chapitres le précédant (cinétique, transformation en chimie organique), j’ai donc décidé de le traiter dès la fin de ce premier trimestre. Il n’y a pas beaucoup de compétences exigibles en apparence (4 seulement) mais il faut se méfier de l’arbre qui cache la forêt… Voyons cela en détail :

Je sais déterminer la concentration d’une espèce à l’aide de courbes d’étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.

Le principe de la détermination d’une concentration par étalonnage est assez simple. Il consiste à étudier une grandeur physique qui dépend de la concentration. Lorsque l’espèce chimique étudiée donne une couleur à la solution, on utilisera tout naturellement l’absorbance tandis que lorsque l’espèce chimique est ionique, on mènera une étude conductimétrique. Dans les deux cas, la grandeur physique (A pour l’étude colorimétrique, ?, la conductivité en conductimétrie) est proportionnelle  à la concentration. Pour l’absorbance, il s’agit de la loi de Beer-Lambert :

A = k.c

Pour la conductimétrie, c’est la loi de Kohlraush :

?=??i.[Xi]

Bon, ici les choses peuvent vite devenir très compliquée (rien que le nom des lois…), il y a ?i dans l’expression, il va falloir expliquer ce que c’est et je vais vous embrouiller pour rien. Donc on retiendra que A et ? sont proportionnels à la concentration de la solution et qu’on a des appareils pour mesurer A et ? directement. Ainsi, en prenant un jeu de solution de concentrations différentes, on peut tracer A ou ? en fonction de c.

Monsieur, Quand on trace A en fonction de c, A il est en abscisse ou en ordonnée ?

Il est en ordonnée comme dans y en fonction de x.

On obtient donc des trucs du genre :

Ensuite, on mesure A ou ? pour la solution dont on veut déterminer la concentration. Par exemple, A=0,450. Et là, on a deux solutions : soit on détermine le coefficient directeur de la droite et on calcule la concentration correspondante, soit on fait une résolution graphique.

La première méthode nous donnera quelque chose du genre : coeff directeur=0,30/0,50=0,60 donc A=k.c où k=0,60. Ainsi, pour A=0,450, on trouve c=A/k=0,450/0,60=0,075 mg/L. Vous avez fait attention aux chiffres significatifs ?

0,075 mg/L qu’on peut également trouver graphiquement en reportant A=0,450 sur la droite et en lisant la concentration correspondante :

Je sais établir l’équation de la réaction support de titrage à partir d’un protocole expérimental.

Déjà, il faut comprendre la différence entre dosage et titrage. Un dosage est une méthode consistant à déterminer une concentration d’une espèce chimique. Un titrage est un dosage mettant en oeuvre une transformation chimique. Le titrage est donc toujours destructif puisque l’espèce titrée est détruite dans la réaction de titrage.

Généralement la réaction à écrire est soit une réaction d’oxydo-réduction, soit une réaction acido-basique. Je vous laisse regarder les pages correspondante où cela a déjà été traité.

Je sais déterminer la concentration d’une espèce chimique par titrage par le suivi d’une grandeur physique et par la visualisation d’un changement de couleur, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.

Dans un titrage, on détermine la concentration inconnue en ajoutant une espèce chimique qui va consommer toute l’espèce dont on veut déterminer la concentration. Le truc c’est d’arriver à déterminer l’équivalence qui est le moment où le réactif titrant (celui dont on connaît la concentration) a été introduit en quantité suffisante pour éliminer tout le réactif à titré et pas plus. Dit autrement -comme un chimiste- l’équivalence c’est le moment où les réactifs ont été introduit dans les proportions stœchiométriques. Dans ces conditions, on peut écrire une relation entre les quantités de réactifs titrant et titré :

n(réactif titrant)/coeff stoechio(titrant) = n(réactif titré)/coeff stoechio(titré)

Le problème c’est que lorsqu’une espèce chimique disparaît elle le fait de manière plutôt discrète. Il faut donc trouver un truc pour arriver à déterminer le moment où une espèce chimique disparaît.

Si les espèces chimiques titrée ou titrante ont le bon goût de donner une couleur à la solution, tout va bien. Il suffit de surveiller le changement de couleur de la solution. Dans ce cas, on parle de titrage colorimétrique. Voici ce que cela donne (merci à Isabelle Taride et Jean-Claude Desarnaud, professeurs dans l’académie d’Aix-Marseille) en animation : titrage_redox.

Dans le cas où les solutions ne sont pas colorées, il faut trouver une autre ruse pour déterminer l’équivalence. Si on souhaite titrer un acide par une base ou une base par un acide, on peut faire un titrage ph-métrique. Voilà ce que ça donne (et encore merci à Isabelle et Jean-Claude pour leur excellent travail) en animation : titrage_ph

Vous avez cliqué sur la pipette pour voir comment on s’en sert ? Voici l’animation : pipette_titrage. Et pour la burette ? Encore une belle animation : burette_titrage.

Je sais interpréter qualitativement un changement de pente dans un titrage conductimétrique.

Et lorsqu’on ne cherche pas à déterminer la concentration d’un acide ou une base, ni d’une espèce chimique colorée en solution, comment faire ? Si c’est un ion, il reste une solution : le titrage conductimétrique. Cette fois-ci, on titre un ion à l’aide d’un autre ion qui le fait précipiter.

Prenons un exemple : si l’on veut déterminer la concentration des ions chlorures, on peut utiliser des ions argents. En effet, ceux-ci réagissent et forment un précipité selon la réaction :

Ag+(aq) + Cl–(aq) ? AgCl(s) (1)

Prenons une solution de chlorure de potassium (K++Cl–), que l’on titre à l’aide d’une solution de nitrate d’argent (Ag++NO3–). Avant d’avoir versé la moindre goutte de nitrate d’argent, la conductivité s’exprime : ?=?K+.[K+]+?Cl-.[Cl–].

Après avoir versé de la solution de nitrate d’argent, les ions chlorures ont disparu dans la réaction (1) tandis qu’il est apparu des ions nitrates NO3– dans la solution. Pour un ion chlorure disparu, il y a eu un ion argent versé avec son ion nitrate. Les ions chlorures manquant sont donc remplacés par des ions nitrates. Comme ceux-ci ont une conductivité moindre, la conductivité de la solution diminue.

Ce processus va continuer jusqu’à l’équivalence. Moment où tous les ions Chlorures auront été remplacés par des ions nitrates et où la conductivité s’écrira : ?=?K+.[K+]+?NO3-.[NO3–].

Après l’équivalence, les ions argents seront en excès et ne vont donc plus être consommés par les ions chlorures. Ils vont donc (enfin) participer à la conductivité de la solution : ?=?K+.[K+]+?NO3-.[NO3–]+?Ag+.[Ag+] qui va se mettre à augmenter.

L’ensemble nous donne quelque chose comme cela :

pour lequel on détermine l’équivalence au minimum de la conductivité.

Ouf ! Nous sommes venu à bout des méthodes de titrage à connaître pour le bac S 2013.

Réactions chimiques par échange de protons : que faut-il en retenir ?

Posted on by Cédric Lémery

La partie « structure et transformation de la matière » du programme de TS version 2012-bac 2013 contient toute une partie sur les réactions chimiques par échange de protons, qui n’est rien d’autre que des réactions acido-basiques. Voyons un peu ce qu’il faut en retenir :

Je sais mesurer le pH d’une solution aqueuse.

Le pH est défini comme pH=-log([H3O+] ) ? [H3O+] = 10-pH
Ex : [H3O+] = 10-2 mol/L ? pH=2

Pour mesurer le pH, on peut utiliser du papier pH, un indicateur coloré ou un pH-mètre. Les indicateurs colorés donnent une couleur à la solution en fonction du pH de la solution :

Ainsi, ils sont pratiques et rapides à mettre en oeuvre, mais pas très précis. On obtient juste un intervalle de pH avec cette méthode. C’est pour cela qu’on a inventé le papier pH qui est un papier qui contient différents indicateurs colorés et permet avec la couleur du papier de déterminer son pH.

Le problème, ici, c’est que la détermination se fait au pH près. Rapide, mais pas précis. On a donc une méthode beaucoup plus précise : le pH-mètre :

Mais il est cher et un peu délicat à mettre en œuvre (étalonnage, rinçage, fragilité). Chaque méthode a donc ses avantages et ses inconvénients.

Je sais reconnaître un acide, une base dans la théorie de Brönsted

Un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs ion H+ ( du type AH, par exemple) tandis qu’une base est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs ion H+ (du type A–). On obtient donc un couple AH/A– qui ne diffère que d’un H+ : AH = A– + H+

Quelques exemples de couple Acide/base avec leur pKa

Je sais utiliser les symbolismes ?, ? et ? dans l’écriture des réactions chimiques pour rendre compte des situations observées.

Lorsqu’on dissout un acide fort dans l’eau, la réaction entre l’acide et l’eau totale, c’est à dire qu’elle cesse seulement à la disparition d’un réactif, en l’occurrence l’acide. Dans ces conditions, on écrit :

AH+H2O ? A– + H3O+

Lorsqu’il s’agit d’un acide faible, la réaction s’arrête avant que l’acide ait complètement disparu car la réaction inverse est possible A– + H3O+ ? AH+H2O, ainsi, on écrit :

AH+H2O ? A– + H3O+

Pour la dissolution d’une base dans l’eau, c’est le même principe :

Base Forte : B+H2O ? BH+ + HO–
Base Faible : B+H2O ? BH+ + HO–

Identifier l’espèce prédominante d’un couple acide-base connaissant le pH du milieu et le pKa du couple.

De la relation Ka= [A–][H3O+]/[AH], il découle pH=pKa+log([A–]/[AH]). Ainsi, s’il y a plus de A– que de AH dans la solution, le pH est supérieur à pKa, si c’est AH qui prédomine, alors le pH est inférieur à pKa. L’inverse est également vrai : si le pH est supérieur à pKa, alors il y a plus de A– que de AH et si le pH est inférieur à pKa, alors c’est AH qui prédomine. Cela se résume par le diagramme de prédominance qui doit être connu :

Les indicateurs colorés sont un cas particulier d’espèces chimiques telles que la forme acide et la forme basique n’ont pas la même couleur en solution.

Je sais déterminer une constante d’acidité.

La constante d’acidité est Ka= [A–][H3O+]/[AH] dont on déduit le pKa par pka=-log(Ka). Il se trouve que du moment qu’un acide faible et sa base sont en solution, ils vérifient cette relation.

Ce point est assez délicat. Il s’agit d’une compétence expérimentale qui met en œuvre un certain nombre de calculs. Une des méthodes consiste à mesurer le pH d’un solution dont la concentration en acide est c.

Lorsqu’on dissout un acide faible dans l’eau, nous avons vu que la réaction s’arrêtait avant que l’acide ait totalement disparu. Ce qui se traduit par le tableau d’avancement suivant :

x AH + H2O ? A- + H3O+
Ei x=0 cV solvant 0 0
Eint x cV-x solvant x x
Ef xf cV-xf solvant xf xf
Emax xmax = cV 0 solvant cV cV

Faut-il savoir faire un tel tableau d’avancement pour le bac 2013 ? Il est difficile de répondre. Je pensais que non mais certaines personnes pensent qu’ils ne sont pas mentionnés dans le programme parce que c’est un outil usuel. L’avenir nous le dira. Une fois qu’une année ou deux de sujets seront tombés, nous saurons s’ils sont demandés. Pour l’instant, je conseille à mes élèves de savoir les faire.

Ici, on voit grâce au tableau que [A–]=[H3O+]=xf/V. D’autre part, on peut écrire que [AH]+[A–]=(cV-xf+xf )/V=c. Il est donc possible de calculer [H3O+] à partir du pH, donc d’en déduire [A–] puis [AH]. Ce qui permet de calculer Ka.

Notons qu’il n’est pas nécessaire d’écrire le tableau d’avancement pour obtenir [A–]=[H3O+] et [AH]+[A–]=c mais c’est parfois plus simple à comprendre avec.

Je sais calculer le pH d’une solution aqueuse d’acide fort ou de base forte de concentration usuelle.

Dans le cas d’un acide fort, la concentration des ions oxonium H3O+ (un terme à connaître, on ne sait jamais) est égale à la concentration de la solution puisque la réaction AH+H2O ? A– + H3O+ est totale. Ainsi,

pH=-log(c) pour un acide fort

Pour une base forte, c’est la réaction B+H2O ? BH+ + HO– qui est totale. Ainsi, c’est [HO–] qui est égal à c. Pour avoir la relation entre [HO–] et le pH, il faut utiliser l’expression du produit ionique de l’eau : Ke=[H3O+].[HO–] où Ke=10-14 à 20°C.

Ainsi, si [HO–]=c, on obtient 10-pKe=10-pH.c ? 10-pKe=10-pH.10-log(c)=10-pH-log(c) soit :

pH=pKe+log(c) pour une base forte

Faut-il connaître toute la démonstration ? Non je ne pense pas mais la comprendre devrait permettre de résoudre certains problèmes de sujet de bac.

Je sais mettre en évidence l’influence des quantités de matière mises en jeu sur l’élévation de température observée lors d’une réaction entre un acide fort et une base forte.

Il s’agit ici d’une compétence expérimentale dont le principe est de mesurer l’élévation de température lors de l’ajout d’un acide fort à une base forte. En augmentant les quantités de matières mises en jeu, on observe une plus grande élévation de température.

Je sais extraire et exploiter des informations pour montrer l’importance du contrôle du pH dans un milieu biologique.

Pour s’entraîner à cette compétence, on pourra faire le sujet zéro N°2 proposé sur le site eduscol, site officiel du ministère. Une fois l’exercice fait, on pourra regarder la correction proposée par le ministère.

La conductimétrie pour le bac 2013

Posted on by Cédric Lémery

Généralement l’assistance est saisie d’effroi rien qu’à l’évocation du terme conductimétrie… Dans le bac version 2013, celle-ci n’est pas vraiment au programme dans le sens où il n’y a pas de chapitre portant exclusivement sur ce point mais elle est évoquée régulièrement. Il y a donc de fortes chances qu’un sujet de bac utilisant une méthode conductimétrique donne toutes les formules à utiliser. Il n’y a donc rien à apprendre par coeur, mais tout à comprendre. Quel est le plus simple ? Apprendre ou comprendre ? Je vous laisse choisir. Voyons ce qu’il faut en comprendre :

montage de conductimétrieUne solution ionique transporte du courant, on peut donc mesurer sa conductance G. Celle-ci est égale à l’inverse de la résistance (si la résistance est grande, la conductance est petite) : G=I/U. Cette grandeur s’exprime en Siemens (S, oui comme votre frigo mais c’est plutôt en hommage à Werner von Siemens). Elle dépend d’une part de la solution et d’autre part de l’instrument de mesure (surface S des électrodes et distances l entre les électrodes). C’est pourquoi on utilise généralement des cellules de conductimétrie. Cela permet d’accéder à une grandeur qui ne dépend plus que de la solution : la conductivité ? (en S.m-1).

On passe de ? à G à l’aide de la constante de solution que l’on détermine expérimentalement. Celle-ci est généralement notée k et exprimée en m-1, dans ces conditions, ?=k.G (ici k=l/S)

La conductivité ? est une grandeur qui ne dépend plus que des ions en solutions, ainsi, elle s’exprime en fonction des ions présents en solution :

?=??i.[Xi]

où [Xi] représente la concentration des ions présent en solution (en mol.m-3) et ?i leur conductivité molaire ionique (en S. m².mol-1).

Il y a peu de chance qu’un sujet de bac version 2013 vous demande de faire un calcul à partir de cette expression, en effet, il y a un piège : comme c’est une formule qui vient de la physique où les volumes sont exprimés en m³, les concentrations doivent être exprimées en mol/m³.

Par contre, il est demandé de savoir exploiter cette relation comme dans le cas des titrages conductimétriques.

Au cas où : Comment fait-on pour convertir des mol/L en mol/m3 ? On multiplie par 1000. Pourquoi ? Il suffit de lire l’unité pour le comprendre : 1 mol/L veut dire « il y a une mole dans 1 L ». L’unité en mol/m3 est le nombre de mole dans 1 m3. Comme 1 m3 est égal à 1000 L, s’il y a 1 mol dans 1L, il y aura 1000 mol dans 1000L donc 1000 mol dans 1 m3. Ainsi, rappelez-vous :

1 mol/L = 1000 mol/m3

Voyons cela sur un exemple :

Dans une solution de chlorure de sodium (rappel : « solution de chlorure de sodium » = nom savant pour dire « eau salée ») de concentration en soluté apporté c=10-2 mol.L-1, [Na+]=10-2 mol.L-1 et [Cl–]=10-2 mol.L-1. Pour utiliser ces valeurs en conductimétrie, il va falloir les convertir en mol/m3 : [Na+]=10 mol.m-3 et [Cl–]=10 mol.m-3.

Dans une table, on trouve : ?Cl–=7,63.10-3 S. m².mol-1 et ?Na+=5,00.10-3 S. m².mol-1.

Ainsi, la conductivité d’une telle solution est : ? = ?Cl– [Cl–]+ ?Na+[Na+] =7,63.10-3 . 10 + 5,00.10-3 . 10= 0,0763+0,0500 = 0,126 S.m-1.

Si l’on mesure la conductance de cette solution à l’aide d’une cellule dont la constante est égale à 100, on trouvera G=?/k=1,26.10-3 S = 1,26 mS. Autrement dit si l’on applique une tension de 1 V aux bornes de la cellule de conductimétrie, on mesurera une intensité I=U.G=1,26 mA.

Analyse spectrale au bac : spectres UV-visible et infrarouge IR

Posted on by Cédric Lémery

Après la nomenclature de chimie organique et les spectres RMN, voyons ce qu’il nous reste à retenir de l’analyse spectrale pour avoir son bac version 2013 quand on est en Terminale S.

Note valables pour toutes les Fiches « capacités exigibles » : les capacités attendues sont en italique et en gras.

Je sais caractériser une espèce colorée.
Je sais exploiter des spectres UV-visible.

Une espèce chimique est colorée en solution parce qu’elle absorbe une certaine bande de longueur d’onde dans le visible :

Ainsi, la solution sera perçue avec la couleur complémentaire de celle qui a été absorbée. Pour faire le lien entre les deux couleurs (couleur absorbée, couleur perçue) on utilise un cercle chromatique :

Ainsi, pour une solution de sulfate de cuivre dont le spectre d’absorption est

Le rouge et l’orange sont absorbés. Par conséquent, la solution sera perçue bleue.

Je sais exploiter un spectre infrarouge (spectre IR) pour déterminer des groupes caractéristiques à l’aide de tables de données ou de logiciels.

Cette fois-ci, le spectre étudié n’est plus dans le visible et pour corser un peu les choses, on ne représente pas l’absorbance en fonction de la longueur d’onde mais la transmittance en fonction du nombre d’onde, généralement exprimé en cm-1. Aïe, et c’est vraiment plus compliqué ? Non pas vraiment en fait, vu ce qui est demandé.

Il s’agit de faire le lien entre, par exemple, le spectre obtenu pour l’éthanol :

et une table qui vous sera donnée, en français, bien sûr…

Donc, ici, nous trouvons une large bande à 3300 cm-1 caractéristique de la liaison O-H, un pic à 3000 cm-1 qui correspond aux liaisons C-H et enfin deux pics autour de 1100 qui correspondent à la liaison C-O cm-1. Tout cela est cohérent avec la formule de l’éthanol : CH3-CH2-OH.

Avec un spectre IR on détermine les fonctions caractéristiques mais on ne sait pas où elles sont. Pour cela, on doit procéder à une étude RMN.

La spectroscopie RMN

Posted on by Cédric Lémery

En TS, vous voilà perdu avec les spectres RMN ? Pas de panique, voyons un peu ce qu’il faudra en retenir :

Je sais relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l’aide de tables de données ou de logiciels.
Je sais identifier les protons équivalents et relier la multiplicité du signal au nombre de voisins.

Grande nouveauté du Bac 2013, la spectroscopie RMN sera donc surtout utilisée dans les sujets pour déterminer si un échantillon contient une molécule de formule donnée. Voyons un peu de quoi il s’agit.

Vue d’un laboratoire ayant une unité RMN

RMN signifie Resonance Magnétique Nucléaire. Le principe consiste à soumettre un échantillon à un très fort champ magnétique ce qui permet d’aligner le spin des noyaux d’atome d’hydrogène. Ce champ est produit par des supraconducteurs. Cette technique est donc coûteuse et « massive ».

En « titillant » ces noyaux à l’aide d’un champ magnétique perpendiculaire au premier et ayant la bonne fréquence, ceux-ci vont réagir en produisant un signal qui sera analysé par un ordinateur :

Principe de la RMN
IRM complète d’un corps humain

C’est un peu comme si en tapant sur les noyaux d’hydrogène et en analysant leur réponse, ceux-ci nous donnait des informations sur leur environnement. La méthode fait penser aux cheminots de l’ancien temps qui frappaient les roues des wagon pour vérifier que tout allait bien. Pour comprendre comment fonctionne la RMN, on peut voir cette animation java, expliquée ici (en anglais avec un accent danois).

Cette méthode n’est pas qu’utilisée en chimie, elle permet d’obtenir de beaux clichés de l’intérieur du corps sans avoir à l’ouvrir (ce qui est assez pratique vous en conviendrez). En médecine, on n’appelle pas ça la RMN mais IRM. On a remplacé le N de nucléaire par le I de imagerie. C’est exactement la même chose mais ça fait un peu moins peur aux patients…

Pour le bac, il faut être capable d’interpréter un spectre RMN. Il n’est pas demandé de comprendre le principe, je ne m’étendrais donc pas sur ce sujet. Un spectre RMN en chimie ressemble à ça :

Spectre RMN du toluène. On observe 2 pics pour 8 protons.

En abscisse, c’est le déplacement chimique. On n’a pas besoin, en terminale, de savoir à quoi ça correspond. Il faut juste retenir que le zéro est à droite (oui, je sais encore une bizarrerie, comme pour les spectres IR) et que s’il y a un pic en zéro on ne s’en occupe pas. Ce qu’il va falloir analyser ce sont les autres pics. Ceux-ci correspondent à certains noyaux d’atomes d’hydrogène de la molécule. Leur position dans le spectre nous renseigne sur le groupe d’atomes, donc la fonction :

Les différentes zones dans lesquels résonnent les protons. Permet de déterminer les fonctions présentes dans l’échantillon.

Comme un noyau d’hydrogène est simplement un proton, on parle plutôt de protons en RMN que d’hydrogène. Sur le spectre du toluène ci-dessus, on remarque 2 pics alors que la molécule présente 8 protons (3 sur le groupe méthyl et 5 sur le cycle aromatique). Ceci vient du fait que des protons équivalents résonnent de la même façon. Voici une première règle qu’il va falloir retenir :

Dans un spectre RMN, les protons équivalents, c’est à dire ceux qui ont le même environnement chimique, ont la même valeur de déplacement chimique

Ainsi, les protons sont tous cachés dans les pics et il ne suffit pas d’identifier un pic pour savoir à combien de protons il correspond. Pour résoudre cette énigme, les chimistes utilisent la courbe d’intégration. Kézako que ce truc ? Il s’agit d’une courbe qui en x prend comme valeur la somme de toutes les valeurs du spectre précédant x. Dans notre cas où le spectre est une suite de pics, la courbe d’intégration est nulle avant le premier pic puis garde la valeur du premier pic jusqu’au second, etc. Elle forme donc un palier comme on peut le voir ci-dessous :

Spectre RMN du 2,2 diméthylpropanol. On identifie 3 groupes de protons équivalents.

La « hauteur de marche » correspond donc au nombre de protons qui se cachent dans le pic. Ici, il y a 1 proton dans la fonction alcool, 2 dans CH2 et 9 dans des groupements méthyl CH3. On pourra s’amuser avec les spectres présentés dans le paragraphe Signal strength de cette page. En cliquant sur les pics, on voit apparaître les courbes d’intégration correspondantes.

Si les choses pouvaient s’arrêter là, ce serait bien mais il y a encore une petite chose qu’il faut connaître à propos des spectres RMN : la notion de multiplicité du signal. Sur le spectre de l’éthanol ci-dessous,

RMN obtenue avec l’éthanol HO-CH2-CH3

on observe que les pics sont constitués en fait de plusieurs pics : un singulet (un seul pic) puis un quadruplet (4 pics) et enfin un triplet (3 pics). Cela vient de l’influence des différents protons les uns sur les autres. Prenons le quadruplet du milieu. Il est due aux deux protons rattachés au carbone du milieu (HO-CH2-CH3). Pourquoi n’observe-t-on pas simplement un grand pics ? Tout simplement parce que les protons portés par les carbones voisins ont une influence sur ces deux protons. Ainsi, les 3 protons qui sont portés par le carbone du groupement méthyl (HO-CH2-CH3) vont éclater ce pic en 4 pics. Pour ces protons qui « voient » les 2 protons du milieu, le pic est éclaté en 3 pics. C’est la règle des (n+1)-uplet :

un proton ou un groupe de protons équivalents ayant n protons voisins équivalents donne un signal constitué de (n+1) pics.

Quand on dit voisins, on veut dire portés par un carbone voisin de celui qui porte le proton considéré. Ok, mais alors pourquoi le proton porté par l’oxygène de la fonction alcool (HO-CH2-CH3) n’est pas un 2+1-uplet, c’est à dire un triplet ? Il a bien 2 protons voisins, non ? Oui, ils semblent avoir deux voisins… mais non car

les protons des groupes OH, COOH et NH ne peuvent se coupler avec les autres.

C’est bizarre ce truc. Oui mais c’est comme ça. Et il va falloir le retenir.

Ouf ! Nous avonc vu tout ce qu’il faut retenir pour traiter les spectres RMN pour le bac 2013. Il va falloir maintenant mettre tout ça en pratique avec des exercices. Il ne vous sera pas demandé de trouver la formule d’une molécule inconnue à partir d’un spectre RMN, c’est bien trop compliqué mais de relier une molécule à son spectre RMN. Comment faire ? Voici la méthode :

  1. Repérer les protons équivalents
  2. Repérer les groupes de signaux du spectre
  3. Utiliser les sauts de la courbe d’intégration pour faire le lien entre le spectre et la molécule
  4. Exploiter la multiplicité des signaux pour confirmer ou corriger l’attribution des signaux
  5. Exploiter une table de donnée

Bon courage !

La nomenclature en chimie organique pour le bac 2013

Posted on by Cédric Lémery

Un petit point sur la nomenclature de chimie organique. En fouillant un peu dans mon blog, j’ai retrouvé un vieil article sur la nomenclature (de 2007, on est vite vieux sur internet !), il n’est plus tout à fait à jour pour le bac version 2013 et je vais tenter de le dépoussiérer un peu. Pour ce dernier, deux compétences exigibles du programme correspondent à ce thème :

Je sais associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcools, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.

Je connais les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes.

Il y a donc beaucoup de choses à savoir et un petit récapitulatif ne peut pas faire de mal. Les règles importantes sont mises en exergue. Les ramifications sont notées de la manière suivante :

 CH3-CH-CH2-CH3
.         |
.        CH3		  CH3-CH(CH3)-CH2-CH3

Construire le nom : exemple des alcanes

Pour donner un nom à un alcane, on commence par compter le nombre de carbone de la chaîne carbonnée qui a le plus de carbone (si l’alcane est ramifié) et on lui donne comme nom en fonction du nombre de carbone :

methane (pour 1 carbone), éthane (2), propane (3), butane (4), pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8), nonane (9), decane (10).

A priori, pour le bac, on devrait pouvoir s’arrêter à 8 atomes de carbone.

Dans le cas où l’alcane est ramifié, on rajoute avant le nom de la molécule : méthyl, éthyl, propyl, etc… selon le nombre d’atomes de carbone de la branche, précédé du numéro de l’atome de carbone qui porte la ramification.

Il faut commencer à numéroter de sorte à obtenir les plus petits nombres possibles

par exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3. Il y a 5 atomes de carbones sur la chaîne la plus longue c’est donc un pentane. Il y a une ramification avec un atome de carbone (méthyl) porté par le carbone n° 2 (on part de gauche pour avoir le plus petit nombre possible). Le nom de la molécule est donc 2-méthylpentane

Autre exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH(C2H5)-CH2-CH3. Il y a 6 atomes sur la chaîne la plus longue : c’est un hexane. Il y a 2 ramifications, l’une avec 1 atome de carbone (méthyl) et l’autre avec 2 atomes (éthyl). Le nom complet est donc : 4-éthyl-2-méthylhexane

Lorsqu’il y a plusieurs ramifications, on les classe par ordre alphabétique.

Lorsqu’il n’y a pas d’ambiguité sur la position de la ramification, on ne précise pas sa position. Exemple : dans le cas du méthylpropane, le groupement méthyl est forcément sur le carbone du milieu.

Exercice : les molécules suivantes sont mal nommées, corriger le nom : 2-méthylbutane, 3 propylpropane, éthylpropane

Les groupes caractéristiques

Un groupe caractéristique est un ensemble d’atomes composé :

  • soit d’atomes autres que des carbones et des hydrogènes
  • soit de liaisons doubles ou triples

Voici les différentes familles de molécules que l’on rencontre au lycée (où R, R’ et R » représentent des groupement alkyle, c’est à dire ne contenant que des atomes de carbone et d’hydrogène) :

Groupe
caractéristique		 Famille Nomenclature : suffixe ou préfixe Exemple
C=C Alcène -ène Propène
R-OH Alcool -ol 2-méthylpentan-1-ol
R-CH=O Aldéhydes -al 3-méthylbutanal
R-CO-R’ Cétone -one 2-éthylpentan-3-one
R-COOH Acide carboxylique acide …-oïque Acide butanoïque
R-COO-R’ Ester …-oate de …-yle Pentanoate d’éthyle
R-N(R »)-R’ Amine -amine propan-2-amine, N-éthyl-butan-1-amine, N-méthyl-N-éthyl-propan-2-amine
 R-CO-N(R »)-R’  Amide  -amide N-éthyl-3-méthylpentanamide

Les règles de nomenclature de ces familles sont issues de celles des alcanes pour le nom des molécules et pour les ramifications. On rajoute les règles suivantes :

La chaîne carbonée principale doit contenir la fonction principale qui donne le nom à la molécule

On indique la position de la fonction avant le suffixe de la fonction

Ex : CH3-CH2-CH=CH-CH3 est le pentan-2-ène.

La fonction principale doit avoir le plus petit numéro possible

Ainsi, pour les aldéhydes et les acides carboxyliques, l’atome portant la fonction a toujours le numéro 1.

Exemple : CH3-CH2-CH(COOH)-CH2-CH2-CH3 est l’acide 2-éthyl-pentanoïque alors que la chaîne la plus longue contient 6 atomes de carbone mais ne contient pas la fonction principale.

Pour les amines et les amides, les groupements alkyles portés par l’azote sont ajoutés avant la chaîne principale précédé de N.

Exemple pour les amines : CH3-CH2-CH(CH3)-N(CH3)-C2H5 se nomme la N-éthyl-N-méthyl-1-méthylpropanamine.

Exemple pour les amides : CH3-CH2-CH2-CO-NH-CH3 se nomme la N-méthylbutanamide.

A titre d’exercice, on pourra s’entraîner à écrire la formule semi-développée des exemples du tableau.