Chimie
Cours de Chimie Structure de la matière
COURS DE CHIMIE ORGANIQUE
ALGEBRE LINEAIRE Cours et exercices
Notes de cours
Algèbre linéaire
Chapitre 2
Alg`ebre linéaire 1
Cours – Algèbre linéairepdf
L'algèbre linéaire pour tout le monde

Next PDF List

anuelminimdechimiegénéraleStructure de la matièreÉlisabeth BardezProfesseur des Universités honoraireau Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris)3eéditionCours + Exos9782100780938-Lim.fm Page I Mardi, 24. avril 2018 12:25 12© Dunod, 2007, 2014, 201811, rue Paul Bert, 92240 Malakoffwww.dunod.comISBN 978-2-10-078093-89782100780938-Lim.fm Page II Mardi, 24. avril 2018 12:25 1211.1ƒtats solide, liquide et gazeux 1Incidence des interactions intermolŽculaireset de lÕorganisation molŽculaire surles propriŽtŽs macroscopiques dÕune phase 21.

2) Corps purs et changements de phase des corps purs 5Changements de phase (ou changements dÕŽtat)des corps purs 51.

3) MŽlanges 10EncadrŽ 1. Tensioactifs, stabilisation13Points clefs14Exercices15Solutions1722.

1) Existence et constitution des atomes 22ƒlŽment et atome : dŽÞnitions 22Existence des atomes 22Constitution des atomes et des ions 232.

2) Atome, chimie et Žlectrons 25ƒtats de lÕŽlectron dans un atome 34ConÞguration Žlectronique 46EncadrŽ 2.Une histoire de photons et dÕŽlectrons : le LASER519782100780938-livreTDM.fm Page III Mardi, 24. avril 2018 12:28 12IVChimie généralePoints clefs53Exercices54Solutions593ƒlŽments et classiÞcation pŽriodique 693.

1) Les ŽlŽments et leurs symboles 70ƒlŽments : langage et histoire 70Abondance des ŽlŽments 723.

2) La classiÞcation pŽriodique des ŽlŽments 73ClassiÞcation et pŽriodicitŽ 73Blocs, groupes et familles chimiques 73EncadrŽ 3.La Classification périodique des éléments :science, imagination, art et même marketing783.3ƒvolution de propriŽtŽs au sein de la classiÞcationpŽriodique 80Dimensions des atomes 80ƒnergie dÕionisation 82ƒnergie de Þxation Žlectronique et afÞnitŽ Žlectronique 83ƒlectronŽgativitŽ 853.

4) Tendances de rŽactivitŽ chimique 86Tendance ˆ lÕionisation 87Points clefs88Exercices90Solutions934Noyau atomique, radioactivitŽ, masse et Žnergie 994.

1) Noyau atomique, radioactivitŽ et Žnergie nuclŽaire 100ReprŽsentation du noyau et dŽÞnitions 100ReprŽsentation des particules ŽlŽmentaires 101RadioactivitŽ 102Radio-isotopes : traceurs et sources radioactives 109EncadrŽ 4.Carbone 14 et datation110ƒnergie nuclŽaire 111EncadrŽ 5.Le Soleil, une énergie libérée par la fusion1159782100780938-livreTDM.fm Page IV Mardi, 24. avril 2018 12:28 12V4.

2) Masse atomique 115Masse dÕun atome : masse de son noyauou masse de ses nuclŽons ? 115Masse atomique et unitŽ de masse atomique (u) 1164.

3) Mole, masse molaire et quantité de matière 117La mole : un changement dÕŽchelle 117Masse molaire 118Points clefs120Exercices121Solutions1245La liaison covalente et ses modèles 1315.

1) Vue d'ensemble des liaisons interatomiques 1325.

2) Formation de la liaison covalente 133Origine de la liaison covalente 133Liaisons covalentes simples et multiples Ð Valence 1345.

3) Modèle de Lewis 136RŽpartition des liaisons covalentes autour dÕun atome 136ƒtablissement des structures de Lewis 1375.

4) Orbitales moléculaires de molécules diatomiques 140Des orbitales atomiques aux orbitales molŽculaires 140Orbitales molŽculaires liantes et antiliantes.2140MolŽcules homonuclŽaires A2formŽes par le ßuor,MolŽcules hŽtŽronuclŽaires AB 152Points clefs155Exercices156Solutions1586Liaison covalente et géométrie des molécules 1676.

1) Données structurales 167GŽomŽtries de H2O, NH3, CH4, BF3et BeH2168GŽomŽtries de C2H6, C2H4et C2H21699782100780938-livreTDM.fm Page V Mardi, 24. avril 2018 12:28 12VIChimie générale6.

2) ThŽorie de la liaison de valence et hybridationdes orbitales atomiques 169Localisation de la liaison covalente 169Hybridation des orbitales atomiques 1706.

3) MŽthode VSEPR 178Principe de la mŽthode VSEPR 178Formes des molŽcules 179EncadrŽ 6.Linus Carl Pauling : chimiste exceptionnel,homme engagé, personnalité atypique.184Points clefs185Exercices186Solutions1887vibrations, mŽsomŽrie 1957.

1) Enthalpie de liaison 196DŽÞnitions 196Comment varie lÕenthalpie de liaison ? 197Enthalpie de rŽaction 1977.

2) Longueur de liaison 198DŽÞnition et mesures 198Longueur de liaison et enthalpie de liaison 1987.

3) Moment dipolaire 198Moment dipolaire permanent 198Moments dipolaires en phase condensŽe 2017.

4) Vibrations molŽculaires 202Absorption dans lÕinfrarouge 202pour une molŽcule diatomique 202QuantiÞcation de lÕŽnergie et Žnergie de point zŽro 204Vibrations dans les molŽcules polyatomiques 2067.

5) MŽsomŽrie (ou rŽsonance) 206GŽomŽtrie de HNO3et NO3Ð206DŽlocalisation des Žlectrons p et mŽsomŽrie 207Stabilisation par rŽsonance 208MolŽcules polyatomiques conjuguŽes 2109782100780938-livreTDM.fm Page VI Mardi, 24. avril 2018 12:28 12VIIEncadré 7.LÕart de la conjugaison : de la couleuraux carotŽno•des214Points clefs215Exercices216Solutions2208Interactions non covalentes : ionique, de Van der Waalset liaison hydrogène 2278.

1) Interactions ion-ion et ion-dipôle 228Interaction ion-ion 228Interaction ion-dip™le 2308.

2) Interactions de Van der Waals 232Interaction dip™le-dip™le 232Interaction dip™le-dip™le induit 234Interaction dip™le instantanŽ-dip™le induit 235ƒnergie de Van der Waals 2388.

3) La liaison hydrogène 240Observations expŽrimentales 2408.

4) Récapitulatif et comparaisondes énergies mises en jeudans les liaisons intermoléculaires 244Encadré 8.La chimie et la vie.

LÕADN :un bel exemple dÕŽdiÞce supramolŽculaire245Points clefs247Exercices248Solutions 250Index 2559782100780938-livreTDM.fm Page VII Mardi, 24. avril 2018 12:28 129782100780938-livreTDM.fm Page VIII Mardi, 24. avril 2018 12:28 121États de la matière,corps purset mélangesentre son apparence macroscopique et sa constitution ˆ lÕŽchelleŽlŽmentaire ?1.1ÉTATS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE (OU PHASES)États solide, liquide et gazeuxPLAN1.

2) Corps purs et changements de phase des corps purs1.

3) MŽlangesOBJECTIFSchangements dÕŽtat.lÕŽtat liquide et lÕŽtat gazeux.du rŽcipient qui le contient, et son volume propre.¥Un liquide nÕa pas de forme propre.

Il prend la forme de lapartie du rŽcipient qui le contient; en revvolume propre.9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 1 Mardi, 24. avril 2018 11:50 112Chapitre 1 ¥ États de la matière, corps purs et mélangesLe tableau 1.1 rŽsume les points essentiels.phase liquide, phase gazeuse.Une mŽsophase (du grec " mesos » = intermédiaire, médian) est une phaseintermédiaire entre deux phases.

Ce terme s'applique notamment aux cristauxliquides, dont certaines propriétés les font assimiler à des liquides, et d'autres àdes solides.Incidence des interactions intermolŽculaireset de lÕorganisation molŽculaire surles propriŽtŽs macroscopiques dÕune phasea) Forces intermolŽculaires de cohŽsion et agitation thermiqueortanceprimordiale.Les interactions intermolŽculaires sÕopposent, dans une phasedonnŽe, ˆ lÕagitation propre des particules, qualiÞŽe dÕÇ agitationthermique È, car dÕautant plus importante que la tempŽrature est plus¥Un gaz (Žgalement appelŽ vapeur) sÕŽpand dans tout le rŽcipientqui le contient, dont il prend la forme et le volume, si grand soitcelui-ci.

Un gaz nÕa ni forme propre, ni volume propre ; un gazoccupe un volume.TABLEAU 1.1 PROPRIÉTÉS DÉFINISSANT LES TROIS ÉTATS DE LA MATIÈRE.ƒtatSymboleForme propreVolume propresolide S ou s oui ouiliquide L ou l non ouigazeux G ou g non nonLes diffŽrences observŽes ˆ lÕŽchelle macroscopique entre les Žtatssolide, liquide et gazeux sont dues aux interactions intermolécu-laires, sÕexerant entre les atomes, molŽcules ou ions constitutifsla cohŽsion de la phase.9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 2 Mardi, 24. avril 2018 11:50 111.1 ¥ États physiques de la matière (ou phases)3ŽlevŽe.

LÕagitation thermique est un mouvement incessant, totalementalŽatoire.LÕintensitŽ des forces intermolŽculaires au sein dÕune substancedonnŽe diminue gŽnŽralement quand on passe de la phase solide ˆlaphase liquide, mais diminue encore beaucoup plus quand on passe dela phase liquide ˆ la phase gazeuse.

LÕagitation thermique varie en sensinverse.

Les particules sont donc beaucoup plus rapprochŽes dans lesphases solide et liquide, quÕen phase gazeuse.La compression dÕun gaz tend ˆ rapprocher ses particules constitu-tives les unes des autres, et ˆ rŽduire le volume quÕil occupe.

EllenŽcessite un apport dÕŽnergie.

Au contraire, lÕexpansion qui tend ˆaugmenter naturellement le volume occupŽ, se produit sans apportdÕŽnergie extŽrieure, et Žloigne les particules les unes des autres.b) FluiditŽ et dŽsordreAu sein des liquides et a fortiori des gaz, les interactions ne sont pasassez fortes pour assurer la rigiditŽ.

Les particules sont mobiles lesßuiditŽ expliquant quÕils Žpousent la forme de leur contenant.

Lesfluides que sont les liquides et les gaz sont cependant sensiblementdiffŽrents les uns des autres.L'agitation des particules gazeuses est considérable : dans l'air qui nous entoure,les molécules de dioxygène et de diazote ont, à la température ambiante, unevitesse de l'ordre de 1 800 km.h-1, soit une vitesse supérieure à celle du son qui estde l'ordre de 1 250 km.h-1LÕŽtat gazeux est donc dŽsordonnŽ.

Le gaz parfait, o aucune inter-action entre les particules ne vient contrarier lÕagitation molŽculaire,Dans lÕŽtat liquide, lÕagitation des particules est limitŽepar leurproximitŽ mutuelle, un liquide est moins dŽsordonnŽ quÕun gaz ;Les solides et les liquides sont de ce fait peu comprimables ; ce sontdes phases condensées.

En revanche, les gaz dans les conditionsusuelles sont aisŽment compressibles ; ce sont des phases diluŽes.Un gaz dans lequel les interactions entre atomes ou molŽcules sontune des particularitŽs est que ses particules sont supposŽes sansinteractions mutuelles.9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 3 Mardi, 24. avril 2018 11:50 114Chapitre 1 ¥ États de la matière, corps purs et mélangescependant, lÕagitation molŽculaire permet ˆ des liquides miscibles misen contact de se mŽlanger, comme par exemple lÕeau et lÕŽthanol.Selon lÕimportance des forces intermolŽculaires sÕopposant ˆlÕagitation thermique et au glissement des particules les unes sur lesautres, les liquides sont plus ou moins visqueux.

Les huiles sont desliquides visqueux, les colles le sont encore plus.

La viscositŽ diminuequand lÕagitation molŽculaire augmente, donc lorsque la tempŽratureaugmente.c) Solides : de lÕordre au dŽsordreLe cuivre Cu, le quartz (silice SiO2cristallisŽe), le chlorure de sodiumNaCl, la glace (H2O solide) sont des solides cristallins.

Chacun dÕeuxillustre un type donnŽ de solides cristallins : cristaux mŽtalliques,covalents, ioniques et molŽculaires.Les structures cristallines sont, soit isotropes1comme, par exemple, lastructure du diamant, soit anisotropes2comme la structure du graphite,le diamant et le graphite correspondant ˆ deux cristallisations diffŽ-rentes du carbone (figure 1.1).

Il en rŽsulte des propriŽtŽs spŽciÞques :optiques, Žlectriques, mŽcaniques, etc. diffŽrentes.Au sein des phases solides, les particules ŽlŽmentaires peuvent trecristalline.s.2.Dont les propriŽtŽs varient en fonction de la direction.Figure 1.1 Structure isotrope du diamant et structure lamellaire du graphite.Les cercles rouges représentent les atomes de carbone ; les traits noirs, les plus courtesdistances entre atomes de carbone, zones privilégiées où s'établissent les liaisonschimiques.diamantgraphite9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 4 Mardi, 24. avril 2018 11:50 111.2 ¥ Corps purs et changements de phase des corps purs5Exemple.LÕorganisation des atomes de carbone en plans dÕhexagones duutilisŽ comme lubriÞant avec lÕavantagequÕil rŽsiste ˆ des tempŽraturesŽlevŽes (jusquÕˆ 3 600 ¡C) et quÕil est insoluble dans de nombreuxsolvants.

Au contraire, le diamant est la substance la plus dure connue,utilisŽe comme abrasif.Le caoutchouc, le verre, le beurre, etc. sont amorphes.

LorsquÕonaugmente la tempŽrature, ces solides fondent sans changement de structure.

Les solides amorphes sont en quelque sorte des liquides ÞgŽs.Il existe aussi des situations plus complexes o certaines structuressont douŽes dÕun ordre cristallin partiel.

Par exemple, un cristal liquideest dŽsordonnŽ comme un liquide dans certaines directions, et ordonnŽcomme un cristal dans dÕautres.

Les gels, les collo•des, les polymetc. sont encore dÕautres exemples. Ë chaque fois, les formes spŽciÞ-ques des molŽcules constituantes permettent dÕexpliquer la constitu-ment est aujourdÕhui source de bioinspiration, tendance majeure delÕinnovation en recherche et dans les applications.1.

2) CORPS PURS ET CHANGEMENTS DE PHASE DES CORPS PURSChangements de phase (ou changements dÕŽtat)des corps pursa) DŽÞnitionsDÕautres solides ne prŽsentent pas dÕorganisation ordonnŽe, leurstructure est dite amorphe.peut tre un corps simple ou un corps composŽ.seul ŽlŽment chimique.

Par exemple : lÕhŽlium (He), le cuivre (Cu),2), le diazote (N2ŽlŽments dans des proportions Þxes et dŽterminŽes.

Par exemple :lÕeau (H2O), le chlorate de sodium (NaClO3), lÕŽthanol (C2H5OH).Les changements de phase (ou changements dÕŽtat) dÕun corpspur sont les transformations inversibles dÕune phase en une autre.9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 5 Mardi, 24. avril 2018 11:50 116Chapitre 1 ¥ États de la matière, corps purs et mélangesIls sont schŽmatisŽs sur la Þgure 1.2.avec le milieu extŽrieur ˆ pression constante sont des quantitŽs dechaleur appelŽes chaleurs latentes de changement dÕŽtat.Lors de la vaporisation (transformation 3), la phase vapeur estcaractŽrisŽe par sa pression de vapeur, qui augmente avec la tempŽra-ture.

Si la tempŽrature est telle que la pression de vapeur est infŽrieureˆ la pression atmosphŽrique, on observe lÕévaporation (lÕŽvaporationde lÕeau permet le sŽchage du linge, par exemple) ; si la tempŽrature aatteint la valeur ˆ laquelle la pression de vapeur est Žgale ˆ la pressionatmosphŽrique, on observe lÕébullition.Les transformations 4 et 6 correspondent au passage de la phasegazeuse vers les phases condensŽes, soit liquide, soit solide ; ce sontdes condensations.

Pour les distinguer, il peut tre prŽcisŽ Ç conden-sation en phase liquide È, ou Ç condensation en phase solide È.Figure 1.2 Changements de phase d'un corps pur.LGS1265341. fusion2. solidification ou congÈlation3. vaporisation4. condensation ou liquÈfaction5. sublimation6. condensationFigure 1.3 Sublimation de la carboglace : CO2(s) AE CO2(g).Les clichés (a) et (b) ont été pris à une heure d'intervalle.

La condensation de la vapeurd'eau ambiante sur les vapeurs de CO2émises à - 78 °C permettent de matérialiser cesdernières par le brouillard d'eau formé.(a)(b)9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 6 Mardi, 24. avril 2018 11:50 111.2 ¥ Corps purs et changements de phase des corps purs7La sublimation (transformation 5) est le passage direct de la phasesolide vers la phase vapeur, sans apparition de liquide intermŽdiaire.Peu de corps purs se subliment ˆ la pression atmosphŽrique.On peut citer la carboglace (ou neige carbonique, dioxyde de carbone solide) quise sublime à - 78 °C, est ainsi utilisée pour la réfrigération dans les avions, sur lesplages, etc., avec l'avantage de ne pas " mouiller » (figure 1.3).b) TempŽrature et changement dÕŽtat des corps pursLÕexpŽrience montre que la succession des transformations dÕuncorps pur : S∆ L ∆ G est provoquŽe, ˆ pression constante, par unapport de chaleur.Analyse thermique. ƒtudions cette succession de transformations dansun rŽacteur fermŽ1soumis ˆ un Žchauffement rŽgulier dans le temps,me estenregistrŽe en fonction du temps.

La courbe obtenue, appelŽe courbedÕanalyse thermique, est schŽmatisŽe sur la figure 1.4.Quand une seule phase est prŽsente, lÕapport de chaleur provoqueune augmentation de sa tempŽrature.En revanche, pendant tout le temps de la fusion S∆ L, puis delÕŽbullition L∆ G, la tempŽrature reste constante tant que les deuxle milieu extŽrieur.Figure 1.4 Courbe d'analyse thermique d'un corps pur.TGLSpEpF solidificationfusion condensationébullition temps (donc apport de chaleur)9782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 7 Mardi, 24. avril 2018 11:50 118Chapitre 1 ¥ États de la matière, corps purs et mélangesphases coexistent.

LÕapport de chaleur provoque alors le changementdÕŽtat ˆ tempŽrature constante.au parcours de la mme courbe en sens inverse.ƒquilibres de fusion et dÕŽbullition.Imaginons que, soit au cours dela fusion, soit au cours de lÕŽbullition, on isole1rature reste alors constante dans le temps et Žgale respectivement auxtempŽrature de fusion (notŽe Tfou pF), et tempŽrature dÕŽbullition(notŽe Teou pE).

Les quantitŽs des phases solide/liquide, ou liquide/lÕŽquilibre solide/liquide, schŽmatisŽ par S 6 Lou delÕŽquilibre liquide/vapeur, schŽmatisŽ par L 6 G.Dans l'un ou l'autre cas, un tel système, comme tout système en état d'équilibre, n'estpas figé.

En effet, l'invariance des quantités de matière dans chaque phase ne résultepas de l'absence de transformations : les deux transformations opposées continuent àavoir lieu, mais à la même vitesse.TempŽratures de fusion et dÕŽbullition.

La tempŽrature de fusion etla tempŽrature dÕŽbullition dÕun corps pur ˆ la pression atmosphŽriquefont partie de ses propriŽtŽs physiques, et peuvent servir ˆ lÕidentiÞer.Le tableau 1.2 permet de comparer plusieurs substances.ergie avec le milieu extŽrieur.TABLEAU 1.2 TEMPÉRATURES DE FUSION, ET D'ÉBULLITIONDE QUELQUES SUBSTANCES SOUS 1 BAR.L'état physique dans les conditions habituelles de température et de pression estindiqué entre parenthèses.pF (¡C)pE (¡C)Iridium (s)2 450 4 430Quartz (s)1 610 2 230Cuivre (s)1 084 2 562Chlorure de sodium (s)801 1 413Eau (l)0 100ƒthanol (l)- 114,5 78,49782100780938-Bardez-01-ch01.fm Page 8 Mardi, 24. avril 2018 11:50 111.2 ¥ Corps purs et changements de phase des corps purs9Les tempŽratures de changement dÕŽtat reߎtant elles aussi lÕimportance des liaisonsintermolŽculaires au sein des phases, la cohŽsion de la phase solide, illustrŽe par lavaleur du pF, et celle de la phase liquide, illustrŽe par la valeur du pE, croissent debas en haut pour les substances dutableau 1.2.c) Diagramme dÕŽtat du corps purLes tempŽratures de changement dÕŽtat sont fonction de la pression.Les courbes correspondantes (courbe de fusion, courbe dÕŽbullition etcourbe de sublimation) sont rassemblŽes sur le diagramme d'état ducorps pur (figure 1.5).Ces courbes concourent au point triple T, dont les coordonnŽessont spŽciÞques de chaque corps pur.

En ce point, les trois phasescoexistent.

La tempŽrature du point triple de lÕeau dŽÞnit le kelvin etvaut 273,16 K (P = 6,11 mbar).La courbe dÕŽbullition sÕarrte au point critique C, de coordonnŽesTC, PC.

Si on chauffe un liquide au-delˆ de TC, lÕinterface entre lesphases liquide et vapeur dispara"t ; le corps pur est alors dans lÕŽtat defluide supercritique.

Le tableau 1.3 donne les constantes critiques dequelques corps purs.On constate que les trois gaz principaux constituant lÕair (N2, O2et Ar)sont, ˆ la tempŽrature ambiante, au-delˆ de leur tempŽraturecritique.Figure 1.5 Allure gŽnŽrale du diagramme dÕŽtat dÕun corps pur.CTTPGLSTCPCfusionsublimationébullition97821007809