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5

Séquence 1 – SP12

> Physique :

Interactions

> Chimie : La réactionchimique

© Cned – Académie en ligne



7

Sommaire séquence 1 – SP12

Physique >

Interactions

Chapitre 1

>

Les différentes interactions .........................................................................................

Chapitre 2

>

Interactions fondamentales ..............................................................................................

Chapitre 3

>

Forces s’exerçant sur un solide ...................................................................................

Résumé

Exercices

Chimie >

La réaction chimique

Chapitre 1

>

Utilité et danger des réactions chimiques ..........................................

Chapitre 2

>

Mole et masse molaire ..............................................................................................................

Chapitre 3

>

Équation d’une réaction chimique .....................................................................

Chapitre 4

>

Avancement d’une réaction ............................................................................................

Résumé

Exercices

9

10

12

22

23

24

25




8


Physique

Objectifs

Savoir calculer la valeur d’une force gravitationnelle.

Connaître les particules élémentaires constituant le noyau.

Connaître l’existence de forces électriques et savoir les calculer.

Savoir qu’entre les nucléons s’exerce une interaction appelée interaction forte.

Connaître la condition d’équilibre d’un corps soumis à deux forces.

Savoir identifier les différentes forces agissant sur un solide.





9

Observons un ballon en mouvement : on constate une déviation de sa trajectoire lorsqu’il rencontreun obstacle et il est naturel de dire que cette déviation est due à l’action de l’obstacle sur le ballon.Cette action exercée par un corps sur un autre est encore appelée « force » ou « interaction » et on lamodélise par un vecteur c’est-à-dire par une grandeur possédant une direction, un sens et une valeur(ou norme du vecteur).

Il existe plusieurs types d’interactions possibles entre deux corps. Certaines sont appelées interactionsfondamentales car elles s’exercent même entre des corps extrêmement petits tels que des particulesélémentaires (protons, neutrons ou électrons par exemple).

Comme interaction fondamentale, nous étudierons l’interaction gravitationnelle, l’interaction élec-trostatique et l’interaction forte.

Nous étudierons également des forces macroscopiques s’exerçant sur un solide. Le terme« macroscopique » qualifie des forces s’exerçant sur des objets à notre échelle (qu’on peut voir à l’œilnu) et qui contiennent donc un nombre extrêmement grand de particules.

C’est ainsi par exemple que lorsqu’un ballon en mouvement rencontre un poteau, la force exercée parle poteau sur le ballon est une force macroscopique s’exerçant sur le ballon. Même si l’on est con-vaincu que cette force résulte d’un très grand nombre d’interactions entre les atomes du ballon etceux du poteau, on sait bien qu’il serait impossible de détailler chacune de ces interactions et l’onparle globalement de la force exercée par le poteau sur le ballon.

De même, lorsqu’on parle de l’action gravitationnelle exercée par le Soleil sur la Terre, on ne cherchepas à détailler chaque interaction entre une particule du Soleil et une particule de la Terre !

L’interaction gravitationnelle est ainsi une interaction fondamentale puisqu’elle peut s’exercer entredeux particules élémentaires, mais elle doit être considérée comme une force « macroscopique »lorsqu’on considère la force de gravitation s’exerçant entre deux objets comprenant un très grandnombre de particules.

Les différentes interactions




10


La matière est constituée d’atomes, chaque atome contient un noyau autour duquel se trouve lenuage d’électrons.

Les particules du noyau sont appelées nucléons, il en existe deux sortes : les protons chargés positive-ment et les neutrons qui ne portent pas de charge électrique.

La masse d’un proton et la masse d’un neutron sont pratiquement égales.

Les électrons se trouvent autour du noyau, chacun porte une charge négative qui compense exacte-ment celle d’un proton. Comme dans un atome, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons

du noyau (ce nombre est appelé nombre de charge), l’atome est globalement électriquement neutre.La masse d’un électron est beaucoup plus faible que celle d’un proton ou d’un neutron (environ deuxmille fois plus faible).

Particules élémentaires

Si le noyau d’un atome contient Z protons et N neutrons, il y a Z électrons autour du noyau.

Z est appelé nombre de charge ou numéro atomique.

Le nombre total de nucléons est appelé nombre de masse, on le note M ou A.

Un noyau X dont Z est le nombre de charge et A le nombre de masse s’écrit :

Activité 1

À l’aide des valeurs numériques indiquées dans le tableau ci-dessus, calculer la masse et la charge

électrique du noyau de lithium : ainsi que la charge et la masse de l’atome correspondant.

Lorsque deux particules, l’une de masse m et l’autre de masse sont situées à une distance d l’unede l’autre, elles s’attirent par l’effet de la loi de gravitation universelle. Les deux forces gravitationnel-les exercées par chacune des deux particules sur l’autre ont même direction, sont de sens opposésmais ont même valeur.

La valeur de cette force est donnée par la loi de Newton :Dans cette relation, G est une constante appelée constante de gravitation universelle, elle vaut envi-

ron dans le système international d’unités (noté S.I. en abrégé).

A

Les particules élémentaires

Nom Masse (en kg) Charge (en C)

Proton

Neutron 0

Electron

B

Interaction gravitationnelle

Interactions fondamentales

1 67, 10 27 – ⋅ 1 6, 10 19 – ⋅+

1 67, 10 27 – ⋅

9 1, 10 31 – ⋅ 1 6, – 10 19 – ⋅

XAZ

Li73

m′,

F F′ G

mm ′

d2----------= =

6 67, 10 11 – ⋅





11

La même relation s’applique pour deux objets macroscopiques, lorsque ces deux objets peuvent êtreassimilés à des boules dont les centres respectifs sont en O et situés à une distance d l’un del’autre.

Ainsi la relation permet de calculer la valeur de la force d’attraction entre deux

astres de masses respectives m et dont les centres sont situés à une distance d l’un de l’autre.

C’est cette force gravitationnelle qui régit l’univers à l’échelle astronomique, elle permet d’expliquer

le mouvement des planètes autour des étoiles et de calculer la force d’attraction entre les galaxies.

Activité 2

Sachant que la constante de gravitation universelle vaut calculer la valeur de la force de gravitation s’exerçant entre deux boules de même masse égale à 1 gramme dont les centres sont situés à 20 cm l’un de l’autre.

Lorsque deux particules, l’une de charge q et l’autre de charge sont situées à une distance d l’une

de l’autre, elles exercent l’une sur l’autre des forces qui sont attractives lorsque les charges q etsont de signes contraires mais qui sont répulsives lorsque les deux charges sont de même signe. Lesforces électriques exercées par chacune des deux particules sur l’autre ont même direction, sont de

sens opposés mais ont même valeur. En notant la valeur absolue du produit des deux charges,

la valeur de la force est donnée par la loi de Coulomb :

Dans cette relation, k est une constante égale à dans le système international d’unités. L’inte-raction électrique est à l’origine de la plupart des phénomènes d’observation courante : en effet, ellepermet non seulement d’expliquer tous les phénomènes dits « électriques » tels que la foudre ou lepassage du courant dans un circuit mais elle permet aussi d’expliquer le modèle de l’atome et donc decomprendre les réactions chimiques qui se produisent entre les atomes.

Activité 3

Représenter la force électrique exercée par la particule de droite sur la particule de gauche et la

force électrique exercée par la particule de gauche sur la particule de droite dans les quatre cas ci- dessous :

Nous avons dit précédemment que le noyau contient des protons et des neutrons. Or, le noyau d’unatome est très petit (ses dimensions sont environ cent mille fois plus faibles que celle de l’atome) etles nucléons sont donc très proches les uns des autres ! Comme l’interaction électrostatique quis’exerce entre deux particules est d’autant plus grande que ces particules sont proches l’une del’autre, les protons du noyau se repoussent très fortement. La stabilité du noyau ne peut s’expliquerqu’en considérant un autre type d’interaction que l’interaction électrostatique (il ne peut s’agir del’interaction gravitationnelle négligeable par rapport à l’interaction électrostatique entre deux pro-tons). Cette nouvelle force est appelée interaction forte, elle s’exerce entre toutes les particules dunoyau, protons comme neutrons ; il s’agit d’une force attractive qui ne se manifeste qu’entre deuxparticules extrêmement proches si bien qu’on n’aura pas à tenir compte de l’interaction forte entredes neutrons ou des protons qui ne sont pas réunis au sein d’un même noyau.

C

Interaction électrique

D

Interaction forte

O′

F F′ Gmm ′

d2----------= =

m′

G 6 67, 10 11 – S.I.,⋅=

q′,

q′

qq ′

F F′ kqq ′

d2---------- .= =

9 109⋅

F

F′

+ + + – – – – +




12


Tous les objets qui nous entourent sont soumis à l’interaction gravitationnelle avec la Terre. Bienentendu, il y a aussi interaction gravitationnelle de tous ces objets les uns avec les autres, mais cesinteractions sont tout à fait négligeables par rapport à celle qui s’exerce avec la Terre car la masse dela Terre est très importante. La force gravitationnelle qu’exerce la Terre sur un objet proche est appe-lée poids de l’objet (ceci n’est pas parfaitement rigoureux car dans le poids de l’objet intervient aussiun effet dû à la rotation de la Terre et expliquant en particulier que le poids d’un objet n’est pas exac-tement le même aux pôles qu’à l’équateur, mais nous n’entrerons pas dans ces détails).Le poids P d’un objet de masse m devrait donc s’écrire :

ou

Mais, lorsque nous étudions des objets situés au voisinage du sol, le terme peut être considéré

comme constant puisque G est la constante de gravitation universelle, la masse de la terre et que la

distance d entre l’objet situé au voisinage du sol et le centre de la Terre peut être assimilé au rayon de la

Terre. Nous noterons g ce terme et nous l’appellerons intensité (ou valeur) de la pesanteur.

Nous représenterons ainsi le poids d’un objet par une force verticale, dirigée vers le bas selon la verti-cale, de module et nous l’appliquerons en un point du solide appelé centre de gravité (qui,pour des solides « simples » se confond avec leur centre géométrique).

Activité 4

On donne ainsi que la masse de la Terre et son rayon

On considère un objet de masse situé à proximité du sol (donc situé à une

distance d du centre de la Terre égale à 6 400 km). Calculer le poids de cet objet de deux façons

différentes ; en utilisant la relation : puis en utilisant la relation avec

Sur la figure ci-contre on a représenté un solide initiale-ment immobile (en forme de boule, mais cela n’a pas

d’importance) soumis à deux forces : et

C’est seulement dans le cas n

o

4 que le solide peut resteren équilibre (c’est-à-dire immobile). En effet dans le casn

o

1, les deux forces qui tirent dans le même sens vontdéplacer le solide vers la droite, dans le cas n

o

2, les deuxforces vont le déplacer en biais (direction indiquée en poin-tillés sur le schéma) et dans le cas n

o

3, elles vont le fairetourner (sens de rotation indiqué en pointillés).

A

Poids d’un corps

B

Équilibre d’un solide soumis à deux forces

Forces s’exerçant sur un solide

P G mMT

d2-----------= P mG MT

d2------- .=

GMT

d2-------

MT

GMT

d2-------

P mg=

G 6 67, 10 11 – S.I.⋅= MT 6 1024 kg⋅=

R 6 400 km.= m 1 kg=

P GmMT

d2-----------= P mg=

g 9 8 N kg 1

– .⋅ , =

F1

F2

cas n o 1

F1

F2

cas n

o 2

F1 F2.





13

L’immobilité ne peut être obtenue que si les deuxforces sont opposées (même direction, sens oppo-sés et même valeur) et que si elles ont le même sup-port (c’est-à-dire qu’elles sont portées par la mêmedroite). Un exemple en est fourni par le cas n

o

4.

nous verrons dans la séquence suivante que cette conditionn’est pas suffisante. En effet, pour que le solide reste immobile, il faut aussi qu’on ne lui ait pas communiqué initialement de vitesse.

Activité 5

Les solides ci-dessous sont tous soumis à une force verticale vers le haut et à une autre force de même valeur. Indiquer dans quels cas les solides resteront immobiles (en admettant qu’ils soient initialement immobiles).

cas n

o

1 cas n

o

2 cas n

o

3 cas n

o

4 cas n

o

5

La figure ci-contre représente un objet suspendu à un fil.

Cet objet est évidemment soumis à son poids (qui le « tire » vers le bas). S’il resteen équilibre, c’est qu’une force doit compenser en le « tirant » vers le haut. Cette

force exercée par le fil sur l’objet est appelée tension du fil et notée .

L’équilibre n’est possible que si le poids de l’objet et la tension du fil ont la mêmevaleur. (ces deux forces doivent aussi avoir le même support matérialisé ici par le filvertical).

Cette tension manifeste la tendance du fil, étiré par la charge qu’il soutient, à reprendre sa longueur initiale. Cette même tendance se manifeste à l’autre extrémité du fil par une force appelée aussi tension et de même valeur que

celle de mais de sens opposé : les deux forces et agissent dans le sens du raccourcissement du fil.

Si nous avions mis un ressort à la place du fil, nous aurions cons-taté un allongement du ressort (allongement noté x sur leschéma). Nous admettrons que, pour les ressorts usuels, à spiresnon jointives, la valeur de la tension est proportionnelle à l’allon-gement du ressort. On calcule donc la tension d’un ressort par unerelation de la forme : .

Dans cette relation, K est une caractéristique du ressort appelée

raideur du ressort.

C

Tension d’un fil

cas n o 3

cas n

o 4

F1

F2

F1

F2

Remarque

F F′

F'

F F

F'

F'

F

F'

F

F'

F

T

P

P

T

Remarque TT′

T T T′

T

P

x

ressort "à vide"

(sans surcharge)

T Kx=




14


Activité 6

En quelle unité s’exprime la raideur d’un ressort dans le système international ?

Activité 7

Calculer la raideur d’un ressort qui s’allonge de 2 cm lorsqu’on suspend à son extrémité libre une masse de 100 g en un lieu où l’intensité de la pesanteur vaut

La figure ci-contre représente un objet posé sur un plan. Cet objet estsoumis à son poids (qui le « tire » vers le bas). S’il reste en équili-bre, c’est là aussi qu’une force doit compenser en le « poussant » versle haut et cette force est verticale puisqu’elle doit avoir la même direc-tion que le poids (mais elle doit être de sens contraire, donc vers lehaut).

Cette force exercée par le plan sur l’objet est appelée réaction du planet on la note

Si le plan est horizontal comme sur le schéma 1, la réaction qui estverticale est perpendiculaire au plan (ou ce qui est synonyme, normaleau plan) et on parle alors de réaction normale. En revanche, dans le

schéma 2, la réaction (toujours verticale pour annuler les effets dupoids et permettre l’équilibre) n’est plus perpendiculaire au plan. On

traduit cela parfois en disant que la réaction se décompose en une

réaction normale perpendiculaire au plan et en une réaction tan-

gentielle (appelée aussi force de frottement ) parallèle au plan.

Lorsqu’on cherche à faire le bilan des forces s’exerçant sur un solide situé au voisinage du sol de laTerre, il convient de commencer par mentionner le poids pour être sûr de ne pas l’oublier. Il faut regar-der ensuite si le solide est soumis à des forces à distance (telles que des forces électrostatiques si lesolide porte une charge) puis dénombrer les forces de contact exercées par les objets en contact avec

le solide étudié : si le solide est suspendu à un fil, on tiendra compte de la force exercée par le fil sur

le solide (notée tension du fil) et si le solide repose sur un plan, on tiendra compte de la force exer-

cée par le plan sur le solide (notée réaction du plan).

D

Réaction d’un plan

E

Bilan des forces s’exerçant sur un solide

g 9 8 N kg 1

– .⋅ , =

R

Schéma 1

R

R N

RT

Schéma 2

Le poids du solide n’a pas étéreprésenté pour ne pas sur-

charger les schémas.

P

R.

R

R

R

RN

RT f

T

R





15

ésumé

La valeur de l’interaction gravitationnelle entre deux objets de masses respectives m et sépa-

rées par une distance d se calcule par la formule de Newton :

La valeur de l’interaction électrique entre deux particules de charges électriques respectives q et

séparées par une distance d se calcule par la formule de Coulomb :

Nous utilisons ces relations dans le système international d’unités dans lequel les masses sont exprimées en kilogramme (kg), les charges en Coulomb (C), les distances en mètre (m) et les forces en newton (N).

Le noyau d’un atome contient des protons et des neutrons : le nombre de protons est appelé nom-bre de charge, le nombre total de nucléons (protons et neutrons) est appelé nombre de masse.

Dans le noyau, des forces électriques répulsives s’exercent entre les protons, la stabilité du noyauest due à l’interaction forte, force attractive entre toutes les particules du noyau.

Un solide, initialement immobile, et soumis à deux forces reste en équilibre si ces deux forces ontmême support et si elles sont opposées (mêmes directions, sens opposés, mêmes valeurs).

Les forces agissant sur un solide sont (outre d’éventuelles forces électriques si le solide est chargé) :le poids, de valeur et les forces exercées par les autres objets en contact avec ce solide : s’ilrepose sur un plan, on appelle réaction la force exercée par le plan sur le solide, s’il est attaché à unfil, on appelle tension du fil la force exercée par le fil sur le solide. S’il s’agit, non d’un fil mais d’unressort de raideur K, la valeur de la tension est proportionnelle à l’allongement x du ressort selon larelation :

m′

F Gmm ′

d2---------- .=

q′

F kqq ′

d2---------- .=

P mg,=

T Kx.=




16 Séquence 1 – SP12

Savoir calculer la valeur d’une forcegravitationnelle

Exercice 1

Vrai ou faux

Indiquer si les propositions suivantes sont exactes ou non :

a) C’est la même relation mathématique qui permet de calculer la force gravitationnelle s’exerçantentre la Lune et la Terre et la force gravitationnelle s’exerçant entre deux particules élémentaires.

b) Lorsque la distance entre deux particules double, la force gravitationnelle entre ces deux particulesdevient deux fois plus faible.

c) La force gravitationnelle est toujours attractive.

d) Si un objet X a une masse dix fois plus grande qu’un objet Y, la force gravitationnelle exercée parl’objet X sur l’objet Y est dix fois plus importante que la force gravitationnelle exercée par l’objet Y surl’objet X.

Exercice 2

L’influence d’Uranus

La masse de la planète Uranus vaut environ Au cours de son mouvement, sa dis-tance minimale à la Terre est d’environ 2 600 millions de kilomètres (on peut considérer que cette dis-tance est si grande qu’elle est la même en tout point de la Terre). Connaissant la valeur de laconstante gravitationnelle : calculer la force gravitationnelle qu’exerce alorsla planète Uranus sur un individu de masse situé sur la Terre. Comparer à la valeur dupoids terrestre de l’individu (valeur de la force exercée par la Terre sur l’individu). On prendra

Exercice 3

Champ de pesanteur terrestre, lunaire et martienne

Donner l’expression littérale de la valeur F de la force de gravitation qu’exerce sur un objet de massem une planète de masse M et de rayon R lorsque l’objet est suffisamment proche du sol de la planètepour qu’on puisse confondre la distance entre l’objet et le centre de la planète avec le rayon R.

Cette valeur F de la force de gravitation exercée par la planète peut être confondue avec le poidsP de l’objet sur cette planète et peut donc l’écrire sous la forme

En déduire la valeur g de la pesanteur à la surface de la planète.

Application numérique : calculer la valeur de la pesanteur à la surface de la Terre, de la Lune et deMars en utilisant le tableau ci-dessous et connaissant

Terre Lune Mars

Rayon R (en km) 6 400 1 700 3 400

Masse M (en ) 60 0,7 6

xercices

M 9 1025 kg.⋅=

G 6 67, 10 11 – S.I.,⋅=

m 60 kg=

g 9 8 N kg 1

– .⋅ , =

F P mg.= =

G 6 67, 10 11 – S.I.⋅=

1023 kg





17

Connaître les particules élémentaires constituantle noyau

Exercice 4

L’atome de sodium Na et l’ion

Pour faire cet exercice, on utilisera les valeurs numériques données dans le cours et concernant lesvaleurs de la charge et de la masse des particules élémentaires.

On considère l’atome de sodium (de symbole Na) dont le noyau contient 11 protons et 12 neutrons.

Indiquer le nombre de charge de ce noyau et son nombre de masse.

Calculer la masse de ce noyau et sa charge électrique.

Calculer la masse de l’atome correspondant à ce noyau et sa charge électrique.

Cet atome peut perdre un électron pour donner un ion Calculer la masse et la charge d’untel ion.

Exercice 5L’atome de chlore et l’ion chlorure

Pour faire cet exercice, on utilisera les valeurs numériques données dans le cours et concernant lesvaleurs de la charge et de la masse des particules élémentaires.

On considère l’atome de chlore (de symbole Cl) dont le noyau contient 17 protons et 18 neutrons.

Indiquer le nombre de charge de ce noyau et son nombre de masse.

Calculer la masse de ce noyau et sa charge électrique.

Calculer la masse de l’atome correspondant à ce noyau et sa charge électrique.

Cet atome peut gagner un électron pour donner un ion chlorure Calculer la masse et lacharge d’un tel ion.

Connaître l’existence de forces électriqueset savoir les calculer

Exercice 6

Forces électriques dans un cristal de chlorure de sodium

Le chlorure de sodium est constitué d’un empilement d’ions et d’ions La distance entre union et l’ion le plus proche vaut 282 pm.

Calculer la valeur de la force électrique s’exerçant entre ces deux ions voisins.L’ion porte une charge et l’ion une charge la cons-

tante électrique vaut et un picomètre (pm) vaut

Exercice 7

Forces électriques et gravitationnelles dans l’atome d’hydrogène

Connaissant et et en utilisant les valeurs numériques du

tableau du paragraphe 2.A, calculer la force de gravitation ainsi que la force électrique s’exerçantentre le noyau d’un atome d’hydrogène constitué d’un seul proton, et un électron situé àdu noyau.

Que peut-on en conclure ?

Na+

Na+.

Cl–.

Na+

Cl–

.Na+ Cl–

Na+ q 1 6, 10 19 – C⋅= Cl– q′ 1 6, – 10 19 – C,⋅=

9 109 S.I.⋅ 10 12 – m.

G 6 67, 10 11 – S.I.⋅= k 9 109 S.I.⋅=

0 5, 10 10 – m⋅




18


Exercice 8

Conducteurs et isolants

Lire attentivement le texte ci-dessous avant de répondre aux questions qui le suivent.

« Comme les électrons, qui portent une charge négative, sont attirés par le noyau qui porte unecharge positive avec une force dont la valeur peut être calculée par la relation de Coulomb, on pour-rait s’attendre à ce qu’ils soient toujours retenus près du noyau. Mais la réalité est plus complexe, ne

serait-ce qu’à cause de la répulsion qu’exercent les uns sur les autres les différents électrons. C’estainsi que dans un métal, les électrons quittent aisément leur atome d’origine et circulent à l’intérieurdu métal. Les métaux sont donc de bons conducteurs de l’électricité. En revanche, d’autres solides nese laissent pas ainsi parcourir par des électrons et sont utilisés comme isolant.

Dans un certain nombre de phénomènes d’électrisation, des électrons sont arrachés par frottement :c’est-à-dire qu’en frottant fortement deux objets l’un contre l’autre (par exemple un bâton de verrefrotté sur un drap), on constate que l’un d’entre eux devient chargé négativement en prenant desélectrons à l’autre qui devient chargé positivement.

Malheureusement, le corps humain est assez bon conducteur de l’électricité, si bien que vous« ressentez une décharge » lorsque vous touchez un corps chargé car les charges électriques vont tra-verser votre corps pour s’écouler dans le sol et, plus grave, vous risquez l’électrocution si vous entrez

accidentellement en contact avec des appareils électriques mal isolés ».

Citer quelques métaux courants ainsi que des corps isolants.

Le texte parle de décharge électrique ressentie en touchant un corps qui a été chargé par frotte-ment. Donner un exemple.

Pourquoi les risques d’électrocution sont-ils plus grands dans une salle de bains ?

Savoir qu’entre les nucléons s’exerceune interaction appelée interaction forte

Exercice 9

Le noyau de l’atome d’hélium

On étudie le noyau d’un atome d’hélium contenant deux protons (portant chacun une charge égale à) et deux neutrons. La distance entre deux nucléons peut être estimée à

Connaissant calculer la force électrique entre deux protons de ce noyau.

Comment peut-on expliquer qu’en dépit de cette force répulsive, le noyau soit stable ?

Exercice 10

Cohésion de la matière

Lire attentivement le texte ci-dessous avant de répondre aux questions qui le suivent.

« À l’échelle astronomique, ce sont les forces gravitationnelles qui expliquent la structure de l’univers.C’est en effet la force gravitationnelle qui explique le mouvement de la Terre autour du Soleil en courbantsans cesse sa trajectoire de façon à ce qu’elle décrive un cercle alors que sans cette force, elle irait en lignedroite se perdre dans l’espace infini.

À l’échelle de l’atome, ce sont les forces électriques qui expliquent la structure de la matière : en effet, lesforces gravitationnelles entre particules sont négligeables par rapport aux forces électriques. Ce sont doncles forces électriques qui permettent d’expliquer les réactions chimiques entre les différents atomes et decomprendre les arrangements entre atomes pour former des solides.

À l’échelle du noyau, c’est l’interaction forte qui explique la stabilité du noyau. Sans elle, les noyauxseraient dissociés par les forces électriques répulsives entre les protons. Mais l’interaction forte est àcourte portée : elle n’intervient entre les nucléons que lorsqu’ils sont très proches les uns des autres, c’est-à-dire à des distances correspondant aux dimensions du noyau, donc de l’ordre de .

1 6, 10 19 – C⋅ 10 15 –

m.

k 9 109 S.I.,⋅=

10 14 – m »





19

Comment peut-on expliquer que seules les forces gravitationnelles interviennent à l’échelle astro-nomique alors qu’à l’échelle de l’atome les forces électriques sont plus importantes que les forces gra-vitationnelles (entre deux particules chargées).

Connaissant les valeurs des constantes et comparer la

force gravitationnelle et la force électrique s’exerçant entre un ion potassium de masse

et de charge et un ion iodure de masse et de charge

situés à une distance d l’un de l’autre. En quoi ce résultat est-il conforme au texte quiprécède ?

Dans un cristal d’iodure de potassium, chaque ion se trouve à une distance de

l’ion iodure le plus proche

De quelle nature est l’interaction entre ces deux ions dans le cristal : gravitationnelle, électrique ouinteraction forte ?

Connaître la condition d’équilibre d’un corps

soumis à deux forces

Exercice 11

Solide soumis à deux forces

Le solide représenté sur la figure ci-contre est soumis à deux

forces et

Seule la force est représentée sur le schéma, son pointd’application (ou origine) étant en A.Parmi tous les autres points du schéma (B, C, D, E, F, G), quels

sont ceux qui pourraient convenir pour servir de point d’appli-cation à la force de façon à ce que le solide initialement

sans mouvement reste immobile (on dit aussi en équilibre).

Préciser la direction, le sens et la valeur de

Savoir identifier les différentes forces agissantsur un solide

Exercice 12

Sur l’eau, dans l’air, par terre

Le solide que nous étudions est un petit morceau de bois. Il est, bien sûr soumis à son poids maisaussi à une autre force qui lui permet de rester immobile. Il s’agit de savoir quelle est cette autre forcedans les trois cas ci-dessous :

Dans un premier temps, il flotte immobile à la surface d’un étang.

Ensuite, il pend immobile au bout du fil d’une canne à pêche (le pêcheur l’a sorti de l’eau et lelaisse un moment immobile dans l’air).

Finalement, il se retrouve immobile sur le sol où le pêcheur l’a jeté.

k 9 109 S.I.⋅= G 6 67, 10 11 – S.I.,⋅=

K+

6 5, 10 26 – kg⋅ 1 6, 10 19 –

C⋅ I– 2 1, 10 25 – kg⋅

1 6, – 1019 –

C⋅

K+ d 350 pm=

I– 1 pm 10 12

– m=( ).

F 1

AG

F

E

D

B

C

F1 F2.

F1

F2

F2.




20


Exercice 13

Position d’équilibre impliquant un ressort

La figure ci-contre représente un objet de masse suspendu à un ressortdont l’autre extrémité est attachée à un crochet fixé au plafond.

On étudie ce système dans la position d’équilibre, c’est-à-dire quand le ressort est

vertical et que sa longueur ne varie plus.

Sachant que la valeur de la pesanteur est calculer la valeur dupoids de l’objet.

Faire le bilan des forces agissant sur l’objet en précisant la direction, le sens et lavaleur de chaque force.

Calculer l’allongement du ressort sachant que sa raideur vaut

On étudie à présent le crochet dont la masse est suffisamment faible pour qu’onnéglige son poids. Préciser quelles sont les deux autres forces agissant sur le crochetet préciser la direction, le sens et la valeur de chacune de ces deux forces.

Exercice 14

Bilan de forces agissant sur une boule

Dans les trois schémas ci-dessous, on a représenté une boule soumise à trois forces et ondemande pour chaque schéma de préciser quelles sont ces trois forces.

Sur chaque schéma, on a représenté l’une de ces trois forces et on demande de compléter chaqueschéma en représentant les deux autres forces (on se contentera de représenter les forces par un vec-teur ayant la direction et le sens voulus sans chercher à connaître la valeur de ces forces).

Schéma n

o

1 Schéma n

o

2 Schéma n

o

3

La bille repose sur un plan incliné.Elle est retenue par un fil.

La bille est retenue par un fil.Elle est plaquée contre un mur.

La bille est maintenue par deux fils.

M

M 100 g=

g 9 8 N kg 1

– ,⋅ , =

K 20 N m 1

– .⋅=





21

Chimie

Objectifs

Identifier les produits dangereux, utiliser le matériel approprié.

Calculer la quantité de matière contenue dans une masse donnée de corps pur.

Ajuster les nombres stoechiométriques d’une équation-bilan.

Dresser le tableau d’avancement d’une réaction chimique et déterminer le réactif limitant.





BallonBécher Erlenmeyer Tube à essaisVerre à pied

Nous connaissons tous l’importance de la chimie dans le monde d’aujourd’hui : non seulement beau-coup des matériaux qui nous entourent (plastiques, fibres textiles...) sont obtenus par synthèse chimi-que, mais la chimie intervient aussi dans l’alimentation, les médicaments, les colorants, les parfums...Parmi l’ensemble des réactions chimiques, le programme de première scientifique privilégie les réac-tions de dosage : il s’agira de mesurer des quantités de produits chimiques contenus dans une solu-tion. Ces techniques de mesure présentent une importance fondamentale, elles sont mises en œuvredans les laboratoires pour déterminer le taux de nitrate dans l’eau, doser les différents composantsd’un médicament, connaître l’alcoolémie d’un conducteur...Pour réaliser un dosage, il faut faire réagir l’échantillon à doser avec une solution chimique dont lacomposition est connue. La manipulation de produits chimiques expose à un certain nombre de ris-ques et il faut toujours veiller à respecter les consignes de sécurité.On trouve, sur l’emballage des produits chimiques dangereux, des dessins, appelés pictogrammes, quimettent en garde contre ces différents risques :

EMPLACEMENT 1

– Le pictogramme représentant une flamme désigne un produit facilement inflammable. Un tel produitdoit être manipulé loin de toute flamme.– Le pictogramme représentant des liquides s’écoulant de deux tubes horizontaux désigne un produitcorrosif (susceptible d’attaquer la peau ou certains matériaux). Il ne faut manipuler un tel produitqu’avec gants et en portant des lunettes.

– Le pictogramme représentant la lettre X désigne un produit nocif ou irritant. Il est recommandé dene manipuler un tel produit que dans un endroit ventilé, en portant des gants et des lunettes.– Le pictogramme représentant une tête de mort désigne un produit toxique. Il faut alors éviter toutcontact avec la peau et éviter de respirer les vapeurs.Pour effectuer les réactions de dosage, il est indispensable de disposer au moins du matériel de basereprésenté ci-dessous :

La mesure précise des volumes de solution utilisée ne peut se faire qu’avec la verrerie de précision gra-duée ou jaugée (jaugée signifie « qui comporte un ou deux traits permettant de mesurer un volumedonné de liquide », graduée signifie « munie d’une échelle de graduations permettant la mesure dedifférents volumes »).Pour des raisons évidentes de sécurité, les produits chimiques ne doivent pas être aspirés dans la pipette

directement à la bouche mais par l’intermédiaire d’une petite poire en caoutchouc appelée propipette.

Activité 1

Rechercher (chez vous ou au supermarché) quel pictogramme figurant sur une dose d’eau de Javel en indique la dangerosité.

Éprouvette graduéeFiole jaugéeBuret te g raduée Pipet te j augée

Verrerie de précision

Utilité et danger des réactionschimiques





23

Une mole représente un nombre extrêmement grand d’entités identiques : il y a, par définition,entités par mole. Le nombre d’entités identiques par mole est donc extrêmement grand,

il est appelé nombre d’Avogadro : on l’écrit et il vaut :

La quantité de matière représente le nombre de moles contenues dans un échantillon, elle s’exprime enmoles (abréviation : mol). On parle ainsi de mole d’ions, ou mole d’atomes, ou moles de molécules.

Activité 2

À votre avis, y a-t-il plus ou moins d’une mole de gouttes d’eau dans une piscine ? (une goutte d’eau

a un volume d’environ )

Activité 3

Combien y a-t-il de moles d’atomes de carbone dans une poussière de charbon qui contient un mil- liard de milliards d’atomes de carbone ?

On appelle masse molaire atomique d’un élément chimique la masse d’une mole d’atomes de cet élé-ment. Les masses molaires atomiques sont exprimées en grammes par mol et on trouveleurs valeurs en consultant un tableau périodique des éléments.

De même on appelle masse molaire moléculaire la masse d’une moles de molécules identiques. On lesexprime également en et on se contente souvent, lorsqu’il n’y a pas d’ambiguïté, d’écriremasse molaire (en « oubliant » l’adjectif moléculaire).

Activité 4

Calculer la masse molaire de l’ammoniac. La formule de la molécule d’ammoniac est la masse

molaire atomique de l’azote vaut et celle de l’hydrogène

A

La mole, unité de quantité de matière

B

Masse molaire

Mole et masse molaire

6 02, 1023⋅

NA NA 6 02, 1023 mol 1

– .⋅=

0 1 cm3 ,

g mol 1 – ⋅( )

g mol 1 – ⋅

NH3,

14 g mol 1

– ⋅ 1 g mol 1

– .⋅




24


Une réaction chimique est une transformation au cours de laquelle des espèces chimiques initiale-ment présentes, appelées réactifs, disparaissent alors qu’apparaissent d’autres espèces chimiques,appelés produits de la réaction. Réactifs et produits de la réaction contiennent les mêmes atomes, eten nombre égal, mais ils sont combinés différemment les uns avec les autres.

L’équation traduit cette transformation, les réactifs sont placés à gauche et les produits à droite, lesens de la flèche indique le sens de la transformation.

Lorsque l’équation d’une réaction chimique est correctement écrite,elle doit vérifier la conservation des atomes de chaque élément.

À titre d’exemple, représentons par une équation la réaction chimique entre le zinc Zn et le dioxygènequi produit de l’oxyde de zinc ZnO :

Cette équation traduit bien la formation de l’oxyde de zinc par combinaison entre des atomes de zincet d’oxygène (qui étaient initialement présent dans la molécule de dioxygène ), mais on ne peutpas considérer que cette équation est correctement écrite car il y a à gauche deux atomes d’oxygèneet il n’y en a qu’un seul à droite !

Il faut donc écrire :

De cette façon, il y a deux atomes de zinc à droite comme à gauche et deux atomes d’oxygène àdroite comme à gauche.

Les nombres figurant dans l’équation correctement écrite sont appelés nombres stoechiométriques.Par exemple, dans l’équation ci-dessus, le nombre stoechiométrique du zinc vaut 2, celui du dioxy-gène vaut 1 et celui de l’oxyde de zinc vaut 2.

Bien entendu, la conservation des atomes serait également vérifiée si tous les nombres stoechiométriques étaient multipliés par le même nombre (par exemple, en les multipliant par deux, on obtiendrait : ).Mais il faut toujours choisir pour nombres stoechiométriques les nombres entiers les plus petits.

Nous verrons, dans la troisième séquence, des réactions faisant intervenir des ions. Il faudra alors veiller à ce que l’équation écrite vérifie non seulement la conservation des atomes de chaque élément mais aussi la conservation de la charge électrique.

Activité 5

Équilibrer les équations de réaction ci-dessous (c’est-à-dire déterminer les nombres stoechiométriques pour qu’elles soient correctement écrites) :

a)

b)

c)

Équation d’une réactionchimique

O2 Zn O2+ ZnO.→

O2

2Zn O2+ 2ZnO.→

Remarque 1

4Zn 2O2+ 4ZnO→

Remarque 2

Na O2+ Na2O→ Al O2+ Al2O3→ CH4 O2+ CO2 H2O+→




Séquence 1 – SP12 25

L’avancement d’une réaction chimique s’exprime en mole (abréviation : mol) et on le note x, il permetde déterminer la quantité de réactifs et de produits présents au cours de la transformation.

Au début de la réaction, l’avancement est nul : et la réaction s’arrête lorsque l’un des réactifsa totalement disparu. Ce réactif est appelé réactif limitant, les autres réactifs qui n’ont pas totalementdisparu à la fin de la transformation sont appelés réactifs en excès.

Reprenons l’exemple de la réaction : en supposant que le système contienne ini-tialement 3 moles d’atomes de zinc et 3 moles de molécules de dioxygène, mais pas d’oxyde de zinc.En appelant x l’avancement de la réaction, on dira que lorsqu’il disparaît 2x moles de zinc et x molesde dioxygène, il apparaît 2x moles d’oxyde de zinc.

Au cours de la réaction, il y aura donc moles d’atomes de zinc, moles de moléculesde dioxygène et 2x moles d’oxyde de zinc.

C’est donc le zinc qui est le réactif limitant, il s’annule pour alors que la quantité de dioxygène

ne s’annulerait que pour valeur qui n’est jamais atteinte (pour une telle valeur, on trouverait

que la quantité de zinc est négative, ce qui est absurde).

On résume tous ces résultats dans un tableau appelé tableau d’avancement où figurent les quantitésdes réactifs et des produits (exprimés en mol) à l’état initial, à un instant quelconque au cours de latransformation et à l’état final (on ne peut remplir cette dernière ligne qu’après avoir déterminé quelest le réactif limitant d’où l’on déduit la valeur maximale de x).

Activité 6

Préciser (à partir du tableau d’avancement de la réaction) quel serait le réactif limitant et déterminer la valeur maximale de l’avancement si l’on avait réalisé la réaction précédente avec 6 moles d’atomes de zinc et 2 moles de molécules de dioxygène.

La quantité de matière d’un réactif pendant la transformation s’obtient en retranchant de la quantitéinitiale le produit de l’avancement x par le nombre stoechiométrique de ce réactif.

La quantité de matière d’un produit de la réaction pendant la transformation s’obtient en ajoutant àla quantité initiale le produit de l’avancement x par le nombre stoechiométrique de ce produit.

A Définitions

B Étude d’un exemple

État initial 3 3 0

Pendant la transformation 2x

État final 0 1,5 3

C Généralisation

Avancement d’une réaction

x 0,=

2Zn O2+ 2ZnO→

3 2x – ( ) 3 x – ( )

x32--=

x 3,=

2Zn O2+ 2ZnO→

3 2x – 3 x –

xma x 1 5,=( )





Imaginons le cas général d’une réaction qui s’écrirait :

Les réactifs seraient A et B et les produits de la réaction C et D, les nombres stoechiométriques valantrespectivement a, b, c, d.

Bien entendu, A ne sert qu’à remplacer le vrai nom de ce réactif (il n’existe d’ailleurs pas de symbolechimique s’écrivant seulement A), nous admettons que cette lettre désigne un atome ou une moléculeet de même pour B, C, D.

Le tableau d’avancement s’écrirait alors, en notant et les quantitésinitiales :

Bien entendu, il n’a pas été possible de remplir la dernière ligne, puisqu’avec ces valeurs littérales, onne peut savoir lequel des réactifs s’épuisera le premier : pour que la quantité de matière de A soit

nulle il faut et pour que la quantité de matière de B soit nulle, il faut et la réac-tion s’arrête dès que x atteint la plus petite de ces deux valeurs. Comme nous n’envisageons que desréactions totales, la quantité d’au moins un des réactifs doit être nulle dans l’état final (de telle sorteque la réaction ne puisse pas se poursuivre).Un cas particulier est celui où les deux réactifs A et B viennent à manquer en même temps, ce qui

n’est possible que si les quantités initiales vérifient l’égalité : On dit alors que l’on a

utilisé les réactifs dans les proportions stoechiométriques.

Activité 7

Quelle quantité de zinc aurait-il fallu utiliser pour que le zinc et le dioxygène réagissant selon la réaction : soient en proportions stoechiométriques si l’on utilise 3 moles de zinc ? Dresser alors le tableau d’avancement de la réaction.

+ +

État initial

Pendant la transformation

État final

aA bB+ cC dD.+→

n0 A( ), n0 B( ), n0 C( ) n0 D( )

aA bB → cC dD

n0 A( ) n0 B( ) n0 C( ) n0 D( )

n0 A( ) ax – n0 B( ) bx – n0 C( ) cx+ n0 D( ) dx+

x

n0 A( )

a--------------= x

n0 B( )

b-------------=

n0 A( )

a--------------

n0 B( )

b-------------.=

2Zn O2+ 2ZnO→




Séquence 1 – SP12 27

ésumé

Les pictogrammes dessinés sur l’emballage des produits chimiques appellent l’attention sur le dan-ger qu’ils présentent.

La mesure des volumes de liquides se fait avec de la verrerie de précision (jaugée ou graduée).

La quantité de matière s’exprime en moles (abréviation : mol). Une mole représente un nombred’entités égal au nombre d’Avogadro.

On appelle masse molaire atomique d’un élément chimique la masse d’une mole d’atomes de cetélément. Les masses molaires atomiques sont exprimées en grammes par mol et ontrouve leurs valeurs en consultant un tableau périodique des éléments.

On appelle masse molaire moléculaire la masse d’une moles de molécules identiques.

La quantité de matière contenue dans un échantillon de masse m vaut : Dans cette rela-

tion, M représente la masse molaire. Lorsque l’équation d’une réaction chimique est correctement écrite, elle doit vérifier la conservationdes atomes de chaque élément.

À partir du tableau d’avancement d’une réaction chimique, on peut déterminer le réactif limitant :c’est le réactif dont la quantité de matière s’annule pour la plus petite valeur de l’avancement x.

g mol 1 – ⋅( )

nmM----.=





xercices élémentaires

Les masses molaires atomiques sont à rechercher dans le tableau périodique des éléments de votremanuel de chimie.

Identifier les produits dangereux, utiliser le maté-riel approprié

Exercice 1

Préparation du paracétamol

Le paracétamol est un médicament qui se rapproche de l’aspirine. Pour le fabriquer, on dissout d’aborddu para-aminophénol dans de l’acide éthanoïque et on ajoute ensuite de l’anhydride éthanoïque.

L’acide éthanoïque et l’anhydride éthanoïque sont tous deux corrosifs et inflammables.

Quels pictogrammes doivent figurer sur les flacons contenant de tels produits ? Quelles sont les pré-cautions à prendre ?

Le protocole opératoire nécessite qu’on utilise 10 ml d’acide éthanoïque pur (qui est liquide).

Quel matériel doit-on utiliser ?

Calculer la quantité de matière contenue dansune masse donnée de corps pur

Exercice 2

Fer et Aluminium Calculer la quantité d’atomes de fer contenus dans un barreau pesant 1 kilogramme.

Quelle est la masse d’un barreau d’aluminium contenant la même quantité d’atomes que ce bar-reau de fer ?

Exercice 3

Azote et hydrazine

On considère l’atome d’azote dont le noyau contient 7 protons et 7 neutrons.

a) Calculer la masse de cet atome sachant que la masse d’un nucléon (proton ou neutron) vaut

alors que la masse des électrons est négligeable.b) En déduire la masse molaire atomique de l’azote (nombre d’Avogadro : )et vérifier que votre résultat est en accord avec celui qu’on peut lire sur un tableau périodique.

a) À l’aide de votre réponse à la question 1-a et sachant que la masse d’un atome d’hydrogèneest pratiquement la même que celle du proton, calculer la masse d’une molécule d’hydrazine

b) En déduire la masse molaire moléculaire de l’hydrazine et vérifier votre résultat à l’aide d’untableau périodique.

c) Calculer la masse d’azote contenue dans 1 kg d’hydrazine.

Exercice 4

Vrai ou fauxÀ l’aide d’un tableau périodique, indiquer si les propositions suivantes sont exactes ou non :

Il y a moins de 5 mol dans 1 kg d’alumine (formule de l’alumine : ).

1 67, 10 27 – kg⋅NA 6 02, 1023 mol 1

– ⋅=

N2H4.

Al2O3





29

Le nombre de moles (ou quantité de matière) est identique dans 1 kg de dioxyde de carboneet dans 1 kg de propane

La quantité de matière contenue dans 1 kg de méthane est le double de la quantité dematière contenue dans 1 kg de dioxygène

Si on mélange, dans un creuset, une mole d’atomes de zinc et une mole d’atomes de soufre, lepourcentage en masse du zinc dans le mélange sera supérieur à 60 %.

Dans l’oxyde de zinc ZnO, la masse d’oxygène représente entre 40 % et 60 % de la masse totale.

Ajuster les nombres stoechiométriquesd’une équation-bilan

Exercice 5

À propos du soufre

Il s’agit dans cet exercice d’équilibrer six équations de réactions impliquant le soufre ou l’un de sescomposés. (Équilibrer l’équation signifie ajuster les nombres stoechiométriques pour que l’équation

soit correctement écrite).

Dresser le tableau d’avancement d’une réactionchimique et déterminer le réactif limitant

Exercice 6

Synthèse du carbure de calcium

À très haute température, le carbone réagit avec l’oxyde de calcium pour donner du monoxyde de car-bone et du carbure de calcium selon la réaction :

On fait réagir 1 kg d’oxyde de calcium avec 1 kg de carbone.

Calculer la quantité de matière de chacun des deux réactifs.

Dresser le tableau d’avancement de la réaction et en déduire quel est le réactif limitant.

Calculer la masse de carbure de calcium obtenu.

Exercice 7Combustion du sodium dans le dichlore

Le sodium métallique Na brûle dans le dichlore gazeux en donnant du chlorure de sodium NaCl.

Écrire l’équation de cette réaction.

On introduit un têt à combustion contenant 1,7 g de sodium préalablement chauffé dans un flaconcontenant 0,05 mol de dichlore gazeux. La réaction s’arrête-t-elle par manque de sodium ou par man-que de dichlore ?

Calculer la masse de chlorure de sodium obtenue dans les conditions précédentes.

La combustion du sodium dans le dichlore est-elle utilisée industriellement pour fabriquer du chlo-

rure de sodium ?

CO2C3H8.

CH4O2.

Al S+ Al2S3→

SO2 O2+ SO3→

SO2 Mg+ MgO S+→

H2S O2+ H2O SO2+→

H2S Cl2+ S HCl+→

SO2 H2S+ H2O S+→

CaO 3C+ CaC2 CO.+→

Cl2





Exercice 8

Obtention de cuivre métallique

En chauffant dans un tube à essais une poudre constituée d’un mélange d’oxyde de cuivre CuO (decouleur noire) et de carbone en poudre (également noir), on observe une incandescence dans le tube àessais et on observe un dégagement de dioxyde de carbone À la fin de la réaction, le tube àessais contient un solide rouge qui est du cuivre métallique.

Écrire l’équation de cette réaction.

Le mélange initial contient mol d’oxyde de cuivre et mol de carbone.

a) Dresser le tableau d’avancement de la réaction et en déduire quel est le réactif limitant dans le casoù

b) Quelle relation doit exister entre et pour que les réactifs soient en proportions stoechiomé-triques.

Exercice 9

Détermination d’une formule bruteLes hydrocarbures sont des composés chimiques dont les molécules ne contiennent que des atomes decarbone et d’hydrogène. On étudie, dans cet exercice, un hydrocarbure dont la molécule peut êtreécrite sous la forme dans laquelle n est un nombre entier.

Écrire l’équation de la réaction de combustion de cet hydrocarbure dans le dioxygène sachantqu’on obtient du dioxyde de carbone et de l’eau.

Déterminer la valeur du coefficient n sachant que la masse de dioxyde de carbone obtenue estégale au triple de la masse initiale d’hydrocarbure brûlée dans un excès de dioxygène.

CO2.

n1 n2

n1 n2.=

n1 n2

CnH8

© C d A dé i li

1s sequence 01

Documents

masse et

charge et

masse dun proton et

et lautre

ballon et ceux

soleil et une particule

z est appel nombre

nuclons est appel nombre