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  3. EDS Physique première (2019)
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  5. Constitution et transformations de la matière
    1. 1. Suivi de l’évolution d’un système, siège d’une transformation
      1. 2. De la structure des entités aux propriétés physiques de la matière
        1. 3. Propriétés physico-chimiques, synthèses et combustions d’espèces chimiques organiques
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Constitution et transformations de la matière
Suivi de l’évolution d’un système, siège d’une transformation
Présentation :
Cette partie poursuit l’étude de la modélisation macroscopique de la transformation chimique d’un système. Les notions de masse molaire, volume molaire et concentration en quantité de matière (en mol.L -1 ) sont introduites pour déterminer la composition d’un système chimique. Pour décrire l’évolution d’un système, siège d’une transformation chimique, des bilans de matière complets sont effectués en s’appuyant sur la notion d’avancement (en mol). La notion de transformation totale et non totale est introduite en comparant la valeur de l’avancement final à celle de l’avancement maximal, sans référence à la notion d’équilibre chimique. Les réactions d’oxydo-réduction, modélisant les transformations impliquant un transfert d’électron(s) entre espèces chimiques, sont introduites puis réinvesties pour suivre,l’évolution d’un système. Certaines de ces réactions font intervenir des réactifs ou des produits colorés et permettent d’appréhender plus aisément l’évolution d’un système au cours d’un titrage et de repérer l’équivalence. Pour rendre plus concrète l’introduction de l’ensemble des nouveaux concepts, des exemples dans des domaines variés seront proposés pour les transformations et les titrages : combustion, corrosion, détartrage, contrôle qualité, analyse de produits d’usages courants, surveillance environnementale, analyses biologiques, etc.

Notions abordées en seconde :Quantité de matière (mol), définition de la mole, solution, soluté, concentration en masse, dosage par étalonnage, modélisation d’une transformation par une réaction chimique, équation de réaction, notion de réactif limitant.
Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
A) Détermination de la composition du système initial à l’aide de grandeurs physiques
Savoirs :Relation entre masse molaire d’une espèce, masse des entités et constante d’Avogadro. Masse molaire atomique d’un élément. Volume molaire d’un gaz. Concentration en quantité de matière. Absorbance, spectre d’absorption, couleur d’une espèce en solution, loi deBeer-Lambert.Savoir-faireDéterminer la masse molaire d’une espèce à partir des masses molaires atomiques des éléments qui la composent. Déterminer la quantité de matière contenue dans un échantillon de corps pur à partir de sa masse et du tableau périodique. Utiliser le volume molaire d’un gaz pour déterminer une quantité de matière. Déterminer la quantité de matière de chaque espèce dans un mélange (liquide ou solide) à partir de sa composition. Déterminer la quantité de matière d’un soluté à partir de sa concentration en masse ou en quantité de matière et du volume de solution. Expliquer ou prévoir la couleur d’une espèce en solution à partir de son spectre UV-visible. Déterminer la concentration d’un soluté à partir de données expérimentales relatives à l’absorbance de solutions de concentrations connues. Proposer et mettre en œuvre un protocole pour réaliser une gamme étalon et déterminer la concentration d’une espèce colorée en solution par des mesures d’absorbance. Tester les limites d’utilisation du protocole.
B) Suivi et modélisation de l’évolution d’un système chimique
Savoirs :Transformation modélisée par une réaction d’oxydo-réduction : oxydant, réducteur, couple oxydant-réducteur, demi-équation électronique. Évolution des quantités de matière lors d’une transformation. État initial, notion d’avancement (mol), tableau d’avancement, état final. Avancement final, avancement maximal. Transformations totale et non totale. Mélanges stœchiométriques.Savoir-faireÀ partir de données expérimentales, identifier le transfert d’électrons entre deux réactifs et le modéliser par des demi-équations électroniques et par une réaction d’oxydo-réduction. Établir une équation de la réaction entre un oxydant et un réducteur, les couples oxydant-réducteur étant donnés. Mettre en œuvre des transformations modélisées par des réactions d’oxydo-réduction. Décrire qualitativement l’évolution des quantités de matière des espèces chimiques lors d’une transformation. Établir le tableau d’avancement d’une transformation chimique à partir de l’équation de la réaction et des quantités de matière initiales des espèces chimiques. Déterminer la composition du système dans l’état final en fonction de sa composition initiale pour une transformation considérée comme totale. Déterminer l’avancement final d’une réaction à partir de la description de l’état final et comparer à l’avancement maximal. Déterminer la composition de l’état final d’un système et l’avancement final d’une réaction. Capacité numérique : Déterminer la composition de l’état final d’un système siège d’une transformation chimique totale à l’aide d’un langage de programmation. Capacité mathématique : Utiliser une équation linéaire du premier degré.
C) Détermination d’une quantité de matière grâce à une transformation chimique
Savoirs :Titrage avec suivi colorimétrique. Réaction d’oxydo-réduction support du titrage ; changement de réactif limitant au cours du titrage. Définition et repérage de l’équivalence.Savoir-faireRelier qualitativement l’évolution des quantités de matière de réactifs et de produits à l’état final au volume de solution titrante ajoutée. Relier l’équivalence au changement de réactif limitant et à l’introduction des réactifs en proportions stœchiométriques. Établir la relation entre les quantités de matière de réactifs introduites pour atteindre l’équivalence. Expliquer ou prévoir le changement de couleur observé à l’équivalence d’un titrage mettant en jeu une espèce colorée. Réaliser un titrage direct avec repérage colorimétrique de l’équivalence pour déterminer la quantité de matière d’une espèce dans un échantillon.
De la structure des entités aux propriétés physiques de la matière
Présentation :
Cette partie poursuit la modélisation microscopique de la matière et illustre la démarche de modélisation consistant à rendre compte de certaines propriétés macroscopiques des espèces chimiques grâce à la structure et aux propriétés des entités à l’échelle microscopique. L’écriture des schémas de Lewis est désormais exigible et conduit à prévoir la géométrie des entités qui, associée au concept d’électronégativité, permet de déterminer leur caractère polaire ou non polaire. Le constat d’une cohésion à l’échelle macroscopique des liquides et des solides est l’occasion d’introduire, au niveau microscopique, le concept d’interaction entre entités, notamment l’interaction par pont hydrogène. Les différents types d’interaction sont ensuite réinvestis pour rendre compte d’opérations courantes au laboratoire de chimie : dissolution d’un composé solide ionique ou moléculaire dans un solvant et extraction liquide-liquide d’une espèce chimique.

Notions abordées en seconde :Tableau périodique, analyse de configuration électronique, électrons de valence, stabilité des gaz nobles, ions monoatomiques, modèle de la liaison covalente, lecture de schémas de Lewis de molécules, solution, soluté, solvant, concentration maximale d’un soluté (solubilité).
Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
A) De la structure à la polarité d’une entité
Savoirs :Schéma de Lewis d’une molécule, d’un ion mono ou polyatomique. Lacune électronique. Géométrie des entités. Électronégativité des atomes, évolution dans le tableau périodique. Polarisation d’une liaison covalente, polarité d’une entité moléculaire.Savoir-faireÉtablir le schéma de Lewis de molécules et d’ions mono ou polyatomiques, à partir du tableau périodique : O 2 , H 2 ,N 2 , H 2 O, CO 2 , NH 3 , CH 4 , HCl, H ? , H 3 O ? , Na ? , NH ? 4 , Cl ? , OH ? , O 2 - . Interpréter la géométrie d’une entité à partir de son schéma de Lewis. Utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels de représentation moléculaire pour visualiser la géométrie d’une entité. Déterminer le caractère polaire d’une liaison à partir de la donnée de l’électronégativité des atomes. Déterminer le caractère polaire ou apolaire d’une entité moléculaire à partir de sa géométrie et de la polarité de ses liaisons.
B) De la structure des entités à la cohésion et à la solubilité/miscibilité d’espèces chimiques
Savoirs :Cohésion dans un solide. Modélisation par des interactions entre ions, entre entités polaires, entre entités apolaires et/ou par pont hydrogène. Dissolution des solides ioniques dans l’eau. Équation de réaction de dissolution. Extraction par un solvant. Solubilité dans un solvant. Miscibilité de deux liquides.Savoir-faireExpliquer la cohésion au sein de composés solides ioniques et moléculaires par l’analyse des interactions entre entités. Expliquer la capacité de l’eau à dissocier une espèce ionique et à solvater les ions. Modéliser, au niveau macroscopique, la dissolution d’un composé ionique dans l’eau par une équation de réaction, en utilisant les notations (s) et (aq). Calculer la concentration des ions dans la solution obtenue. Expliquer ou prévoir la solubilité d’une espèce chimique dans un solvant par l’analyse des interactions entre les entités. Comparer la solubilité d’une espèce solide dans différents solvants (purs ou en mélange). Interpréter un protocole d’extraction liquide-liquide à partir des valeurs de solubilités de l’espèce chimique dans les deux solvants. Choisir un solvant et mettre en œuvre un protocole d’extraction liquide-liquide d’un soluté moléculaire.
Savoirs :Hydrophilie/lipophilie/amphiphilie d’une espèce chimique organique.Savoir-faireExpliquer le caractère amphiphile et les propriétés lavantes d’un savon à partir de la formule semidéveloppée de ses entités. Citer des applications usuelles de tensioactifs. Illustrer les propriétés des savons.
Propriétés physico-chimiques, synthèses et combustions d’espèces chimiques organiques
Présentation :
Cette partie vise à fournir une première approche de la chimie organique en réinvestissant les notions précédemment acquises – schéma de Lewis, géométrie et polarité des entités, interactions entre entités et énergie de liaison – pour interpréter certaines étapes d’un protocole de synthèse et rendre compte de l’exothermicité des combustions. Les notions de chaînes carbonées, de groupes caractéristiques, et de familles de composés sont introduites. Au niveau de la nomenclature, il est uniquement attendu en classe de première que les élèves justifient la relation entre nom et formule semi-développée de molécules comportant un seul groupe caractéristique. La synthèse d’une espèce chimique organique permet de réinvestir les bilans de matière pour parvenir à la notion de rendement. Il est recommandé de proposer la synthèse d’un composé solide et celle d’un composé liquide pour diversifier les techniques d’isolement, de purification et d’analyse (ester et savon, par exemple). La matière organique est transformée dans le vivant, au laboratoire ou dans l’industrie pour produire de très nombreuses espèces chimiques organiques. Elle est aussi exploitée, en tant que combustibles, dans divers dispositifs de chauffage ou de production d’énergie électrique. L’énergie dégagée par les transformations chimiques exothermiques, introduite en classe de seconde, est associée, en classe de première, aux énergies mises en jeu lors des ruptures et formations de liaisons. Cette partie permet, en prenant appui sur des applications concrètes, d’illustrer le caractère opérationnel de la chimie, de faire prendre conscience des évolutions qu’elle a permises dans l’histoire de l’humanité et des défis scientifiques auxquels elle doit faire face en termes d’efficacité ou d’empreinte environnementale : synthèses de médicaments, utilisation de l’eau comme solvant, combustibles fossiles versus carburants agro-sourcés, méthanisation, etc. Ces problématiques peuvent constituer une source supplémentaire d’intérêt et de motivation pour les élèves.

Notions abordées en seconde :Synthèse d’une espèce chimique existant dans la nature, montage à reflux, chromatographie sur couche mince, réactions de combustion, transformations chimiques exothermiques et endothermiques.
Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
A) Structure des entités organiques
Savoirs :Formules brutes et semi-développées. Squelettes carbonés saturés, groupes caractéristiques et familles fonctionnelles. Lien entre le nom et la formule semi-développée. Identification des groupes caractéristiques par spectroscopie infrarouge.Savoir-faireIdentifier, à partir d’une formule semi-développée, les groupes caractéristiques associés aux familles de composés : alcool, aldéhyde, cétone et acide carboxylique. Justifier le nom associé à la formule semi-développée de molécules simples possédant un seul groupe caractéristique et inversement. Exploiter, à partir de valeurs de référence, un spectre d'absorption infrarouge. Utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels pour visualiser la géométrie de molécules organiques.
B) Synthèses d’espèces chimiques organiques
Savoirs :Étapes d’un protocole.Savoir-faireIdentifier, dans un protocole, les étapes de transformationdes réactifs, d’isolement, de purification et d’analyse (identification, pureté) du produit synthétisé. Justifier, à partir des propriétés physico-chimiques des réactifs et produits, le choix de méthodes d’isolement, de purification ou d’analyse.
Savoirs :Rendement d’une synthèse.Savoir-faireDéterminer, à partir d’un protocole et de données expérimentales, le rendement d’une synthèse. Schématiser des dispositifs expérimentaux des étapes d’une synthèse et les légender. Mettre en œuvre un montage à reflux pour synthétiser une espèce chimique organique. Isoler, purifier et analyser un produit formé.
C) Conversion de l’énergie stockée dans la matière organique
Savoirs :Combustibles organiques usuels. Modélisation d’une combustion par une réaction d’oxydo-réduction. Énergie molaire de réaction, pouvoir calorifique massique, énergie libérée lors d’une combustion. Interprétation microscopique en phase gazeuse : modification des structures moléculaires, énergie de liaison. Combustions et enjeux de société.Savoir-faireCiter des exemples de combustibles usuels. Écrire l’équation de réaction de combustion complète d’un alcane et d’un alcool. Estimer l’énergie molaire de réaction pour une transformation en phase gazeuse à partir de la donnée des énergies des liaisons. Mettre en œuvre une expérience pour estimer le pouvoir calorifique d’un combustible. Citer des applications usuelles qui mettent en œuvre des combustions et les risques associés. Citer des axes d’étude actuels d’applications s’inscrivant dans une perspective de développement durable.