Constitution et transformations de la matièreConstitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopiquePrésentation :L’objectif de cette partie est d’aborder les deux échelles de description de la matière qui vont
rendre compte de ses propriétés physiques et chimiques. Les concepts d’espèce et d’entité
chimique introduits au collège sont ainsi enrichis.
L’espèce chimique est au centre de la description macroscopique de la matière et permet de
définir et de caractériser les corps purs et les mélanges, dont les solutions aqueuses. Une
approche quantitative est abordée avec la notion de composition d’un mélange et de
concentration en masse (essentiellement exprimée en g.L -1 ) d’un soluté dans une solution
aqueuse.
Au niveau atomique, la description des entités chimiques est complétée par les ordres de
grandeur de taille et de masse de l’atome et du noyau et par le modèle du cortège
électronique pour les trois premières lignes de la classification périodique. La stabilité des
gaz nobles, associée à leur configuration électronique, permet de rendre compte de
l’existence d’ions monoatomiques et de molécules. En seconde, les schémas de Lewis sont
fournis et interprétés. Le changement d’échelle entre les niveaux macroscopique et
microscopique conduit à une première approche de la quantité de matière (en moles) dans
un échantillon de matière en utilisant la définition de la mole, une mole contenant
exactement 6,022 140 76 × 10 23 entités élémentaires.
Une place essentielle est accordée à la modélisation, que ce soit au niveau macroscopique
ou au niveau microscopique, à partir de systèmes réels choisis dans les domaines de
l’alimentation, de l’environnement, de la santé, des matériaux, etc.
Notions étudiées au collège :Échelle macroscopique : espèce chimique, corps purs, mélanges, composition de l’air,
masse volumique, propriétés des changements d’état, solutions : solubilité, miscibilité.
Échelle microscopique : molécules, atomes et ions, constituants de l’atome (noyau et
électrons) et du noyau (neutrons et protons), formule chimique d’une molécule, formules O 2 ,
H 2 , N 2 , H 2 O, CO 2 .
| Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
|---|
| A) Description et caractérisation de la matière à l’échelle macroscopique |
| Savoirs :Corps purs et mélanges au quotidien.
Espèce chimique, corps pur, mélanges d’espèces chimiques, mélanges homogènes
et hétérogènes.
Identification d’espèces chimiques dans un échantillon de matière par des mesures physiques ou des tests chimiques.
Composition massique d’un mélange.
Composition volumique de l’air. | Savoir-faireCiter des exemples courants de corps purs et de mélanges homogènes et hétérogènes.
Identifier, à partir de valeurs de référence, une espèce chimique par ses températures de changement d’état, sa masse volumique ou par des tests chimiques.
Citer des tests chimiques courants de présence d’eau, de dihydrogène, de dioxygène, de dioxyde de carbone.
Citer la valeur de la masse volumique de l’eau liquide et la comparer à celles d’autres corps purs et mélanges.
Distinguer un mélange d’un corps pur à partir de données expérimentales.
Mesurer une température de changement d’état, déterminer la masse volumique d’un échantillon, réaliser une chromatographie sur couche mince, mettre en œuvre des tests chimiques, pour identifier une espèce chimique et, le cas échéant, qualifier l’échantillon de mélange.
Citer la composition approchée de l’air et l’ordre de grandeur de la valeur de sa masse volumique.
Établir la composition d’un échantillon à partir de données expérimentales.
Mesurer des volumes et des masses pour estimer la composition de mélanges.
Capacité mathématique : utiliser les pourcentages et les fractions. |
| Savoirs :Les solutions aqueuses, un exemple de mélange.
Solvant, soluté.
Concentration en masse, concentration maximale d’un soluté.
Dosage par étalonnage. | Savoir-faireIdentifier le soluté et le solvant à partir de la composition ou du mode opératoire de préparation d’une solution.
Distinguer la masse volumique d’un échantillon et la concentration en masse d’un soluté au sein d’une solution.
Déterminer la valeur de la concentration en masse d’un soluté à partir du mode opératoire de préparation d’une solution par dissolution ou par dilution.
Mesurer des masses pour étudier la variabilité du volume mesuré par une pièce de verrerie ; choisir et utiliser la verrerie adaptée pour préparer une solution par dissolution ou par dilution.
Déterminer la valeur d’une concentration en masse et d’une concentration maximale à partir de résultats expérimentaux.
Déterminer la valeur d’une concentration en masse à l’aide d’une gamme d’étalonnage (échelle de teinte ou mesure de masse volumique).
Capacité mathématique : utiliser une grandeur quotient pour déterminer le numérateur ou le dénominateur. |
| B) Modélisation de la matière à l’échelle microscopique |
| Savoirs :Du macroscopique au microscopique, de l’espèce
chimique à l’entité.
Espèces moléculaires, espèces ioniques, électroneutralité de la matière au niveau macroscopique.
Entités chimiques : molécules, atomes, ions. | Savoir-faireDéfinir une espèce chimique comme une collection d’un nombre très élevé d’entités identiques.
Exploiter l’électroneutralité de la matière pour associer des espèces ioniques et citer des formules de composés ioniques.
Utiliser le terme adapté parmi molécule, atome, anion et cation pour qualifier une entité chimique à partir d’une formule chimique donnée. |
| Savoirs :Le noyau de l’atome, siège de
sa masse et de son identité.
Numéro atomique, nombre de
masse, écriture conventionnelle :
A Z X ou A X .
Élément chimique.
Masse et charge électrique d’un électron, d’un proton et d’un neutron, charge électrique élémentaire, neutralité de l’atome. | Savoir-faireCiter l’ordre de grandeur de la valeur de la taille d’un atome.
Comparer la taille et la masse d’un atome et de son noyau.
Établir l’écriture conventionnelle d’un noyau à partir de sa composition et inversement.
Capacités mathématiques : effectuer le quotient de deux grandeurs pour les comparer. Utiliser les opérations sur les puissances de 10. Exprimer les valeurs des grandeurs en écriture scientifique. |
| Savoirs :Le cortège électronique de l’atome définit ses propriétés chimiques.
Configuration électronique (1s, 2s, 2p, 3s, 3p) d’un atome à l’état fondamental et position dans le tableau périodique (blocs s et p).
Électrons de valence. Familles chimiques. | Savoir-faireDéterminer la position de l’élément dans le tableau périodique à partir de la donnée de la configuration électronique de l’atome à l’état fondamental.
Déterminer les électrons de valence d’un atome (Z ? 18) à partir de sa configuration électronique à l’état fondamental ou de sa position dans le tableau périodique.
Associer la notion de famille chimique à l’existence de propriétés communes et identifier la famille des gaz
nobles. |
| Savoirs :Vers des entités plus stables chimiquement.
Stabilité chimique des gaz nobles et configurations électroniques associées.
Ions monoatomiques.
Molécules.
Modèle de Lewis de la liaison de valence, schéma de Lewis, doublets liants et non-liants.
Approche de l’énergie de liaison. | Savoir-faireÉtablir le lien entre stabilité chimique et configuration
électronique de valence d’un gaz noble.
Déterminer la charge électrique d’ions monoatomiques
courants à partir du tableau périodique.
Nommer les ions : H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , F - ; écrire leur formule à partir de leur nom.
Décrire et exploiter le schéma de Lewis d’une molécule pour justifier la stabilisation de cette entité, en référence aux gaz nobles, par rapport aux atomes isolés (Z ? 18). Associer qualitativement l’énergie d’une liaison entre deux atomes à l’énergie nécessaire pour rompre cette liaison. |
| Savoirs :Compter les entités dans un échantillon de matière.
Nombre d’entités dans un échantillon.
Définition de la mole.
Quantité de matière dans un échantillon. | Savoir-faireDéterminer la masse d’une entité à partir de sa formule brute et de la masse des atomes qui la composent.
Déterminer le nombre d’entités et la quantité de matière (en mol) d’une espèce dans une masse d’échantillon. |
Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergiePrésentation :L’objectif de cette partie est d’identifier et de distinguer les trois types de transformation de la
matière, de les modéliser par des réactions et d’écrire les équations ajustées en utilisant les lois
de conservation appropriées. Une première approche des énergies mises en jeu lors de ces trois
types de transformations permet de montrer que l’énergie transférée lors d’une transformation
dépend des quantités de matière des espèces mises en jeu.
L’étude des transformations chimiques, entamée au collège, est complétée par les notions de
stœchiométrie, d’espèce spectatrice et de réactif limitant. L’analyse de l’évolution d’un système
pour modéliser sa transformation chimique par une réaction illustre une démarche de
modélisation au niveau macroscopique. Elle nécessite de mettre en place une démarche
expérimentale rigoureuse pour passer :
- d’une description des modifications visibles ;
- aux espèces chimiques, présentes dans l’état initial et qui ont réagi ;
- à celles, présentes dans l’état final et qui ont été formées ;
- et enfin, à l’écriture d’une réaction rendant compte au mieux des changements observés au
niveau macroscopique.
Pour que les transformations soient plus concrètes, des exemples provenant de la vie
quotidienne sont proposés : combustions, corrosions, détartrage, synthèses d’arôme ou de
parfum, etc.
Notions étudiées au collège :Transformations physiques : changement d’état, conservation de la masse, variation du volume, température de changement d’état.
Transformations chimiques : conservation de la masse, redistribution d’atomes, notion d’équation chimique, réactions entre espèces acides et basiques en solution, réactions d'une espèce acide sur un métal, mesure de pH.
| Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
|---|
| A) Transformation physique |
| Savoirs :Écriture symbolique d’un changement d’état.
Modélisation microscopique d’un changement d’état.
Transformations physiques endothermiques et exothermiques.
Énergie de changement d’état et applications. | Savoir-faireCiter des exemples de changements d’état physique de la
vie courante et dans l’environnement.
Établir l’écriture d’une équation pour un changement d’état.
Distinguer fusion et dissolution.
Identifier le sens du transfert thermique lors d’un changement d’état et le relier au terme exothermique ou endothermique.
Exploiter la relation entre l’énergie transférée lors d’un changement d’état et l’énergie massique de changement d’état de l’espèce.
Relier l’énergie échangée à la masse de l’espèce qui change d’état. |
| B) Transformation chimique |
| Savoirs :Modélisation macroscopique d’une transformation par une réaction chimique.
Écriture symbolique d’une réaction chimique.
Notion d’espèce spectatrice.
Stœchiométrie, réactif limitant.
Transformations chimiques endothermiques et exothermiques. | Savoir-faireModéliser, à partir de données expérimentales, une transformation par une réaction, établir l’équation de réaction associée et l’ajuster.
Identifier le réactif limitant à partir des quantités de matière des réactifs et de l'équation de réaction.
Déterminer le réactif limitant lors d’une transformation chimique totale, à partir de l’identification des espèces chimiques présentes dans l’état final.
Modéliser, par l’écriture d’une équation de réaction, la combustion du carbone et du méthane, la corrosion d’un métal par un acide, l’action d’un acide sur le calcaire, l’action de l’acide chlorhydrique sur l’hydroxyde de sodium en solution.
Suivre l’évolution d’une température pour déterminer le caractère endothermique ou exothermique d’une transformation chimique et étudier l’influence de la masse du réactif limitant.
Capacité mathématique : utiliser la proportionnalité. |
| Savoirs :Synthèse d’une espèce chimique présente dans la nature. | Savoir-faireÉtablir, à partir de données expérimentales, qu’une espèce chimique synthétisée au laboratoire peut être identique à
une espèce chimique synthétisée dans la nature.
Réaliser le schéma légendé d’un montage à reflux et d’une chromatographie sur couche mince.
Mettre en œuvre un montage à reflux pour synthétiser une espèce chimique présente dans la nature.
Mettre en œuvre une chromatographie sur couche mince pour comparer une espèce synthétisée et une espèce extraite de la nature. |
| C) Transformation nucléaire |
| Savoirs :Isotopes.
Écriture symbolique d’une réaction nucléaire.
Aspects énergétiques des transformations nucléaires : Soleil, centrales nucléaires. | Savoir-faireIdentifier des isotopes.
Relier l’énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire à des réactions nucléaires.
Identifier la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir de sa description ou d’une écriture symbolique modélisant la transformation. |