Travaux pratiques chimie 2 notions fondamentales - chimie gé

Chimie générale : Travaux pratiques chimie 2 notions fondamentales

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1 TRAVAUX PRATIQUES : CHIMIE 2 NOTIONS FONDAMENTALES A) LA MATIERE : - La matière est discontinue ; elle est constituée de petites particules appelées atomes et molécules. Sauf pour les gaz rares les atomes sont instables et s’unissent pour former des molécules. - Un corps pur est constitué uniquement de molécules identiques. - Un corps simple est formé de molécules qui contiennent le même type d’atomes (exemple : Ar, H

2 , O

2 , N2 , ...) - Un corps composé est formé de molécules qui contiennent des atomes différents (exemple : H2 O, CH4 , CO2 , ...). - Un polymère est une macromolécule qui est constituée de plusieurs dizaines d’atomes. B) CHALEUR – TEMPERATURE (T) - Il ne faut pas confondre chaleur et température. La température définit un niveau dans l’échelle du chaud et du froid. La chaleur est la cause de l’élévation de la température. - La température se mesure à l’aide de : thermomètre, thermocouple, résistance électrique, capteur de température... - La température est exprimée en degrés Celsius (°C) (les valeurs peuvent être négatives ou positives) ou en Kelvin (K) (valeurs toujours positives ). Cette dernière est la température thermodynamique légale. - Tout corps pur peut être liquide, solide ou gazeux. Son état physique dépend entre autre de sa température. - Si plusieurs corps restent longtemps en contact, ils sont à la même température. On dit qu’ils sont en équilibre thermique. - Si il existe une différence de température entre deux objets ou partie d’objets alors il y a transfert spontané de chaleur de l’objet le plus chaud vers l’objet le plus froid. Ce transfert cesse lorsque la température devient uniforme en tout point du système que constituent ces objets. C) MODELE DE PRESSION (P) - La pression est la force exercée par un solide, un liquide ou un gaz, qui agit à angle droit sur la surface de la substance (solide, liquide ou gazeux). 2 - Elle est définie par l’expression :

fluideduhauteurhpesantaccélgvolumiquemasoùghP

cmkgfPabaratm

SIunitésen

mSurfaceNForce ession.,.,.( 11011)( )(Pr 252   - La pression est une grandeur physique qui peut être définie en tout point d’un fluide. Elle contribue à rendre compte de l’état d’un fluide et en particulier de son action sur une partie voisine du fluide. - Dans un gaz la pression est due aux chocs des molécules gazeuses contre la paroi du récipient qui les contient. - Dans l’atmosphère la pression diminue quand l’altitude augmente ; elle obéit à la loi barométrique RT

m gzPP exp 0

Où P

0 =1atm au niveau de la mer, m la masse d’air, g l’accélération de la pesanteur, z l’altitude, R la constante universelle des gaz et T(K) la température. - Dans une enceinte fermée et indéformable, il y a plusieurs moyens d’augmenter la pression :  augmenter la température,  augmenter le nombre de particules (atomes ou molécules). D)

MODELE SUR L’ENERGIE L’énergie peut être caractérisée par :  Ses propriétés : - Stockage : le réservoir stock l’énergie - Transformation : le transformateur transforme l’énergie. - Transfert : . Entre un réservoir et un transformateur, ou entre deux réservoirs, ou entre deux transformateurs, il y a transfert d’énergie. Les différents modes de transfert de l’énergie d’un système à un autre sont : - le travail,

On considère qu’il y a transfert d’énergie sous forme de travail mécanique quand il y a déplacement d’un objet ou d’une partie d’un objet lors d’une interaction (exemple: le travail des forces de pression pour le cas des gaz parfaits),

Sous forme de travail électrique quand il y a passage de courant électrique (déplacement des charges(e-1 )), 3 - la chaleur, - le rayonnement.  Un principe fondamental de conservation :

L’énergie se conserve quels que soient les transformations qu’elle

subit, ses transferts et ses formes de stockage. E)

LES FONCTIONS ENTHALPIQUES (H) ET ENTROPIQUES (S) REGISSENT LES PHENOMENES PHYSICO-CHIMIQUES ET CHIMIQUES

La variation d’enthalpie ( H) est une énergie qui peut être absorbée ou libérée sous une pression constante (le cas de la plupart des transformations ou réactions qui se font à ciel ouvert). Suivant la nature du phénomène, l’énergie libérée peut être plus ou moins élevée. Dans un changement d’état, dans une dissolution elle est inférieure à 20 kcal.mol

-1 alors que dans le cas des réactions chimiques elle dépasse les centaines de kcal.mol-1 . En revanche pour les réactions nucléaires, les variations d’enthalpie sont très élevées, plus d’un milliard de fois que celles des réactions chimiques. Expérimentalement les chaleurs de réactions ordinaires (changement d’état, dissolution, réaction chimique,...) sont mesurées à l’aide de calorimètre. Cet appareil est une enceinte isolée de l’extérieur où à l’intérieur duquel peuvent s’effectuer des échanges thermiques que l’on peut contrôler.

L’entropie (S) est une fonction d’état mais qui ne se conserve pas ; elle augmente toujours pour les transformations qui se déroulent dans un récipient isolé thermiquement.

L’entropie de l’univers ne fait que croître. F) VALEUR EXACTE D’UNE GRANDEUR PHYSIQUE

Il est impossible de connaître la vraie valeur d’une grandeur physique ; il est important d’évaluer l’incertitude de la mesure.

Toute valeur mesurée d’une grandeur physique est une valeur approchée ; on dit qu’elle est entachée d’erreur. La valeur mesurée de toute grandeur n’est pas absolue ; elle dépend de la précision de l’instrument de mesure. Si l’on effectue plusieurs mesures pour la même grandeur, on prend alors la moyenne mais cela ne veut pas dire qu’elle représente la valeur exacte de cette grandeur. Si a est la moyenne des mesures effectuées, celle-ci n’est qu’une valeur approchée.

On parle alors de valeur moyenne a et d’erreur absolue a . On écrit donc :e aaa

L’erreur absolue a

n’est pas connue. On doit chercher une limite supérieure appelée incertitude absolue et l’on écrit : aa

4 C'est-à-dire que l’incertitude absolue est une valeur maximale que l’erreur absolue n’atteint probablement pas sauf dans le cas le plus défavorable sans toutefois la dépasser.

L’incertitude absolue a est un nombre positif et concret, il s’exprime dans les mêmes unités que celles de la grandeur mesurée.

L’incertitude relative ou ce qu’on appelle la précision d’une mesure ; elle est définie comme suit : %)exp'(enrimesellerelativeeincertituda a 

En définitive la valeur de la grandeur mesurée s’écrit :

unitésmêmesaaunitésae )()(

Il est indispensable d’effectuer un calcul d’incertitudes pour toute valeur d’une grandeur mesurée.

N.B. Pour plus de détails se référer en annexe de ce polycopié pour le calcul d’incertitudes. G) HOMOGENEITE DES GRANDEURS PHYSIQUES

Les grandeurs physiques sont exprimées, sans exception, dans cinq grandeurs fondamentales : Grandeur La longueur La masse Le temps L’intensité La mole NotéeL MT I mol.

Ainsi, un volume V est homogène à L3 . On écrit : V=L3 Une concentration molaire C est une grandeur composée ; celle-ci est homogène à une mole que divise un volume. On l’écrit : C= mol.L-3 etc...

L’écriture de toute grandeur physique sous cette forme s’appelle l’équation aux dimensions

Le recours à l’équation aux dimensions de toute grandeur physique est nécessaire, il permet de vérifier l’homogénéité des formules. Ainsi, avant d’effectuer tout calcul d’une grandeur physique il faut toujours s’assurer de l’homogénéité de son expression littérale. C’est une opération primordiale pour éviter toute surprise sur les valeurs trouvées.

Prenons l’exemple de calcul de l’énergie, définie comme étant la capacité de fournir un travail, elle est homogène au produit d’une force par un déplacement. On l’exprime en joules (J). Ecrivons son équation aux dimensions : - le déplacement est une grandeur fondamentale, il est homogène à L, - la force n’est pas une grandeur fondamentale, elle résulte du produit de d’une masse par une accélération, 5 - l’accélération n’est pas une grandeur fondamentale, elle est le résultat d’une vitesse que divise le temps (2 . TL

), - en définitive l’équation aux dimensions de l’énergie s’écrit :E=M.L 2.T -2

C’est l’écriture de l’équation aux dimensions de l’énergie mais en aucun cas elle

ne s’écrit : kg.m-2 .s-2 . 6 CONSEILS & CONSIGNES 1) La nature nous a doté de cinq sens qui sont : - la vue, l’odorat, l’ouie, le goût et le toucher

Il faudra les utiliser à bon escient et ce sont les réactions naturelles de l’Homme et

en particulier pour toute personne qui se spécialise dans les matières scientifiques.

Mais cela ne suffit pas, on ne peut se fier à notre odorat ni à notre œil car celui-ci

ne permet pas de voir les objets miniscules et en particulier à l’échelle microscopique.2) Les merveilles de la science :

- Alors les scientifiques ont inventé, découvert et développé une technologie pour

la fabrication d’outils et d’appareils pour analyser et observer le comportement de la matière : les changements d’état, réactions chimiques, structure des composés, etc...

- En utilisant ces différents moyens on est capable aujourd’hui de satisfaire notre curiosité et de dompter la matière pour subvenir à nos besoins. Mais il faut œuvrer pour un développement durable. « Un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs »

-1987 Mme Gro Harlem Bruntdland, Premier ministre norvégien.

- Prenez soin au matériel utilisé car il revient cher et difficile à acquérir, travaillez

calmement et apprenez à demander toujours, avant de vous en servir, à l’enseignant ; c’est la meilleure façon de gérer le matériel dans un laboratoire.

- -Tout produit chimique est potentiellement toxique ; on évitera donc de goûter, de

sentir ou de toucher. Méfiez vous des produits en poudre fine qui peuvent être inhalés.

Vous serez amené à manipuler des produits chimiques, soyez toujours vigilant. Consultez

les étiquettes collées sur les flacons avant de vous en servir. Lorsqu’il s’agit de produits

commerciaux ces étiquettes symbolisent les risques, observez les attentivement. C’est une

source d’informations qui renseigne :  sur la nature des dangers symbolisés par un pictogramme noir sur un fond jaune-

orange,  sur la conduite à tenir en cas d’accident,  sur la gestion des déchets.

Prenez soin à votre sécurité : « Si tu donnes une recette à un chimiste, tu lui évites un

accident. Si tu lui apprends la sécurité tu le protèges pour la vie » selon un proverbe

chinois.

- L’étudiant en TP doit porter une blouse en coton (manches longues) et se munir de sa trousse de travail (calculatrice, crayon, gomme, stylos, papier millimétré, etc...). 7 TP N°01 : EQUATION D’ETAT DES GAZ PARFAITS : Relation entre P et V, entre P et T. I) BUT DU TP

Dans ce TP on désire vérifier les lois empiriques des gaz parfaits (Gay-Lussac, Boyle-Mariotte et de Charles –Amontons). La combinaison de ces trois lois permet d’établir l’équation d’état universelle des gaz parfaits. Pour ce faire on procède comme suit : - On détermine la relation existant entre les grandeurs P et V, pour une masse de gaz m, maintenue à température constante, - On détermine la relation existant entre les grandeurs P et T, pour une masse de gaz m, maintenue à volume constant. II) LE COMPORTEMENT DES GAZ

Tous les gaz se conduisent d’une manière similaire, et plusieurs lois des gaz permettent de décrire ce comportement (voir ci-dessous). Un gaz parfait est un gaz théorique (ses molécules sont considérées comme ponctuelles et les interactions intermoléculaires nulles) qui, par définition, suit la loi de Boyle-Mariotte, quelles que soient la température et la pression, mais il doit également obéir aux lois de Gay-Lussac et de Charles-Amontons.

Lorsque des gaz réels sont à des températures et pressions normales (T modérées et P voisines de 1 atm), leur comportement est presque idéal (plus la température est élevée et la pression basse, meilleure est l’approximation), et il est donc possible de leur appliquer ces lois. III) LES PROPRIETES PHYSIQUES D’UN GAZ

La matière à l’état solide possède un volume et une forme définis, à l’état liquide elle a un volume propre mais prend la forme du récipient qui la contient tandis qu’à l’état gazeux elle occupe tout le volume qu’on lui offre et épouse la géométrie du récipient. Les gaz sont invisibles et souvent inodores. Tous les gaz se mélangent quelles que soient leurs proportions, certains gaz ont une odeur caractéristique et leur présence dans une atmosphère confinée permet de détecter les gaz toxiques ou dangereux. Par exemple on utilise le cyclohexène comme « parfum » pour détecter les fuites de gaz de ville (CH

4, C2 H6 ). 8 T=Cte, si P croît alors V diminue P=Cte, si T croît alors V croît V=Cte, si T croît alors P croît CtePVCte TV Cte TP nRTPV LEGENDE P : la pression du gaz T (K) : la température du gaz V : le volume occupé par le gaz n : la quantité (en moles) de gaz Où ,M mn avec m la masse de gaz et M sa masse molaire RESUME DES PROPRIETES

D’UN GAZ PARFAIT Un gaz n’a ni volume ni forme propres, il occupe tout le volume offert et épouse la géométrie du récipient. Robinet fermé Robinet ouvert

état T, P

1 et V1 état T, P

2 et V2 9 IV) EXPERIMENTATION 1- Relation existant entre les grandeurs P et V 1-1. Matériels: préliminaires et mode opératoire  L’étude est réalisée avec de l'air (supposé gaz parfait).  La seringue doit être fixée sur un support en bois et on doit utiliser un jeu de cales  pour maintenir le piston. Ceci rend plus aisée la manipulation.  Le piston est maintenu initialement à V= X ml, on met en place le capteur de pression (fig.1) que l’on raccordera alors de façon étanche au tuyau souple relié à l'embout de la seringue (il suffit d'emmancher de quelques millimètres pour obtenir l'étanchéité), et laisser le piston dans cette position (l'air a donc été enfermé à la pression atmosphérique du moment).Air Tuyau

Seringue

Capteur de pression Fig. 1. Schéma des mesures de P et de V de l’air à T constante.  L'air qui subira la compression sera donc tout celui qui se trouve initialement dans le tuyau souple et la seringue. Déterminer le volume du tuyau (V tuyau

) 1-2. Manipulation  En déplaçant le piston de la seringue doucement pour se placer dans les conditions de température constante, on fait varier le volume du gaz.  On mesure la pression à l'aide d'un capteur de pression (pressiomètre) relié à l'extrémité de la seringue par un tuyau souple et le volume correspondant sera relevé sur la seringue. 10

20  Ne pas dépasser 2000 hPa, risque de détérioration du pressiomètre.  Ne pas enfoncer complètement la seringue ! 10  Tableau (1) : Valeurs mesurées de P et de V à température constante V

seringue (ml) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 V (ml)V 1 (L-1 ) P (hPa)

 Tracer la courbe donnant les variations de P en fonction de V1 . Conclure.  Donner la relation entre P et V. (loi de Mariotte)

2- Relation existant entre les grandeurs P et T

2-1. Matériels : mode opératoireAir Agitateur

Chauffage

Fig.2. Schéma des mesures de P et de T à volume constant.

 Raccorder de façon étanche le tuyau souple au ballon, l’eau étant à température ambiante. 2-2. Manipulation  Chauffer (Fig.2) doucement avec la plaque chauffante et agiter régulièrement l’eau afin que la température soit homogène.  Tableau.(2). Valeurs mesurées de P et de T à volume constant.  (°C) 20 30 40 50 60 70 80 T (K)

P (hPa)

Le ballon doit être complètement immergé dans l’eau. Eau

Thermomètre 11  On mesure la pression à l'aide du pressiomètre pour différentes températures qui seront régulièrement relevées à l’aide d’un thermomètre.  Rappeler la relation entre T et . Quelle serait la pression pour une température absolue nulle ?  Tracer la courbe donnant les variations de P en fonction de T. Conclure.  Donner la relation entre Pet T.  Existe-t-il une température minimum ? maximum ? Si oui l’indiquer. 3- Relation existant entre les grandeurs P, V et T Déterminer la relation existant entre les grandeurs P,V et T, pour une masse de gaz m. Etablir l’équation d’état des gaz parfaits.

12 TP N°02 : CALORIMETRIE

DETERMINATION DE LA CAPACITE THERMIQUE MASSIQUE D’UN SOLIDE I) PRINCIPE DE LA CALORIMETRIE

Le calorimètre est un système thermodynamique isolé qui n’échange aucune énergie avec le milieu extérieur (ni travail, ni chaleur). Sa paroi est indéformable et adiabatique donc W = 0 et Q = 0 .

Les mesures calorimétriques permettent de déterminer les capacités thermiques massiques (chaleur massique) des substances, les chaleurs de changement d’état et les chaleurs de réaction. Les principes qui régissent la calorimétrie reposent en fait sur le premier principe de la thermodynamique (principe de la conservation de l’énergie 

U=0 pour tout système isolé).

Au sein du calorimètre (vase Dewar comme l’un des calorimètres le plus simple) il peut s’y dérouler des échanges thermiques. Le corps le plus chaud cède de la chaleur (Q

1 comptée négative) et le corps le plus froid la reçoit (Q

2 comptée positive) totalement en vertu du principe de l’égalité des échanges de la chaleur. La température du corps chaud s’abaisse jusqu’à e

 et la température du corps froid augmente jusqu’à cette température qui représente l’équilibre thermique. Ceci peut se traduire par la relation fondamentale : 021 QQ

(1) II) BUT DE LA MANIPULATION

Dans ce travail pratique on se propose de déterminer la capacité thermique massique (chaleur massique) d’un solide qui ne doit pas changer d’état, ni se dissoudre ou réagir avec le milieu qui l’entoure. On applique la méthode des mélanges en utilisant l’eau distillée comme liquide dont on connaît la capacité thermique massique dans le quel doit être immergé le solide de capacité thermique massique inconnue.

O n procède en deux étapes : - d’abord on détermine la capacité thermique (valeur en eau du calorimètre) du calorimètre et ses accessoires, - ensuite on plonge, dans le calorimètre, un morceau de métal (cuivre) de masse connue et chauffé au préalable à une température θs . A l’équilibre thermique on notera la température pour enfin procéder au calcul de la capacité thermique massique du solide. 13 III) THEORIE III-1) La capacité thermique d’un corps solide ou liquide

La quantité d’énergie thermique acquise par une masse de liquide ou de solide est proportionnelle à l’élévation de température ; on l’écrit : CQ(2) Le coefficient C est appelé capacité thermique de la substance. Il représente numériquement la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de la substance de 1 degré. Autrement dit c’est la quantité d’énergie emmagasinée par le corps pour une élévation de sa température de 1 degré. Inversement celle-ci sera la quantité qu’il cèdera si sa température s’abaisse de 1 degré (principe de la conservation de l’énergie) III-2) La capacité thermique massique (c)

De quoi dépend la capacité thermique massique ? L’expérience montre que si l’on double la masse de la substance pour une même élévation de température la quantité d’énergie double. En effet, si l’on admet que la capacité thermique (ou capacité calorifique) est proportionnelle à la masse de la substance on a :   cmCQcmCQ 122111 2 122QQ (3)

La capacité thermique est donc proportionnelle à la masse m du corps. Alors on écrit :mcC (4) Ce coefficient de proportionnalité est appelé capacité thermique massique à déterminer pour chaque corps. III-3) L’équation calorimétrique

On considère un vase calorimétrique contenant i corps définis par leur masse m i et leur capacité thermique massique c i pris à la température i . Si on y introduit un corps (liquide ou solide) de masse

m et de capacité thermique massique c pris à la température i , il se produit un échang