Chimie physique

Les bases de la chimie physique

Nous avons mentionné les atomes ci-dessus, mais qu'est-ce que c'est au juste ?

En fait, les atomes sont les éléments fondamentaux de toutes les parties de la chimie, mais il y a d'autres termes assez importants que tu dois connaître :

• Un élément est une substance pure qui ne contient que des atomes ayant tous le même nombre de protons dansleur noyau. Cela ne veut pas dire grand-chose, mais cela signifie simplement, par exemple, que tous les atomes de carbone ont exactement six protons - ni plus ni moins. Nous avons également parlé des protons plus haut. Le nombre de protons d'un atome détermine exactement l'élément dont il fait partie.
• Si tu mets deux atomes ensemble, tu obtiens une molécule. Une molécule est constituée de deux ou plusieurs atomes liés chimiquement ensemble.
• Les molécules fabriquées à partir de différents éléments sont appelées des composés. Un composé est simplement constitué de deux ou plusieurs atomes d'éléments différents liés chimiquement ensemble.
• En chimie, on parle souvent d'espèce. Une espèce est un groupe d'entités identiques, qu'il s'agisse d'atomes, d'ions, de molécules ou de particules.
• Le tableau périodique est un tableau qui présente tous les éléments différents, classés selon leur nombre de protons et leurs propriétés. Les colonnes sont appelées groupes et les lignes périodes.

Thèmes de la chimie physique

En chimie physique, tu étudieras toute une série de sujets. Ceux-ci vont de la structure atomique, où tu en apprendras plus sur les particules à l'intérieur d'un atome, à la cinétique, où tu découvriras comment les réactions se produisent et comment nous pouvons les manipuler. D'autres sujets incluent les acides et les bases, la quantité de substance et les équilibres.

Structure atomique

Tu devrais déjà savoir ce qu'est un atome. C'est la plus petite unité d'un élément qui ne peut être décomposée par aucune réaction chimique. Mais cela ne signifie pas que les atomes ne contiennent pas leurs propres éléments constitutifs. Nous avons vu plus haut que les atomes sont constitués de particules subatomiques appelées protons, neutrons et électrons. Dans "Structure atomique", tu apprendras comment ces particules sont disposées à l'intérieur des atomes. Tu découvriras comment le fait de changer leur nombre modifie l'atome, et tu apprendras à définir des mots tels que ion, isotope et énergie d'ionisation.

Par exemple, quelle est la différence entre un atome d'hydrogène et un atome d'hélium ? Comment peut-on les distinguer ? Peut-on passer de l'un à l'autre - et si ce n'est pas le cas, pourquoi ?

À gauche : un atome d'hydrogène. À droite : un atome d'hélium. Peux-tu repérer les différences ?commons.wikimedia.org

Quantité de substance

Une fois que tu as appris à connaître les atomes et les éléments, tu peux commencer à regarder comment ils réagissent ensemble. Mais avant cela, tu dois comprendre les bases des réactions et la façon dont les chimistes travaillent avec elles. Dans "Quantité de substance", tu aborderas des sujets tels que la masse moléculaire, les formules empiriques et la mole.

Lestaupes n'ont rien à voir avec l'animal - une mole est une quantité spécifique d'atomes ou de molécules. Elles facilitent grandement les équations de réaction.

Il y a 602 sextillions de molécules dans une mole de n'importe quelle substance. C'est ce qu'on appelle la constante d'Avogadro.StudySmarter Originals

Par exemple, si nous connaissons des valeurs telles que la masse d'un échantillon et sa formule chimique, nous pouvons calculer non seulement le nombre de moles qu'il contient, mais aussi le nombre de moles d'un produit que nous attendons d'une réaction.

Tu n'as peut-être pas obtenu autant de produit que prévu. On pourrait dire que ta réaction a un faible pourcentage de rendement. Dans "Quantité de substance", tu apprendras également comment calculer ce pourcentage de rendement et pourquoi il est parfois si faible.

Liaison

Nous savons que les atomes réagissent en déplaçant leurs électrons. Les atomes veulent être dans l'état le plus stable possible, et ils y parviennent en perdant ou en gagnant des électrons. Trop d'électrons ? Ils en cèdent quelques-uns. Pas assez ? Ils essaient d'en gagner quelques-uns.

Dans "Liaison", tu exploreras quelques-unes des façons dont les atomes déplacent leurs électrons, qu'ils les donnent à d'autres atomes ou qu'ils les partagent entre eux. Le déplacement des électrons forme des liaisons, et tu découvriras les différents types de liaisons entre les atomes. Tu définiras également ce qu'on appelle l'électronégativité.

Ce sujet s'appuie sur tes connaissances de la structure atomique. Il intègre également des connaissances sur les forces et l'attraction. Par exemple, quelles sont les forces qui maintiennent une liaison ensemble ? Pourquoi certaines liaisons sont-elles beaucoup plus fortes que d'autres ?

Après avoir étudié les liaisons d'un point de vue subatomique, tu les examineras au niveau moléculaire. Tu appliqueras à nouveau tes connaissances sur les forces pour expliquer pourquoi les molécules ont des formes différentes, et tu étudieras comment les liaisons entre les molécules confèrent aux substances des propriétés si différentes.

Quelques exemples de formes de molécules, Domaine public

commons.wikimedia.org

Énergétique et thermodynamique

Qu'est-ce qui détermine si deux substances réagissent ensemble ? C'est ce que nous appelons la faisabilité d'une réaction, et tout cela est lié aux changements d'énergie. Dans les sections "Énergétique" et "Thermodynamique", tu apprendras à connaître deux idées connexes connues sous le nom d'enthalpie et d'entropie.

Tu découvriras pourquoi certaines substances dégagent de la chaleur lorsqu'elles réagissent et comment nous mesurons cette chaleur au cours d'un processus appelé calorimétrie. Ensuite, tu t'entraîneras à calculer les variations d'énergie des réactions en dessinant des diagrammes d'enthalpie. Une fois que tu auras terminé ce sujet, tu seras capable de prédire la faisabilité d'une réaction en examinant simplement quelques valeurs d'enthalpie et d'entropie.

Diagramme d'enthalpie pour une réaction exothermique[3], Brazosport College, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Cinétique et équations de vitesse

Maintenant que nous savons pourquoi les atomes réagissent d'un point de vue chimique, nous pouvons nous intéresser à nouveau à la physique. "La cinétique" est l'étude du mouvement des particules et de la façon dont il affecte les systèmes changeants. Prenons l'exemple du fer et de l'eau. Ils réagissent pour produire de l'oxyde de fer(III). À température ambiante, cette réaction est très lente. Mais si tu fais plutôt réagir le fer avec de la vapeur, la réaction se produit beaucoup plus rapidement. Pourquoi en est-il ainsi ?

Dans "Cinétique", tu découvriras les vitesses de différentes réactions et comment nous pouvons les manipuler. La chaleur est l'un des moyens d'augmenter la vitesse d'une réaction, mais tu exploreras également d'autres facteurs tels que la surface et la concentration. Tu approfondiras ces connaissances dans "Équations de vitesse". À la fin de ce sujet, tu sauras comment calculer la vitesse des réactions à la fois expérimentalement et théoriquement.

Équilibres

Dans "Thermodynamique", tu as appris ce qu'était la faisabilité d'une réaction. En fait, certaines réactions sont réalisables dans les deux sens - il y a une réaction en avant et une réaction en arrière.

Examinons le chlorure d'ammonium solide et blanc, NH_4Cl. Il se décompose en gaz ammoniac et en acide chlorhydrique.

$$ NH_4Cl_{(s)}\rightleftharpoons NH_{3(g)}+ HCl_{(g)} $$

Si tu laisses la réaction seule dans un système fermé, il restera toujours un peu de solide blanc, quelle que soit la durée de la réaction. La réaction n'est pas complète. On dit que ce type de réaction est réversible - comme une partie du chlorure d'ammonium se décompose, une autre est reformée à partir de l'ammoniac et de l'acide chlorhydrique. Cela forme un équilibre.

Mais que se passe-t-il si nous ne voulons pas de chlorure d'ammonium ? Comment pouvons-nous influencer la réaction pour maximiser notre rendement en ammoniac et en acide chlorhydrique ? Dans "Équilibres", tu apprendras comment la modification des conditions de réaction fait basculer la réaction d'un côté ou de l'autre. Tu rencontreras Le Châtelier et en sauras plus sur son principe, puis tu l'appliqueras à des exemples industriels, comme la production d'éthanol. Nous explorerons également les constantes d'équilibre, Kp et Kc. Tu pourras les utiliser pour déterminer la composition d'un mélange à l'équilibre.

L'oxydoréduction

Ci-dessus, nous avons mentionné comment l'oxyde de fer(III) se forme à partir du fer et de l'eau. Mais que signifient les chiffres romains indiqués après le fer ?

Eh bien, ils décrivent ce qu'on appelle les états d'oxydation. Tu en apprendras plus à ce sujet dans la section "Redox". Les états d'oxydation indiquent combien d'électrons un atome a perdu ou gagné au cours d'une réaction. Dans les réactions d'oxydation, les atomes perdent des électrons, tandis que dans les réactions de réduction, les atomes gagnent des électrons. Nous reviendrons sur le mouvement des électrons et nous nous entraînerons à écrire des demi-équations pour le représenter.

Tu exploreras ensuite les cellules électrochimiques. Imagine que tu accroches deux métaux différents à un fil et que tu les plonges dans une solution saline. Que penses-tu qu'il va se passer ? Pourquoi un courant est-il produit et comment pouvons-nous prédire la direction dans laquelle il circulera ? Nous pouvons utiliser nos connaissances de la structure atomique et de l'électronégativité pour répondre à ces questions.

Une cellule électrochimique.StudySmarter Originals

Acides et bases

Pour le dernier sujet "Acides et bases", au lieu de nous concentrer sur le mouvement des électrons, nous allons nous intéresser au mouvement des protons. Tu as appris dans "Structure atomique" que l'ion hydrogène, \(H^+\), ne contient qu'un proton et aucun électron ou neutron, c'est pourquoi nous l'appelons un proton. Lorsque des substances appelées acides et bases réagissent dans des réactions dites de neutralisation, elles déplacent des protons. Les réactions de neutralisation sont extrêmement courantes dans la vie de tous les jours - par exemple, les dentifrices neutralisent les composés acides produits par les bactéries dans nos dents, et la levure chimique contient un mélange d'acides et de bases qui, lorsqu'ils sont dissous dans une solution, produisent des gaz qui font lever les gâteaux.

Tu découvriras l'échelle de pH, inventée par un biochimiste danois qui travaillait pour une société de brasserie. Tu découvriras également comment calculer le pH des substances avant et après neutralisation. Enfin, tu exploreras comment le pH change dans les titrages.

L'échelle du pH. Les substances acides ont un pH faible et les substances alcalines ont un pH élevé.StudySmarter Originals