Chimie générale et physique

Dans ce cours de chimie générale contenant les notions essentielles de chimie physique ( bibl.  P.ARNAUD, "Cours de chimie physique",P.W. ATKINS, "Eléments de chimie physique ), nous insisterons sur la mise en solution dans l'eau, la théorie des pH et de l'oxydoréducion qui sont fondamentales pour comprendre le fonctionnement d'un organisme.Tout cela sera basé sur une étude suffisamment complète des éléments et de leur structure atomique.

Bibliographie proposée

PROPOS PRELIMINAIRES

La chimie étant une science au même titre que la physique ou la biologie , ses objets sont traités par la méthode scientifique telle qu’elle est décrite dans l’introduction générale de cette série. L’ensemble des concepts et théories fondamentaux de cette science sont regroupés sous le vocable « chimie générale »  dans un but essentiellement pédagogique.

La chimie étudie la composition, les réactions et les propriétés de la matière elle est par nature interdisciplinaire et relie les sciences naturelles , elle a un rôle important dans le fonctionnement de notre monde et dans l'existence de la vie. La bonne compréhension de cette définition demande que l’on définisse la réaction chimique et que l’on cerne d’un peu plus près ce que recouvre le concept de « matière ».

Provisoirement nous définissons la matière comme suit : La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et la quantité de matière se mesure à l'aide de la masse (lorsqu'il s'agit de compter des particules de matière, on utilise la mole).

En ce qui concerne la réaction chimique nous adopterons également une définition conventionnelle sachant que la compréhension de ce concept nécessite certains prérequis.

Une réaction chimique est une transformation de la matière. Au cours d'une réaction chimique, les espèces chimiques (atomiques, ioniques ou moléculaires) qui constituent la matière sont modifiées : les espèces qui sont consommées sont appelées réactifs. Les espèces formées au cours de la réaction sont appelées produits (de réaction). Depuis les travaux de Lavoisier (1777), on sait que la réaction chimique se fait sans variation mesurable de la masse : c'est le fameux "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" qui traduit la conservation de la masse.

Les réactions chimiques provoquent un changement de la nature chimique de la matière, on exclut donc les transformations purement physiques, comme les changements d'état (fusion, solidification, évaporation, ébullition...), l'usure et l'érosion, la rupture...

On exclut également les transformation des noyaux des atomes, donc les réactions nucléaires.

Une réaction peut dégager de l'énergie (en général sous forme de chaleur, mais aussi de la lumière), elle est alors dite exothermique. Elle peut nécessiter un apport d'énergie, sous forme de chaleur (donc « produire du froid ») ou de lumière, elle est alors dite endothermique. D'une manière générale, une réaction ne peut avoir lieu que si certaines conditions sont réunies (présence de tous les réactifs, conditions de température, de pression, de lumière). Certaines réactions nécessitent ou sont facilitées par la présence d'une substance chimique appelée catalyseur.

A l’instar de la physique , la chimie a été subdivisée en un certain nombre de sous disciplines traitant de domaines particuliers suffisamment importants pour être individualisés , a titre non exhaustif nous citerons :

- la biochimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) et/ou avec des objets biologiques (protéines…).

- la chimie analytique est l'étude des méthodes d'analyses qualitatives et/ou quantitatives qui permettent de connaître la composition d'un échantillon donné 

- la chimie des matériaux est la préparation et l'étude de substances avec une application en tant que matériau. Ce domaine intègre des éléments des autres domaines classiques de la chimie avec un intérêt particulier pour les problèmes fondamentaux concernant les matériaux.

- la chimie inorganique (anciennement chimie minérale), concerne la description et l'étude des éléments chimiques et des composés inorganiques (sans squelette carboné).

- la chimie organique est la description et l'étude des composés comportant un squelette d'atomes de carbone (composés organiques) ;

- la chimie physique dont l'objet est l'étude des lois physiques des systèmes et procédés chimiques ; ses principaux domaines d'étude comprennent : la thermochimie, la cinétique chimique, l'électrochimie, la radiochimie, les spectroscopies.

- la chimie théorique est l'étude de la chimie à travers un raisonnement théorique fondamental (habituellement à l'aide des mathématiques et de la physique). En particulier, l'application de la mécanique quantique à chimie a donné naissance à la chimie quantique. Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le progrès des ordinateurs a permis le développement de la chimie .

Gardons à l’esprit que ce qui fonde la distinction entre physique et chimie est fondamentalement un problème d’échelle , la chimie étudie les phénomènes qui ont lieu au niveau des espèces chimiques ( atomes, ions, molécules ) pour lesquels les lois de la physique sont toujours applicables. Ce sont notamment les progrès de la physique qui ont conduit à la description d’un atome planétaire , base de la théorie des liaisons chimiques. Remarquons cependant que l’étude des niveaux dimensionnels inférieurs à ceux des atomes fait partie de ce que l’on appelle la physique des particules.

Traditionnellement, on fait cependant une distinction entre physique et chimie. Le chimiste chercherait, grâce à une meilleure connaissance de la structure interne de la matière (au niveau moléculaire ou atomique) à comprendre les « réactions chimiques » au cours desquelles les substances bien définies « réagissent » pour donner des substances nouvelles , de caractéristiques généralement différentes. A titre d’exemple citons comme phénomène physique la dilatation des corps, universel , passager, , qui ne modifie pas la nature des corps , mais tout au plus leur état physique, et comme phénomène chimique, la rouille du fer , phénomène particulier , irréversible , qui modifie la nature de la substance qui le subit.

PARTIE I : INTRODUCTION AUX CONCEPTS ET LOIS DE BASE DE LA CHIMIE 

I.1 UNE DISTINCTION QUI A SES LIMITES

Comme nous l’avons mentionné plus haut, l’on définit la chimie comme étant la science qui étudie la structure, les propriétés de la matière et les transformations ( changement de nature) que celle-ci peut subir On appelle phénomène , tout fait observable , et notamment toute modification des propriétés des corps.

Lorsqu'il a voulu étudier les phénomènes narurels, l'homme a été tenté de faire une première classification, c'est ainsi qu'il a pu déceler une distinction entre les phénomènes dont, apparemment, seul les organismes étaient le siège et les autres.Que sont les autres phénomènes : L'on a constaté que l'on pouvait, au sein de la philosophie naturelle les scinder,à un certain niveau macroscopique, en deux grands groupes.

C'est ainsi que l'on a été amené à distinguer les phénomènes physiques des phénomènes chimiques.

Simplement, l'on a coutume de dire que :

1) Les phénomènes physiques ont lieu sans modification de la matière mise en jeu, l'identité chimique de la matière ou des matières intervenantes est conservée.

2) Les phénomènes chimiques ont lieu avec modification de la matière mise en jeu, l'identité chimique de la matière ou des matières intervenantes n'est pas conservée.

Exemples de phénomènes physiques

Ebullion de l'eau, la vapeur est toujours le corps chimique "eau"

Chute d'une pierre dans le vide, la pierre est toujours constituée des mêmes minéraux

Passage d'un rayon lumineux dans un système optique, intégrité de l'air et du système optique conservée.

Exemples de phénomènes chimiques

Oxydation d'un métal ferreux exposé aux aléas climatiques : formation de rouille qui correspond à une modification de la matière "Fer "

Erosion des pierres calcaires par le vinaigre

Consommation de gazoil pour alimenter un moteur thermique et libération de gaz d'échappement.  

Remarque

Il ne faut cependant pas croire que la distinction est toujours aussi nette et surtout lorsque l'on réfléchit à des phénomènes comme la dissolution-ionisation de cristaux de NaCl dans l'eau, de tels phénomènes sont en réalité des phénomènes physico-chimiques.  

Ce premier essai de classification des phénomènes résulte de la nécessité qui est apparue de dresser certaines cloisons, de diviser l’étude de la matière en domaines plus ou moins restreints.

Mais,comme nous allons le montrer, la physique et la chimie, ainsi que bien d’autres sciences , parmi lesquelles nous citerons la biologie et la géologie , ont de nombreux domaines communs, et les limites que nous allons leur imposer sont purement théoriques.

Ainsi si nous étudions dans un voltamètre le phénomène d’électrolyse d’une solution aqueuse de soude ( NaOH ), nous observons notamment :

- Une élévation de température au voisinage des électrodes

- L’existence d’un champ électrique dans la solution

- Le passage de courant dans un galvanomètre branché entre l es électrodes

Soit autant de phénomènes physiques .

Mais aussi :

L’apparition de bulles gazeuses non condensables à température et pression ordinaire sur les électrodes , bulles qui se rassemblent au dessus des colonnes liquides et que nous pouvons identifier comme étant de l’hydrogène et de l’oxygène .

La quantité de soude dans la solution reste inchangée ; une partie de l’eau a disparu

Il  s’agit d’un phénomène chimique.

Ce phénomène d’électrolyse , qui appartient à la fois à la physique et à la chimie a été appelé phénomène physico-chimique.

D’autre part, la chimie expérimentale n’a pu accéder au rang de science exacte que grâce à la mise en œuvre de méthodes de mesure reposant sur la physique ( masses, densités)

Il est évident que les deux sciences s’interpénètrent très profondément , et en conséquence , un cours de chimie générale d’un niveau supérieur comportera une importante partie consacrée à la physico-chimie.

I.2 LA CHIMIE

I.2.1.Les moyens, les méthodes de la chimie

A ses débuts, la chimie était purement descriptive et basée sur l’observation des corps , leur classification selon leurs diverses propriétés chimiques et physiques .Essentiellement empirique et finalement inductive, elle essaya de déterminer les lois qui régissent les phénomènes . Divers chercheurs émirent ainsi des hypothèses susceptibles d’expliquer les phénomènes observés , hypothèses qui, vérifiées devinrent les lois fondamentales de la chimie. C’est ainsi que l’on aboutit, par exemple à la notion de structure discontinue de la matière et finalement à la théorie de l’atome .

Mais , bientôt , recourant à la méthode déductive, les chimistes établirent , sur la base de principes , lois et théories de la physique , une théorie de plus en plus complexe sur la structure intime de la matière , théorie permettant de comprendre les réactions , d’interpréter leur mécanisme .

Nous allons suivre ce cheminement dans la première partie de ce cours .

I.2.2. les buts de la chimie

Ils consistent d’abord en l’analyse, l’expertise des corps, mais aussi dans la préparation, en vue de leur utilisation rationnelle, des nouvelles substances nécessaires aux besoins croissants de l’humanité ( médicaments, fibres synthétiques, …).

De plus, envisageant l’aspect énergétique, les chimistes essaient de mettre au point des processus au cours desquels sont dégagées des quantités importantes d’énergie ( piles à combustible,…).

I.2.3. Divisions de la chimie

Vu son développement extrêmement rapide, il a été nécessaire , en vue d’une étude rationnelle et comme nous l’avons vu dans les propos préliminaires, de compartimenter la chimie en différents domaines . Citons les subdivisions qu’il nous faudra aborder dans cette série : la chimie générale-la chimie inorganique ( chimie minérale)-la chimie organique-la biochimie-la chimie analytique-la chimie physique.

Notons que cette subdivision est arbitraire et théorique, ces différents domaines s’interpénétrant .

I.3  NOTIONS DE BASE SUR LA MATIERE 

La théorie des quatres éléments des anciens grecs convient assez bien pour expliquer ce qu'est un élément chimique .

Vous voyez sur le logo repris en tête de cette page que ces quatres éléments sont pour eux : la terre, l'air, l'eau, le feu, ces éléments combinés de différentes manières donnaient selon eux toutes les autres substances.

C'est de cette manière que sont considérés les éléments chimiques mais on en connaît actuellement plus de 100.

1.3.1 Définition et caractéristiques fondamentales

Nous désignerons par ce terme tout ce qui possède une masse , occupe un certain volume ou offre une résistance.

Le fait de posséder une masse ne suffit pas car, si pendant longtemps les savants on pensé pouvoir faire une distinction entre la matière et l’énergie , au début du siècle , Einstein montra que l’énergie possède une masse et que la lumière était soumise par la matière à une force de gravitation.

Ce fait fût établi par l’observation , lors d’une éclipse d’un rayon lumineux provenant d’une étoile lointaine et passant à proximité du soleil. Suite à l’attraction gravifique du soleil, le rayon s’inclinait vers ce dernier.

La relation d’Einstein définit la masse associée à une quantité déterminée d’énergie :

E = m . c²

Où E = quantité d’énergie

m = masse

c= vitesse de la lumière (~ 3.10 ¹⁰ cm/sec )

La vérification expérimentale de cette relation , qui infirme notamment la loi de Lavoisier, n’est possible que dans le cas des réactions thermonucléaires , qui impliquent des effets énergétiques énormes.

Les propriétés de la matière seront classées en :

- Propriétés physiques : état physique, odeur, couleur, saveur, densité,…….. et

- Propriétés chimiques : comburant, combustible, acide, base,…

Ici aussi, la classification est malaisée, certaines propriétés comme la solubilité étant à la fois physiques ( pas de changement de nature ) et chimiques ( solvatation).

1.3.2. Ebauche de classification des substances

Une substance est un échantillon homogène de matière ( jouit des mêmes propriétés en toutes ses parties ), de composition chimique bien définie.

Notre première classification des substances repose sur leur état physique. Nous établirons ensuite une distinction entre mélanges et substances pures.

Les substances pures se diviseront elles-mêmes en corps simples ou éléments ( une seule sorte d’atomes, sous forme moléculaire ou non) et corps composés ( ou combinaisons) .

Les corps composés se répartissent en électrolytes ( acides, bases, sels ) et non-électrolytes ( parmi lesquels les oxydes ) .

Les éléments eux-mêmes se divisant en métaux , non métaux et éléments mixtes .

Ceci nous amènera enfin à une classification rationnelle des éléments : la classification périodique.

1.3.3. Classification des substances

Définissons préalablement quelques termes :

- Un matériau hétérogène est constitué de parties dont les propriétés sont différentes , ce qui permet de les distinguer facilement.

- Un matériau homogène a des propriétés semblables en toutes ses parties , ce qui ne permet pas de les distinguer.

Remarque : cette notion d’hétérogénéité est bien entendu liée à l’échelle à laquelle on se place .

- Une substance est un échantillon homogène de matière , de composition chimique bien définie .

- Une phase est une partie homogène d’un système , séparée des autres par une délimitation physique .

- Les composants d’un système sont des substances à partir desquelles se forment les phases d’un système.

1.3.4 Mélanges et substances pures

La plupart des corps naturels sont manifestement des mélanges de différentes substances ( eau de mer )

Notre expérience de tous les jours, nous montre qu’il est souvent aisé , par des procédés adéquats , de fractionner un mélange en d’autres mélanges moins complexes.

.On sent intuitivement que l’application systématique de tels procédés conduira finalement à un certain nombre de substances qui ne se comportent plus comme des mélanges, d’où le concept de substance pure correspondant à des corps purs.

L’analyse immédiate procède à la séparation des différents constituants d’un mélange, par l’utilisation de méthodes qui ne comportent pas de transformations chimiques.

Nous allons passer en revue quelques-unes des principales techniques de l’analyse immédiate. Signalons que notre liste n’est pas limitative .En outre, il n’y a pas de systématique des méthodes à appliquer ; dans chaque cas particulier, il faut faire appel au « bon sens » pour envisager la manière de procéder.

Exemples de  techniques d’analyse immédiate

I Mélanges de solides

I.1 Mélanges hétérogènes

I.1.1. Méthodes sans changement d’état d’agrégation

I.1.2. Méthodes comportant un changement d’état d’agrégation

1.2 Mélange homogène ( ou grains soudés )

II. Suspension d’un solide finement divisé dans un liquide

II.1 Sans changement d’état d’agrégation

II.2 Avec changement d’état d’agrégation

III suspension d’un liquide dans un autre liquide (émulsion)

III.1 sans changement d’état d’agrégation

III.2 avec changement d’état d’agrégation

IV.solution d’un solide dans un liquide

V.Solution d’un liquide dans un autre liquide 

VI suspension d’un solide ou d’un liquide finement divisé dans un gaz ( poussières - brouillard)

VI.1 sans changement d’état d’agrégation

VI.2 avec changement d’état d’agrégation

VII mélange de gaz

VII.1    sans changement d’état d’agrégation

VII.2      avec changement d'état d'agrégation

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