Chimie IGCSE

Tout ce qui vous entoure est composé de minuscules particules 粒子 — ce peuvent être des atomes 原子, des molécules 分子, ou des ions 离子. La théorie cinétique des particules 粒子动 théorie dit que ces particules sont toujours en mouvement. La proximité des particules, leur arrangement et leur façon de se déplacer déterminent si la matière est un solide 固体, un liquide 液体, ou un gaz 气体.

Propriétés observables

Vous n'avez pas besoin d'un microscope pour distinguer les trois états. Ils se comportent différemment :

• Un solide a une forme fixe et un volume 体积 fixe. Il ne coule pas et on ne peut pas le compresser 压缩 (le réduire en taille).
• Un liquide a un volume fixe mais aucune forme fixe. Il coule et prend la forme de son contenant. Il est presque impossible à comprimer.
• Un gaz n'a ni forme fixe ni volume fixe. Il coule et s'étend pour remplir tout le contenant. Un gaz est facile à comprimer.

Le tableau ci-dessous résume ces propriétés. La densité 密度 signifie combien de masse 质量 est compactée dans un volume donné.

Le modèle des particules

La théorie cinétique des particules explique ces propriétés en examinant trois éléments : la séparation 间距 des particules (la distance entre elles), leur arrangement 排列 (le motif) et leur mouvement 运动 (comment ils se déplacent).

De fortes forces d'attraction 引力 maintiennent les particules ensemble. Dans un solide, ces forces sont suffisamment fortes pour maintenir chaque particule en place, donc un solide conserve sa forme. Dans un liquide, les forces sont plus faibles, donc les particules peuvent se déplacer. Dans un gaz, les particules se déplacent si vite que les forces agissent presque pas, donc le gaz s'étend.

Lorsque vous chauffez ou refroidissez une substance, elle peut passer d'un état à un autre. Vous devez connaître le nom de chaque changement.

Un solide pur fond à une température fixe, le point de fusion 熔点. Un liquide pur bout à une température fixe, le point d'ébullition 沸点. La même substance gèle à son point de fusion et se condense à son point d'ébullition.

Certaines substances changent directement du solide au gaz sans fondre d'abord. C'est appelé sublimation 升华. Sur la photo ci-dessous, de l'iode solide réchauffée dans un bécher se transforme directement en gaz violet ; le gaz se refroidit ensuite sur le ballon rond rempli de glace au-dessus et redevient solide.

Expliquer les changements d'état avec la théorie des particules

Chaque changement d'état est en réalité un changement dans l'énergie 能量 des particules.

• Lorsque vous chauffez un solide, les particules gagnent de l'énergie et vibrent plus vite. Au point de fusion, les particules ont assez d'énergie pour s'éloigner de leurs positions fixes et glisser autour — le solide fond.
• Lorsque vous chauffez un liquide, les particules se déplacent plus vite. Au point d'ébullition, elles ont assez d'énergie pour s'échapper complètement des forces d'attraction et devenir un gaz.
• Le refroidissement fait l'inverse. Les particules perdent de l'énergie, se déplacent plus lentement, et les forces d'attraction les ramènent vers le centre.

Lors d'un changement d'état, l'énergie sert à briser les forces d'attraction, pas à faire aller plus vite les particules. C'est pourquoi la température reste constante pendant la fusion ou l'ébullition.

Courbes de chauffage et de refroidissement

Une courbe de chauffage 加热曲线 est un graphique de la température en fonction du temps alors que vous chauffez une substance régulièrement. Une courbe de refroidissement 冷却曲线 est le même graphique lorsque la substance refroidit.

Sur une courbe de chauffage, il y a deux parties plates (horizontales) :

• La première partie plate est au point de fusion. Ici, le solide et le liquide sont tous deux présents. L'énergie thermique brise les forces qui maintiennent le solide ensemble, donc la température n'augmente pas.
• La deuxième partie plate est au point d'ébullition. Ici, le liquide et le gaz sont tous deux présents, et la température reste également constante.

Une courbe de refroidissement est l'inverse. Elle a une partie plate au point d'ébullition (le gaz se condense) et une partie plate au point de fusion (le liquide gèle). Alors que les particules ralentissent, l'énergie thermique 热能 est libérée dans l'environnement.

Un gaz pousse sur les parois de son récipient. Cette poussée, répartie sur la surface de la paroi, est la pression 压强 du gaz. La pression provient des particules de gaz heurtant les parois.

Effet de la température

Si vous chauffez une masse fixe de gaz tout en maintenant la pression constante, son volume augmente.

En utilisant la théorie des particules : chauffer donne aux particules plus d'énergie cinétique 动能, donc elles se déplacent plus vite. Elles heurtent les parois plus fort et plus souvent. Pour maintenir la pression constante, le gaz doit occuper plus d'espace, donc le volume augmente.

Si au contraire le volume est fixe (un récipient scellé et rigide), chauffer le gaz fait augmenter la pression, car les particules plus rapides collid 碰撞 avec les parois plus fort et plus souvent.

Effet de la pression

Si vous augmentez la pression sur une masse fixe de gaz tout en maintenant la température constante, son volume diminue. Comprimer le gaz dans un espace plus petit signifie que les particules heurtent les parois plus souvent, ce qui correspond à une pression plus élevée.

La diffusion 扩散 est la propagation des particules d'une région où elles sont serrées vers une région où elles sont dispersées — c'est-à-dire d'une haute concentration 浓度 vers une basse concentration. Cela se produit parce que les particules se déplacent toujours dans des directions aléatoires.

La diffusion explique pourquoi vous pouvez sentir des aliments à travers une pièce : les particules d'odeur se déplacent et se mélangent à l'air jusqu'à atteindre votre nez. La diffusion se produit dans les gaz et les liquides, mais pas dans les solides, car les particules solides ne peuvent pas se déplacer d'un endroit à un autre.

Vitesse de diffusion et masse moléculaire

Les particules de gaz plus légères se déplacent plus vite que les plus lourdes à la même température. Ainsi, un gaz ayant une plus petite masse moléculaire relative 相对分子质量 (une masse plus faible par molécule) a une vitesse 速率 de diffusion plus rapide.

Une expérience classique le démontre. Un coton imbibé d'ammoniac 氨气 ($\text{NH}_3$) est placé à une extrémité d'un long tube en verre. Un coton imbibé d'acide chlorhydrique 氯化氢 ($\text{HCl}$) est placé à l'autre extrémité. Les deux gaz diffusent le long du tube et se rencontrent pour former un anneau blanc de chlorure d'ammonium 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

L'ammoniac a $M_r = 17$ et l'acide chlorhydrique a $M_r = 36.5$. L'ammoniac est plus léger, donc il diffuse plus vite et parcourt une plus grande distance le long du tube. L'anneau blanc se forme près de l'extrémité acide chlorhydrique.

Exemple résolu. Le brome ($M_r = 160$) et l'ammoniac ($M_r = 17$) sont relâchés simultanément aux extrémités opposées d'un long tube. Lequel parcourt la plus grande distance avant de se rencontrer ? Comparez les masses moléculaires relatives. La $M_r$ de l'ammoniac est bien plus petite, donc ses molécules se déplacent plus vite à la même température et diffusent plus rapidement. L'ammoniac parcourt donc la plus grande distance, et les deux gaz se rencontrent près de l'extrémité brome. La règle est toujours « plus léger signifie plus rapide » — argumentez à partir de $M_r$, jamais de la taille apparente de la formule sur papier.

• Pendant la fusion et l'ébullition, la température reste constante (les parties plates d'une courbe de chauffage), car l'énergie brise les forces entre les particules au lieu de les faire aller plus vite.
• L'évaporation se produit uniquement à la surface et à n'importe quelle température ; l'ébullition se produit dans tout le liquide à une température fixe unique.
• Expliquez le comportement des gaz avec la théorie des particules : chauffer un gaz à volume constant augmente la pression car les particules heurtent les parois plus fort et plus souvent — les particules elles-mêmes ne deviennent pas plus grandes.
• La diffusion est plus rapide pour les particules plus légères (plus petite $M_r$) et ne peut pas se produire dans les solides. Dans le tube ammoniac/acide chlorhydrique, l'ammoniac plus léger parcourt une plus grande distance, donc l'anneau blanc se forme près de l'extrémité HCl.

Toutes les substances sont constituées d'environ 100 blocs de construction simples. Savoir comment ils sont assemblés permet de classer chaque substance dans l'un des trois groupes.

• Un élément 元素 est une substance constituée d'un seul type d'atome 原子. Vous ne pouvez pas le diviser en rien de plus simple par une réaction chimique. Exemples : cuivre, oxygène, carbone.
• Un composé 化合物 est deux éléments ou plus chimiquement liés (enchaînés) ensemble. Les atomes sont liés dans un rapport fixe. Exemples : eau, dioxyde de carbone. Un composé a des propriétés différentes des éléments qui le composent.
• Un mélange 混合物 est deux ou plusieurs substances qui sont simplement mélangées, pas chimiquement liées. Les composants conservent leurs propres propriétés et peuvent être séparés par des méthodes physiques. Exemple : air.

La différence clé : dans un composé, les éléments sont liés et ne peuvent être séparés que par des réactions chimiques ; dans un mélange, ils ne sont pas liés et sont faciles à séparer.

À l'intérieur de l'atome

Tout atome possède un petit centre dense appelé noyau nucleus 原子核. Autour de lui, les électrons 电子 se déplacent dans des coquilles 电子层 (niveaux d'énergie). Le noyau contient deux sortes de particules : les protons 质子 et les neutrons 中子.

Chaque particule a une masse relative et une charge relative 电荷. Vous devez apprendre ces valeurs :

Un atome n'a aucune charge globale car il a un nombre égal de protons ($+1$ chacun) et d'électrons ($-1$ chacun).

Numéro protonique et numéro de masse

Deux nombres décrivent un atome :

• Le numéro protonique 质子数 (aussi appelé numéro atomique 原子序数) est le nombre de protons dans le noyau. Il indique quel élément est l'atome.
• Le numéro de masse 质量数 (aussi appelé numéronucléon 核子数) est le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau.

Donc le nombre de neutrons $=$ numéro de masse $-$ numéro protonique.

Configuration électronique

Les électrons remplissent les coquilles de l'intérieur vers l'extérieur. La première coquille retient jusqu'à 2 électrons ; les suivantes retiennent jusqu'à 8 chacune (pour les 20 premiers éléments). La configuration électronique 电子排bur liste combien d'électrons sont dans chaque coquille, en commençant par l'intérieur.

Par exemple, un atome avec 13 électrons a la configuration $2,8,3$. Le sodium (numéro protonique 11) est $2,8,1$. Le calcium (numéro protonique 20) est $2,8,8,2$.

La configuration est liée au Tableau périodique 周期表 :

• Le numéro de Groupe 族 (Groupes I à VII) est égal au nombre d'électrons dans la couche externe. Donc $2,8,1$ est dans le Groupe I.
• Le numéro de Période 周期 est égal au nombre de coquilles contenant des électrons. Donc $2,8,1$ a trois coquilles, donc il est dans la Période 3.
• Les gaz nobles 稀有气体 dans le Groupe VIII (ou 0) ont une couche externe complète, ce qui les rend très inactifs.

Les isotopes 同位素 sont des atomes du même élément qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Comme le numéro protonique est le même, ce sont le même élément. Comme le nombre de neutrons est différent, ils ont des numéros de masse différents.

Vous écrivez un atome avec son numéro de masse en haut et son numéro protonique en bas, comme $^{12}_{6}\text{C}$. Pour un ion, vous ajoutez la charge, comme $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Les isotopes d'un élément ont des propriétés chimiques identiques. Cela s'explique par le fait que les réactions chimiques ne concernent que les électrons, et que les isotopes possèdent le même nombre d'électrons ainsi que la même configuration électronique. (Les neutrons supplémentaires modifient uniquement la masse.)

Calcul de la masse atomique relative

La masse atomique relative 相对原子质量 ($A_r$) d'un élément est la masse moyenne de ses atomes, en tenant compte de l'abondance de chaque isotope. L'abondance 丰度 correspond au pourcentage de chaque isotope.

Par exemple, le chlore est composé à 75 % de $^{35}\text{Cl}$ et à 25 % de $^{37}\text{Cl}$ :

Exemple résolu. Le bore possède deux isotopes, $^{10}\text{B}$ et $^{11}\text{B}$, et son $A_r$ est 10.8. Trouvez le pourcentage de chacun. Soit l'abondance de $^{11}\text{B}$ égale à $x$, donc l'abondance de $^{10}\text{B}$ est $(100 - x)$. Alors

donc $11x + 1000 - 10x = 1080$, ce qui donne $x = 80$. Le bore est 80% $^{11}\text{B}$ et 20% $^{10}\text{B}$. Vérifiez cela à l'aide du bon sens : 10.8 se rapproche de 11, donc l'isotope le plus lourd doit être le plus courant. Si votre réponse attribue la majorité à l'isotope le plus éloigné de $A_r$, vous les avez inversés.

Un ion 离子 est un atome (ou groupe d'atomes) ayant perdu ou gagné des électrons, lui conférant ainsi une charge électrique.

• Un atome métallique perd des électrons pour former un ion positif, appelé cation 阳离子.
• Un atome non métallique gagne des électrons pour former un ion négatif, appelé anion 阴离子.

Les atomes font cela afin d'obtenir une couche externe complète, semblable à celle des gaz nobles.

Formation d'une liaison ionique

Une liaison ionique 离子键 est une forte attraction électrostatique 静电引力 entre des ions de charges opposées (un ion $+$ et un ion $-$ s'attirent mutuellement).

Les liaisons ioniques se forment entre un métal 金属 et un non-métal 非金属. Prenons le cas du chlorure de sodium, $\text{NaCl}$. Le sodium ($2,8,1$) cède son unique électron de valence au chlore ($2,8,7$). Le sodium devient alors $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) et le chlore devient $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Les deux disposent désormais de couches externes complètes, et leurs charges opposées s'attirent.

On peut représenter ce processus par un schéma point-croix : dessinez les électrons de valence de chaque atome sous forme de points pour un élément et de croix pour l'autre, puis montrez le transfert de l'électron du métal vers le non-métal.

Structure et propriétés des composés ioniques

Un composé ionique 离子化合物 n'est pas constitué de molécules séparées. Les ions s'empilent pour former un réseau géant lattice 晶格 — un motif régulier comportant d'immenses quantités d'ions alternés 交替 positifs et négatifs.

Cette structure explique les propriétés suivantes :

Une liaison covalente 共价键 se forme lorsque deux atomes partagent une paire d'électrons. Grâce à ce partage, chaque atome obtient une couche externe complète (configuration de gaz noble). Les liaisons covalentes se forment entre des atomes non métalliques.

Quelques molécules à connaître :

• $\text{H}_2$ — deux atomes d'hydrogène partagent une paire d'électrons (liaison simple).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — chacun partage une seule paire.
• $\text{H}_2\text{O}$ — l'oxygène partage une paire avec chacun de deux atomes d'hydrogène.
• $\text{NH}_3$ — l'azote partage une paire avec chacun de trois atomes d'hydrogène.
• $\text{CH}_4$ — le carbone partage une paire avec chacun de quatre atomes d'hydrogène.
• $\text{O}_2$ et $\text{CO}_2$ possèdent des liaisons doubles (deux paires partagées) ; $\text{N}_2$ possède une liaison triple (trois paires partagées) ; $\text{C}_2\text{H}_4$ et $\text{CH}_3\text{OH}$ utilisent également des paires partagées.

Dans un schéma point-croix pour une molécule, on dessine les électrons de valence de chaque atome et l'on indique quelles paires sont partagées dans la zone de recouvrement entre les atomes.

Propriétés des composés moléculaires simples

Ces substances sont constituées de petites molécules distinctes.

• Elles présentent des points de fusion et d'ébullition faibles. Bien que les liaisons covalentes à l'intérieur de chaque molécule soient fortes, les forces intermoléculaires 分子间作用力 (les forces entre une molécule et la suivante) sont faibles, nécessitant peu d'énergie pour séparer les molécules.
• Elles sont de mauvais conducteurs d'électricité, car les molécules n'ont pas de charge nette et ne possèdent ni électrons libres ni ions pour transporter la charge.

Certains substances covalentes ne sont pas constituées de petites molécules. Des millions d'atomes sont liés par des liaisons covalentes pour former une seule structure géante covalente 巨型共价结构. Les deux exemples essentiels sont toutes deux des formes du carbone.

Diamant 金刚石 : chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone. Cela crée un réseau 3-D très solide et rigide. Le diamant est extrêmement dur, il est donc utilisé dans les outils de coupe 切割工具.

Graphite 石墨 : chaque atome de carbone n'est lié qu'à trois autres, formant des plans en couches 层. De faibles forces existent entre ces couches, permettant aux couches de glisser les unes sur les autres ; le graphite est ainsi un bon lubrifiant 润滑剂. Le quatrième électron de valence de chaque atome de carbone est libre ; ces électrons délocalisés 离域电子 peuvent se déplacer, ce qui confère au graphite une conductivité électrique et l'utilise comme électrode 电极.

Oxyde de silicium(IV) 二氧化硅 ($\text{SiO}_2$) possède une structure géante covalente similaire à celle du diamant, il est donc également très dur et présente un point de fusion très élevé.

Un métal constitue une structure géante d'ions positifs entourés d'une « mer » d'électrons délocalisés libres de circuler dans tout le métal. La liaison métallique 金属键 est la forte attraction électrostatique entre ces ions positifs et la mer d'électrons.

Cela explique deux propriétés clés des métaux :

• Bonne conductivité électrique : les électrons délocalisés sont libres de se déplacer et de transporter la charge à travers le métal.
• Malleabilité 展性 (peut être martelé en feuilles) et ductilité 延性 (peut être étiré en fils) : les couches d'ions positifs peuvent glisser les unes sur les autres sans rompre la liaison métallique, permettant au métal de changer de forme plutôt que de se briser.

• Nombre de neutrons = nombre de masse − numéro atomique. Le numéro atomique (proton number) détermine l'identité chimique de l'atome.
• Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques car les réactions impliquent uniquement les électrons, et les isotopes partagent la même configuration électronique ; seule la masse diffère.
• Corrélation structure/propriétés : ionique = réseau géant (point de fusion élevé ; conduit uniquement à l'état fondu ou en solution) ; moléculaire simple = faibles forces entre les molécules (point de fusion bas ; aucune conduction) ; géante covalente = très dur, point de fusion très élevé.
• Le graphite conduit l'électricité et est glissant (un électron libre par carbone ; couches qui glissent) ; le diamant ne présente ni l'un ni l'autre (tous les quatre électrons sont liés, rendant la structure dure et isolante). Les métaux conduisent et se plient grâce à la mer d'électrons délocalisés.
• Pour la masse atomique relative, calculez la moyenne pondérée : $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.

Une formule 化学式 indique quels atomes 原子 sont présents dans une substance et en quelle quantité. Il existe deux types de formules à maîtriser.

• La formule moléculaire 分子式 indique le nombre exact de chaque atome présent dans une molécule 分子. Pour le glucose, elle est $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
• La formule empirique 实验式 représente le rapport entier le plus simple des atomes ou des ions 离子 dans un composé 化合物. Pour le glucose, elle est $\text{CH}_2\text{O}$.

Établir une formule

Si vous disposez d'un modèle ou d'un schéma, comptez simplement les atomes de chaque élément et notez-les sous forme de formule.

Pour un composé ionique 离子化合物, vous pouvez déterminer la formule à partir des charges des ions. La charge positive totale doit équilibrer la charge négative totale, car le composé n'a pas de charge globale. Voici quelques ions courants :

Par exemple, pour $\text{Na}^{+}$ et $\text{O}^{2-}$ : il faut deux $\text{Na}^{+}$ pour équilibrer un $\text{O}^{2-}$, la formule est donc $\text{Na}_2\text{O}$.

Une équation montre comment les réactifs 反应物 (les substances de départ) changent en produits 生成物 (les substances formées).

• Une équation mots 文字方程式 utilise des noms : magnésium + oxygène → oxyde de magnésium.
• Une équation symbolique 化学方程式 utilise des formules et doit être équilibrée 配平 — le même nombre de chaque atome des deux côtés.

Vous ajoutez des symboles d'état 状态符号 entre parenthèses pour indiquer l'état physique : $(s)$ solide, $(l)$ liquide, $(g)$ gazeux, et $(aq)$ pour aqueux 水溶液 (dissous dans l'eau).

Équations ioniques

Une équation ionique 离子方程式 ne montre que les ions qui changent réellement. Les ions identiques des deux côtés sont des ions spectateurs 旁观离子 et sont omis. Par exemple, lorsqu'un acide réagit avec une base :

La masse atomique relative 相对原子质量 ($A_r$) d'un élément 元素 est la masse moyenne 质量 de ses atomes comparée à $\tfrac{1}{12}$ de la masse d'un $^{12}\text{C}$ atome.

La masse moléculaire relative 相对分子质量 ($M_r$) est la somme des masses atomiques relatives de tous les atomes de la molécule. Pour les composés ioniques, nous utilisons la masse formelle relative 相对式量, trouvée de la même manière à partir de la formule.

Masses réagissant par proportion simple

Parfois, vous pouvez trouver une masse réagissante sans la mole. Si 24 g de magnésium produisent 40 g d'oxyde de magnésium, alors 12 g de magnésium (la moitié) produisent 20 g d'oxyde de magnésium.

La mole 摩尔 (symbole mol) est l'unité pour la quantité de matière 物质的量. Une mole de toute substance contient $6.02 \times 10^{23}$ particules 粒子 (atomes, ions ou molécules). Ce nombre est la constante d'Avogadro 阿伏伽德罗常数.

La masse molaire 摩尔质量 est la masse d'une mole, en grammes par mole (g/mol). Son nombre est le même que la $A_r$ ou la $M_r$. La relation clé est :

Exemple résolu. Combien de moles y a-t-il dans 36 g d'eau ? Masse molaire de l'eau $= 18$ g/mol.

Pour trouver le nombre de particules, multipliez les moles par la constante d'Avogadro.

Volumes gazeux

À température et pression ambiantes (r.t.p.), une mole de tout gaz occupe le même volume 体积. Ce volume molaire gazeux 摩尔气体体积 est $24 \text{ dm}^3$.

Exemple résolu. Quel volume occupe $0.25$ mol de dioxyde de carbone à r.t.p. ?

Concentration des solutions

La concentration 浓度 d'une solution 溶液 peut être donnée en $\text{g/dm}^3$ ou en $\text{mol/dm}^3$.

N'oubliez pas de convertir le volume : $1 \text{ dm}^3 = 1000 \text{ cm}^3$, donc divisez un volume en $\text{cm}^3$ par 1000.

La plupart des calculs suivent les mêmes étapes : convertissez la quantité connue en moles, utilisez l'équation équilibrée pour trouver les moles de ce que vous cherchez, puis reconvertissez en masse, volume ou concentration.

Exemple résolu. Quelle masse d'oxyde de magnésium se forme lorsque 12 g de magnésium brûlent complètement ? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$ : Mg $= 24$, O $= 16$.)

Moles de Mg $= 12 / 24 = 0.5$ mol. Le rapport Mg : MgO est $1 : 1$, donc $0.5$ mol de MgO se forment. Sa masse molaire est $24 + 16 = 40$ g/mol, donc la masse est $0.5 \times 40 = 20$ g — la même réponse que la méthode de proportion simple ci-dessus.

Réactif limitant

Lorsque deux réactifs sont mélangés, l'un s'épuise souvent en premier. C'est le réactif limitant 限量反应物. Il détermine la quantité de produit qui peut se former ; tout autre réactif est en excès (restant).

Exemple résolu. 8 g d'hydrogène réagissent avec 8 g d'oxygène : $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. Quel est le réactif limitant et quelle masse d'eau se forme ? ($A_r$ : H $= 1$, O $= 16$.)

Moles de $\text{H}_2 = 8 / 2 = 4$ mol ; moles de $\text{O}_2 = 8 / 32 = 0.25$ mol. L'équation nécessite $2\text{H}_2$ pour chaque $\text{O}_2$, donc $0.25$ mol de $\text{O}_2$ réagit avec seulement $0.5$ mol de $\text{H}_2$. Il y a beaucoup plus d'hydrogène que cela, donc l'oxygène est le réactif limitant et l'hydrogène est en excès. L'oxygène produit $2 \times 0.25 = 0.5$ mol d'eau, donc la masse est $0.5 \times 18 = 9$ g. Travaillez toujours en moles, pas en masses — le réactif ayant la plus petite masse n'est pas toujours celui qui s'épuise.

Calcul de titrage

Dans un titrage 滴定, vous mesurez le volume d'une solution qui réagit avec une autre. À partir du volume et de la concentration, vous trouvez les moles d'un soluté 溶cé, puis utilisez le rapport de l'équation pour trouver les moles, la concentration ou le volume de l'autre.

Exemple résolu. $25.0 \text{ cm}^3$ de solution d'hydroxyde de sodium est exactement neutralisé par $20.0 \text{ cm}^3$ de $0.10 \text{ mol/dm}^3$ acide chlorhydrique. $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Trouvez la concentration de l'hydroxyde de sodium.

Moles de HCl $= 0.10 \times \dfrac{20.0}{1000} = 0.0020$ mol. Le rapport est $1 : 1$, donc il y a $0.0020$ mol de NaOH dans $25.0 \text{ cm}^3$ :

Formules empiriques et moléculaires à partir de données

Pour trouver une formule empirique à partir de masses ou de pourcentages :

1. Divisez la masse (ou %) de chaque élément par sa $A_r$.
2. Divisez toutes les réponses par la plus petite pour obtenir le rapport le plus simple.

Pour trouver la formule moléculaire, comparez la masse de la formule empirique avec la vraie $M_r$ et multipliez.

Exemple résolu. Un composé contient $40\%$ calcium, $12\%$ carbone et $48\%$ oxygène en masse. Trouvez sa formule empirique. ($A_r$ : Ca $= 40$, C $= 12$, O $= 16$.)

Divisez chaque pourcentage par sa $A_r$ : Ca $= 40/40 = 1$, C $= 12/12 = 1$, O $= 48/16 = 3$. Le rapport est $1 : 1 : 3$, donc la formule empirique est $\text{CaCO}_3$.

Pourcentages

• Rendement en pourcentage 产率 compare la quantité de produit obtenue réellement avec la plus grande possible : $\dfrac{\text{actual}}{\text{theoretical}} \times 100$.
• Pourcentage composition massique 质量分数 d'un élément $= \dfrac{\text{mass of the element}}{M_r} \times 100$.
• Pureté en pourcentage 纯度 $= \dfrac{\text{mass of pure substance}}{\text{mass of impure sample}} \times 100$.

Exemple résolu. Trouvez le pourcentage massique d'azote dans le nitrate d'ammonium, $\text{NH}_4\text{NO}_3$. ($A_r$ : N $= 14$, H $= 1$, O $= 16$.)

$M_r = (2 \times 14) + (4 \times 1) + (3 \times 16) = 80$. La masse d'azote est $2 \times 14 = 28$, donc

Exemple résolu. Une réaction pourrait produire au maximum 5.0 g de produit, mais seulement 4.0 g sont effectivement récupérés. Calculez le rendement en pourcentage.

Une partie du produit est toujours perdue — laissée dans le matériel, ou consommée dans des réactions secondaires — donc le rendement est presque jamais $100\%$.

Exemple résolu. Un échantillon de 50 g de carbonate de calcium impur contient 45 g de carbonate de calcium pur. Trouvez sa pureté en pourcentage.

• Convertissez toujours les masses, volumes gazeux et concentrations en moles d'abord, utilisez le rapport de l'équation équilibrée, puis reconvertissez. Ne comparez jamais directement les masses à travers une équation.
• Formules clés : $n = \dfrac{\text{mass}}{M_r}$, volume gazeux $= n \times 24\ \text{dm}^3$ à r.t.p., et concentration $= \dfrac{n}{\text{volume in dm}^3}$. Changez cm³ en dm³ en divisant par 1000.
• Pour équilibrer une équation symbolique, vous ne pouvez changer que les grands nombres devant une formule, jamais les petits indices dedans.
• Le réactif limitant est celui qui s'épuise (le moins de moles une fois le ratio pris en compte) ; il fixe la quantité de produit. L'autre réactif est en excès.
• Rendement en pourcentage = réel ÷ théorique × 100 ; pureté en pourcentage = masse de substance pure ÷ masse de l'échantillon × 100. Les deux sont toujours ≤ 100 %.

Électrolyse 电解 est la décomposition (décomposition 分解) d'un composé ionique 离子化合物 — lorsqu'il est fondu 熔融 ou en solution aqueuse 水溶液 — par le passage d'un courant électrique 电流 à travers lui.

Cela ne fonctionne que lorsque la substance est fondue ou dissoute, car alors les ions 离子 sont libres de bouger et de transporter la charge. Un composé ionique solide ne peut pas être électrolysé car ses ions sont bloqués en place.

La cellule d'électrolyse

Le montage s'appelle une cellule d'électrolyse 电解池. Deux électrodes 电极 (conducteurs solides) plongent dans l'électrolyte 电解质 — la substance fondue ou aqueuse qui est décomposée.

• L'anode 阳极 est l'électrode positive ($+$).
• La cathode 阴极 est l'électrode négative ($-$).

Les électrodes sont souvent inertes 惰性 (elles ne réagissent pas), comme le platine 铂 ou le carbone/le graphite 石墨.

Ce qui se forme à chaque électrode

Il y a une règle simple :

• Metals 金属 ou hydrogène 氢气 se forment à la cathode.
• Non-métaux 非金属 (à l'exception de l'hydrogène) se forment à l'anode.

Pour les solutions aqueuses, le produit peut dépendre de la solution soit dilué 稀 ou concentré 浓. Voici les trois exemples clés :

Exemple résolu. Prédire les produits de l'électrolyse du chlorure de zinc fondu, $\text{ZnCl}_2$. Comme il est fondu, seuls les ions zinc et les ions chlorure sont présents - il n'y a pas d'eau pour compliquer les choses. Le zinc est un métal, donc il se forme à la cathode : $\text{Zn}^{2+}$ ions gagnent des électrons et du zinc argenté apparaît. Le chlore est un non-métal, donc il se forme à l'anode : du gaz chlore vert pâle dégagement par bulles. Vérifiez toujours l'état d'abord. Un composé fondu vous donne simplement ses deux éléments, tandis qu'un composé aqueux fait entrer l'eau en compétition - c'est pourquoi une solution de chlorure de sodium concentrée donne de l'hydrogène à la cathode plutôt que du sodium.

Comment la charge se déplace

Pendant l'électrolyse :

• Électrons 电子 circulent dans les fils (le circuit externe 外电路) depuis l'alimentation électrique.
• À la cathode, les ions positifs gagnent des électrons. Gagner des électrons est une réduction 还原.
• À l'anode, les ions négatifs perdent des électrons. Perdre des électrons est une oxydation 氧化.
• À l'intérieur de l'électrolyte, les ions bougent : les ions positifs vont vers la cathode et les ions négatifs vers l'anode.

Vous pouvez écrire une équation demi-électrode 半反应式 pour chaque électrode. Pour le bromure de plomb(II) fondu :

Électrolyse du sulfate de cuivre(II)

Le produit à l'anode dépend de l'électrode :

• Avec des électrodes de carbone inertes : cuivre 铜 se forme à la cathode et oxygène se forme à l'anode. La couleur bleue de la solution s'estompe lentement alors que le cuivre est retiré.
• Avec des électrodes de cuivre : le cuivre se forme à la cathode, tandis que l'anode elle-même se dissout dans la solution. La couleur bleue reste la même. Cela est utilisé pour purifier le cuivre.

Galvanoplastie

Galvanoplastie 电镀 signifie recouvrir un objet métallique d'une fine couche d'un autre métal. Cela améliore son apparence et sa résistance à la corrosion 腐蚀 (rouille et usure).

Pour galvaniser un objet :

• l'objet à revêtir est rendu cathode ;
• le métal de revêtement est rendu anode ;
• l'électrolyte est une solution contenant des ions du métal de revêtement.

Une pile à combustible 燃料电池 utilise l'hydrogène et l'oxygène pour produire directement de l'électricité. Le seul produit chimique est l'eau.

Il est utile de comparer une pile à combustible avec un moteur à essence (essence) normal dans un véhicule.

Avantages de la pile à combustible : le seul produit est l'eau, donc cela ne pollue pas l'air, et elle convertit efficacement l'énergie chimique en électricité. Inconvénients : l'hydrogène est difficile à stocker et transporter en toute sécurité, et la production de l'hydrogène peut encore utiliser l'énergie des combustibles fossiles.

• À la cathode (négative) vous obtenez un métal ou de l'hydrogène ; à l'anode (positive) vous obtenez un non-métal. Les ions positifs se déplacent vers la cathode, les ions négatifs vers l'anode.
• Un composé fondu donne simplement ses deux éléments. Une solution aqueuse peut donner quelque chose de différent (chlorure de sodium concentré donne hydrogène et chlore, pas de sodium).
• Réduction est gain d'électrons (à la cathode) ; oxydation est perte d'électrons (à l'anode). Rappelez-vous OIL RIG.
• Dans une équation demi-électrode, les atomes et les charges doivent être équilibrés, avec les électrons du bon côté : $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (cathode).
• Pour galvaniser un objet, faites-le être la cathode, faites du métal de revêtement l'anode, et utilisez une solution contenant des ions du métal de revêtement.

Dans chaque réaction chimique, l'énergie est transférée. La réaction est soit exothermique soit endothermique, selon le sens du transfert d'énergie.

• Une réaction exothermique 放热反应 dégage de l'énergie thermique 热能 vers l'environnement 环境. Donc la température de l'environnement monte up.
• Une réaction endothermique 吸热反应 absorbe de l'énergie thermique de l'environnement. Donc la température de l'environnement descend down.

Des exemples de réactions exothermiques sont la combustion 燃烧 (brûler un carburant) et la neutralisation 中和 (un acide réagissant avec une base). Un exemple de réaction endothermique est la décomposition thermique 分解 d'un composé (le briser en utilisant la chaleur).

La quantité d'énergie thermique transférée dans une réaction est appelée la variation d'enthalpie 焓变. Elle est écrite comme $\Delta H$ et a ces signes :

• $\Delta H$ est négatif pour une réaction exothermique, car l'énergie quitte les produits chimiques.
• $\Delta H$ est positif pour une réaction endothermique, car l'énergie est absorbée.

Les particules ne réagissent pas à chaque fois qu'elles se rencontrent. L'énergie d'activation 活化能 ($E_a$) est la plus petite quantité d'énergie que les particules 粒子 en collision 碰撞 doivent avoir avant de pouvoir réagir. C'est comme une colline que les particules doivent franchir avant que la réaction ne puisse avoir lieu.

Un diagramme de voie de réaction 反应进程图 montre comment l'énergie change au fur et à mesure qu'une réaction se produit. L'énergie est sur l'axe vertical, et la progression de la réaction est sur l'axe horizontal.

• La ligne commence au niveau d'énergie des réactifs 反应物.
• Elle monte sur une 'colline' — la hauteur de cette colline est l'énergie d'activation $E_a$.
• Elle descend ensuite ou monte jusqu'au niveau d'énergie des produits 生成物.
• L'écart entre le niveau des réactifs et le niveau des produits est la variation d'enthalpie $\Delta H$.

Pour une réaction exothermique, les produits sont plus bas que les réactifs, donc l'énergie est libérée et $\Delta H$ est négatif.

Pour une réaction endothermique, les produits sont plus hauts que les réactifs, donc l'énergie est absorbée et $\Delta H$ est positif.

Une réaction implique la rupture des liaisons dans les réactifs et la formation de nouvelles liaisons dans les produits.

• Rupture de liaison 断键 absorbe de l'énergie, donc c'est une étape endothermique.
• Formation de liaison 成键 libère de l'énergie, donc c'est une étape exothermique.

L'énergie de liaison 键能 est l'énergie nécessaire pour rompre une mole d'une liaison particulière. Vous pouvez utiliser les énergies de liaison pour trouver la variation d'enthalpie :

Si plus d'énergie est libérée lors de la formation de liaisons qu'elle n'est absorbée lors de la rupture de liaisons, la réaction est exothermique ($\Delta H$ négatif). Si moins d'énergie est libérée, elle est endothermique ($\Delta H$ positif).

Exemple résolu

Pour la réaction $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, utilisez ces énergies de liaison (en kJ/mol) : H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Liaisons rompues : une H–H et une Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Liaisons formées : deux H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

La réponse est négative, donc cette réaction est exothermique.

• Exothermique libère de la chaleur, donc l'environnement se réchauffe et $\Delta H$ est négatif ; endothermique absorbe de la chaleur, donc l'environnement refroidit et $\Delta H$ est positif.
• Rupture de liaison absorbe de l'énergie (endothermique) ; formation de liaison libère de l'énergie (exothermique). Utilisez $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
• Si plus d'énergie est libérée lors de la formation de liaisons qu'elle n'est utilisée pour les rompre, la réaction est exothermique. Vérifiez toujours le signe de votre réponse finale.
• Sur un diagramme de voie réactionnelle, une réaction exothermique se termine plus bas qu'elle ne commence ; une endothermique se termine plus haut. La hauteur de la colline est l'énergie d'activation.

Un changement physique 物理变化 ne produit pas de nouvelle substance. La substance change seulement d'état ou de forme, et le changement peut généralement être inversé. La fonte de la glace et la dissolution du sucre sont des changements physiques.

Un changement chimique 化学变化 (réaction chimique) produit une ou plusieurs nouvelles substances et est généralement difficile à inverser. Les signes d'un changement chimique incluent un changement de couleur, le dégagement d'un gaz, un changement d'énergie, ou la formation d'un précipité 沉淀 (solide).

La vitesse de réaction 反应速率 indique à quelle vitesse les réactifs 反应物 se transforment en produits 生成物.

Théorie des collisions

Théorie des collisions 碰撞理论 explique ce qui contrôle la vitesse. Pour qu'une réaction ait lieu, les particules 粒子 doivent entrer en collision 碰撞, et elles doivent entrer en collision avec suffisamment d'énergie. L'énergie minimale nécessaire est l'énergie d'activation 活化能 ($E_a$). Une vitesse plus rapide survient lorsque les particules ont des collisions efficaces plus souvent.

Ce qui modifie la vitesse

Catalyseurs

Un catalyseur accélère une réaction sans être consommé — il reste inchangé à la fin. Il agit en abaissant l'énergie d'activation. Les enzymes 酶 sont des catalyseurs biologiques (catalyseurs fonctionnant dans les êtres vivants).

Mesurer la vitesse

Vous pouvez suivre une réaction au cours du temps de ces façons :

• Changement de masse : placer le ballon sur une balance. Si un gaz s'échappe, la masse diminue. Enregistrer la masse à intervalles réguliers.
• Volume de gaz : collecter le gaz dans une seringue 注射器 gazeuse et lire son volume à intervalles réguliers.
• Formation d'un précipité : dans une réaction qui devient trouble, chronométrer le temps nécessaire pour qu'une marque sous le ballon disparaisse.

Sur un graphique du produit en fonction du temps, la ligne est la plus raide au début (vitesse maximale), devient moins raide au fur et à mesure que les réactifs sont consommés, et devient plate lorsque la réaction est terminée.

Certaines réactions sont réversibles 可逆反应 : les produits peuvent réagir pour reformer les réactifs. Nous l'indiquons avec le symbole $\rightleftharpoons$.

Changer la direction

Un exemple clair utilise des composés hydratés 水合 et anhydres 无水 :

• Le sulfate de cuivre(II) hydraté bleu, lorsqu'il est chauffé, perd son eau pour devenir du sulfate de cuivre(II) anhydre blanc. L'ajout d'eau le redevient bleu.
• Le chlorure de cobalt(II) hydraté rose perd son eau lorsqu'il est chauffé pour devenir du chlorure de cobalt(II) anhydre bleu. L'ajout d'eau le redevient rose.

L'ajout d'eau au solide anhydre (et voir la couleur revenir) est utilisé comme test pour l'eau.

Équilibre

Dans un système fermé 密闭系统 (où rien n'entre ni ne sort), une réaction réversible atteint l'équilibre 平衡 lorsque :

• la vitesse de la réaction directe 正反应 est égale à la vitesse de la réaction inverse 逆反应, et
• les concentrations des réactifs et des produits ne changent plus.

Changer la position de l'équilibre

La position de l'équilibre 平衡位置 vous indique s'il y a plus de réactifs ou plus de produits. Vous pouvez la déplacer :

• Température : chauffer déplace l'équilibre dans le sens qui absorbe la chaleur (direction endothermique 吸热反应) ; refroidir le déplace dans le sens qui libère de la chaleur (direction exothermique 放热反应).
• Pression (gaz) : une pression plus élevée déplace l'équilibre vers le côté ayant moins de molécules gazeuses.
• Concentration : ajouter plus d'une substance déplace l'équilibre vers l'autre côté pour la consommer.
• Un catalyseur ne déplace pas la position de l'équilibre. Il aide uniquement la réaction à atteindre l'équilibre plus rapidement.

Procédé Haber

Le procédé Haber 哈伯法 produit de l'ammoniac :

• Le hydrogène 氢气 provient du méthane 甲烷 (gaz naturel) ; l'azote 氮气 provient de l'air.
• Conditions typiques : une température de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, une pression d'environ $200$ atm ($20\,000$ kPa), et un catalyseur à base d'fer 铁.

Procédé Contact

Le procédé Contact 接触法 transforme le dioxyde de soufre en trioxide de soufre :

• Le dioxyde de soufre provient de la combustion du soufre 硫 (ou du grillage des sulfures) ; l'oxygène 氧气 provient de l'air.
• Conditions typiques : une température de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, une pression d'environ $2$ atm ($200$ kPa), et un catalyseur à base d'oxyde de vanadium(V) 五氧化二钒.

Pourquoi ces conditions sont choisies

Les conditions constituent un compromis 折中 :

• Une pression plus élevée donnerait plus de produit, mais une très haute pression est dangereuse et coûteuse, donc on utilise une pression moyenne.
• Une température plus basse donnerait plus de produit (les deux réactions directes sont exothermiques), mais la réaction serait trop lente, donc on utilise une température plutôt élevée pour maintenir une bonne vitesse.
• Le catalyseur accélère la réaction sans changer la position de l'équilibre, ce qui réduit les coûts.

Oxydation 氧化 et réduction 还原 se produisent toujours simultanément, dans ce qu'on appelle une réaction d'oxydoréduction 氧化还原反应. ('Redox' est l'abréviation de réduction-oxydation.)

Il existe trois façons de décrire l'oxydation et la réduction :

• Oxygène : l'oxydation est le gain d'oxygène ; la réduction est la perte d'oxygène.
• Électrons 电子 : l'oxydation est la perte d'électrons ; la réduction est le gain d'électrons.
• Numéro d'oxydation 氧化数 : dans l'oxydation, le numéro d'oxydation augmente ; dans la réduction, il diminue.

Un moyen mnémotechnique utile est OIL RIG : Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — d'électrons.

Règles du numéro d'oxydation

Le numéro d'oxydation est indiqué par un chiffre romain, comme dans le fer(II) et le fer(III). Les règles sont :

• Un élément non combiné a un numéro d'oxydation de $0$.
• Un ion monoatomique a un numéro d'oxydation égal à sa charge (donc $\text{Na}^{+}$ est $+1$).
• Les numéros d'oxydation dans un composé s'additionnent pour faire $0$.
• Les numéros d'oxydation dans un ion s'additionnent pour faire la charge de l'ion.

Exemple résolu. Trouver le numéro d'oxydation du manganèse dans l'ion manganate(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Chaque oxygène est $-2$, et il y en a quatre, donnant $4 \times (-2) = -8$. Les numéros d'oxydation dans un ion doivent s'additionner pour faire la charge de l'ion, qui ici est $-1$. Donc si le manganèse est $x$, alors $x + (-8) = -1$, donnant $x = +7$ - exactement ce que le (VII) dans le nom vous dit. Poser le total égal à la charge de l'ion, pas à zéro : zéro est uniquement pour un composé neutre.

Agents oxydants et réducteurs

• Un agent oxydant 氧化剂 oxyde une autre substance, et est lui-même réduit.
• Un agent réducteur 还原剂 réduit une autre substance, et est lui-même oxydé.

Certaines réactions d'oxydoréduction montrent des changements de couleur nets :

• Le permanganate de potassium acidifié 高锰酸钾 est violet. Lorsqu'il agit comme agent oxydant, il est réduit, et la couleur violette s'estompe jusqu'à devenir incolore.
• L'iodure de potassium 碘化钾 est incolore. Lorsqu'il est oxydé, de l'iode 碘 rouge-brun est formé.

• Expliquez un taux de réaction plus rapide avec la théorie des collisions : les collisions efficaces se produisent plus souvent. La concentration, la pression et la surface de contact augmentent toutes la fréquence des collisions entre particules ; une température plus élevée fait cela et fournit à davantage de particules l'énergie nécessaire.
• Un catalyseur abaisse l'énergie d'activation et accélère la réaction, mais n'est pas consommé et ne modifie pas $\Delta H$ ni la position de l'équilibre.
• À l'équilibre, les vitesses des réactions directe et inverse sont égales et les concentrations cessent de varier — cela ne signifie pas que les quantités de réactifs et de produits sont égales.
• Utilisez le principe de Le Chatelier : augmenter la température favorise le sens endothermique ; augmenter la pression favorise le côté ayant le moins de molécules gazeuses ; ajouter une substance déplace l'équilibre dans le sens opposé.
• Oxydoréduction — OIL RIG : L'Oxydation est une Perte, la Réduction est un Gain d'électrons. Elles se produisent toujours ensemble, et un agent oxydant est lui-même réduit.

Un acide 酸 est une substance qui forme des ions hydrogène ($\text{H}^{+}$) lorsqu'elle est dissoute dans l'eau. Les acides ont trois réactions typiques :

• avec les métaux 金属 : acide + métal → un sel 盐 + hydrogène 氢气
• avec les bases : acide + base 碱 → un sel + eau (c'est la neutralisation 中和)
• avec les carbonates 碳酸盐 : acide + carbonate → un sel + eau + dioxyde de carbone 二氧化碳

Décrire ce que vous voyez

Nommer les produits ne représente qu'une partie de ce qui est attendu à l'examen. « Décrivez les observations » demande ce que vous verriez à vos yeux, et cela rapporte ses propres points — apprenez donc le vocabulaire approprié :

Donc pour du magnésium ajouté à de l'acide chlorhydrique, une réponse complète est : effervescence, et le solide se dissout (et le tube chauffe). Pour de l'oxyde de cuivre(II) ajouté à de l'acide sulfurique tiède : le solide noir se dissout et la solution devient bleue.

Deux règles évitent la plupart des pertes de points. N'écrivez jamais « de l'hydrogène se dégage » comme observation - on ne voit pas l'hydrogène, on ne voit que les bulles, donc écrivez effervescence. Et n'écrivez pas un nom que vous ne pouvez pas voir : « un sel se forme » est une conclusion, pas une observation.

Indicateurs

Un indicateur 指示剂 est un colorant qui change de couleur pour montrer si une solution est acide ou basique.

Les solutions aqueuses d'acides contiennent des ions hydrogène ions 离子 ($\text{H}^{+}$). Les solutions aqueuses de bases fortes contiennent des ions hydroxyde ($\text{OH}^{-}$).

Les bases sont des oxydes 氧化物 ou des hydroxydes 氢oxydes de métaux. Une base forte 可溶性碱 est une base qui se dissout dans l'eau (une base soluble).

Les bases ont deux réactions typiques :

• avec les acides : base + acide → un sel + eau (neutralisation encore une fois)
• avec les sels ammoniacaux 铵盐 : cela dégage du gaz ammoniaque.