Science notions de base

PIERRE PIRSON, HENRI BORDET, DOMINIQUE CASTIN, RENÉ VAN ELSUWE, PHILIPPE SNAUWAERT

Nathalie MATTHYS

Michel FEYS

Bernard SUYS

Biologie, chimie, physique

Ce manuel s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent lecours de sciences de base (3 périodes de sciences par semaine).

Entièrement en couleur, ce manuel pluridisciplinaire a étéconstruit pour amener chaque élève à :use représenter le monde conformément aux modèles scienti-

fiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformerses conceptions et ses représentations ;

umaîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents eten les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ;

uexercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques ;

udévelopper sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêtpour le monde qui l’entoure.

Au sein d’une mise en pages claire et attrayante, l’élève découvrira une iconographie très riche, notamment en dessins« à main levée», lui permettant de les reproduire très facilement.Également, les synthèses des chapitres sont proposées selondes modèles différents (tableaux, diagrammes, cartes mentales),afin de l'aider à personnaliser et enrichir son mode de synthèse,tout en se confrontant à des techniques largement utilisées enentreprise.

Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investis-sant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se positionner dans le monde qui l’entoure, voirepoursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…

Des manuels précis et attrayants• les trois disciplines scientifiques

dans un seul parcours pédagogique• de nombreux dessins et photos en

couleurs• une mise en pages dynamique • des chapitres structurés

de manière particulièrement claire

ISBN : 978-2-8041-0594-5

SCI3

www.deboeck.com

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Sciences de base

SCI3:Mise en page 1 13/07/11 15:30 Page1

III

Avant-propos

Ce manuel, qui s’adresse aux élèves de 3e année qui suivent 3 périodes de sciences par se-

maine (sciences de base), s’inscrit dans le contexte du décret Missions et propose une ré-ponse au programme de sciences de base en vigueur depuis septembre 20091.Ce livre peut être adapté au cours de sciences générales en exploitant davantage les expé-riences proposées et en développant les activités et concepts marqués d’un + . Les change-ments proposés par les auteurs de ce programme pour organiser l’acquisition des savoirs et pour clarifier la démarche pédagogique ont été intégrés dans cette nouvelle édition qui a été remaniée en profondeur tant sur la forme que sur le fond.

En effet, ce manuel pluridisciplinaire a été construit comme un support pour l’enseignant et l’élève de l’enseignement libre afin d’amener chaque élève à :

se représenter le monde conformément aux modèles scientifiques, en s’appropriant un bagage suffisant pour transformer ses conceptions et ses représentations ; maîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents et en les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ;exercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques, c’est-à-dire les analyser dans leur contexte et considérer qu’ils sont une réponse partielle aux problè-mes posés ; développer sa curiosité, le goût pour les sciences et l’intérêt pour le monde qui l’entoure 2.

Ainsi, en maîtrisant les savoirs et savoir-faire et en s’investissant dans les tâches évoquées en début de chapitre, l’élève progresse dans l’acquisition des compétences qui vont, nous l’espé-rons, lui apporter la culture scientifique et le recul nécessaire pour comprendre et se position-ner dans le monde qui l’entoure, voire poursuivre des études scientifiques et, peut-être, en faire son métier…

Pour illustrer ce manuel, nous avons choisi d’éviter les dessins effectués dans un style qu’on retrouve classiquement dans les livres de sciences. Comme pédagogues, nous avons constaté que les dessins « vectorisés » et graphiquement très élégants proposés habituellement dans ces ouvrages donnent à nos élèves l’impression d’être irréalisables par eux-mêmes. Ce qui constitue souvent un argument, voire un alibi, pour ne pas entreprendre d’essayer de les re-produire. Nous considérons que les élèves doivent aussi savoir réaliser des dessins de prin-cipe, à main levée, comme les réalise le professeur, au tableau noir… ou numérique. Cela fait partie intégrante de son apprentissage « multimédia ». « Légender des dessins » reste trop souvent la seule façon de questionner nos élèves qui prétendent… ne pas savoir dessiner. Les photocopies largement distribuées par les professeurs permettent de gagner du temps face à une matière abondante, mais nos élèves risquent de devenir des « analphabètes » de dessin élémentaire. Voilà pourquoi les dessins que nous proposons sont plus des illustrations simples que des graphiques léchés. Pour les mêmes raisons, les reproductions scannées de

constructions issues de cahiers d’élèves pourront rassurer ces derniers.

1 2e degré 3 et 4 sciences de base (3h), humanités générales et technologiques, FESec, D/2009/7362/3/18.2 Ibid.

IVAvant-propos

Par ailleurs, l’élève sera encouragé à la fin de chaque chapitre à rédiger une synthèse des diffé-rentes notions abordées. Cette étape est importante pour structurer ses acquis, surtout dans le type de démarche que proposent les nouveaux programmes. Si la synthèse est proposée dans le manuel, rappelons qu’il est préférable que ce soit l’élève lui-même qui la construise. Il pourra ensuite confronter son propre document à celui présent dans le manuel. Différentes formes sont proposées afin de permettre à l’élève de personnaliser et d’enrichir son mode de synthè-se. Par exemple, en physique, la synthèse est présentée sous forme de « carte mentale » pour habituer l’élève à ce genre de technique largement pratiquée en entreprise (et dont le concept a été introduit par Tony Buzan). Elle permet d’établir des liens hiérarchiques entre les concepts et des liens sémantiques entres les idées, ce qui, pour certains, favorise la mémorisation. Des études de linguistique ont même prouvé que seuls les « mots de rappel » (ou « mots-clés ») donnent de la valeur ajoutée à un texte, alors qu’ils constituent moins de 10 % des mots de ce texte. En chimie et en biologie, selon le sujet abordé, nous proposons des diagrammes et tableaux accompagnés de quelques définitions.

Étant donné notre choix pour un manuel plutôt qu’un cahier à compléter, l’élève prendra des

notes structurées dans un cahier ou un classeur et veillera toujours à bien noter les pages du manuel auxquelles se rapportent ces notes, au fur et à mesure de l’apprentissage. Cette prise de notes présente souvent des difficultés pour les élèves ; il sera sans doute nécessaire de leur donner des consignes régulièrement et de guider leur apprentissage en la matière. Noter les dates des cours directement dans le cahier rappelle à l’élève le temps passé sur une matière et donc souvent sa difficulté relative.

Enfin, il nous a paru important que l’apprenant puisse disposer :d’un – glossaire pour découvrir et/ou vérifier la signification de termes scientifiques afin de développer son autonomie et d’enrichir son vocabulaire ;d’un – index permettant de retrouver rapidement une notion découverte précédem-ment ;d’un – tableau périodique dépliable en fin d’ouvrage.

Des changements importants sont à l’origine de ce nouveau manuel : depuis les changements de programmes scolaires jusqu’au passage à un nouveau format et à la couleur, en passant par le remaniement de l’équipe d’écriture. Nous tenons donc tout d’abord à remercier Sophie Todoroff pour le travail accompli par le passé et lui souhaitons bonne route.

Par ailleurs, cette nouvelle version fait écho aux conseils avisés de nos collègues Luc Nach-tergaele, Serge Thomas, Jean Richir, Ludovic Miseur ainsi que de quelques étudiants en bac régendat sciences de l’ENCBW (Sonia Azaz, Laurent Gruber…). Nous les en remercions.

Nous sommes également reconnaissants envers l’équipe éditoriale qui nous a laissé le temps de mûrir le projet et a su nous donner une nouvelle opportunité de mettre dans les mains des élèves et des professeurs un outil qui soit, autant que possible, un support à la fois attractif et pertinent pour l’apprentissage des sciences.

Les auteurs

V

Biologie, chimie et physique

Trois disciplines scientifiques sont regroupées dans ce manuel sous le terme « sciences ».Le mot « science » vient du mot latin scientia, « connaissance », venant lui-même du verbe latin scire (« savoir ») qui désigne à l’origine la faculté mentale propre à la connaissance. D’après le dictionnaire Le Robert, la science est « l’ensemble de connaissances, d’études d’une valeur uni-verselle, caractérisées par un objet (domaine) et une méthode déterminés, et fondées sur des relations objectives vérifiables »3. Les trois disciplines scientifiques abordées dans le cadre de ce cours sont la biologie, la chimie et la physique : elles font partie des SCIENCES DE LA NATU-RE. Il s’agit de sciences expérimentales et, à ce titre, elles nécessitent la pratique d’une démar-che dite expérimentale. Le biologiste, le chimiste ou le physicien qui observe un phénomène, s’interroge, formule des hypothèses. Pour vérifier ces hypothèses, il réalise des expériences, s’interroge encore, expérimente, élabore des modèles, représentations simplifiées de la réalité. Ainsi, petit à petit, les scientifiques, ensemble, construisent des théories en rassemblant les diverses lois induites par les expériences.

La biologie s’attache à l’étude des êtres vivants, de leur structure, de leur fonctionnement et de leurs interactions entre eux et avec leur milieu. Les champs d’application de cette discipline sont variés et étendus : depuis les plus petites molécules constituant un virus jusqu’aux mo-difications climatiques à l’échelle planétaire qui influencent la répartition géographique de certaines espèces.

La chimie est une science qui étudie principalement la structure et les transformations de la matière. Les chimistes s’intéressent aux toutes petites parties élémentaires et à la manière dont ces parties élémentaires sont assemblées pour former les corps de l’Univers. Ils décrivent les changements observés lors des transformations de la matière et essaient de les expliquer par des modèles. Grâce à ces modèles, les chimistes peuvent prévoir certaines transformations. Par exemple, lorsque certains gaz sont émis dans l’atmosphère, ceux-ci acidifient les pluies. Ou encore, le mélange de deux déboucheurs de canalisation différents peut dégager une très forte chaleur et être source de danger…

La physique, ou « étude des lois de la nature », englobe toutes les sciences de la nature. Elle donne souvent l’explication la plus profonde du « comment » de la chimie et même de la bio-logie ou de la médecine (le mot physician est resté en anglais pour « docteur en médecine » !). Elle fournit les méthodes et techniques aux autres sciences de la nature. Ses domaines d’appli-cation sont tellement vastes qu’elle s’est déchargée, dans l’histoire, de ces branches pour qu’el-les deviennent des spécialités à part entière. Elle utilise (et développe) le plus souvent l’outil mathématique et était, à l’origine, une branche de la philosophie. Dans nos cours d’humanités, la physique passe en revue des domaines et concepts aussi différents que l’optique, l’électro-statique, l’électricité, les forces, la chaleur, l’énergie, le travail, la puissance, les mouvements, les ondes, le nucléaire, l’astronomie, les particules élémentaires etc. Toutes les technologies de notre monde sont basées sur les lois de la physique ! Il faut donc pouvoir s’y retrouver pour éviter les « débats de comptoir » face aux sujets qui, parfois, préoccupent…

3 Le Robert, édition 2004, p. 2381.

VIAvant-propos

Un manuel aux multiples facettes

Il est vivement conseillé de respecter l’ordre des chapitres si l’on veut garder une cohérence quant aux prérequis et à la complexité croissante de certaines activités proposées. Chaque chapitre débute par une introduction qui fait le lien avec le chapitre précédent, un itinéraire à suivre qui reprend le fil conducteur du chapitre étudié et les objectifs à atteindre. En fin de cha-pitre, se trouve une synthèse qui permet de structurer les connaissances et qui pourrait servir de support pour entraîner les élèves à réaliser leurs propres synthèses. Les familles de tâches sont à chaque fois précisées en début de chapitre (Rappel de ces familles, p. 261).

Nous avons fait le choix de travailler selon un format en deux colonnes (de type « 1/3 et 2/3 ») pour assurer une cohérence et une fluidité dans l’enchaînement des concepts abordés. Le fil conducteur et l’enchaînement des concepts se trouvent dans la colonne 2/3. Les divers contex-tes d’apprentissage sont répartis en différentes rubriques (ci-après). Nous avons eu le souci d’aider l’élève dans sa lecture et son orientation à travers ces différentes rubriques et colonnes. Nous avons ainsi introduit une autre nouveauté : des flèches � discrètes qui apparaissent de temps en temps dans le texte. Elles orientent provisoirement l’élève vers une activité ou une illustration à ne pas manquer située le plus souvent dans les colonnes extérieures. Ainsi, le corps du texte reste plus cohérent et écarte les digressions, sans l’alourdir. La couleur de ces flèches est en rapport avec la couleur attribuée dans ce manuel à chacune des disciplines (� biologie, � chimie, � physique).

QUE LA LUMIÈRE SOIT... VISIBLE

Utilise un petit L.A.S.E.R. (Light A Stimulated Emission of Radiation) qui émet un faisceau lumineux vers un écran. Prends garde à

mplification by

tes yeux et à ceux des autres : c’est très dangereux pour la rétine !Le faisceau lumineux est-il visible (ne cherche pas à le regarder de face) ? Que vois-tu ? Propose une expérience permettant de visualiser le trajet de la lu- mière.L’air dans le labo constitue un milieu homogène et isotrope. Que signifient ces termes ?

Rédige une conclusion sur la condition de visibilité de la lumière et concer-nant la propagation de la lumière dans un milieu homogène.Sur le schéma ci-contre, délimite de manière aussi précise que pos-sible les zones de vision complète, partielle ou d’invisibilité de l’objet situé derrière le carton. Que peux-tu conclure ?

Des expériences simples et constructives. Les consignes sont tantôt volontairement peu directives de façon à dé-velopper la créativité et l’esprit de recherche de l’élève, tantôt plus précises afin d’entraîner la lecture et la mise en œuvre d’un protocole.

Les informations : des « clins d’œil » destinés à éveiller la curiosité et l’esprit critique de l’apprenant.

Un remède aux mains moites !

La magnésie ou oxyde de magnésium

est une poudre blanche souvent utilisée

par les grimpeurs et les gymnastes pour

sécher les mains moites.

VIIAvant-propos

Représentation de la digestion

Vous pouvez construire un poster

présentant un modèle de la DIGESTION

que vous afficherez en classe et qui vous

permettra de mieux comprendre ce

phénomène.

Mais que se passe-t-il donc dans ce sys-

tème digestif, tout au long de ce parcours

d’environ 18 mètres ?

Que deviennent les aliments après diges-

tion ?

En groupe, entamez vos recherches à

l’aide des explications qui suivent.

Des tâches qui permettent à l’élève d’exercer une compétence en mobilisant les savoirs et savoir-faire à maîtriser. Ces tâches sont classées par famille. La des-cription des familles de tâches se trouve à l’annexe 1.

Ton menu d’hier

Fais la liste de tout ce que tu as mangé

et bu hier. Calcule la part de glucides,

lipides et protides (grâce au document 6).

As-tu respecté la règle « GPL 421 » ?

Des questions posées afin de faire découvrir de nouveaux concepts, de construire un raisonnement et/ou de faire avancer les représentations. Ce signe annonce également des exercices.

Miroirs tournants

Effectue une recherche sur la méthode

plus précise employée par

Albert A. Michelson pour mesurer la

vitesse de la lumière grâce à des miroirs

tournants.

@Des recherches en bibliothèque ou sur Internet sont proposées afin de découvrir des applications de certains concepts dans la vie de tous les jours ou des explications complémentaires.

La loi de la conservation de la masse

« Lors de la réaction chimique se déroulant dans un système isolé, la masse totale du système demeure constante. » �

Le logo « Important » marque des défini-tions, règles, concepts, lois importantes à mé-moriser absolument.

Pour en savoir plus : des pistes, qui dépassent par-fois le programme officiel, sont proposées pour ap-profondir certains points.

Lewis

En 1916, G. N. Lewis propose une repré-

sentation des électrons concernés par les

liaisons chimiques. Ces électrons sont les

électrons de valence.

: 2 électrons

: 1 électron

Dans cet exemple, l’élément possède

6 électrons de valence.

+

Sommaire

Avant-propos III

Chapitre 1 La structure de la matière 2

Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique

Chapitre 2 La formation des images 32

Comprendre le comportement de la lumière dans les instruments d’optique

Chapitre 3 Une alimentation équilibrée 70

Manger pour assurer ses fonctions vitales

Chapitre 4 L’équilibre statique des objets 98

Représenter les forces pour résoudre des applications concrètes

Chapitre 5 La nutrition des plantes : la photosynthèse 126

Cultiver les plantes et déterminer les facteurs qui influencent leur croissance

Chapitre 6 Les molécules de la chimie minérale 148

Mieux connaître les produits chimiques pour les utiliser avec prudence

Chapitre 7 L’électrisation des corps 182

Tester les phénomènes électrostatiques pour les expliquer d’un point de vue atomique

Chapitre 8 La réaction chimique 208

Analyser les réactions chimiques d’un point de vue moléculaire pour les représenter par des équations chimiques

Chapitre 9 Les relations des vivants avec leur milieu 230

S’informer et agir pour expliquer l’impact de l’homme sur l’environnement

Glossaire 251

Annexes 259

Index 269

Tableau de Mendeleïev

�

�ITINÉRAIRE À SUIVRE

1 Changement d’échelle1 Niveaux d’organisation2 Les cellules3 Les molécules4 Les atomes5 En résumé

2 Les éléments chimiques1 Les symboles des éléments chimiques2 Le classement des éléments chimiques

3 La structure de l’atome1 De la molécule à l’atome : confusions2 La structure de l’atome : mise au point

3 La structure de l’atome : un modèle du xxe siècle

4 Les dimensions de l’atome5 Le tableau périodique et la structure de

l’atome6 Le tableau périodique et la structure des

ions

4 Exercices

5 Synthèse

LA STRUCTURE

DE LA MATIÈRE

2211

5

11

IT

Regarde autour de toi : ton pull, le tableau, ta gomme, ton banc, l’air que tu respires, la poussière de craie... Comment ne pas s’étonner devant une telle diversité au sein de la matière ? La matière

vivante et non vivante témoigne d’une organisation complexe qui intéresse des scientifiques de nom-breuses disciplines dont la physique, la biologie et la chimie. Au cours de ce chapitre, nous aborderons différents niveaux d’organisation de la matière. Selon l’instrument d’observation utilisé, les choses nous apparaissent sous un tout autre angle ; selon le degré d’imagination dont nous faisons preuve, nous pouvons nous représenter certains matériaux et expliquer leurs propriétés. Toutefois, la compréhension de la structure de la matière a nécessité des millénaires et pose encore question aux experts. Ce premier chapitre te permettra de poser des bases qui t’amèneront à approfondir l’organisation de la matière vivante et non vivante par la suite : changer d’échelle pour mieux comprendre le monde qui t’entoure...

Présenter la matière qui nous entoure d’un point de vue microscopique

GUIDE POUR L’ÉTUDE

– préciser l’ordre de grandeur des objets et êtres suivants : atome, molécule, protéine, virus, bactérie, cellule, organisme, tissu

– citer et identifier les parties de la cellule et leur rôle (membrane, noyau, cytoplasme)– citer le pouvoir de résolution de l’œil, du microscope optique et du microscope électronique– décrire la signification du concept de « modèle scientifique »– décrire les notions de modèle moléculaire, de modèle atomique, de réactif, de produit, de

phénomène chimique, de phénomène physique– écrire le symbole des éléments chimiques ainsi que leur nom correctement orthographié– décrire les différents modèles de l’atome qui ont été vus– préciser les propriétés physiques des métaux et des non-métaux

– tenir compte des limites de la vision lors de l’approche d’un nouveau phénomène– utiliser un microscope optique– représenter la cellule– réaliser un dessin scientifique et rédiger des observations précises– représenter la composition d’un mélange– placer, dans les bonnes périodes historiques, sur une ligne du temps, les événements et

personnages suivants : Démocrite, Dalton, modèle d’Aristote, adhésion du grand public à la théorie atomique, tableau périodique de Mendeleïev, découverte de l’électron, du proton et du neutron ainsi que des modèles atomiques de Thomson, Rutherford et Chadwick

– préciser la structure atomique d’un élément chimique en t’aidant du tableau périodique– reconnaître une molécule d’après sa composition atomique– écrire le symbole d’un ion d’après son nom et inversement– classer des corps purs selon leur caractère métallique– identifier les métaux et les non-métaux d’après leur place dans le tableau périodique

Famille de tâches 1– prévoir quelques propriétés d’un élément chimique selon sa place dans le tableau périodique Famille de tâches 2– préparer une solution aqueuse– tester et comparer les propriétés des corps pursFamille de tâches 4– représenter la structure de la matière selon un niveau d’observation donné– réaliser une ligne du temps présentant l’évolution du modèle de l’atome

SAVOIRS

SAVOIR-FAIRE

TÂCHES

4 LA STRUCTURE

DE LA MATIÈREChapitre 1

1 CHANGEMENT D’ÉCHELLE

1. Niveaux d’organisation

L’organisation du monde vivant est hiérarchisée, c’est-à-dire que chaque niveau s’édifie à partir du niveau inférieur : la communauté biologique réunit différentes populations d’organismes en liens étroits entre eux et avec leur milieu. Ces populations sont constituées d’ensembles d’individus d’une même espèce vivant dans une région donnée à un moment donné. Chaque individu, suivant son degré de complexité, est formé par un ensem-ble de systèmes qui se coordonnent de manière très précise (système di-gestif, système nerveux…). Dans chacun de ces systèmes, chaque organe assure une (ou plusieurs) fonction(s) spécifique(s) en étroite collaboration avec les autres organes. Les différents tissus qui composent l’organe assu-rent un (ou des) rôle(s) spécifique(s). C’est le cas de l’estomac qui participe à la digestion par exemple. Enfin, ces tissus sont composés de cellules, unités de fonctionnement des êtres vivants, qui peuvent faire des échanges avec l’extérieur, se multiplier, fabriquer des substances…

Orque. Poissons exotiques.

Population de méduses. Tissu musculaire. Globules rouges.

Système circulatoire. Foie.

Invasion bactérienne

Notre corps compte de 10 à 100 fois plus

de bactéries que de cellules. Ces bactéries

colonisent notre peau, notre bouche,

notre système digestif, nos muqueuses…

Ces bactéries d’espèces différentes sont

pour la plupart utiles et non dangereuses.

milliards d’humains

La population humaine approche actuel-

lement des 7 milliards d’habitants.

Consulte l’évolution des statistiques

mondiales en temps réel sur le site

www.worldometers.info/fr

@

Définir, illustrer

Note les définitions des termes suivants

et illustre ceux-ci par des exemples :

communauté biologique, population,

organisme, système d’organes, organe,

tissu, cellule.

5Chimie

Eh oui, nous ne pouvons pas tout observer à l’œil nu ! En effet, le pouvoir de résolution de notre œil est limité. La résolution est la distance minimale entre deux points qui permet de les distinguer l’un de l’autre. Par exemple, regarde les 2 points suivants :

Tu peux les voir tous les deux car ils sont suffisamment espacés. Ce ne sera pas le cas si la distance qui les sépare est inférieure à 0,1 mm (ou 100 μm) car la lumière réfléchie par chaque point frappe la même cellule réceptrice de l’œil. Pour l’œil, la résolution est de 1 mm pour un objet se trouvant à 3 m de distance.

Une façon d’accroître la résolution est d’augmenter le grossissement de tel-le sorte que les objets apparaissent plus grands. Ainsi, tu peux utiliser une loupe ou un microscope par exemple. Il existe de nombreux types de mi-croscopes. Parmi eux, citons les microscopes optiques (ou photoniques) et les microscopes électroniques fonctionnant respectivement avec la lumière et avec des particules appelées électrons.

Intestin grêle

Cellule

Veine

Artère

Canal lymphatique

Ce schéma illustre quatre niveaux d’observation différents :un organe (l’intestin grêle) ; –

les replis qui tapissent sa face interne ; –

une villosité dans laquelle arrive un vaisseau sanguin (une artère) qui –

pourra recueillir les produits de la digestion et d’où s’en va une veine. Le canal lymphatique peut être assimilé à une « canalisation de net-toyage des tissus » ;une cellule bordée de microvillosités et contenant un noyau. –

Replis, villosités et microvillosités ont pour rôle d’augmenter la surface d’échanges entre la lumière de l’intestin et l’intérieur du corps.

Organiser

En partant de tes observations et de tes

connaissances,

cite les différents niveaux d’organisa-1.

tion de ton corps, du plus grand au

plus petit, en utilisant les mots clés

suivants : cellule, molécule, intestin,

système digestif, tissu ;

propose des moyens d’observation 2.

pour chaque niveau d’organisation.

Œil.

Loupe.

Microscope optique.

6 LA STRUCTURE


2. Les cellules

EXPÉRIENCE : OBSERVATION DE CELLULES AU MICROSCOPE OPTIQUE

Objectif

Décrire et schématiser des cellules animales.

Matériel et méthode

Prépare une coupe microscopique.1. Racle doucement l’intérieur de ta joue avec un coton-tige. –

Place la matière grisâtre sur une lame en verre. –

Ajoute une goutte d’eau et couvre d’une lamelle –

Tu peux aussi colorer ta coupe avec une goutte de bleu de méthy- –

lène ou d’eau iodée.Observe la coupe et réalise un dessin légendé selon les consignes de 2. la fiche « dessin scientifique ». �

Résultat

Rédige tes observations.Remets ton dessin légendé � et tes observations.

Micrographie de cellules de l’intérieur de la joue (100x). Dessin réalisé par un élève.

Interprétation

Propose un modèle de la cellule en t’aidant des pistes suivantes.À l’image de notre organisme, la cellule contient beaucoup d’eau ; le li- –

quide épais contenant cette eau (à raison de 85 %) et d’autres substances (glucides, lipides, protides et bien d’autres) est appelé cytoplasme.Une barrière sépare la cellule du milieu extérieur et est composée de –

substances qui ne se mélangent pas à l’eau (lipides et protéines) : il s’agit de la membrane cytoplasmique.Un – noyau « commande » toutes les fonctions de la cellule (se reproduire, fabriquer des substances…).

50 μm

Comment utiliser le microscope ?

Place l’échantillon sous l’objectif dont le

grossissement est le plus faible. Utilise

les vis de réglage afin d’obtenir une vision

nette en faisant attention de ne pas

écraser la coupe microscopique. Choisis

l’objectif approprié à ton observation.

Note le grossissement : il correspond au

produit des grossissements de l’oculaire

et de l’objectif.

Comment réaliser un dessin scientifique ?

Ce type de dessin sera fait au crayon

(dans un cercle de 3 cm de rayon pour

les observations pratiquées au micros-

cope) et sera aussi proche que possible

de la réalité. Tu n’oublieras pas de le

faire précéder d’un titre, de lui adjoindre

une légende (à l’aide de flèches parallè-

les tracées à la latte et d’en préciser le

grossissement (10 × 40 = 400 fois par

exemple).

7Chimie

Tous les tissus vivants sont composés de cellules dont la taille et les autres caractéristiques sont liées à leur fonction. Les cellules auxquelles nous nous intéressons dans le cadre de ce chapitre contiennent un noyau (elles sont appelées cellules eucaryotes) et leur diamètre varie entre 10 et 100 μm (1 μm = 10–6 m = 10–3 mm). Il existe donc une très grande variété de cellules, comme tu peux le voir sur le schéma ci-dessous. Cependant, toutes les cel-lules ont un certain nombre de points communs dont le plus important est de pouvoir, à elles seules, assurer leurs fonctions vitales : en effet, les cellules respirent, fabriquent des substances, se multiplient, meurent… Mais de quoi sont-elles composées ? De ce que nous mangeons, buvons, « respirons »…

cerveau

sang

muscle

cœur

intestin

spermatozoïdes

Pourquoi les cellules sont-elles si petites ?

La plupart des cellules sont microscopi-

ques. Imaginons-les sous forme cubique ;

n’oublions pas qu’elles sont en trois

dimensions…

a)

b)

c)

Rapport surface/volume de différents assem-blages.

a. Prenons, par exemple, un morceau de

tissu biologique (cubique) de 50 μm

de côté ; calcule son volume et sa

surface s’il n’était composé que d’une

seule cellule de 50 μm de côté.

b. Prenons à présent une cellule de

10 μm de côté. Calcule son volume et

sa surface...

c. Revenons à notre morceau de tissu

de 50 μm de côté : s’il est composé de

cinq cellules dans chacune des trois di-

mensions, de combien de cellules est-il

composé ? Calcule son volume total et

sa surface totale, en tenant compte des

surfaces de chacune des cellules.

La différence est de taille : une surface

de 75 000 μm2 pour le tissu composé

de 125 cellules contre une surface de

15 000 μm2 pour un tissu de même

volume (125 000 μm3) composé d’une

seule cellule. Une surface plus grande

permet un échange de substances plus

grand. Donc, la plupart des cellules sont

microscopiques parce qu’il s’agit là de la

seule façon de posséder suffisamment

de surface d’échange par rapport à leur

volume.

+

8 LA STRUCTURE


3. Les molécules

L’étude de la structure chimique de la matière va t’emmener dans un univers situé bien au-delà de ce que tu peux voir. Pour commencer, choisissons la matière dont l’importance est vitale : l’eau. En effet, on estime que l’eau cou-vre environ 70 % de la Terre et qu’elle compose approximativement 70 % de ton organisme (75 % pour un nourrisson, 65 % pour un adulte).L’eau est en effet la matière la plus importante dans les organismes vivants. Présente abondamment dans les cellules et dans les espaces intercellulaires, l’eau forme une solution avec des sels minéraux, des sucres, des protéines et de nombreuses autres substances. C’est donc grâce à l’eau que la vie est pos-sible. L’expérience ci-après te permet de découvrir la composition du sérum physiologique et d’approcher le concept de molécule.

TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PRÉPARATION DU SÉRUM PHYSIOLOGIQUE

Le sérum physiologique sert au lavage des fosses nasales, à l’hygiène ocu-laire chez le nourrisson, l’enfant et l’adulte. �Objectif

À l’aide du matériel et des produits que le professeur met à ta disposition, prépare 100 mL de cette solution avec le soluté et le solvant adéquat. �Matériel et produits

Balance, récipient de 100 mL, petit berlin, pissette d’eau distillée, enton-noir et chlorure de sodium (sel de cuisine).D’après toi, parmi les récipients suivants, lequel choisirais-tu pour réaliser une mesure précise d’un volume de 100 mL ? Justifie.

Verrerie de laboratoire.

Solution

Soluté : substance dissoute dans un solvant.

Solvant : substance ayant le pouvoir de dissoudre d’autres substances.

Solution : mélange homogène de deux ou plusieurs composés.

Que d’eau !

Organisme Pourcentage

d’eau

L’homme 65 %

Le chien 67 %

Le maïs 70 %

L’œuf de poule 75 %

Le poisson 80 %

Le champi-gnon

89 %

La tomate 91 %

La laitue 95 %

À toi de préparer

Observe attentivement l’étiquette ci-des-

sous et décris la composition du sérum

physiologique. Propose un moyen de pré-

parer une solution de même composition

et de même concentration que ce sérum.

Précise les quantités de substances néces-

saires pour faire 100 mL de solution.

Sérum physiologique.

9Chimie

Méthode de préparation d’une solution

À l’aide d’une balance, prélève la masse déterminée de chlorure de 1. sodium (sel de cuisine) dans le petit berlin (figures a, b).Dissous avec un peu d’eau le chlorure de sodium et verse-le dans le 2. ballon jaugé (figures c, d).Á l’aide d’une pissette d’eau distillée, lave ton berlin et récupère le 3. liquide dans le jaugé (figures e, f ).Agite et ajoute de l’eau distillée (le solvant) afin d’atteindre le volume 4. déterminé par le trait de jauge du ballon de 100 mL (figures g, h).

a b

e

gd

c

f

h

Préparation d’une solution de concentration précise.

Conclusion

La dissolution du sel dans l’eau est un phénomène physique : la nature même des corps n’a pas changé. En effet, si on fait évaporer l’eau de la solution, on retrouve le sel : soluté de départ. Au cours de la dissolution, les molécules de sel se sont mélangées aux molécules d’eau.Les schémas que tu as dessinés sont des exemples de modèles scientifiques.

Modèle scientifique

Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité permettant de mieux

comprendre les phénomènes qui y sont associés.

En ce qui concerne la matière, les scientifiques disent que tout se passe comme si la matière était faite de petits corpuscules appelés MOLÉCULES. Il s’agit du MODÈLE MOLÉCULAIRE DE LA MATIÈRE.

Interprétation

Plonge virtuellement au cœur de la so-1.

lution et propose un schéma légendé

modélisant le contenu du récipient.

Propose un nouveau schéma légendé 2.

modélisant le contenu d’un récipient

contenant 1,8 g de NaCl par 100 mL

de solution.

Cette nouvelle solution sera-t-elle plus 3.

ou moins concentrée que celle que

vous avez réalisée ?

Exprime avec tes mots ce que repré-4.

sente la notion de concentration.

De manière très naturelle, la concen-5.

tration massique est exprimée en g/L

ou g.L–1. Précise la concentration de ta

solution dans cette unité.

SOLVANT + SOLUTÉ

SOLUTIONAQUEUSE

eau + sel

Sirop de sucre

Le sirop de sucre contient 1 kg de sucre

pour 1 L d’eau. Représente sous forme

de modèle moléculaire le sirop de sucre

sachant que :

le mélange contient 20 fois plus de –

molécules d’eau que de molécules de

sucre ;

les molécules de sucre sont 20 fois plus –

grosses que celles de l’eau.

SOLVANT + SOLUTÉ

SOLUTIONAQUEUSE

eau + sucre

10 LA STRUCTURE


4. Les atomes

Notre étude de la matière se poursuit : d’un point de vue chimique, celle-ci est composée de molécules (par exemple, l’eau est constituée de molécules d’eau). Et les molécules, de quoi sont-elles composées ? �

EXPÉRIENCE : ÉLECTROLYSE DE L’EAU

Objectif

Il s’agit de décomposer l’eau à l’aide d’une source d’énergie électrique afin de vérifier vos hypothèses.Matériel et méthode

Réalise un schéma légendé de l’appareil à électrolyse. –

Le professeur branche l’appareil sur une alimentation électrique 12 volts –

(noté 12 V).

Électrolyseur.

Résultats

Prends note de tes observations qualitatives en cours d’expérience.1. Réalise un second schéma représentant tes observations après environ 2. 10 minutes.Prends note des volumes de gaz produits (observations quantitatives).3.

a

d

b

e f g

c

Électrolyse de l’eau : a – vue de haut ; b, c, d – progression de la réaction ; e – arrêt de la réaction ; f – test d’identification de l’hydrogène ; g – test d’identification de l’oxygène.

Casser des molécules

Serait-il possible de casser des molécules

d’eau ? Et si on y parvenait, qu’obtien-

drait-on ? Formule une hypothèse.

Invention de la pile

Quelques traces anciennes de piles datant

d’avant J.-C. ont été découvertes. Toute-

fois, l’ancêtre des piles actuelles est bien la

pile de Volta (physicien italien), inventée

le 17 mars 1800. À peine quelques mois

plus tard, le 2 mai 1800, deux chimistes

britanniques utilisent la pile de Volta pour

réaliser la première électrolyse de l’eau.

Pile de Volta.

+

Électrolyse

La partie électro, formée à partir du grec

elektros qui signifie « ambre jaune », fait

référence à l’électricité (voir aussi cha-

pitre 7). La partie lyse provient du grec

lysis, « action de délier, séparer ». L’élec-

trolyse est donc l’action de décomposer

les molécules avec de l’électricité.

11Chimie

Interprétations

À ton avis, quels sont les gaz produits ? Formule une hypothèse.Des tests sont réalisés pour identifier les gaz. S’il explose au contact d’une flamme, il s’agit de dihydrogène ; s’il rallume un tison (bout de bois encore rouge), il s’agit de dioxygène.Décris ce qu’il s’est passé au cours de l’électrolyse de l’eau en termes de mo-lécules.

Conclusion

Nous avons pu décomposer l’eau en deux corps tout à fait différents. Il s’agit d’un phénomène chimique. Puisque l’eau peut être décomposée, on peut en déduire que les molécules d’eau sont constituées de plus petites particu-les encore : on les appelle les atomes. D’après les volumes produits obtenus par électrolyse, on peut supposer que chaque molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.

corps pur exemple

de propriété

molécules qui le

constituent

atomes qui le

constituent

eau téb = 100 °Ctf = 0 °Cà pression atm

molécules d’eau atomes d’oxygène d’hydrogène

oxygène ravive un tison molécules de dioxygène

atomes d’oxy-gène

hydrogène explose au contact d’une flamme

molécules de dihydrogène

atomes d’hydro-gène

Décomposition de l’eau

2 moléculesd’eau

2 moléculesde dihydrogène

1 moléculede dioxygène

+se transforment

en

Par conséquent, il convient de proposer un nouveau modèle de la composi-tion de la matière.

Modèle atomique de la matière

La matière est faite de molécules, elles-mêmes constituées d’atomes.

Légendeatome d’oxygèneatome d’hydrogène

Modèle d’une molécule d’eau.

milliards de mil-liards de molécules

Sachant qu’il y a environ 20 gouttes

dans 1 mL d’eau, on considère qu’une

goutte d’eau a un volume de 0,05 mL ou

0,05 mm3. Les chimistes estiment, d’une

part, que, dans une goutte d’eau, il y a

environ 30 000 milliards de milliards de

molécules (3.1022) et, d’autre part, que le

volume d’une molécule d’eau est approxi-

mativement de 1,5.10–24 mm3 (0,000 000

000 000 000 000 000 001 5 mm3). C’est

extrêmement petit et invisible !

+

Pour t’exercer

Résous les exercices 1, 2 et 3.

Hypothèse d’avogadro

Des volumes égaux de gaz contiennent le

même nombre de particules

12 LA STRUCTURE


5. En résumé

Le changement d’échelle nous emmène du monde macroscopique (du grec macro, « long, très grand ») au monde microscopique (du grec micro, « petit »). Nous utilisons ces termes dans le sens suivant :

– macroscopique : « ce qui peut être observé à l’œil nu » ; – microscopique : « ce qui ne peut être observé à l’œil nu ».

NIV

EAU

MAC

ROSC

OPI

QU

E

ORG

AN

ISM

E

Œil

hum

ain

SYST

ÈME

D’O

R-G

AN

ES

Salamandre

Bouche

Œsophage

Intestin

AnusFoie

Pancréas

Estomac Cloaque

ORG

AN

ETI

SSU

200 μm

NIV

EAU

MIC

ROSC

OPI

QU

E

Mic

rosc

ope

optiq

ue

Mic

rosc

ope

élec

tron

ique

CELL

ULE

Microvillosités

Membrane cellulaire

Noyau

200 nm

MO

LÉCU

LE

0,2 nm

ATO

ME

Ordres de grandeur

Remarque : cette catégorisation en niveaux macroscopique et microscopi-que est, comme tous les modèles, discutable mais elle est utile pour la com-préhension des phénomènes étudiés.

13Chimie

Du plus petit au plus grand

La nature s’édifie à partir des niveaux inférieurs ; rétablis l’ordre en classant du plus petit au plus grand les différents éléments ci-dessous.

a) Schéma du système nerveux de l’animal.

b) Tissu nerveux cérébral.

c) Modèle de molécule d’acide désoxyribonu-cléique (ADN). Il s’agit d’une molécule organi-que.

d) Neurone, cellule nerveuse comportant de nombreuses ramifications.

e) Bernache du Canada (une variété d’oie) : organisme.

f ) Noyau, élément de la cellule, observé au microscope électronique. Il renferme l’ADN.

g) Dessin d’un encéphale (organe) d’une Bernache du Canada.

14 LA STRUCTURE


2 LES ÉLÉMENTS CHIMIQUES

La matière de la Terre et de tout l’Univers est constituée à partir d’un peu plus d’une centaine de briques élémentaires appelées « éléments chimiques ». Ceux-ci ont été découverts petit à petit depuis l’Antiquité. La représentation de ces éléments a évolué au cours des siècles selon les théories et les préoc-cupations de l’époque.

1. Les symboles des éléments chimiques

LES MONOGRAMMES ALCHIMIQUES

Au Moyen-Âge, pour écrire leurs formules, les alchimistes créent un symbo-lisme inspiré des Anciens… Ces derniers associaient leurs dieux aux planè-tes dont ils partageaient le ciel. Ainsi, la planète Mars est associée au dieu sanguinaire de la guerre ; leur représentation est le bouclier et la pointe de la flèche. Nos alchimistes, en quête de symboles, en font le monogramme du fer, matériau utilisé pour fabriquer les armes. Les biologistes utilisent cet emblème de la dureté pour en faire le symbole de l’homme.La planète Vénus est associée à la déesse de la beauté ; on la représente par son miroir dont le manche est en forme de croix. Les alchimistes en font le monogramme du cuivre, métal très brillant quand il est bien poli. Plus tard, les biologistes s’emparent de cette figure de la beauté pour en faire le sym-bole de la femme.

fer cuivre or argent

Symboles du fer, du cuivre, de l’or et de l’argent.

LES SYMBOLES DU XVIIIe SIÈCLE

Le 18 avril 1787, Lavoisier (1743-1794) lit à l’assemblée Royale de l’Académie des Sciences un mémoire sur la nécessité de réformer et de perfectionner la nomenclature en Chimie. Ce mémoire contient aussi un nouveau Système de Caractères Chimiques, de Hassenfratz et Adet, adapté à cette nomenclature. Dans ce système, les métaux sont représentés dans un cercle par une ou deux lettres (sauf l’or).

AsZ Sb

H Feor mercure fer

zinc antimoine arsenic

Symboles de l’or, du mercure, du fer, du zinc, de l’antimoine et de l’arsenic.

AN

TIQ

UIT

É–

3500

– 4

76M

OYE

N-Â

GE

476

– 14

53TE

MPS

MO

DER

NES

1453

– 1

789

1453

Chut

e de

l’Em

pire

rom

ain

d’O

rient

476

Dép

ositi

on

du d

erni

erem

pere

ur ro

mai

nd’

Occ

iden

t

15Chimie

LES SYMBOLES DU XIXe SIÈCLE

John Dalton

Physicien et chimiste anglais (1766-1844), John Dalton est le véritable créa-teur de la théorie atomique. On lui doit plusieurs lois dont la loi des propor-tions qui porte son nom. Il étudie sur lui-même la maladie appelée dyschro-matopsie, mieux connue depuis sous le nom de daltonisme. C’est vers 1810 que John Dalton crée les symboles pour la plupart des éléments connus à ce moment. Bien qu’à cette époque les Anglais et les Français s’échangent plus volontiers des boulets de canon que des symboles chimiques, on peut raisonnablement penser qu’en sa qualité d’associé étranger à l’Institut de France, John Dalton est au courant du Système de Caractères Chimiques de Hassenfratz et Adet. Dalton améliore cette notation, entre autres en systé-matisant le symbolisme : tout élément est représenté dans un cercle ; les plus récemment découverts sont caractérisés par une ou deux lettres rap-pelant leur nom.

S

argent

carbonehydrogène phosphore

C

cuivre

Ar

arsenic

G

or

oxygène

Quelques symboles de John Dalton.

Jöns Jacob Berzelius

Chimiste suédois (1779-1848), membre de l’Académie des Sciences de Suède (1808), président et secrétaire perpétuel de cette Académie, le ba-ron Berzélius sépare la chimie minérale et la chimie organique (1806) ; il isole de nombreux corps simples (sélénium, calcium, baryum, strontium…). C’est lui aussi qui fait connaître les propriétés du silicium. Berzélius géné-ralise l’usage des lettres pour représenter les éléments chimiques et dé-pouille le symbole du cercle qui l’entourait. L’usage fera attribuer à tous les métaux nouvellement découverts le suffixe -ium et le symbolisme en un ou deux caractères sera imposé comme notation internationale. Berzélius a également l’idée d’affecter des exposants (remplacés aujourd’hui par des indices) pour préciser le nombre d’atomes d’une espèce dans une molécule.

Agargent

carbonehydrogène phosphore

Cucuivre

Asarsenic

Au

OH C P

or

oxygène

Quelques symboles de Jöns Jacob Berzelius.

ÉPO

QU

E CO

NTE

MPO

RAIN

E 1

789

– ...

1789

Révo

lutio

nfra

nçai

se

16 LA STRUCTURE


DU CORPS PUR À SON SYMBOLE

Le cuivre

Niveau macroscopique

Niveau microscopique

Niveau symbolique

Cu

Remarque : le rayon atomique des atomes de cuivre est de 128 pm, c’est-à-dire 128.10-12 m, soit 1,28.10-10 m. Invisible par microscopie optique !

CONVENTION

Chaque élément est donc symbolisé :par la première ou les deux premières lettres du nom : –

exemples carbone C calcium Ca cuivre Cu

par d’autres lettres appartenant au nom : –

exemples chlore Cl cadmium Cd

ou par d’autres lettres venant de son nom dans une autre langue (latin, –

etc.) : exemples sodium Na (natrium) potassium K (kalium)

Symboles chimiques

Par convention, la première lettre est toujours écrite en majuscule d’imprimerie et la

deuxième (quand elle est présente) en minuscule !

Parmi les différents éléments chimiques du tableau périodique (voir tableau déplia-

ble à la fin du livre), tu connaîtras parfaitement les noms (orthographe comprise) et

les symboles se trouvant ci-contre. �

Sodium (Na) solide (à conserver dans le pétrole).

Dichlore (Cl2), dibrome gazeux (Br2), diiode (l2).

Fer (Fe) solide.

Cuivre (Cu) solide.

Pour t’exercer

Tu es maintenant capable de faire

l’exercice 6.

17Chimie

Quelques éléments chimiques

accompagnés de leur symbole et autres informations

Z Symbole Nom Information

1 H hydrogène « qui engendre l’eau »2 He hélium du grec « soleil »3 Li lithium du grec « pierre »4 Be béryllium présent dans le minéral « béryl »5 B bore de l’arabe « fondant »6 C carbone élément à la base des structures vivantes7 N azote « qui empêche la vie »8 O oxygène « qui engendre les acides »9 F fluor du latin « écoulement », présent dans l’émail

des dents10 Ne néon « gaz nouveau »11 Na sodium du latin « remède au mal de tête », utilisé dans

certains types d’éclairage12 Mg magnésium de la province grecque de Magnésie, utilisé en

escalade et en gym sous forme de sel13 Al aluminium provenant du minerai appelé alumine, utilisé

comme feuille d’emballage14 Si silicium du latin « pierre à feu », utilisé en l’électronique15 P phosphore « porteur de lumière », présent dans les allu-

mettes16 S soufre présent dans les allumettes17 Cl chlore gaz de couleur vert-jaune18 Ar argon gaz inerte présent dans l’air19 K potassium du latin kalium20 Ca calcium du latin calcarius, élément constituant des os24 Cr chrome du grec « couleur », orne les motos et les voitu-

res anciennes25 Mn manganèse intervient dans la fabrication d’aciers spéciaux26 Fe fer composant de l’acier27 Co cobalt de l’allemand « mauvais génie »28 Ni nickel de l’allemand « faux cuivre »29 Cu cuivre utilisé en électricité30 Zn zinc utilisé pour la fabrication de gouttières33 As arsenic du grec « mâle », poison mortel35 Br brome du grec «puanteur »47 Ag argent métal noble utilisé en bijouterie48 Cd cadmium constituant des piles, très polluant50 Sn étain du latin « plomb argentifère »53 I iode du grec « violet », capable de se sublimer56 Ba baryum du grec « lourd »78 Pt platine de l’espagnol « argent », métal noble79 Au or métal noble utilisé en bijouterie80 Hg mercure appelé « vif argent » dans l’Antiquité , toxique82 Pb plomb utilisé dans les batteries de voiture92 U uranium de la planète Uranus94 Pu plutonium de la planète Pluton

Z

Z est le numéro atomique : il est propre à

chaque élément chimique.

Minéral

Les trois photos ci-dessous montrent le

corps pur et un minéral dont il est issu.

Chrome, chromodiopside.

Mercure, cinabre.

Arsenic, réalgar.

18 LA STRUCTURE


2. Le classement des éléments chimiques

A) DEUX CATÉGORIES DE CORPS PURS SIMPLES

L’ensemble de l’Univers semble construit sur base d’une centaine d’éléments chimiques. Les corps purs qui les contiennent peuvent être classés selon leurs propriétés. Il est important pour le chimiste de connaître les propriétés des substances qu’il utilise afin d’en faire un usage adapté.

TÂCHE (RECHERCHE EXPÉRIMENTALE) : PROPRIÉTÉS DES CORPS PURS

Objectif

Classer les corps purs simples selon leurs propriétés. Les propriétés qui vont être testées sont des propriétés physiques, c’est-à-dire qui n’altèrent pas la nature du corps. Au cours de l’expérience, l’échantillon ne se trans-forme pas en un autre corps comme lors des phénomènes chimiques (ou réactions chimiques).

Matériel et méthode

Échantillons : aluminium, carbone, cuivre, fer, iode, magnésium, plomb, sili-cium, soufre, zinc. Pour classer les échantillons, tu peux réaliser cinq tests.

Test 1. Masse volumique : inférieure ou supérieur à 2,5 g.cm–3 ? �Matériel nécessaire : balance de précision au centigramme, cylindre �gradué de 10 cm³, eau et plomb. La masse volumique d’un corps est sa masse par unité de volume. �Autrement dit, on peut la déterminer en cherchant la masse d’1 cm³ de l’échantillon. Pèse un cylindre gradué contenant un volume d’eau déterminé (par �exemple 20 cm³) puis plonge des morceaux de plomb dans de l’eau jusqu’à ce que le volume ait augmenté de 5 cm³. Prends note de la nouvelle masse et calcule l’augmentation de masse par cm3. Calcule la masse volumique du plomb. Tu n’as pas le temps de déterminer la masse volumique de tous les �échantillons ? Voici quelques données :

ÉchantillonsMasse

volumique (g/cm3)Échantillons

Masse

volumique (g/cm3)

aluminiumcarbonecuivreferiode

2,72,28,97,94,7

magnésiumplombsiliciumsoufrezinc

1,711,42,32,17,1

Les chimistes utilisent des unités différentes de celles adoptées dans le S.I. pour des raisons pratiques.

Test 2. Aspect : brillant ou terne ?

Matériel nécessaire : papier de verre. �Observe et frotte éventuellement avec le papier de verre les échan- �tillons pour déterminer s’ils ont un éclat métallique ou s’ils sont ternes.

Test 3. Malléabilité : malléable (on peut le plier) ou cassant ?

Les échantillons qui sont en poudre sont cassants. Pour les autres, si tu �parviens à les plier, ils sont malléables.

Dangereux iode !

Diiode I2

Nouveau symbole de danger :

Nocif par inhalation et par contact avec

la peau. Nocif pour l’environnement.

Test 1 : masse volumique.

Précieux cuivre !

Le cuivre est caractérisé par sa grande

conductivité électrique, sa résistance à la

corrosion et sa recyclabilité. Il s’agit donc

d’un matériau de choix notamment pour

l’électronique, le transport de l’électricité

dans les maisons, la télécommunication,

la plomberie...

Éléments au quotidien

Cherche les utilisations courantes de l’Al,

Fe, C, Pb, Mg, Si, Zn.

@

19Chimie

Test 4. Conductivité électrique : conducteur ou non conducteur d’élec-

tricité ?

Matériel nécessaire : circuit électrique. �Sans rentrer dans les détails, considérons le montage expérimental ci- �contre � : un générateur (une pile ou un chargeur de batterie 9 V par exemple) alimente un circuit en électricité. Celui-ci est ouvert ; deux fils sont munis d’une pince crocodile à leur extrémité. L’expérience consiste à placer l’échantillon entre les pinces crocodiles et déterminer si l’échantillon conduit l’électricité : si c’est le cas, le circuit électrique est donc fermé et la lampe s’allume. Les échantillons sous forme de poudre ne conduisent pas l’électricité.

Test 5. Conductivité thermique : conducteur ou non conducteur de

chaleur ?

Matériel nécessaire : bougie, pince, chronomètre. �Réalise le montage ci-contre � �. Seuls les échantillons existant sous for-me de tige peuvent être testés. Place un peu de cire solidifiée à une ex-trémité de la tige. Allume la bougie à l’autre extrémité et évalue le temps mis par la chaleur pour se propager le long de l’échantillon et provoquer la fonte de la cire.

Résultats

Pour chaque expérience, prends note de façon précise des résultats obser-vés sous forme d’un grand tableau de ce type :

Échan-

tillons

Masse

volumique

(g/cm³)

Aspect :

terne ou

éclat mé-

tallique

Malléa-

bilité :

cassant ou

malléable

Conducti-

vité élec-

trique :

oui ou non

Conducti-

vité ther-

mique :

oui ou non

aluminium > 2,5

carbone < 2,5

cuivre > 2,5

…

Interprétation

Les éléments ont été classés dans le tableau périodique en fonction de leurs propriétés. Une de celles-ci est leur caractère métallique. Un métal a gé-néralement un éclat métallique, il est capable de se déformer sans casser, il conduit bien la chaleur et l’électricité (les conducteurs électriques revien-dront au chapitre 7). Contrairement aux non-métaux. Les métaux se trouvent classés dans la partie gauche du tableau périodique des éléments chimiques et les non-métaux dans la partie droite. Un « truc » pour séparer les métaux des non-métaux consiste à tracer, à travers le tableau, un escalier dont une des marches surmonte l’aluminium (Al) (qui est un métal). Cette séparation est illustrée à la page suivante. Comme tu peux le constater, les métaux sont, en moyenne, trois fois plus nombreux que les non-métaux. Cette séparation n’est pas parfaite et les éléments se trouvant aux alentours de la ligne de séparation ont des propriétés à la fois métalliques et non-métalliques.

Montage électrique.

Montage pour la conductivité thermique.

Classement des corps purs

Interprète ces résultats en classant les

échantillons testés en deux groupes et

en précisant les propriétés générales des

éléments de chaque groupe.

L’aluminium

L’aluminium (Al) est un métal malléable

argenté qui s’altère peu à l’air. Sa faible

densité en fait un matériau de choix

dans l’industrie aérospatiale. Il est aussi

largement utilisé dans le domaine de

l’emballage.

20 LA STRUCTURE


Z

XAr

K

L

M

électronégativiténombre atomique

électrons par couches

symbole

masse atomique relative

TABLEAU DE MENDELEÏEVPÉRIODES

COUCHES

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa COUCHES

1 K

1 2,1

H1,01

2 –

He4,00

K

2K

L

3 1,0

Li6,94

4 1,5

Be9,01

5 2,0

B10,81

6 2,5

C12,01

7 3,0

N14,01

8 3,5

O16,00

9 4,0

F19,00

10 –

Ne20,18

K

L

3K

L

M

11 0,9

Na22,99

12 1,2

Mg24,31

13 1,5

Al-26,98

14 1,8

Si28,09

15 2,1

P30,97

16 2,5

S32,06

17 3,0

Cl-35,45

18 –

Ar39,95

K

L

MIIIb IVb Vb VIb VIIb VIIIb Ib IIb

4K

L

M

N

19 0,8

K39,10

20 1,0

Ca40,08

21 1,3

Sc44,96

22 1,5

Ti47,87

23 1,6

V50,94

24 1,6

Cr52,00

25 1,5

Mn54,94

26 1,8

Fe55,85

27 1,9

Co58,93

28 1,9

Ni58,69

29 1,9

Cu63,55

30 1,6

Zn65,38

31 1,6

Ga69,72

32 1,8

Ge72,64

33 2,0

As74,92

34 2,4

Se78,96

35 2,8

Br79,90

36 –

Kr83,80

K

L

M

N

5K

L

M

N

O

37 0,8

Rb85,47

38 1,0

Sr87,62

39 1,3

Y88,91

40 1,4

Zr91,22

41 1,6

Nb92,91

42 1,8

Mo95,94

43 1,9

Tc98,91

44 2,2

Ru101,07

45 2,2

Rh102,91

46 2,2

Pd106,40

47 1,9

Ag107,87

48 1,7

Cd112,40

49 1,7

In114,82

50 1,8

Sn118,70

51 1,9

Sb121,75

52 2,1

Te127,60

53 2,5

I126,90

54 –

Xe131,30

K

L

M

N

O

6K

L

M

N

O

P

55 0,7

Cs132,91

56 0,9

Ba137,34

57 1,1

La138,91

72 1,3

Hf178,49

73 1,5

Ta180,95

74 1,7

W183,85

75 1,9

Re186,21

76 2,2

Os190,20

77 2,2

Ir192,22

78 2,2

Pt195,10

79 2,4

Au196,97

80 1,9

Hg200,60

81 1,8

Tl-204,37

82 1,8

Pb207,20

83 1,9

Bi208,98

84 2,0

Po[209]

85 2,2

At[210]

86 –

Rn[222]

K

L

M

N

O

P

7

K

L

M

N

O

P

Q

87 0,7

Fr[223]

88 0,9

Ra226,03

89 1,1

Ac[227]

104

Rf[261]

105

Db[262]

106

Sg[263]

107

Bh[262]

108

Hs[265]

109

Mt[266]

110

Ds[281]

K

L

M

N

O

P

Q

K

L

M

N

O

P

LANTHANIDES

57 1,1

La138,91

58 1,1

Ce140,12

59 1,1

Pr140,91

60 1,2

Nd144,24

61 –

Pm146,92

62 1,2

Sm150,40

63 –

Eu151,96

64 1,1

Gd157,25

65 1,2

Tb158,93

66 (1,2)

Dy162,50

67 1,2

Ho164,93

68 1,2

Er167,26

69 1,2

Tm168,93

70 1,1

Yb173,04

71 1,2

Lu174,97

K

L

M

N

O

P

K

L

M

N

O

P

Q

ACTINIDES

89 1,1

Ac[227]

90 1,3

Th232,04

91 1,5

Pa231,04

92 1,4

U238,03

93 1,3

Np237,05

94 1,3

Pu239,05

95 1,3

Am241,06

96 –

Cm247,07

97 –

Bk249,08

98 –

Cf251,08

99 –

Es254,09

100 –

Fm257,10

101 –

Md258,10

102 –

No255,00

103 –

Lr262,10

K

L

M

N

O

P

Q

1 2

2

1

2

2

2

3

2

4

2

5

2

6

2

7

2

8

2

8

1

2

8

2

2

8

3

2

8

4

2

8

5

2

8

6

2

8

7

2

8

8

2

8

8

1

2

8

8

2

2

8

9

2

2

8

10

2

2

8

11

2

2

8

13

1

2

8

13

2

2

8

14

2

2

8

15

2

2

8

16

2

2

8

18

1

2

8

18

2

2

8

18

3

2

8

18

4

2

8

18

5

2

8

18

6

2

8

18

7

2

8

18

8

2

8

18

8

1

2

8

18

8

2

2

8

18

9

2

2

8

18

10

2

2

8

18

12

1

2

8

18

13

1

2

8

18

13

2

2

8

18

15

1

2

8

18

16

1

2

8

18

18

0

2

8

18

18

1

2

8

18

18

2

2

8

18

18

3

2

8

18

18

4

2

8

18

18

5

2

8

18

18

6

2

8

18

18

7

2

8

18

18

8

2

8

18

18

8

1

2

8

18

18

8

2

2

8

18

18

9

2

2

8

18

32

10

2

2

8

18

32

11

2

2

8

18

32

12

2

2

8

18

32

13

2

2

8

18

32

14

2

2

8

18

32

15

2

2

8

18

32

17

1

2

8

18

32

18

1

2

8

18

32

18

2

2

8

18

32

18

3

2

8

18

32

18

4

2

8

18

32

18

5

2

8

18

32

18

6

2

8

18

32

18

7

2

8

18

32

18

8

2

8

18

32

18

8

1

2

8

18

32

18

8

2

2

8

18

32

18

9

2

2

8

18

32

32

10

2

2

8

18

32

32

11

2

2

8

18

32

32

12

2

2

8

18

32

32

13

2

2

8

18

32

32

14

2

2

8

18

32

32

15

2

2

8

18

32

32

16

2

2

8

18

8

9

2

2

8

18

20

8

2

2

8

18

21

8

2

2

8

18

22

8

2

2

8

18

23

8

2

2

8

18

24

8

2

2

8

18

25

8

2

2

8

18

25

9

2

2

8

18

27

8

2

2

8

18

28

8

2

2

8

18

29

8

2

2

8

18

30

8

2

2

8

18

31

8

2

2

8

18

32

8

2

2

8

18

32

9

2

2

8

18

32

18

9

2

2

8

18

32

18

10

2

2

8

18

32

20

9

2

2

8

18

32

21

9

2

2

8

18

32

22

9

2

2

8

18

32

24

8

2

2

8

18

32

25

8

2

2

8

18

32

25

9

2

2

8

18

32

27

8

2

2

8

18

32

28

8

2

2

8

18

32

29

8

2

2

8

18

32

30

8

2

2

8

18

32

31

8

2

2

8

18

32

32

8

2

2

8

18

32

32

9

2

Les métaux sont en bleu et les non-métaux sont en rose.

Définitions

Famille d’éléments chimiques : les éléments qui se trouvent dans une même co-

lonne du tableau périodique et qui possèdent des propriétés semblables.

Période : les éléments qui se trouvent sur une même ligne appartiennent à la même

période. Le caractère métallique diminue de gauche à droite pour chaque période.

Tableau périodique : tableau reprenant l’ensemble des éléments chimiques classés

selon leur masse atomique relative et leurs propriétés. Ces propriétés varient de

façon périodique, c’est-à-dire répétitive, cyclique.

Curiosité

L’hydrogène, bien qu’il soit présent dans la première colonne du tableau pé-riodique, apparaît comme fort différent des éléments de sa famille. Il n’est habituellement pas considéré comme métal. Toutefois, à de très hautes pressions (400 GPa), il semble présenter certaines propriétés des métaux.

.

Pour t’exercer

Résous les exercices 4 et 5.

Les éléments de la famille IVa. De g. à d. : le carbone (sous forme de graphite), le silicium, le germanium, l’étain et le plomb.

Les éléments de la famille VIa. De g. à d. : l’oxy-gène, le soufre, le sélénium et le tellure.

Les éléments de la première rangée du bloc b. Haut (de g. à d.) : le scandium, le titane, le vanadium, le chrome et le manganèse. Bas : le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc.

Le mercure

Le mercure (Hg) est le seul métal liquide

dans des conditions normales de tempé-

rature et de pression (à 0°C, 101 300 Pa).

Il est très toxique sous forme pure mais

aussi combiné à d’autres éléments. Son

utilisation dans les thermomètres est à

présent interdite ; il y est remplacé par

de l’alcool.

21Chimie

B) ÉLABORATION DU TABLEAU PÉRIODIQUE

Depuis les 7 métaux de l’Antiquité, le nombre d’éléments chimiques connus a augmenté continuellement. Avec l’invention de la pile de Volta � et l’uti-lisation de l’électricité en chimie, les scientifiques parviennent à décompo-ser des substances et à en extraire de nouveaux corps simples, comme le sodium, le potassium, le bore, le calcium, etc. On assiste à une explosion démographique des « corps simples ». Le besoin de classer les corps simples pour mieux les étudier se fait ressentir. Des essais de classements sont publiés mais des difficultés persistent.

LE PREMIER CONGRÈS DE CHIMIE

En 1860, cent quarante chimistes venus du monde entier se rassemblent à Karlsruhe pour participer au premier congrès de chimie.Ce premier congrès de chimie est l’événement source de nouvelles idées pour deux jeunes professeurs de chimie : Julius Lothar MEYER (1830-1895), de l’université de Breslau en Allemagne, et Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV (1834-1907), professeur de chimie à l’université impériale de St-Pétersbourg en Russie. Tous deux intéressés par un classement des éléments dans un but pédagogique, ils découvrent à ce congrès les nouvelles masses atomiques, première étape vers la « loi de la périodicité »… Si l’idée de la classification avait déjà été lancée auparavant, aucun système n’était communément admis.

LE GÉNIE DE MENDELEÏEV �C’est en 1869 que Mendeleïev, inspiré par les essais antérieurs et par le pre-mier congrès mondial de chimie, publie sa classification des 63 éléments chimiques connus à l’époque. Avant même que l’idée d’atome ne soit offi-ciellement admise, avant même que les secrets de la structure de l’atome ne soient percés !La classification du chimiste russe est basée sur les deux critères suivants : la masse atomique relative et les propriétés. C’est en ayant classé les 63 éléments chimiques connus par ordre de masse atomique croissante qu’il s’aperçoit qu’une similitude de propriétés apparaît tous les huit éléments. Il lui vient alors l’idée de placer ces éléments aux propriétés semblables les uns près des autres. Un tableau en deux dimensions apparaît. Ce n’est pour-tant pas si simple, Mendeleïev doit faire face à plusieurs incohérences : à titre d’exemple, il a l’idée de génie de laisser des places libres pour des éléments qui, selon lui, n’ont pas encore été découverts. Il en prédit même les proprié-tés en prenant le risque d’être contredit. Il s’agit d’une démarche nouvelle, qui ne se contente pas d’un classement mais qui se fait prédictive afin de diriger les recherches.À peine dix ans plus tard, un des éléments prédits est découvert par un Fran-çais : M. Paul-Emile LECOQ DE BOISBAUDRAN. Il appelle ce nouvel élément gallium. Cette découverte est suivie de près en 1886 par celle du germanium par un Allemand dénommé M. Clemens Alexander WINKLER. Ensuite, se suivent assez rapidement les découvertes des autres éléments chimiques naturels. À ce jour, tous ont leur place dans le tableau périodique et l’ingéniosité de Mendeleïev est reconnue.

Un travail ingénieux

Comment le tableau périodique a-t-il 1.

été construit par Mendeleïev (cite un

ou des critères de classement) ?

D’après toi, quel est l’intérêt de ce 2.

tableau périodique ?

Volta (1745-1827) présentant sa pile à l’Acadé-mie Française à Paris.

Un prof motivé !

Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-

1907), né en Sibérie, serait le cadet d’une

famille de treize enfants. Il étudie la

chimie à St-Pétersbourg (Russie), tra-

vaille en Allemagne avec Robert Bunsen

puis est nommé professeur de chimie à

l’Université de St-Pétersbourg. L’élément

101 porte le nom de mendélévium en son

honneur.

Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907).

Documents

Science notions de base