Formule SPC
Publié le 12/11/2013
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Petit Formulaire de Physique Chimie Ces formules sont extraites du cours de Physique Chime de Terminale S (enseignement g´n´ral) de M.Loubot, professeur de Physique Chimie au ee lyc´e M.Montaigne ` Bordeaux. e a Elles sont en conformit´ avec le programme officiel. e Vincent Zanotti R´sum´ e e L'objet de ce formulaire est de rassembler l'ensemble des formules du cours de Physique et de Chimie afin de poss´der une base de travail pour le bac. e Pour tout commentaire, ou simplement pour faire part d'une faute de frappe, contactez-moi ` l'adresse suivante : [email protected]. a Copyright c 2002 vinZ2 . Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.1 or any later version published by the Free Software Foundation. A copy of the license is included, or can be found at : "GNU Free Documentation License" ( http ://www.gnu.org/copyleft/fdl.html ). Premi`re partie e Chimie Ph, R´action acido-basique, Cin´tique Chimique, Chimie e e Organique 1 Chapitre 1 Le pH , Acide/Base 1.1 Le pH 1.1.1 Le pH On a : pH = - log[H3 O+ ] et donc : [H3 O+ ] = 10-pH (Rappel sur les logarithmes : log(10n ) = n log ab = log a + log b a log = log a - log b ) b Echelle de pH : Acide si pH < 7, basique si pH > 7. 1.1.2 Acides forts Pour un acide fort, pH = - log (Cacide ), et Cacide = [H3 O+ ]. La r´action e de dissolution d'un acide fort dans l'eau est totale. 1.1.3 Bases fortes Pour une base forte, pH = 14 + log (Cbase ). 1.1.4 Produit ionique de l'eau On a : [H3 O+ ][HO- ] = 10-14 SI = Ke 2 CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 1.2 1.2.1 3 Couple acide base Acide faible Ionisation d'un acide faible dans l'eau Lorsque l'on ionise un acide faible dans l'eau, on a : pH > - log Ca . La r´action d'ionisation d'un acide faible dans l'eau est limit´e. e e Coefficient de dissociation d'un acide faible C'est le rapport de la quantit´ de mati`re en acide faible ionis´ sur la e e e Nb. de mol´cules dissoci´es e e quantit´ de mati`re en acide initiale. ? = e e Nb de mol´cules e D'o` : u [H3 O+ ] 10-pH ?= = Ca Ca Le coefficient de dissociation est aussi appel´ coefficient d'ionisation, ou e d'avancement de la r´action. e 1.2.2 Base faible Expression du pH La r´action d'une base faible avec l'eau et limit´e. e e Donc : pH < 14 - log[H3 O+ ] Coefficient de protonation Aussi appel´ coefficient d'avancement de la r´action. e e ?= 1.2.3 10-14 [HO- ] = Cb [H3 O+ ]Cb Les couples Acide/Base e 1`re m´thode e Si HA est l'acide, alors la base du couple s'´crit A- . Donc le couple e s'´crit : e HA/A- Les deux esp`ces sont li´es par l'´quation suivante : e e e HA H + + A- CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 4 e 2`me m´thode e Si B est la base, alors l'acide du couple s'´crit BH + . Donc le couple e s'´crit : e BH + /B Les deux esp`ces sont li´es par l'´quation suivante : e e e B + H+ BH + On dira que : * BH + est l'acide conjugu´ de B (respectivement HA et A- ) ; e * B est la base conjugu´e de BH + (resp. A- et HA) ; e * les deux esp`ces BH + et B (resp. HA et A- ) sont des esp`ces conjugu´es. e e e Les couples acide-base de l'eau Couple H3 O+ /H2 O ( H3 O+ H2 O + H + ). - ( H O+ Couple H2 O/OH OH - + H + ). 2 On dit que l'eau est une esp`ce amphot`re (` la fois base et acide). e e a R´action acide/base faible et eau e La base conjugu´e de tout acide fort est une esp`ce indiff´rente dans e e e l'eau. L'acide conjugu´ de toute base forte est une esp`ce indiff´rente dans l'eau. e e e 1.3 1.3.1 Constante d'´quilibre, constante d'acidit´ e e Constante d'´quilibre e R´action limit´e e e On constate parfois qu'aucun des deux r´actifs ne dispara^ compl`tement, e ?t e et que les produits form´s r´agissent ensemble. ee A+B C +D r´actifs e produits La constante d'´quilibre est ´gale au quotient du produit des concentrations e e molaires des produits de la r´action, et du produit de la concentration des e r´actifs. e K= [C ][D] [A][B ] Cette constante ne d´pend que de la temp´rature. e e CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 5 Solutions aqueuses Lorsque l'eau intervient, on a : A+B C +D Et alors : KR = 1.3.2 [C ][D] [A] Constante d'acidit´ e Dissociation d'un acide faible dans l'eau Couple AH / A- ( AH + H2 O A- + H3 O+ ). Les esp`ces ` l'´quilibre e ae sontli´es par une constante r´duite appel´e ici constante d'acidit´. e e e e KA = [A- ][H3 O+ ] [AH ] Ou plus courrament : pKA = log KA KA = 10-pKA On a aussi : pKA = - log [A- ] [AH ] Protonation d'une base faible Couple BH + / B (AH / A- ). ´ Equation : B + H2 O BH + + OH - ( A- + H2 O Donc la constance de basicit´ vaut : e KB = AH + OH - ). [AH ][OH - ] [BH + ][OH - ] = [A- ] [B ] KB = 10-14 KE = KA KA Pour ces r´action base faible/eau, la connaissance du KA est suffisante, e puisque l'on a : KE = KB * KA . CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 1.4 6 Propri´t´s et classement des couples acide/base ee 1.4.1 Zones de pH et esp`ce majoritaire en solution e pH et esp`ce majoritaire e base Rappel : on a pH = pHA + log [[acide]] . - Si [base] [acide] base = 1 alors log [[acide]] = 0 donc pH = pKA . base - Si pH < pKA , alors log [[acide]] < 0, et donc [base] < [acide]. Si [acide] > 10 * [base] (ou bien pH < pKA - 1) alors on dit que l'acide est l'esp`ce majoritaire (pr´dominante) dans la solution. e e base - Si pH > pKA , alors log [[acide]] > 0, et donc [base] > [acide]. Si [base] > 10 * [acide] (ou bien pH > pKA + 1) alors on dit que la base est l'esp`ce majoritaire (pr´dominante) dans la solution. e e Cas d'un indicateur color´ e Un indicateur color´, c'est la forme acide ou basique d'un couple acide/base : e les couleurs ou les teintes de ces deux formes (acide ou basique) sont diff´rentes. e 1.4.2 Classement des couples acide base Bornes du pKa Pour l'eau : - Couple H3 O+ / H2 O, KA = 1 et donc pKA = 0 ; - Couple H2 O / HO- , KA = 10-14 et donc pKA = 14. On donne une ´chelle de pKA croissante verticalement de 0 ` 14, avec les e a acides ` droite et les bases ` gauche. a a Cons´quence de ce classement e Dans une solution, la base la plus forte est toujours celle qui est situ´e e le plus haut sur cette ´chelle. e Inversement, si on a deux acides, l'acide le plus fort est celui situ´ le plus e bas. Pour deux acides faibles en solution aqueuse, le plus fort correspond ` la a base la plus faible et inversement. 1.4.3 R´action entre un acide et une base e Constante de r´action e Soient deux couples acide/base : CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 7 - Couple A1 / B1 , et [A1 ] + [H2 O] [B1 ] + [H3 O+ ] ; - Couple A2 / B2 , et [A2 ] + [H2 O] [B2 ] + [H3 O+ ]. On consid`re la r´action entre A1 et B2 . On a donc KR , que l'on peut e e exprimer en fonction de KA1 et de KA2 . KR = [B1 ][A2 ] [A1 ][B2 ] KR = KA1 KA2 KA1 est la constante d'acidit´ de l'acide du membre de gauche. e Avancement ` l'´quilibre ae KR < 1 La r´action es tr`s peu avanc´e ` droite. e e ea Les concentrations des r´actifs sont pratiquement ´gales aux concentrations e e de d´part. e KR > 1 Dans ce cas l'´quilibre est d´plac´ vers la droite, et ceci d'autant e e e plus que KR est grand devant 1. Si KR > 104 , on consid`re que la r´action est pratiquement totale. e e R`gle du Gamma (? ) e Lorsque l'on a deux couples en pr´sence, la r´action qui a lieu se fait e e toujours entre la base la plus forte, et l'acide le plus fort. C'est ce que l'on appelle la r´action pr´pond´rante. e e e 1.5 R´actions acido-basiques e 1.5.1 R´action acide fort/base forte e L'acide fort La base forte en solution est totalement ionis´ en e ion HO+ ion H3 O- La r´action est une r´action exothermique totale, d'´quation r´duite : e e e e H3 O+ + HO- -> 2H2 O (r´action inverse de l'autoprotolyse de l'eau). e 1.5.2 Th´orie de Br¨nsted e o Acide de Br¨nsted o Un acide de Br¨nsted est une esp`ce chimique (mol´cule ou ion), suso e e ceptible de c´der un proton H + , qui, en solution aqueuse, est capt´ par une e e +. mol´cule d'eau du solvant pour donner l'ion hydronium H3 O e HA + H2 O H3 O+ + A- CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 8 Base de Br¨nsted o Une base de Br¨nsted est une esp`ce chimique susceptible de capter un o e proton H + . En solution aqueuse, ce proton provient d'une mol´cule d'eau e du solvant. B + H2 O BH + + HO- R´action acide/base e Dans la th´orie de Br¨nsted, au cours de la r´action acide/base, il y a e o e transfert d'un proton entre un donneur de proton (l'acide), et un accepteur de proton (la base). Remarque : L'eau peut jouer ` la fois le r^le d'accepteur de proton, et de a o donneur de proton. La mol´cule d'eau a donc un caract`re ampholyte. e e 1.5.3 Point d'´quivalence e `e A l'´quivalence, les r´actifs sont m´lang´s dans les proportions stoee e e chiom´triques de l'´quation de r´action. e e e `e A l'´quivalence, il y a autant de moles d'acide vers´, que de moles de base e vers´e. e M´thode de d´termination du point d'´quivalence e e e Deux m´thodes : la m´thode des tangentes, et la m´thode de la d´riv´e e e e ee premi`re. e Pour les dosages Dans le cas d'un dosage, on a : CB = CA VAE VB avec CB et CA en mol.L-1 , et VAE et VB dans la m^me unit´. e e 1.5.4 R´action acide faible/base forte e ´ Equation et constante de r´action e Voici l'´quation de r´action d'un acide faible HA, dans l'eau (hydrolyse e e de l'acide). HA + HO- acide 1 base 2 A- + H2 O base 1 acide 2 La condition de totalit´ de cette r´action est : pKA1 <= 10. e e CHAPITRE 1. LE P H , ACIDE/BASE 1.5.5 9 Solution tampon1 D´finition e Une solution tampon est un solution dont le pH varie faiblement ( ?pH 1 de l'ordre de 10 ), quand on ajoute un acide fort ou une base forte, ou quand on dilue. Pr´paration e - On m´lange n moles d'un acide faible avec n moles de sa base conjugu´e ; e e - On m´lange 2n moles d'un acide faible, avec n moles d'une base forte e quelconque. Solution tampon de pH donn´ e Pour obtenir une solution tampon de pH donn´, on utilise pour la e pr´parer un couple acide/base de pKA de valeur le pH recherch´. e e Utilisations Il est principalement utilis´ pour l'´talonnage des pH -m`tres, et pour e e e permettre des r´actions qui n'ont lieu qu'a un pH donn´. e e 1 Ce chapitre n'est pas n´cessairement trait´ par tous les professeurs, mais il est suse e ceptible de questions au bac. Chapitre 2 Cin´tique chimique e 2.1 2.1.1 Facteurs cin´tiques e Interpr´tation e Une r´action chimique r´sulte d'une collision entre les particules constie e tuant les diff´rentes esp`ces chimiques en pr´sence. e e e La probabilit´ de collision d´pend : e e - de la concentration ; - de la temp´rature ; e - la pr´sence ou non d'un catalyseur. e 2.1.2 Concentration des r´actifs et temp´rature e e Concentration des r´actifs e Lorsque l'on augmente la concentration des r´actifs, la vitesse de r´action e e augmente. Temp´rature e Plus la temp´rature est ´lev´e, plus la vitesse de r´action est grande. e ee e N´anmoins, la concentration finale des r´actifs est toujours la m^me, quelque e e e soit la temp´rature. e 2.1.3 Catalyse et catalyseur D´finition e Un catalyseur est une substance qui acc´l`re (ou permet) une r´action ee e chimique possible, mais qui ne r´agit pas (ou mal). Le catalyseur n'intervient pas e dans la r´action. e 10 ´ CHAPITRE 2. CINETIQUE CHIMIQUE 11 Types de catalyse - Catalyse homog`ne : lorsque les r´actifs et le catalyseur ne forment e e qu'une seule phase ; - Catalyse h´t´rog`ne : lorsque les r´actifs et le catalyseur forment des ee e e phases diff´rentes ; e - Autocatalyse : lorsque d'un des produits form´s sert de catalyseur. e 2.1.4 Propri´t´s ee - Ph´nom`ne sp´cifique : un catalyseur ne peut catalyser que une ou e e e plusieurs r´actions sp´cifiques ; e e - Faible quantit´ : une faible quantit´ de catalyseur peut suffire pour e e catalyser ; - Non participation : le catalyseur peut intervenir dans certaines ´tapes e de la r´action, mais n'est pas consomm´ par la r´action. e e e 2.2 2.2.1 Cin´tique chimique e Vitesse moyenne ?A + ?B -> ? A + ? B Formation d'un produit (C ) Vf (C )moy = n(C )t2 - n(C )t1 ?n(C ) = ?t t2 - t1 Disparition d'un r´actif (A) e Vd(A)moy = 2.2.2 n(A)t2 - n(A)t1 ?n(A) = ?t t2 - t1 Vitesse instantan´e e Exemple : formation de C . Vf (C )t = lim ( ?t->0 ?n(C ) dn(C ) )= ?t dt Chapitre 3 Chimie Organique 3.1 3.1.1 Les parfums Chimie des Parfums Un parfum contient en g´n´ral un grand nombre de mol´cules, avec en ee e g´n´ral les fonctions suivantes : ee - Alc`ne (par exemple l'´thane : H2 C - CH2 ) ; e e - Alcool (par exemple l'´thanol : H2 C - CHOH ) ; e - Ald´hyde, c´tone ; e e - Compos´s aromatiques (benz`ne, ...) ; e e - Esters. 3.1.2 Techniques d'extraction Extraction directe par solvant On fait mac´rer les plantes dans un solvant appropri´, puis on filtre, et e e on ´vapore le solvant ; on obtient alors un extrait brute appel´ concr`te. e e e Cette concr`te est trait´e ` l'´thanol. Puis on ´vapore l'alcool, et on obtient e eae e un extrait plus pur appel´ absolu. e Hydrodistillation Une plante odorante est mise dans l'eau, et on distille. Les mol´cules odoe rantes sont entra^ ees par la vapeur d'eau. On obtient un distillat constitu´ ?n´ e en g´n´ral de deux phases : une phase aqueuse, et une phase organique ee appel´e huile essentielle. e 12 CHAPITRE 3. CHIMIE ORGANIQUE 3.2 13 G´n´ralit´s sur la chimie organique ee e 3.2.1 La chimie organique On appelle chimie organique la chimie des compos´es du carbone, ` l'exe a clusion de CO, CO2 , et CaCO3 . La chimie organique concerne donc tous les compos´s intervenant dans des processus biologiques, ainsi que les hydrocare bures et leurs d´riv´s, ainsi que toutes les mol´cules synth´tiques (mati`res ee e e e plastiques, parfums, colorants, m´dicaments, . . .). e 3.2.2 Isom´rie e Deux mol´cules ayant m^me formule brute, mais une structure, une fonce e tion, ou une conformation spatiale sont appel´s des isom`res. e e Isom´rie de fonction e Exemple : C3 H6 O H H . . . . . . . . . . . . . . . . . . H .............. C ....... ....... C . . . . . . . . . . ....... ....... C . . . . . . . . . . H H . . ... ... ... ... H . . . . . . . . . H . . . . . . . . . H .............. C .. . ...... ...... ...... ..... . . H ....... ....... C ....... ....... C . . . . . . . . . . propanal (ald´hyde) e O ....... ....... H . . . . . . . . . . H O .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. H propanone (c´tone) e Isom´rie de position e Exemple : C3 H8 O, alcool. H H H H H H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H .............. C . . . . . . . . .<...
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