Chapitre 7 | 2de Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 30 min
Contexte : Vous êtes apprenti ébéniste dans l’atelier « Bois & Finitions » à Lyon. Votre maître d’apprentissage, un menuisier expérimenté, vous demande de ranger les produits de finition (vernis, teinture, huile) sur les étagères. Vous remarquez que chaque flacon porte une étiquette avec une formule chimique. Il vous explique : « Ces formules indiquent la composition des molécules. C’est ça qui explique pourquoi l’eau ne réagit pas comme l’éthanol ou le vinaigre de bois. »
Voici les produits présents dans l’atelier :
| Produit | Usage en atelier | Formule chimique |
|---|---|---|
| Eau | Nettoyage, dilution des produits aqueux | H2O |
| Éthanol | Solvant pour vernis au tampon (gomme-laque) | C2H6O |
| Acide acétique | Vinaigre de bois (teinture naturelle) | CH3COOH soit C2H4O2 |
| Acétone | Dégraissant, nettoyage des outils | C3H6O |
Et voici un extrait de la classification périodique affiché dans l’atelier :
| Z | Symbole | Nom | Nombre de masse A |
|---|---|---|---|
| 1 | H | Hydrogène | 1 |
| 6 | C | Carbone | 12 |
| 7 | N | Azote | 14 |
| 8 | O | Oxygène | 16 |
Comment lire et interpréter une formule chimique pour comprendre la composition d'un produit de finition ?
À partir du tableau des produits, identifier les différents types d’atomes présents dans les quatre molécules. Donner leur symbole chimique et leur nom.
En lisant les formules chimiques des quatre produits, on repère trois types d’atomes :
Ces trois éléments chimiques suffisent à former les quatre molécules du tableau.
Pour chaque molécule du tableau, compter le nombre d’atomes de chaque type en lisant la formule chimique. Compléter le tableau ci-dessous.
| Molécule | Atomes de C | Atomes de H | Atomes de O | Total d’atomes |
|---|---|---|---|---|
| H2O | ... | ... | ... | ... |
| C2H6O | ... | ... | ... | ... |
| C2H4O2 | ... | ... | ... | ... |
| C3H6O | ... | ... | ... | ... |
| Molécule | Atomes de C | Atomes de H | Atomes de O | Total d’atomes |
|---|---|---|---|---|
| H2O (eau) | 0 | 2 | 1 | 3 |
| C2H6O (éthanol) | 2 | 6 | 1 | 9 |
| C2H4O2 (acide acétique) | 2 | 4 | 2 | 8 |
| C3H6O (acétone) | 3 | 6 | 1 | 10 |
Méthode : le chiffre en indice après un symbole donne le nombre d’atomes de cet élément. S’il n’y a pas de chiffre, c’est qu’il y a 1 seul atome.
Distinguer les termes « atome », « molécule » et « élément chimique » en répondant aux questions suivantes :
a) Le symbole O désigne-t-il un atome, une molécule ou un élément chimique ?
b) La formule H2O désigne-t-elle un atome, une molécule ou un élément chimique ?
c) Combien d’éléments chimiques différents composent la molécule d’éthanol C2H6O ?
a) Le symbole O désigne à la fois un atome d’oxygène (la particule) et l’élément chimique oxygène (le « type » d’atome caractérisé par Z = 8). Ce n’est pas une molécule car il n’y a qu’un seul atome.
b) La formule H2O désigne une molécule : c’est un assemblage de plusieurs atomes liés entre eux (2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène).
c) La molécule d’éthanol C2H6O contient 3 éléments chimiques différents : le carbone (C), l’hydrogène (H) et l’oxygène (O).
À l’aide de l’extrait de la classification périodique, donner :
a) Le numéro atomique \(Z\) de l’atome de carbone.
b) Le nombre de masse \(A\) de l’atome d’oxygène.
c) Le nombre de protons, de neutrons et d’électrons d’un atome d’oxygène. On rappelle que \(A = Z + N\) et que l’atome est électriquement neutre.
a) D’après la classification périodique : le carbone C a pour numéro atomique \(Z = 6\). Cela signifie que son noyau contient 6 protons.
b) L’atome d’oxygène O a pour nombre de masse \(A = 16\).
c) Pour l’oxygène (\(Z = 8\), \(A = 16\)) :
L’hydrogène est l’atome le plus simple. À l’aide de la classification périodique, déterminer :
a) Son numéro atomique \(Z\) et son nombre de masse \(A\).
b) Le nombre de protons, de neutrons et d’électrons de cet atome.
c) Expliquer pourquoi l’hydrogène est qualifié d’atome « le plus simple ».
a) D’après la classification : \(Z = 1\) et \(A = 1\).
b) Composition de l’atome d’hydrogène :
c) L’hydrogène est l’atome le plus simple car il ne contient qu’un seul proton dans son noyau (pas de neutron) et un seul électron. C’est l’atome avec le numéro atomique le plus petit (\(Z = 1\)).
L’éthanol (C2H6O) et l’acide acétique (C2H4O2) contiennent les mêmes éléments chimiques (C, H et O).
a) Ces deux molécules ont-elles la même formule chimique ?
b) Expliquer pourquoi ces deux produits ont des propriétés différentes (l’éthanol est un solvant, l’acide acétique est acide) alors qu’ils sont composés des mêmes éléments.
a) Non, ces deux molécules n’ont pas la même formule chimique :
b) Même si elles contiennent les mêmes éléments chimiques (C, H, O), ces molécules n’ont pas le même nombre d’atomes de chaque type ni le même agencement. C’est la composition (nombre et nature des atomes) et l’arrangement des atomes dans la molécule qui déterminent les propriétés d’une substance.
Un collègue apprenti affirme que la molécule d’acide acétique, écrite CH3COOH, contient « 5 atomes de carbone ».
a) Vérifier cette affirmation en comptant précisément les atomes dans la formule CH3COOH.
b) Expliquer l’erreur commise.
a) Décomposons la formule CH3COOH :
Total : 2 C, 4 H, 2 O → soit C2H4O2 (8 atomes).
b) L’erreur vient d’une confusion entre les symboles chimiques (lettres) et des quantités. Les lettres C, O et H sont des symboles d’éléments : chaque lettre représente un atome. Seul le chiffre en indice multiplie le symbole qui le précède. Il n’y a que 2 atomes de carbone, pas 5.
L’azote (N) figure dans la classification périodique de l’atelier. On le retrouve dans certains vernis polyuréthane.
À l’aide de l’extrait de la classification périodique, déterminer pour l’atome d’azote :
a) Le nombre de protons.
b) Le nombre de neutrons.
c) Le nombre d’électrons.
D’après la classification : azote N, \(Z = 7\), \(A = 14\).
On retrouve l’élément oxygène (O) dans les quatre produits du tableau.
a) Vérifier cette affirmation en relisant les formules chimiques.
b) Expliquer ce que signifie la phrase : « L’oxygène est un élément chimique commun à ces quatre molécules. »
c) Quel est le nombre qui caractérise un élément chimique dans la classification périodique ?
a) Vérification :
L’oxygène est bien présent dans les quatre molécules.
b) Cela signifie que chacune de ces molécules contient au moins un atome d’oxygène. L’élément chimique « oxygène » désigne le type d’atome caractérisé par Z = 8, quel que soit la molécule dans laquelle il se trouve.
c) C’est le numéro atomique \(Z\) (nombre de protons dans le noyau) qui caractérise un élément chimique. Tous les atomes ayant le même \(Z\) appartiennent au même élément chimique.
Rédiger un court paragraphe (4 à 6 phrases) qui répond à la question posée par votre maître d’apprentissage :
« Pourquoi l’eau, l’éthanol, le vinaigre de bois et l’acétone sont-ils des produits différents alors qu’ils contiennent les mêmes types d’atomes ? »
Utiliser les mots suivants : atome, molécule, élément chimique, formule chimique, propriétés.
Exemple de synthèse :
Toute matière est constituée d’atomes, les plus petites particules d’un élément chimique. Lorsque plusieurs atomes s’assemblent, ils forment une molécule, décrite par sa formule chimique. L’eau (H2O), l’éthanol (C2H6O), l’acide acétique (C2H4O2) et l’acétone (C3H6O) contiennent les mêmes éléments chimiques (carbone, hydrogène, oxygène), mais le nombre d’atomes de chaque type et leur agencement diffèrent. C’est cette différence de composition et d’arrangement qui donne à chaque molécule ses propriétés particulières : solvant, acide, dégraissant, etc. La classification périodique permet d’identifier chaque élément chimique par son numéro atomique \(Z\).