1  Introduction

  • Distinguer les propriétés physiques des propriétés chimiques de la matière.
  • Distinguer les transformations physiques des transformations chimiques.
  • Connaître les sept unités de base du Système International (SI).
  • Exprimer un nombre en notation scientifique et effectuer des opérations avec des puissances de 10.
  • Utiliser les préfixes du SI et convertir des unités.
  • Déterminer le nombre de chiffres significatifs d’une mesure et arrondir un résultat de calcul de manière cohérente.

Chimie
La chimie est la science qui étudie la composition, les propriétés et les transformations de la matière.

Comme celle énoncée ci-dessus, les définitions de la chimie incluent généralement les termes: matière, composition, propriété et transformation.

La matière est tout ce qui a une masse et qui occupe l’espace. Tous les objets que nous voyons autour de nous sont constitués de matière. Les gaz qui constituent l’atmosphère, même si ils sont invisibles, sont de la matière. Ils occupent l’espace et ils ont une masse.

Le terme composition se réfère aux composants d’un échantillon de matière. L’air que nous respirons est un mélange composé d’environ 80% d’azote et 20% d’oxygène et la formule chimique de l’eau H2O nous indique qu’elle est composée d’hydrogène et d’oxygène.

Les propriétés sont des caractéristiques qui nous permettent de distinguer un échantillon de matière d’un autre échantillon. Un morceau de fer fondra à 1538°C, alors qu’un glaçon fondra à 0°C.

1.1 Propriétés et transformations

Pour étudier la matière, nous allons nous intéresser à deux types de propriétés et aux deux types de transformations que la matière peut subir.

1.1.1 Propriétés physiques

Les propriétés physiques sont des caractéristiques qui ne changent pas la composition de la matière.

Exemples de propriétés physiques :

Masse, volume, densité, couleur, température, point de fusion, point d’ébullition, magnétisme, conductivité, élasticité, ductilité, viscosité, opacité, dureté.

1.1.2 Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques sont des caractéristiques qui changent la composition de la matière. Elles décrivent la façon dont une substance peut se transformer pour former d’autres substances.

Exemples de propriétés chimiques :

Inflammabilité, oxydation, corrosivité, décomposition, réactivité, toxicité.

1.1.3 Transformations physiques

Lors d’une transformation physique, la matière change son apparence physique, mais pas sa composition. On retrouve la même substance avant et après la transformation. L’évaporation de l’eau est une transformation physique. Lorsque l’eau s’évapore, elle passe de l’état liquide à l’état gazeux, mais elle est toujours constituée de molécules d’eau.

\[ \underset{\text{évaporation}}{\text{eau à l'état liquide} \ \longrightarrow \ \text{eau à l'état gazeux}} \]

Exemples de transformations physiques :

Fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation, …

1.1.4 Transformations chimiques

Lors d’une transformation chimique, la matière est transformée en une autre substance dont la composition est différente. La composition de la matière est différente avant et après la transformation. La combustion du papier est une transformation chimique. Le papier et l’oxygène de l’air réagissent ensemble pour former du dioxyde de carbone et de l’eau.

\[ \underset{\text{combustion}}{\text{papier}\ +\ \text{oxygène} \ \longrightarrow \ \text{dioxyde de carbone} + \text{eau}} \]

Exemples de transformations chimiques :

Combustion, oxydation, fermentation, photosynthèse, décomposition, neutralisation, digestion, …

Les transformations chimiques sont ce que nous appellerons plus tard des réactions chimiques.

En essayant de caractériser une substance, un chimiste observe les propriétés suivantes:

  • La substance est un métal blanc argenté brillant.
  • La substance fond à 649° C et bout à 1105° C.
  • La masse volumique de la substance à 20° C est de 1.738 g/cm\(^3\).
  • La substance brûle au contact de l’air, produisant une lumière blanche intense.
  • La substance réagit avec le chlore pour donner un solide blanc cassant.
  • La substance peut être martelée en feuilles minces ou étirée en fils.
  • La substance est un bon conducteur de l’électricité.

Lesquelles de ces caractéristiques sont des propriétés physiques, et lesquelles sont des propriétés chimiques?

  • La substance est un métal blanc argenté brillant.
    propriété physique
  • La substance fond à 649° C et bout à 1105° C.
    propriété physique
  • La masse volumique de la substance à 20° C est de 1.738 g/cm\(^3\).
    propriété physique
  • La substance brûle au contact de l’air, produisant une lumière blanche intense.
    propriété chimique
  • La substance réagit avec le chlore pour donner un solide blanc cassant.
    propriété chimique
  • La substance peut être martelée en feuilles minces ou étirée en fils.
    propriété physique
  • La substance est un bon conducteur de l’électricité.
    propriété physique

Indiquez si les transformations suivantes sont des transformations physiques ou chimiques. Justifiez brièvement votre réponse.

  1. La fusion d’un glaçon dans un verre.
  2. La combustion du gaz naturel (méthane) dans une gazinière.
  3. Le sucre que l’on dissout dans une tasse de thé.
  4. Le lait qui tourne et devient aigre.
  5. Un fil de cuivre que l’on étire pour l’allonger.
  1. La fusion d’un glaçon. Transformation physique : l’eau change d’état (solide → liquide) mais reste constituée de molécules d’eau.
  2. La combustion du méthane. Transformation chimique : le méthane et l’oxygène réagissent pour former de nouvelles substances (dioxyde de carbone et eau).
  3. La dissolution du sucre. Transformation physique : le sucre est dispersé dans l’eau mais reste du sucre.
  4. Le lait qui tourne. Transformation chimique : des micro-organismes transforment le lactose en acide lactique.
  5. Un fil de cuivre étiré. Transformation physique : la forme du fil change mais il reste constitué de cuivre.

1.2 Système de mesure

La chimie est une science qui se base sur des résultats expérimentaux ou des théories qui ont pour point de départ l’observation. La plupart de ces observations sont faites de manières quantitatives : ce sont des mesures.

Un système de mesure universel, le Système International (SI) a été adopté en 1960 par la Conférence Générale des Poids et Mesures. Le SI comporte sept unités de base.

Table 1.1: Unités de base du Système International.
Unité SI Symbole Grandeur
le mètre m unité de longueur
la seconde s unité de temps
le kilogramme kg unité de masse
l’ampère A unité d’intensité des courants électriques
le kelvin K unité de température
la candela cd unité d’intensité lumineuse
la mole mol unité de quantité de matière

Pour chacune des grandeurs suivantes, indiquez le nom de l’unité de base du Système International (SI) ainsi que son symbole.

  1. une longueur
  2. une masse
  3. une durée
  4. une température
  5. une quantité de matière
  6. une intensité de courant électrique
  1. une longueur : le mètre (m)
  2. une masse : le kilogramme (kg)
  3. une durée : la seconde (s)
  4. une température : le kelvin (K)
  5. une quantité de matière : la mole (mol)
  6. une intensité de courant : l’ampère (A)

1.3 Les puissances de 10

Dans le domaine des sciences expérimentales, il est très commode d’exprimer une valeur numérique, souvent très grande ou très petite sous forme d’un produit de deux facteurs: un nombre compris entre 1 et 10 et une puissance de 10. Cette notation est appelée notation scientifique.

Rappel :

\[ \begin{split} 1 &= 10^0\\ 10 &= 10^1\\ 100 &= 10^2\\ 1000 &= 10^3\\ 10000 &= 10^4 \end{split} \qquad \begin{split} \\ 0.1 &= 10^{-1}\\ 0.01 &= 10^{-2}\\ 0.001 &= 10^{-3}\\ 0.0001 &= 10^{-4} \end{split} \]

Exemples de notation scientifique :

\[ \begin{split} 4564 &= 4.564\cdot10^3\\ 212575000000 &= 2.12575\cdot10^{11}\\ 0.000007567 &= 7.567\cdot10^{-6}\\ 0.00000000000000785 &= 7.85\cdot10^{-15}\\ \end{split} \]

Deux relations importantes à retenir :

\[ \begin{split} 10^a \cdot 10^b = 10^{(a+b)} \end{split} \qquad \begin{split} \frac{10^a}{10^b} = 10^{(a-b)} \end{split} \]

Exprimez les valeurs numériques suivantes en notation réelle ou en notation scientifique

notation réelle notation scientifique
\(17.9915\)
\(3.756 \cdot 10^{4}\)
\(0.00034159\)
\(13.365 \cdot 10^{-5}\)
\(103.351 \cdot 10 ^{2}\)
\(14896.546\)

\(17.9915\) = \(1.79915 \cdot 10^{1}\)

\(37560\) = \(3.756 \cdot 10^{4}\)

\(0.00034159\) = \(3.4159 \cdot 10^{-4}\)

\(0.00013365\) = \(13.365 \cdot 10^{-5}\)

\(10335.1\) = \(103.351 \cdot 10 ^{2}\)

\(14896.546\) = \(1.4896546 \cdot 10^{4}\)

1.4 Multiples des unités

Table 1.2: Multiples et sous-multiples décimaux des unités du système international (SI).
Facteur Préfixe SI Symbole SI Facteur Préfixe SI Symbole SI
\(10^{-1}\) déci d \(10\) déca da
\(10^{-2}\) centi c \(10^{2}\) hecto h
\(10^{-3}\) milli m \(10^{3}\) kilo k
\(10^{-6}\) micro \(\mu\) \(10^{6}\) mega M
\(10^{-9}\) nano n \(10^{9}\) giga G
\(10^{-12}\) pico p \(10^{12}\) téra T
\(10^{-15}\) femto f \(10^{15}\) péta P
\(10^{-18}\) atto a \(10^{18}\) exa E

Répondez aux questions suivantes :

  1. Combien de milligrammes y a-t-il dans un kilogrammes ?

  2. Combien de nanomètres y a-t-il dans un mètre ?

  3. Combien y a-t-il de kilogrammes dans un microgramme ?

  4. Combien y a-t-il de microlitres dans un millilitre ?

Effectuez chacune des conversions d’unités suivantes :

  1. \(8.43\) cm en millimètres.
  2. \(2.41 \cdot 10^{2}\) cm en mètres.
  3. \(294.5\) nm en centimètres.
  4. \(1.445 \cdot 10^{4}\) m en kilomètres.
  1. \(10^{6}\) mg
  2. \(10^{9}\) nm
  3. \(10^{-9}\) kg
  4. \(10^{3}\) \(\mu\)l
  5. \(84.3\) mm
  6. \(2.41\) m
  7. \(2.945\cdot10^{-5}\) cm
  8. \(14.45\) km

1.5 Chiffres significatifs

Les chiffres significatifs d’une mesure sont l’ensemble des chiffres connus avec certitude, auxquels on ajoute un dernier chiffre estimé. Ils renseignent sur la précision d’une mesure : une masse de \(12.3\) grammes (3 chiffres significatifs) est moins précise qu’une masse de \(12.300\) grammes (5 chiffres significatifs).

Pour déterminer le nombre de chiffres significatifs d’une valeur, on applique les règles suivantes : 

  • Tous les chiffres non nuls sont significatifs : \(254\) en possède 3.
  • Les zéros situés entre des chiffres non nuls sont significatifs : \(1005\) en possède 4.
  • Les zéros situés à gauche du premier chiffre non nul ne sont pas significatifs ; ils servent uniquement à placer la virgule : \(0.0042\) en possède 2.
  • Les zéros situés à droite du dernier chiffre non nul et après la virgule sont significatifs : \(0.100\) en possède 3.
  • Les zéros terminaux d’un nombre écrit sans virgule sont ambigus : \(1500\) peut en compter 2, 3 ou 4. La notation scientifique lève cette ambiguïté : \(1.50 \cdot 10^3\) en possède 3.

Pour exprimer un résultat avec le bon nombre de chiffres significatifs, on arrondit le dernier chiffre conservé.

Lorsqu’on effectue des calculs, le résultat ne peut pas être plus précis que les données utilisées.

Chiffres significatifs et opérations

  • Multiplication et division : le résultat possède autant de chiffres significatifs que la donnée qui en compte le moins.
  • Addition et soustraction : le résultat possède autant de décimales que la donnée qui en compte le moins.

Par exemple :

\[ \begin{split} 4.56 \cdot 1.4 &= 6.384 \approx 6.4 \\ (\text{3 c.s.}) \quad (\text{2 c.s.}) & \qquad\qquad (\text{2 c.s.}) \end{split} \qquad\qquad \begin{split} 12.11 + 3.4 &= 15.51 \approx 15.5 \\ (\text{2 déc.}) \quad (\text{1 déc.}) & \qquad\qquad (\text{1 déc.}) \end{split} \]

1. Donnez le nombre de chiffres significatifs de chacune des valeurs suivantes :

  1. \(0.00560\)
  2. \(2.0060 \cdot 10^3\)
  3. \(700.0\)
  4. \(48000\)

2. Arrondissez chacune des valeurs suivantes à 3 chiffres significatifs :

  1. \(45.678\)
  2. \(0.0032149\)
  3. \(12945\)

3. Effectuez les calculs suivants en exprimant le résultat avec le nombre correct de chiffres significatifs :

  1. \(3.24 \cdot 0.50 =\)
  2. \(145.68 + 2.1 =\)
  3. \(8.00 / 2.0 =\)

1.

  1. \(0.00560\) (3)
  2. \(2.0060 \cdot 10^3\) (5)
  3. \(700.0\) (4)
  4. \(48000\) (2, ambigu)

Pour \(48000\), les zéros terminaux sont ambigus. La notation scientifique lève cette ambiguïté : \(4.8 \cdot 10^4\) (2 chiffres significatifs).

2.

  1. \(45.7\)
  2. \(0.00321\)
  3. \(12900\) (\(1.29 \cdot 10^4\))

3.

  1. \(3.24 \cdot 0.50 = 1.62 \approx 1.6\) (limité à 2 chiffres significatifs par \(0.50\)).
  2. \(145.68 + 2.1 = 147.78 \approx 147.8\) (limité à 1 décimale par \(2.1\)).
  3. \(8.00 / 2.0 = 4.00 \approx 4.0\) (limité à 2 chiffres significatifs par \(2.0\)).

1.6 Résumé

  • La chimie étudie la composition, les propriétés et les transformations de la matière ; la matière est tout ce qui possède une masse et occupe un espace.
  • Les propriétés physiques se mesurent sans changer la composition de la matière ; les propriétés chimiques décrivent la façon dont une substance se transforme en d’autres substances.
  • Lors d’une transformation physique, l’apparence change mais la composition reste la même ; lors d’une transformation chimique, la matière se transforme en de nouvelles substances.
  • Le Système International (SI) définit sept unités de base, dont le mètre (m), le kilogramme (kg), la seconde (s), le kelvin (K), la mole (mol) et l’ampère (A).

1.7 Exercices supplémentaires

Indiquez si les transformations suivantes sont des transformations physiques ou chimiques:

  1. Une boîte de conserve qui rouille.
  2. L’ébullition d’une tasse d’eau.
  3. La digestion d’une barre chocolatée.
  4. Une explosion de nitroglycérine.
  5. Le ternissement lent d’une fourchette en argent à l’air.
  1. Une boîte de conserve qui rouille.
    transformation chimique
  2. L’ébullition d’une tasse d’eau.
    transformation physique
  3. La digestion d’une barre chocolatée.
    transformation chimique
  4. Une explosion de nitroglycérine.
    transformation chimique
  5. Le ternissement lent d’une fourchette en argent à l’air.
    transformation chimique

Indiquez si les transformations suivantes sont des transformations physiques ou chimiques et indiquez quelle est la propriété observée:

  1. Un clou en fer attiré par un aimant.
  2. Un morceau de papier s’enflamme spontanément lorsque la température atteint 232° C.
  3. Une statue de bronze développe un revêtement vert (patine) au fil du temps.
  4. Un morceau de bois flotte sur l’eau.
  1. Un clou en fer attiré par un aimant
    transformation physique - propriété : le magnétisme
  2. Un morceau de papier s’enflamme spontanément lorsque la température atteint 232° C.
    transformation chimique - propriété : la combustion
  3. Une statue de bronze développe un revêtement vert (patine) au fil du temps.
    transformation chimique - propriété : l’oxydation
  4. Un morceau de bois flotte sur l’eau.
    transformation physique - propriété : la masse volumique
  • Quelle est votre taille dans les unités suivantes ?
    • m
    • mm
    • nm
    • km
  • Quelle est votre poids dans les unités suivantes ?
    • kg
    • g
    • mg
    • tonne
  • Quelle est votre taille dans les unités suivantes ?
    • \(1.85\) m
    • \(1.85 \cdot 10^3\) mm
    • \(1.85 \cdot 10^9\) nm
    • \(1.85 \cdot 10^{-3}\) km
  • Quelle est votre poids dans les unités suivantes ?
    • \(75\) kg
    • \(7.5 \cdot 10^4\) g
    • \(7.5 \cdot 10^7\) mg
    • \(7.5 \cdot 10^{-2}\) tonne
  • Convertir 350000 en notation scientifique.
  • Convertir 80735 en notation scientifique.
  • Convertir 0.00002 en notation scientifique.
  • Convertir \(6.022 \cdot 10^2\) de la notation scientifique à la forme décimale.
  • Multipliez \(2.2 \cdot 10^9\) par \(5.0 \cdot 10^{-4}\) (résultat en not. sci.)
  • Multipliez \(1.4 \cdot 10^2\) par \(2.0 \cdot 10^{-5}\) (résultat en not. sci.)
  • Divisez \(3.6 \cdot 10^{-3}\) par \(1.8 \cdot 10^4\) (résultat en not. sci.)
  • Divisez \(9.3 \cdot 10^{-5}\) par \(3.1 \cdot 10^2\) (résultat en not. sci.)
  • Multipliez 52 par 0.035 en utilisant la notation scientifique
  • Divisez 0.00809 par 20.3 en utilisant la notation scientifique
  • Convertir 350000 en notation scientifique.
    \(3.5 \cdot 10^5\)
  • Convertir 80735 en notation scientifique.
    \(8.0735 \cdot 10^4\)
  • Convertir 0.00002 en notation scientifique.
    \(2 \cdot 10^{-5}\)
  • Convertir \(6.022 \cdot 10^2\) de la notation scientifique à la forme décimale.
    \(602.2\)
  • Multipliez \(2.2 \cdot 10^9\) par \(5.0 \cdot 10^{-4}\)
    \(1.1 \cdot 10^6\)
  • Multipliez \(1.4 \cdot 10^2\) par \(2.0 \cdot 10^{-5}\)
    \(2.8 \cdot 10^{-3}\)
  • Divisez \(3.6 \cdot 10^{-3}\) par \(1.8 \cdot 10^4\)
    \(2 \cdot 10^{-7}\)
  • Divisez \(9.3 \cdot 10^{-5}\) par \(3.1 \cdot 10^2\)
    \(3 \cdot 10^{-7}\)
  • Multipliez 52 par 0.035 en utilisant la notation scientifique
    \(5.2 \cdot 10^{1} \cdot 3.5 \cdot 10^{-2} = 1.82\)
  • Divisez 0.00809 par 20.3 en utilisant la notation scientifique
    \(\frac{8.09 \cdot 10^{-3}}{2.03 \cdot 10^1} = 3.985 \cdot 10^{-4}\)

Déterminer le nombre de chiffre significatifs des nombres suivants:

  1. \(4567\)
  2. \(0.0034\)
  3. \(3.234 \cdot 10^{-2}\)
  4. \(0.100\)
  5. \(102\)
  6. \(0.9909020\)
  7. \(10\)
  8. \(1.0174 \cdot 10^3\)
  9. \(1.02\)
  10. \(3.89 \cdot 10^3\)
  11. \(3.89 \cdot 10^{-2}\)
  12. \(9.8700\)
  1. \(4567\) (4)
  2. \(0.0034\) (2)
  3. \(3.234 \cdot 10^{-2}\) (4)
  4. \(0.100\) (3)
  5. \(102\) (3)
  6. \(0.9909020\) (7)
  7. \(10\) (1 ou 2)
  8. \(1.0174 \cdot 10^3\) (4)
  9. \(1.02\) (3)
  10. \(3.89 \cdot 10^3\) (3)
  11. \(3.89 \cdot 10^{-2}\) (3)
  12. \(9.8700\) (5)

Les dimensions d’une feuille de papier A4 sont de 21.0 cm par 29.7 cm.

  • Donner les dimensions d’une feuille A4 en mètre.
  • Calculer l’aire de la surface d’une feuille en cm2 avec un nombre cohérent de chiffres significatifs.
  • Calculer le périmètre d’une feuille.
  • Donner les dimensions d’une feuille A4 en mètre. \[ 21.0\ cm = 0.21\ m \text{ et } 29.7\ cm = 0.297\ m \]
  • Calculer l’aire de la surface d’une feuille en cm2 avec un nombre cohérent de chiffres significatifs. \[ A = 21.0 \cdot 29.7 = 623.7\ cm^2 ≅ 624\ cm^2 \]
  • Calculer le périmètre d’une feuille. \[ P = 2 \cdot 21.0\ cm + 2 \cdot 29.7\ cm = 101.4\ cm \]

Complétez le tableau suivant (pour 3 chiffres significatifs) :

Nombre (x chif. sign.) 3 chif. sign. Not. scient.
\(27302551.329\) \(27300000\)
\(18595.389\)
\(104000\)
\(1.04\) \(1.04\)
\(12.135\) \(12.1\)
\(0.000136\) \(1.36 \cdot 10^{-4}\)
  1. Not. scient. : \(2.73 \cdot 10^7\)
  2. 3 chif. sign. : \(18600\) ; not. scient. : \(1.86 \cdot 10^4\)
  3. Nombre : \(103950\) ; not. scient. : \(1.04 \cdot 10^5\)
  4. Nombre : \(1.04123\)
  5. Not. scient. : \(1.21 \cdot 10^1\)
  6. Nombre : \(0.000135846\)

Effectuez les calculs suivants sans l’aide de la calculatrice :

  1. \[10^2 \cdot 10^6 = \]
  2. \[10^{-7} \cdot 10^6 = \]
  3. \[10^2 \cdot 10^{-9} = \]
  4. \[10^2 / 10^6 = \]
  5. \[10^3 / 10^{-8} = \]
  6. \[10^{-1} / 10^{-15} = \]
  1. \[10^2 \cdot 10^6 = 10^8 \]
  2. \[10^{-7} \cdot 10^6 = 10^{-1} \]
  3. \[10^2 \cdot 10^{-9} = 10^{-7} \]
  4. \[10^2 / 10^6 = 10^{-4} \]
  5. \[10^3 / 10^{-8} = 10^{11} \]
  6. \[10^{-1} / 10^{-15} = 10^{14} \]

Un joaillier reçoit un petit lingot métallique de forme parallélépipédique. Il mesure ses arêtes et sa masse :

  • longueur : \(2.00\) cm
  • largeur : \(2.00\) cm
  • hauteur : \(1.00\) cm
  • masse : \(10.8\) g
  1. Calculez le volume du lingot en respectant le nombre de chiffres significatifs.
  2. Calculez sa masse volumique en g·cm\(^{-3}\).
  3. Exprimez cette masse volumique en kg·m\(^{-3}\), en notation scientifique.
  4. À l’aide du tableau ci-dessous, identifiez le métal. S’agit-il d’une propriété physique ou chimique ?
métal aluminium fer cuivre argent plomb
\(\rho\) g·cm\(^{-3}\) \(2.70\) \(7.87\) \(8.96\) \(10.5\) \(11.3\)

  1. Volume : \[ V = 2.00 \cdot 2.00 \cdot 1.00 = 4.00\ cm^3 \] Les trois mesures ont 3 chiffres significatifs, le résultat en a donc 3 : \(V = 4.00\) cm\(^3\).

  2. Masse volumique : \[ \rho = \frac{m}{V} = \frac{10.8\ g}{4.00\ cm^3} = 2.70\ g \cdot cm^{-3} \] La donnée la moins précise (10.8 g) a 3 chiffres significatifs : \(\rho = 2.70\) g·cm\(^{-3}\).

  3. Conversion en kg·m\(^{-3}\) : \[ 2.70\ \frac{g}{cm^3} \cdot \frac{1\ kg}{10^3\ g} \cdot \frac{10^6\ cm^3}{1\ m^3} = 2.70 \cdot 10^3\ kg \cdot m^{-3} \]

  4. La masse volumique de \(2.70\) g·cm\(^{-3}\) correspond à celle de l’aluminium. La masse volumique est une propriété physique : elle n’entraîne aucun changement de composition de la matière.

On considère la fabrication puis l’utilisation d’une bougie. Voici les étapes :

  1. On chauffe de la cire solide jusqu’à ce qu’elle fonde.
  2. On verse la cire liquide dans un moule où elle refroidit et se solidifie en prenant la forme du moule.
  3. On allume la mèche : la chaleur de la flamme fait fondre la cire à proximité.
  4. La cire liquide monte le long de la mèche et brûle, produisant de la lumière, de la chaleur, du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.

a. Pour chacune des quatre étapes, indiquez s’il s’agit d’une transformation physique ou chimique, et justifiez.

b. Citez une propriété physique et une propriété chimique de la cire mises en évidence dans cet énoncé.

c. Lors de l’étape 4, la masse de cire consommée est-elle conservée ? Où sont passés les atomes qui la constituaient ?

a.

  1. Transformation physique : la cire passe de l’état solide à l’état liquide (fusion). Sa composition ne change pas.
  2. Transformation physique : la cire se solidifie (solidification) et change de forme, mais reste de la cire.
  3. Transformation physique : fusion de la cire, comme à l’étape 1.
  4. Transformation chimique : la cire réagit avec le dioxygène de l’air (combustion) pour former de nouvelles substances (dioxyde de carbone et eau). La composition change.

b.

  • Propriété physique : le point de fusion de la cire (elle fond sous l’effet de la chaleur).
  • Propriété chimique : l’inflammabilité de la cire (elle brûle en présence de dioxygène).

c. La masse est conservée : rien ne se perd. Les atomes de carbone et d’hydrogène de la cire se retrouvent dans les molécules de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau, gazeuses, qui se dispersent dans l’air. La bougie semble « disparaître » car ses produits de combustion sont invisibles et s’échappent dans l’atmosphère.

Le diamètre d’un atome d’or vaut environ \(0.288\) nm. On dispose d’une feuille d’or dont l’épaisseur mesurée est de \(0.12\) \(\mu\)m.

  1. Exprimez le diamètre d’un atome d’or en mètres, en notation scientifique.
  2. Exprimez l’épaisseur de la feuille en nanomètres, en notation scientifique.
  3. En supposant les atomes empilés les uns sur les autres, estimez combien d’atomes d’or correspondent à l’épaisseur de la feuille. Donnez le résultat avec un nombre de chiffres significatifs cohérent.
  4. Une feuille d’or plus fine encore laisse passer la lumière (elle paraît verdâtre par transparence). Le fait de rendre l’or transparent en l’amincissant est-il une transformation physique ou chimique ?

  1. Diamètre atomique en mètres : \[ 0.288\ nm = 0.288 \cdot 10^{-9}\ m = 2.88 \cdot 10^{-10}\ m \]

  2. Épaisseur de la feuille en nanomètres : \[ 0.12\ \mu m = 0.12 \cdot 10^{-6}\ m = 0.12 \cdot 10^{3}\ nm = 1.2 \cdot 10^{2}\ nm \]

  3. Nombre d’atomes empilés : \[ N = \frac{\text{épaisseur}}{\text{diamètre}} = \frac{1.2 \cdot 10^{2}\ nm}{0.288\ nm} = 416.\overline{6} \approx 4.2 \cdot 10^{2}\ \text{atomes} \] La donnée la moins précise (0.12 µm) a 2 chiffres significatifs : on retient environ \(420\) atomes.

  4. C’est une transformation physique : on modifie une propriété physique (l’épaisseur, et donc l’opacité) sans changer la composition. La feuille reste constituée d’atomes d’or.