Chapitre 1 Introduction

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

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

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 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. \[ A = 21.0 \cdot 29.7 = 623.7\ [cm^2] ≅ 623\ [cm^2] \]
  • 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.
\(27302551.329\) \(27300000\)
\(18595.389\)
\(104000\)
\(1.04\) \(1.04\)
\(12.135\) \(12.1\)
\(0.000136\) \(1.36 \cdot 10^{-4}\)

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

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. \[10^{-1} / 10^{-15} = 10^{14} \]