Chimie organique rappels ( azote, oxygéne, réaction acido-basique....)

81 Pages·2012·1.72 MB·French

1
Niveau L1
CHI120 : Chimie Inorganique et Organique
Module de Chimie Inorganique
Notes de Cours de Mark E. CASIDA
Date de publication: March 9, 2005
\Alchemist in His Workshop"(circa 1650) par David Teniers the Younger.
2
Contents
1 Generalit(cid:19)es : Acido-Basicit(cid:19)e, Solubilit(cid:19)e, Complexation, Oxydo-R(cid:19)eduction 9
1.1 Rappels sur la R(cid:19)eaction Chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Notions d’Acido-Basicit(cid:19)e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Solubilit(cid:19)e et Pr(cid:19)ecipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 L’Oxydor(cid:19)eduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Propri(cid:19)et(cid:19)es des E(cid:19)l(cid:19)ements au Travers du Tableau de la Classi(cid:12)cation P(cid:19)eriodique 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Les E(cid:19)lements du Bloc s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Les E(cid:19)lements du Bloc p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Les E(cid:19)lements de Bloc d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 Les E(cid:19)lements de Bloc f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Complexes des E(cid:19)l(cid:19)ements du Bloc d (M(cid:19)etaux de Transition) 43
3.1 D(cid:19)e(cid:12)nitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Structure et Propri(cid:19)et(cid:19)esdes Complexes des M(cid:19)etaux de Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Formation et Stabilit(cid:19)e des Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Les Compos(cid:19)es Binaires de l’Oxyg(cid:18)ene 53
4.1 G(cid:19)en(cid:19)eralit(cid:19)es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Quelques Propri(cid:19)et(cid:19)esde l’Oxyg(cid:18)ene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Classi(cid:12)cation des Compos(cid:19)es Binaires de l’Oxyg(cid:18)ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Propri(cid:19)et(cid:19)esAcido-Basiques des Oxydes: Acido-Basicit(cid:19)eSelon Lux-Flood . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 R(cid:19)eaction des oxydes avec l’eau liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6 Propri(cid:19)et(cid:19)esr(cid:19)edoxdes oxydes binaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7 Exemples de m(cid:19)ethodes de pr(cid:19)eparationdes oxydes binaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 L’Azote 61
5.1 Caracteristiques G(cid:19)en(cid:19)eralesde l’E(cid:19)lement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Le Diazote, N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2
5.3 Les Compos(cid:19)eesHydrog(cid:19)en(cid:19)eesde l’Azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4 Les Oxydes d’Azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5 L’acide nitrique, HNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3
5.6 L’Azote en Biologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 L’Aluminium 73
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 L’Aluminium M(cid:19)etallique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3 Les Compos(cid:19)esde l’Aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4 Synth(cid:18)ese de l’Alumine et de l’Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.5 Utilisations de l’Aluminium M(cid:19)etallique (Alliages) et de ses Compos(cid:19)es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3
4 CONTENTS
L’alphabet grecque
alpha A (cid:11)
b^eta B (cid:12)
gamma (cid:0) (cid:13)
delta (cid:1) (cid:14)
epsilon E (cid:15)
z^eta Z (cid:16)
^eta H (cid:17)
th^eta (cid:2) (cid:18)
iota I (cid:19)
kappa K (cid:20)
lambda (cid:3) (cid:21)
mu M (cid:22)
nu N (cid:23)
ksi X x
omicron O o
pi (cid:5) (cid:25)
ro^ P (cid:26), %
sigma (cid:6) (cid:27), &
tau T (cid:28)
upsilon (cid:7) (cid:29)
phi (cid:8) (cid:30), ’
khi (cid:4) (cid:24)
psi (cid:9)
o^mega (cid:10) !
CONTENTS 5
Quelques constantes
Constate de la loi de gaz id(cid:19)eel R 8,314 J.mol(cid:0)1.K(cid:0)1
Constate de Faraday F 96 500 Coul
Moment magn(cid:19)etique de Bohr (cid:22) 9,3 (cid:2)10(cid:0)24 Tesla
B
Quelques formules
Constante d’(cid:19)equilibre
(cid:23) A+(cid:23) B$(cid:23) C+(cid:23) D (1)
A B C D
a(cid:23)Ca(cid:23)D
C D
K = (2)
a(cid:23)Aa(cid:23)B
A B
pK =(cid:0)log K (3)
10
Constante d’ionisation d’eau
H O
2
H O(‘) ! H+(aq)+OH(cid:0)(aq) (4)
2
H O
2
2H O(‘) ! H O+(aq)+OH(cid:0)(aq) (5)
2 3
K =[H+(aq)][OH(cid:0)(aq)]=[H O+(aq)][OH(cid:0)(aq)] (6)
e 3
K = 10(cid:0)14 (7)
e
pK = 14 (8)
e
pH = (cid:0)log [H+] (9)
10
pOH = (cid:0)log [OH(cid:0)] (10)
10
14 = pH +pOH (11)
Constante d’acidit(cid:19)e
HB$H++B(cid:0) (12)
[H+][B(cid:0)]
K = (13)
a
[HB]
Constante de solubilit(cid:19)e
H O
2
M X (s) $ nMy++mXz(cid:0) (14)
n m
ny(cid:0)mz =0 (15)
K =[My+]n[Bz(cid:0)]m (16)
s
Potentiel de r(cid:19)eduction
RT
E =E0 + lnK (17)
ox=red nF redox
Moment magn(cid:19)etique
(cid:22)= n(n+2)(cid:22) (18)
B
p
6 CONTENTS
Preface
CHI120 (Chimie Inorganique et Organique) est la suite du cours CHI110 (Structure de la Mati(cid:18)ere). Le contenu de
CHI110 est consid(cid:19)er(cid:19)e comme acquis et on continue avec une (cid:19)etude de la r(cid:19)eactivit(cid:19)e des (cid:19)el(cid:19)ements, d’abord au niveau
g(cid:19)en(cid:19)eraletensuiteenchoisissanttrois(cid:19)el(cid:19)ementsa(cid:18)titred’exemplepourdes(cid:19)etudesapprofondies. Cestrois(cid:19)el(cid:19)ementssont
l’oxyg(cid:18)ene,l’azote, et l’aluminium.
Un tableau approximatif d’emploi du temps est :
Cours Magistal Sujet
1 Chapitre 1
2 Chapitre 1
3 Chapitre 1
4 Chapitre 2
5 Chapitre 3
6 Chapitre 4
7 Chapitre 5
8 Chapitres 5 et 6
9 Chapitre 6
Remerciements
CHI120 est enseign(cid:19)e par un (cid:19)equipe d’enseignants et la coordination de l’enseignement entre les eneseignants est
tr(cid:18)es importante. Mes notes de cours sont largement bas(cid:19)ees sur les notes de cours initiellement pr(cid:19)epar(cid:19)ees par Mr
Abdelkader HAMMOU.
Mark E. CASIDA
31 d(cid:19)ecembre 2004
7
8 CONTENTS
Chapter 1
Generalit(cid:19)es : Acido-Basicit(cid:19)e, Solubilit(cid:19)e,
Complexation, Oxydo-R(cid:19)eduction
1.1 Rappels sur la R(cid:19)eaction Chimique
1.1.1 Stoechiom(cid:19)etrie
Une r(cid:19)eaction comme,
H +O !H O; (1.1)
2 2 2
n’est pas(cid:19)equilibr(cid:19)ee. Pour^etre(cid:19)equilibr(cid:19)ee, il faut
1. le m^eme nombre de chaque type d’atome a(cid:18) gauche et a(cid:18) droite (conservation de mati(cid:18)ere),
2. et la m^eme charge(cid:19)electrique totale a(cid:18) gauche et a(cid:18) droite (conservation de charge) .
La r(cid:19)eaction(cid:19)equilibr(cid:19)ee s’(cid:19)ecrit,
1
H + O !H O: (1.2)
2 2 2
2
Ou on peut (cid:19)egalement multiplier par une constante pour(cid:19)ecrire,
2H +O !2H O: (1.3)
2 2 2
Exemple :
H O
2
BaSO (s) (cid:0)! Ba2+ +SO (aq)2(cid:0): (1.4)
4 (aq) 4
L’indice \(s)" indique une solide. L’indice \(g)"indique un gaz. L’indice \(aq)" indique une mol(cid:19)ecule (un
ion ici) en(cid:19)etat aqueuse. La formule chimique de l’eau (H O) sur la (cid:13)eche indique que la r(cid:19)eaction se passe
2
dans l’eau comme solvent.
Symboliquement, on peut (cid:19)ecrire,
(cid:23) A+(cid:23) B!(cid:23) C+(cid:23) D: (1.5)
A B C D
Les num(cid:19)eros (cid:23) , (cid:23) , (cid:23) et (cid:23) sont les coe(cid:14)cients stoechiom(cid:19)etriques. Les mol(cid:19)ecules A et B sont les r(cid:19)eactifs (ou
A B C D
r(cid:19)eactants). Lesmol(cid:19)eculesCetDsontlesproduits. Il n’estpas normal d’(cid:19)ecrire l’(cid:19)equation avec des coe(cid:14)cients n(cid:19)egatifs,
(cid:23) A+(cid:23) B(cid:0)(cid:23) C(cid:0)(cid:23) D!0; (1.6)
A B C D
m^emesi mati(cid:18)ere etcharge sontconservies. A(cid:18) partcetteinterdiction,onpeut,enfait,combinerlesr(cid:19)eactionschimiques
beaucoupcommeoncombineles(cid:19)equationsmath(cid:19)ematiques. Lesprincipesdeconservationdemati(cid:18)ereetdeconservation
de charge sont toujours implicitement valides.
Exemple :
E(cid:19)tape 1
3
2Al + O ! Al O (1.7)
(s) 2 2(g) 2 3(s)
1
Fe + O ! FeO (1.8)
(s) 2 2(g) (s)
9
10CHAPTER1. GENERALITE(cid:19)S:ACIDO-BASICITE(cid:19),SOLUBILITE(cid:19),COMPLEXATION,OXYDO-RE(cid:19)DUCTION
E(cid:19)tape 2 : Eq. (1.8) ! -Eq. (1.8).
3
2Al + O ! Al O (1.9)
(s) 2 2(g) 2 3(s)
1
FeO ! Fe + O (1.10)
(s) (s) 2 2(g)
(1.11)
E(cid:19)tape 3 : Eq. (1.10) ! 3 Eq. (1.10).
3
2Al + O ! Al O (1.12)
(s) 2 2(g) 2 3(s)
3
3FeO ! 3Fe + O (1.13)
(s) (s) 2 2(g)
E(cid:19)tape 4 : Eq. (1.14) = Eq. (1.12) + Eq. (1.13).
3 3
3FeO +2Al + O !3Fe + O +Al O (1.14)
(s) (s) 2 2(g) (s) 2 2(g) 2 3(s)
E(cid:19)tape 5 : Simpli(cid:12)cation (annulation de 3O qui appara^(cid:16)tsur les deux co^t(cid:19)es).
2 2(g)
3FeO +2Al !3Fe +Al O : (1.15)
(s) (s) (s) 2 3(s)
Dans cette exemple, la r(cid:19)eaction se passent dans des conditions dites stoechiom(cid:19)etriques quand la ratio molaire de
FeOa(cid:18) Alest 3:2. Lar(cid:19)eactionestdite totale s’ilne resteplus der(cid:19)eactantsen (cid:12)n de r(cid:19)eaction. Parcontre, silar(cid:19)eaction
est totale mais pas stoechiom(cid:19)etriques, l’un ou l’autre des r(cid:19)eactants sera enti(cid:18)erement consum(cid:19)e. Il s’appele le r(cid:19)eactant
limitant. Les autres r(cid:19)eactantssont en exc(cid:18)es.
Exemple :
Soit la r(cid:19)eaction (1.15),
(cid:15) Al est le r(cid:19)eactant limitant quand 1 mole de Al est r(cid:19)eagiavec 3 moles de FeO. FeO est le r(cid:19)eactant en
exc(cid:18)es.
(cid:15) FeO est le r(cid:19)eactantlimitant quand2 moles de FeO est r(cid:19)eagiavec2 moles de Al. Le Al est le r(cid:19)eactant
en exc(cid:18)es.
1.1.2 R(cid:19)eactions (cid:19)equilibr(cid:19)ees
Les r(cid:19)eactions totales sont pluto^t rares. Normalement les r(cid:19)eactions avancent de plus en plus lentement jusqu’au
point ou(cid:18) il s’arr^ete malgr(cid:19)e la pr(cid:19)esence des r(cid:19)eactantsen (cid:12)n de r(cid:19)eaction. On dit que la r(cid:19)eaction est (cid:19)equilibr(cid:19)ee. En fait,
quelque chose devient constante a(cid:18) la (cid:12)n d’une r(cid:19)eaction. Il s’agit en fait, d’une ratio des puissances de concentrations.
Quand on fait dissoudre une solide dans une liquide pure pour faire une solution, la solide s’appele la solut(cid:19)e et la
liquidepures’appelelesolvant. Danslecasd’unesolutionaqueused’unsel,ilyadissociationetonfaitunedistinction
entre la concentration analytique d’un compos(cid:19)e et la concentration d’une esp(cid:18)ece en solution.
Exemple :
La sulfate de potassium dissocie completement dans l’eau,
H O
2
K SO (cid:0)! 2K +SO2(cid:0) : (1.16)
2 4(s) (aq) 4(aq)
K SO est la solut(cid:19)e et H O est le solvant. La concentration analytique de la solut(cid:19)e est
2 4 2
n
K SO
C = 2 4 ; (1.17)
K SO
2 4 V
en molar = mol.L(cid:0)1. En r(cid:19)ealit(cid:19)e l’esp(cid:18)ece K SO n’est pas pr(cid:19)esent en solution. Il est donc plus important
2 4
de parler des concentrations des esp(cid:18)eces r(cid:19)eels,
n
[K+] = K+ (1.18)
V
SO2(cid:0) = nSO24(cid:0) : (1.19)
4 V
(cid:2) (cid:3)