1 · Principles of chemistry

Tout ce cours est écrit dans une seule langue : particules, formules et équations. La section 1 l'enseigne — comment les particules s'organisent dans les solides, liquides et gaz ; comment les atomes sont construits et alignés dans le Tableau Périodique ; comment transformer une phrase décrivant une réaction en une équation équilibrée et un calcul de masse ; et comment les trois types de liaisons confèrent à chaque substance ses propriétés.

Edexcel International GCSE Chimie 4CH1, Section 1 (énoncés 1.1–1.60C) constitue la plus grande section et sert de fondement aux trois autres. Les énoncés suffixés « C » correspondent à l'extension des sciences séparées (Chimie uniquement).

Solide : les particules vibrent autour de positions fixes selon un motif régulier. Liquide : les particules se touchent mais glissent les unes sur les autres au hasard. Gaz : particules éloignées, rapides, aléatoires. Interconversions : fusion / solidification, ébullition / condensation, évaporation (surface seulement, sous ébullition), sublimation (solide → gaz directement). L'énergie est absorbée pour séparer les particules et libérée lorsqu'elles se lient à nouveau.

Un solvant dissout le soluté pour former une solution ; une solution saturée contient tout le soluté possible à cette température. (C) La solubilité est la masse dissoute par 100 g de solvant à une température donnée, lue sur une courbe de solubilité — les points sur la ligne sont saturés ; en dessous, non saturée.

La dilution de solutions colorées et la diffusion gazeuse (le brome se répandant dans l'air) montrent toutes deux les particules se déplaçant d'un endroit où elles sont nombreuses vers un endroit où elles sont rares.

Un élément contient un seul type d'atome ; un composé contient différents atomes chimiquement liés ; un mélange n'est pas chimiquement lié. Une substance pure a un point de fusion/ébullition net ; les mélanges fondent et bouillent sur une plage de températures — c'est le test de pureté.

Techniques de séparation, adaptées à chaque usage : filtration (solide insoluble depuis un liquide) ; cristallisation (évaporer une solution pour laisser des cristaux) ; distillation simple (liquide depuis un solide dissous — évaporer puis condenser) ; distillation fractionnée (liquides aux points d'ébullition proches, en utilisant une colonne de fractionnement) ; chromatographie sur papier (solutés qui se dissolvent différemment dans un solvant).

Rf = distance parcourue par la tache ÷ distance parcourue par le solvant. La même substance a toujours la même valeur Rf dans le même solvant — la comparaison avec des valeurs connues identifie les composants du mélange.

Numéro atomique = protons ; numéro de masse = protons + neutrons. Les isotopes ont le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons. La masse atomique relative ($A_r$) est la moyenne pondérée sur les isotopes.

Vérification corrigée. Chlore : 75 % Cl-35, 25 % Cl-37 → $A_r = (75 \times 35 + 25 \times 37)/100 = 35.5$.

Le Tableau Périodique classe les éléments par numéro atomique en groupes (colonnes, mêmes électrons de valence) et en périodes (lignes). Les premières 20 configurations électroniques suivent 2,8,8,2 couches (ex. sodium 2.8.1). Les métaux sont situés à gauche/centre : leurs oxydes sont basiques et ils conduisent ; les oxydes de non-métaux sont acides. Les membres d'un groupe se comportent de manière similaire car ils ont le même nombre d'électrons de valence ; les gaz nobles du Groupe 0 ont des couches externes pleines et ne réagissent pas facilement.

Équilibrer les équations avec des symboles d'état : (s), (l), (g), (aq). $M_r$ additionne les valeurs $A_r$. La mole est la quantité de matière : $n = m/M_r$ (masse en grammes).

Exemple résolu (masses réactives). Quelle masse d'oxyde de magnésium se forme à partir de 6.0 g de magnésium ? $2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO}$ : $n(\mathrm{Mg}) = 6.0/24 = 0.25$ mol → $n(\mathrm{MgO}) = 0.25$ mol → masse $= 0.25 \times 40 = 10$ g.

Rendement en pourcentage $=$ réel ÷ théorique × 100 %. La formule empirique est le rapport entier le plus simple (diviser chaque masse par sa $A_r$, mettre à l'échelle pour obtenir des entiers) ; la formule moléculaire est le comptage réel ($M_r$ ÷ masse empirique donne le multiplicateur).

Vérification corrigée. Un hydrocarbure contient 85.7 % C, 14.3 % H : C 85.7/12 = 7.14, H 14.3/1 = 14.3 → rapport 1:2 → formule empirique CH₂. Avec $M_r = 56$ : 56/14 = 4 → formule moléculaire C₄H₈.

(C) Solutions : $n = c \times V$ avec $c$ en mol/dm³ et $V$ en dm³ (cm³ ÷ 1000). Gaz : volume molaire 24 dm³ à rtp, donc $n = V/24$. (C-pratique) La formule d'un oxyde métallique provient de la combustion (peser le magnésium, brûler, peser l'oxyde) ou de la réduction (peser l'oxyde de cuivre(II), réduire à l'hydrogène, peser le cuivre).

Liaison ionique : les métaux cèdent des électrons aux non-métaux ; les ions chargés s'attirent électrostatiquement dans un réseau géant — les schémas point et croix illustrent le transfert (Groupes 1–3 avec 5–7). Points de fusion élevés (fortes attractions) ; conductrice uniquement à l'état fondu ou dissous (ions libres de se déplacer). Mémoriser les charges : Groupes 1/2/3 → 1+/2+/3+ ; Groupes 5/6/7 → 3−/2−/1− ; Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ ; OH⁻, NH₄⁺, CO₃²⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻. Les formules équilibrent les charges : nitrate de calcium Ca(NO₃)₂, sulfate d'ammonium (NH₄)₂SO₄.

Liaison covalente : paires d'électrons partagées (point et croix pour H₂, O₂, N₂, halogènes, HCl, H₂O, NH₃, CO₂ et petites molécules organiques). Les substances moléculaires simples ont de faibles forces intermoléculaires — points de fusion bas, augmentant avec $M_r$ ; elles ne conduisent pas le courant (pas d'ions, pas d'électrons libres). Réseaux covalents géants : diamant (chaque C lié à 4 — très dur, isolant), graphite (3 liaisons + un électron libre par C, couches avec forces faibles — mou, conducteur, glissant), C₆₀ fullerène (cage moléculaire simple).

(C) Métallique : réseau d'ions positifs dans une mer d'électrons délocalisés — attraction électrostatique ; les électrons libres assurent la conduction électrique, et les couches glissent (malléable).

Électrolyse utilise l'électricité pour décomposer des composés ioniques fondus ou dissous : la cathode (négative) attire les cations ; l'anode (positive) attire les anions. Le PbBr₂ fondu donne du Pb à la cathode (Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb) et du Br₂ à l'anode (2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻). En solution aqueuse, l'hydrogène se forme à la cathode si le métal est plus réactif que l'hydrogène ; à l'anode, les ions halogénures produisent le halogène, sinon l'oxygène (4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻). La perte d'électrons est l'oxydation, le gain est la réduction.

1. Décrire l'agencement et le mouvement des particules dans un liquide.
2. Définir une solution saturée et indiquer les unités de solubilité.
3. Quelle technique sépare deux liquides miscibles aux points d'ébullition proches ?
4. Un isotope possède 17 protons et 20 neutrons. Donner son nombre de masse et les nombres de chaque particule.
5. Calculer $A_r$ d'un élément ayant 80 % de masse 20 et 20 % de masse 22.
6. Équilibrer avec les symboles d'état : magnésium + oxygène → oxyde de magnésium.
7. 8.4 g de l'oxyde de calcium se forment à partir de 6.0 g de calcium. Montrer la formule empirique de l'oxyde.
8. Écrire la formule du carbonate d'ammonium.
9. Expliquer pourquoi le graphite conduit mais pas le diamant.
10. (C) Que se forme-t-il à chaque électrode lors de l'électrolyse du chlorure de potassium fondu ?

Réponses : 1 les particules se touchent mais sont désordonnées, se déplaçant aléatoirement les unes par rapport aux autres ; 2 une solution contenant la masse maximale de soluté dissous à cette température ; g par 100 g de solvant ; 3 distillation fractionnée ; 4 nombre de masse 37 ; 17 protons, 20 neutrons, 17 électrons ; 5 $(80 \times 20 + 20 \times 22)/100 = 20.4$ ; 6 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s) ; 7 Ca 6.0/40 = 0.15 mol ; masse d'O 8.4 − 6.0 = 2.4 g → 2.4/16 = 0.15 mol ; rapport 1:1 → formule empirique CaO ; 8 (NH₄)₂CO₃ ; 9 le graphite utilise trois liaisons par carbone, laissant un électron délocalisé par carbone libre de se déplacer entre les couches — le diamant utilise ses quatre liaisons dans des liaisons fixes ; 10 (C) potassium à la cathode (K⁺ + e⁻ → K) et chlore à l'anode (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻).