archéologie d'une science

Archéologie d’une science

CHIMIE 2de

Place dans les programmesLe programme de chimie en classe de 2de est constitué

de trois parties : «Chimique ou naturel?», «Constitution dela matière» et «Transformations de la matière». Les docu-ments et activités proposés s’intègrent dans les deuxième ettroisième parties de ce programme.

La deuxième partie («Constitution de la matière») permetde revoir l’évolution du modèle de l’atome abordée au collègeafin d’en connaître la constitution, la représentation symboliqueet le calcul de la masse ; d’acquérir la notion d’élément chi-mique, celle de sa conservation, et la notion d’isotopie; de savoirécrire la structure électronique d’un atome; de comprendre etacquérir les règles du duet et de l’octet pour établir les représen-tations de Lewis et de Cram des molécules ; de connaître ladémarche de Mendeleïev lors de la conception de sa classifi-cation périodique et de savoir utiliser ce tableau.

La troisième partie (« Transformations de la matière »)permet de mettre en place des outils de description macrosco-pique du système impliquant la définition de la mole; de déter-miner une masse molaire et une quantité de matière à partir de la masse d’un solide ou du volume d’un liquide ou d’un gaz ; de savoir écrire et équilibrer une équation chimique ;de connaître le matériel usuel en chimie et de savoir l’utiliserpour réaliser des dissolutions et dilutions ; d’utiliser la notiond’avancement pour construire un tableau descriptif de l’évolu-tion du système afin de dresser un bilan de matière ; de savoirsi les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiomé-triques et, le cas échéant, pouvoir déterminer le réactif limitant.

Objectifs et démarcheL’enseignement des sciences physiques en 2de a pour but

de mettre en forme, de compléter et d’approfondir les notionsde base étudiées au collège ; d’acquérir la méthode de la démarche scientifique ; d’utiliser le matériel usuel de chimie ;de donner une culture scientifique, et notamment d’appréhen-der la notion d’évolution de la science; d’acquérir les notionsfondamentales nécessaires qui seront approfondies en classede 1re et de Tle. L’objectif est de donner aux élèves le goûtdes sciences et d’éveiller leur curiosité scientifique.

L’enseignant s’appuiera donc, tout d’abord, sur leurs connais-sances en chimie issues de leur enseignement antérieur,des médias et de leur environnement quotidien. Puis, grâce à desactivités variées (extraits de livres, d’articles de journaux ou demagazines, vidéos, manipulations simples en classe, etc.), ainsique des séances de travaux pratiques, le cours sera l’aboutisse-ment d’une discussion impliquant les élèves.

Le DOC illustre l’histoire du modèle de l’atome, qui aévolué au cours des siècles. L’Activité , quant à elle, pro-pose une séance de travaux pratiques qui consiste à avoir une approche expérimentale de la notion d’élément chimique etde sa conservation. Elle permettra donc de savoir reconnaîtreet nommer le matériel utilisé, de mettre enœuvre un protocolesimple, de schématiser une expérience, de consigner les obser-vations et d’en tirer des conclusions, d’acquérir la notion deconservation de l’élément chimique.

Le DOC aborde l’histoire de la classification pério-dique des éléments chimiques. Quant à l’Activité (p. 37),elle propose une séance de travaux pratiques illustrant expéri-mentalement la notion de famille chimique ; elle sera donc pro-grammée après le cours. Elle permettra notamment de savoirréaliser des expériences simples, de revoir les représentationsde Lewis des molécules, d’utiliser la classification périodiqueafin de prévoir la charge des ions monoatomiques, d’écrire etd’équilibrer des équations chimiques, d’acquérir la notion defamille chimique.

Le DOC offre la possibilité de vérifier l’acquisition des notionsabordées dans la troisième partie du programme en utilisantcomme support une activité sur quelques expériences réaliséespar Lavoisier et une activité expérimentale complémentaire(Activité , p. 37). Ces activités ont pour objectif d’évaluer lesacquis en ce qui concerne l’écriture d’une équation chimiqueéquilibrée, l’avancement de la réaction, le réactif limitant, le tableaudescriptif de l’évolution du système et le bilan de matière.

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l BAUDET Jean. À la découverte des éléments de la matière. Paris :Vuibert, 2009.l BENSAUDE-VINCENT Bernadette, KOUNELIS Catherine. LesAtomes : une anthologie historique. Paris : Ellipses, 1994.l LAFONT Olivier. D’Aristote à Lavoisier : les étapes de la naissanced’une science. Paris : Ellipses, 1994.l «Lavoisier», in Les Cahiers de Science & Vie, hors série no 14,1er avril 1993.

SAVOIR

> PAR CHRISTINE BOUILLET, PROFESSEURE DE PHYSIQUE-CHIMIE

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La représentation de l’atome au cours des sièclesl Christine Bouillet pour TDC, 2009.

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Hydrogène

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l Joseph John Thomson (1856-1940) mit en évidence la présence dans l’atome de particules chargées négativement (les électrons).

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l Tableau de 1925. La classification de Mendeleïev fut complétée au fur et à mesure des découvertes.

La classification périodique des éléments chimiquesl Dmitri Mendeleïev (1834-1907) et sa classification périodique des éléments chimiques, élaborée en 1869.

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Les expériences de Lavoisierl Le verre ardent de l’Académie des sciences, à Paris, réalisé sous la direction de Lavoisier. Gravure tirée du livred’Amédée Guillemin, Les Applications de la physique, 1874.

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En mars 1775, Lavoisier réalise sa fameuse expérience des 12 jours et des 12 nuits sur l’oxyde rouge de mercure :« J’ai renfermé dans un appareil convenable 50 pouces cubiques (0,8 L) d’air ; j’ai introduit dans cet appareil 4 onces(122,3 g) de mercure très pur, et j’ai procédé à la calcination (chauffage) de ce dernier, en l’entretenant 12 jours. » Il obtient 2,38 g d’oxyde de mercure et le volume d’air a diminué de 0,14 L. Le gaz restant n’entretient pas lacombustion et ne permet pas la respiration des animaux ; il s’agit donc de diazote. Puis il calcine les 2,38 g d’oxyde de mercure obtenu (de formule chimique HgO) et il récupère 2,19 g de mercure et 0,14 L de gaz qui entretient la combustion. Il s’agit donc de dioxygène.

l L’oxydation du mercure (première ligne) et la réduction de l’oxyde de mercure (deuxième ligne).

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122,3 gde mercure 0,8 l d’air

2,38 g d’oxyde de mercure+ mercure

2,38 g d’oxyde de mercure 2,19 gde mercure 0,8 l d’air


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Qu’est-ce qu’un atome ?La séance proposée ici permet d’étudier l’évolution de

la conception de l’atome au cours des siècles. Des travauxpratiques pourront être organisés ensuite comme décritsdans l’Activité (p. 36) pour introduire la notion d’élémentchimique, ainsi que sa conservation. Ce travail sera doncréalisé avec les élèves au début de la deuxième partie dechimie, en 2de : «Constitution de la matière.»

Au Ve siècle av. J.-C., les philosophes grecs énoncent une théorie selon laquelle tout objet de la nature est unecombinaison des quatre éléments : air, feu, eau et terre (figure 1). Au IVe siècle av. J.-C., Démocrite la remet en causeen donnant forme à la notion d’atome. D’après lui, la matièrepeut être divisée jusqu’à l’obtention de particules insécables:les atomes. Ceux-ci peuvent être ronds ou crochus, lissesou rugueux (figure 2), et ils s’associent afin de former lesobjets qui nous entourent. Ce concept est abandonné pendant plusieurs siècles au profit de la théorie des quatreéléments, jusqu’à ce qu’il soit repris par John Dalton. Celui-ci postule qu’il existe plusieurs types d’atomes et en propose,en 1808, la première liste de symboles (figure 3). À la fin duXIXe siècle, Joseph John Thomson met en évidence la pré-sence dans l’atome de particules chargées négativement (les électrons) grâce aux expériences réalisées par WilliamCrookes. Le modèle de Thomson consiste à représenter l’atome par une sphère pleine et positive, parsemée de par-ticules chargées négativement (figure 4).

En 1911, Ernest Rutherford, à la suite de ses travaux (il bombarde une feuille d’or très fine avec des particules émises par un corps radioactif), imagine un modèle de l’atome formé d’un noyau dense et positif autour duquelgravitent des électrons à de grandes distances: l’atome estessentiellement constitué de vide, sa structure est lacu-naire (figure 5). Ce modèle ne permettant pas d’expliquertoutes les propriétés des atomes, Niels Bohr, en 1913, pro-pose une amélioration en introduisant la notion de niveauxd’énergie (figure 6). Les électrons se déplacent autour dunoyau sur des « orbites » de rayon déterminé (couchesélectroniques comprenant un nombre limité d’électrons),mais, sous l’effet d’une excitation extérieure (apport d’énergie), la distance noyau-électron peut augmenter, enadoptant des valeurs bien définies. Ce modèle convientparfaitement à l’atome d’hydrogène, mais comporte desinsuffisances pour les autres atomes. En effet, les électronssont constamment en mouvement autour du noyau; ils sedéplacent à grande vitesse et de façon désordonnée. Les travaux de Louis de Broglie, Erwin Schrödinger et WernerHeisenberg ont permis d’établir le modèle actuel : il n’estpas possible de définir la trajectoire d’un électron, mais uni-quement sa probabilité de présence ; le noyau est chargépositivement et il est entouré d’un nuage électroniquecontenant les électrons, représenté par des points de den-sité d’autant plus grande que la présence des électrons estprobable (figure 7). Enfin, le neutron (électriquement neutre

et de masse proche de celle du proton) a été découvert en1932 par James Chadwick (figure 8).

Les atomes sont donc constitués d’un noyau contenantles protons et les neutrons (l’ensemble s’appelle « lesnucléons») autour duquel gravitent les électrons chargésnégativement. Chaque proton porte une charge + e (chargeélémentaire) et chaque électron porte une charge – e; il y adonc autant de protons que d’électrons dans un atome, caril est électriquement neutre. Le noyau de l’atome est définipar son nombre de protons, appelé «numéro atomique Z»et l’atome de symbole chimique X est représenté par:A X, A étant son nombre de nucléons.Z

Les stratégies de classificationCette séance permet d’apprendre à utiliser la classifi-

cation périodique des éléments chimiques. À la suite de cecours, une séance de travaux pratiques sera organisée (voir Activité , p. 36) afin d’illustrer la notion de famille d’éléments chimiques. Ce travail sera donc réalisé avec les élèves à la fin de la deuxième partie de chimie, en 2de :«Constitution de la matière».

Dmitri Ivanovitch Mendeleïev est né en 1834 à Tobolsk,en Sibérie. Il fut nommé professeur de chimie générale à l’université de Saint-Pétersbourg en 1866. En 1869, il publiala première version de ce qui deviendra le tableau pério-dique, et en 1871, il en publia une version améliorée, laissantdes cases vides pour des éléments encore inconnus. Son travail fut d’autant plus reconnu que l’on découvrit suc-cessivement trois éléments dont il avait envisagé l’exis-tence: gallium, germanium et scandium. Les recherches deMendeleïev portèrent également sur les solutions, la dilata-tion thermique des liquides et la nature du pétrole. En 1893,il devint directeur du Bureau des poids et mesures de Saint-Pétersbourg et occupa ce poste jusqu’à sa mort en 1907.

La classification périodique est l’aboutissement de nom-breuses recherches et avancées, qui furent regroupéessous une forme graphique simple. En 1817, le chimiste allemand Johann Döbereiner remarqua que beaucoup d’éléments pouvaient être rangés, selon leur similarité, engroupes de trois: les triades (exemple: chlore, brome, iode).Il montra également que, dans une triade, la masse ato-mique de l’élément central est proche de la moyenne decelles du premier et du troisième éléments. Cela encou-ragea les chimistes à chercher des corrélations entre lespropriétés chimiques des éléments et leur masse atomique.Durant les années 1860, plusieurs autres chercheurs mirentau point leurs propres versions d’un tableau périodique.Le 17 février 1869, Mendeleïev termina son tableau pério-dique : les 63 éléments connus étaient disposés dans uneclassification par masse atomique croissante, ce qui faisait apparaître une périodicité de leurs propriétés chi-miques. Cela lui permit de prévoir la présence d’éléments

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chimiques encore inconnus à l’époque, car certaines casesétaient vides. Les éléments possédant un comportementchimique apparenté se trouvaient alors sur une mêmeligne. Bien que de nombreux scientifiques aient contribuéà la création de la classification périodique, Mendeleïev l’éleva au rang de loi et passa le reste de sa vie à étudierses implications et à défendre sa validité.

En 1894, William Ramsay et Lord Rayleigh découvrirentl’argon, puis l’hélium, le néon, le krypton et le xénon. Quelquesannées plus tard (en 1900) fut découvert le radon. Ces élé-ments sont ce qu’on appelle des gaz rares, ou gaz nobles,qui sont inertes à température ambiante; personne n’avaitprédit leur existence jusqu’alors. Ce fut à l’origine d’unegrave remise en cause du tableau périodique. Les chi-mistes et les physiciens mirent six ans à leur trouver uneplace. En 1913, le théoricien hollandais Anton van den Broekmontra que le classement reposait sur la charge nucléairede chaque atome et les chimistes rangèrent les élémentspar numéro atomique croissant dans le tableau périodique,qui est la version que nous connaissons actuellement.

Même si les découvertes du début du XXe siècle ontsemblé menacer la classification périodique de Mendeleïev,les scientifiques ont toujours conservé sa structure en yincorporant les nouveaux résultats. Le tableau de Mendeleïevest remarquable par son ancienneté et sa modernité: il syn-thétise une quantité importante de connaissances et, sansla périodicité exprimée par cette classification, les chi-mistes devraient apprendre les propriétés de chacun deséléments. Grâce à cette classification, ils peuvent détermi-ner les propriétés de n’importe quel élément en cherchantla famille (c’est-à-dire la colonne dans le tableau périodiqueactuel) à laquelle il appartient.

Lavoisier et la révolution chimiqueCette séance permet de revoir et d’appliquer les notions

fondamentales de chimie. Après l’étude de ce document,une séance de travaux pratiques (Activité , p. 31) seraorganisée afin d’effectuer un bilan sur les acquis. Ce documentsera donc étudié à la fin de la troisième partie de chimie, en2de : « Transformations de la matière. »

On retracera tout d’abord la vie du chimiste français.Antoine-Laurent de Lavoisier est né à Paris le 26 août 1743.Il appartient à une famille aisée d’avocats et s’oriente d’abord vers le droit (il est avocat au Parlement en 1764) et,

très vite, il se sent attiré par les sciences : d’abord la bota-nique, puis la chimie où il se spécialise dans l’analyse. En1768, il siège à l’Académie royale des sciences.

Sa méthode de travail est fondée sur le fait que touteréaction chimique est représentée par une équation. Cetteégalité est de nature quantitative, et le principe de conser-vation de la matière est une loi mathématique ; en chimie,elle se vérifie par l’usage de la balance. Enfin, la validitéd’une analyse chimique doit être confirmée par l’étude de la transformation dans le sens indirect. Ces principesvont définir entièrement sa démarche scientifique : toutpeut se mesurer, donc se calculer et, dans un bilan, le total des sorties doit toujours être égal à celui des entrées.

L’expression « rien ne se perd, rien ne se crée, tout setransforme » est souvent attribuée à Lavoisier, mais, en réalité, on trouve déjà cette idée dans l’Antiquité.Cepen-dant, si Lavoisier est considéré comme le fondateur de lachimie moderne, c’est qu’il lui a donné une dimensionquantitative, car il a associé à ses observations expéri-mentales des mesures de masses à partir desquelles il a pu discerner ce que nous appelons aujourd’hui des mélanges et des corps composés.

Exploitation• Pour l’oxydation du mercure, les élèves décriront

le système dans son état initial et son état final afin de pou-voir écrire et équilibrer l’équation de la réaction : 2 Hg + O2 Ý 2 HgO.

• Pour la réduction de m = 2,38 g d’oxyde de mercure,les élèves dresseront un tableau d’avancement après avoirdécrit le système dans son état initial et son état final, puisécrit l’équation de cette réaction : 2 HgO Ý 2 Hg + O2 (voirle tableau ci-dessous).

Calcul de la masse de mercure et de dioxygène formés :

nEF . MHg + n

E . M O2 = 0,0110 x 201 + 0,00550 x 32 Hg O2

= 2,21 + 0,176 = 2,39 g, ce qui permet de vérifier la loi deLavoisier à moins de 1 % près, puisque, initialement, il yavait 2,38 g d’oxyde de mercure.

On pourra également faire vérifier la conclusion deLavoisier en ce qui concerne la composition de l’air : « Les4/5 de l’air que nous respirons sont dans l’état de mofette,c’est-à-dire incapables d’entretenir la respiration des ani-maux ; 1/5 seulement du volume d’air de l’atmosphère estrespirable. » Le volume d’air total est de 0,8 L et, au coursde ces deux expériences, il a été consommé et restitué0,14 L de dioxygène, ce qui représente environ 1/5 duvolume d’air total, le reste (4/5 de l’air) est du diazote.

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Équation chimique Avancement (mol) 2 HgO Ý 2 Hg + O2

Quantité de matière 0 m/MHgO = 2,38 / 0 0initiale (mol) 217 = 0,0110

Quantité de matière x 0,0110 – 2 x 2 x xen cours de réaction

(mol)

Quantité de matière xmax = 0,00550 0,0110 – 2 . xmax = 0 2 . 0,00550 = 0,0110 0,00550en fin de réaction


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Le cuivre sous toutes ses formes l doc a. Réaction entre la solution aqueuse d’acide nitrique et l’élément cuivre

– Protocole expérimental l Introduisez un morceau de tournure de cuivre et quelques millilitres de solution d’acidenitrique dans un erlenmeyer que vous placerez sous une hotte.– Exploitation de la manipulation l Décrivez l’état physique du cuivre. l Quelle est sa formule chimique ? l Schématisez l’expérience et les observations. l Concluez.– Remarque l Pour l’expérience suivante, utilisez une solution contenant les mêmes ions : une solution de sulfatede cuivre II.

b. Réaction entre la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium et l’ion cuivre II

– Protocole expérimental l Introduisez quelques millilitres de solution de sulfate de cuivre II dans un tube à essai. l

Ajoutez-y quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO-

(aq)). l Agitez-le.– Exploitation de la manipulation l Notez les observations. l Écrivez l’équation chimique de cette réaction.l Concluez.

c. Déshydratation de l’hydroxyde de cuivre II

– Protocole expérimental l Le tube obtenu dans l’expérience précédente sera placé dans un bain-marie pour êtrechauffé.– Exploitation de la manipulation l Notez les observations. l Définissez le mot « déshydratation ». l Déduisez de cemot le nom et la formule chimique du produit obtenu. l Écrivez l’équation chimique de cette réaction. l Concluez.

d. Réaction entre l’oxyde de cuivre II et le carbone

– Protocole expérimental l Réalisez la manipulation schématisée ci-dessous. l Après avoir laissé le tube à essairefroidir, renversez son contenu dans une soucoupe.

– Exploitation de la manipulation l Notez les observations. l Quels sont les produits formés lors de la réaction ? lÉcrivez l’équation chimique de cette réaction. l Concluez.

e. Tableau récapitulatif sur l’élément cuivre

– Complétez :

– Comme le disait Lavoisier : «............................................................................................................................................................................................».

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Mélanged’oxyde de cuivre

et de carboneEau de chaux

Cu (s)

Cu 2+(aq)

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Un air de famille… l doc a. Présentation des éléments halogènes et des corps simples associés

Les quatre premiers éléments de la famille des halogènes sont : fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), iode (I). l Commentces éléments sont-ils placés dans la classification périodique ? l Les numéros atomiques du fluor et du chlore sont,respectivement, Z = 9 et Z = 17 : établissez la structure électronique des atomes de fluor et de chlore. l Déduisez de cette structure la formule chimique des ions fluorure et des ions chlorure. l Déterminez le nombre de liaisonscovalentes que ces atomes peuvent engager. l Déduisez de ces liaisons les schémas des représentations de Lewisdes molécules de difluor (F2) et de dichlore (Cl2). l Observez les flacons contenant le dichlore, le dibrome et le diiode.Consignez leur état physique et leur couleur.

b. Action d’une solution de nitrate d’argent

– Protocole expérimental l Préparez trois tubes contenant respectivement environ 2 mL de solution de chlorure de potassium, 2 mL de solution d’iodure de potassium et 2 mL de solution de bromure de potassium. Ajoutez àchacun de ces tubes quelques gouttes de solution de nitrate d’argent.– Exploitation de la manipulation l Qu’observez-vous pour chaque expérience ? • Donnez les équations quicorrespondent à ces trois réactions chimiques. l Quelles sont les analogies et les différences entre ces trois ions ?

c. Action d’une solution de nitrate de plomb

– Protocole expérimental l Préparez trois tubes contenant respectivement environ 2 mL de solution de chlorure de potassium, de solution d’iodure de potassium et de solution de bromure de potassium. Ajoutez à chacun de cestubes quelques gouttes de solution de nitrate de plomb II.– Exploitation de la manipulation l Qu’observez-vous pour chaque expérience ? • Donnez les équations quicorrespondent à ces trois réactions chimiques. l Quelles sont les analogies et les différences entre ces trois ions ?– Conclusion l Pourquoi dit-on que les éléments d’une colonne de la classification périodique forment une famille ?

Suivi d’une transformation chimique l doc a. Données l Un vinaigre à 8° signifie que dans 100 mL de vinaigre il y a 8 g d’acide éthanoïque (on notera sa for-mule chimique sous la forme simplifiée HA(aq)).

L’acide éthanoïque contenu dans le vinaigre réagit avec l’hydrogénocarbonate de sodium selon l’équation deréaction : NaHCO3(s) + HA(aq) Ý CO2(g) + Na+

(aq) + A-(aq) + H2O(l).

Masse molaire de l’acide éthanoïque : 60 g . mol-1.Masse molaire de l’hydrogénocarbonate de sodium : 84 g . mol-1.

Volume d’une sphère de rayon R : V = 4

x π x R3.3

Volume molaire dans les conditions de température et de pression de l’expérience : VM = ..............................................

b. Protocole expérimental l Pesez avec précision m = 5 g d’hydrogénocarbonate de sodium dans un sabot depesée, puis introduisez la solution dans un ballon de baudruche. l Mesurez V = 60 mL de vinaigre à l’aide d’uneéprouvette graduée et versez-le dans la bouteille de 50 cL mise à votre disposition. l Adaptez le ballon sur la bou-teille le plus hermétiquement possible, puis faites tomber la totalité de l’hydrogénocarbonate de sodium en le relevant. l Attendez la fin de la transformation, puis mesurez le diamètre du ballon. l L’hydrogénocarbonate de sodium a-t-il entièrement disparu ? Reste-t-il de l’acide éthanoïque en fin d’expérience ? Déduisez de votre obs-ervation la nature du réactif limitant.

c. Exploitation de la manipulation l Calculez la quantité de matière en hydrogénocarbonate de sodium introduitdans l’état initial. l Quelle masse d’acide éthanoïque était contenue dans votre prélèvement de vinaigre ? Déduisez laquantité de matière correspondante. l Utilisez un tableau d’avancement pour prévoir la quantité de matière en dioxydede carbone qui doit théoriquement se former dans l’état final. l Calculez le volume de dioxyde de carbone qui s’estformé expérimentalement en utilisant le rayon du ballon. l Déduisez de ce volume la quantité de matière en dioxyde de carbone qui se forme expérimentalement dans l’état final. l Comparez les valeurs théorique et expérimentale.

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