Chimie 1

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ELP11
INTRODUCTION
I.
La chimie dans les sciences
Qu’est-ce que la chimie ?
Pourquoi étudier la chimie ?
La chimie de demain à travers quelques exemples

II.
Principes fondamentaux pour étudier la chimie
1.
1
Co
C r
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2.
Les états physiques de la matière
3.
L’unité de quantité de matière
4.
Lois de conservation
5.
Interactions fondamentales
2
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I. La chimie dans les sciences
Qu’est ce que la chimie ?
Les sciences naturelles
La chimie constitue l’un des quatre piliers des
sciences naturelles et intervient dans des disciplines
d’interface
(biochimie, géochimie, physicochimie).
C’est une science expérimentale qui s’appuie sur
une démarche classique (observations, hypothèses,
expériences, conclusions pouvant conduire à des lois
constantes, théories ou modèles).
C’est une science quantitative depuis les travaux de
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3
après avoir été une science descriptive.
L’étude de la chimie distingue des divisions (chimie
théorique, chimie minérale, chimie organique, chimie
analytique…). Chacune de ces divisions regroupent
des compétences spécialisées (du technicien au
chercheur) mais qui s’associent très souvent dans les
domaines d’application (chimie de l’environnement,
chimie du pétrole, chimie des biomolécules, chimie
des matériaux…).
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Pourquoi étudier la chimie ?
La chimie s’intéresse à la matière, à ses propriétés et à ses transformations. Elle se consacre à des
niveaux bien précis de l’organisation de la matière.
Organismes
Matière
Cellules
vivante
Macromolécules
Ions, cristaux et molécules
CHIMIE
Atomes
Matière
in
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é
Noyaux
Particules
En sciences du vivant, la chimie contribue aussi bien à l’étude des processus biologiques au
niveau moléculaire qu’à la conception d’outils diagnostiques ou thérapeutiques ; la molécule se
rattache dans ce cas à une fonction biologique (interaction dans un environnement « vivant »).
En sciences des matériaux, la chimie contribue à la conception de composés complexes dont les
qualités permettent de répondre à un cahier des charges pour des applications précises ; on
s’intéresse ici aux propriétés électroniques, physicochimiques… des molécules.
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La chimie de demain à travers quelques exemples
En sciences du vivant, la compréhension des mécanismes de la vie au niveau moléculaire
constitue un enjeu majeur pour répondre à des défis dans des grands domaines (santé,
agroalimentaire, environnement…)
Ex. L’analyse du génome humain
Cette activité croissante conduira à identifier des nouvelles fonctions (catalyse, régulation,
transport…), de valider des nouveaux schémas permettant d’interpréter les processus biologiques,
de déterminer le rôle des molécules (médiateurs…). Elle s’appuie sur des techniques en constante
évolution de la biologie moléculaire, de la bioinformatique… Les résultats conduiront à identifier
des nouvelles cibles thérapeutiques, à concevoir des nouveaux agents thérapeutiques, des
nouvelles méthodes d’exploration fonctionnelle et non invasive (imagerie)…
Macromolécules
- Peptides et protéines (enzymes, collagène,…)
- Polysaccharides (cellulose, glycogène,…)
- Lipides (membrane,…)
Molécules simples
- Acides nucléiques (ADN, ARN,…)
FONCTIONS
- Acides aminés (sérine,…)
- Glucides (glucose,…)
BIOLOGIQUES
- Acides gras (acide linoléique,…)
- Nucléotides (cytosine,…)
Intermédiaires métaboliques
(Glucose-6-phosphate,…)
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La fonction biologique d’une molécule est liée à sa structure qui lui confère ses propriétés chimiques
; toute modification de structure peut modifier cette fonction.
Ex. Hémoglobine
Sa structure dite globulaire permet l’insertion d’ions Fe2+ et de molécules de dioxygène (O ) dans
2
des sites particuliers et leur « rétention » par des interactions avec des groupements bien précis de
ce site.
Ex. Le corps humain
Les processus vitaux reposent sur de nombreuses réactions chimiques (transformation) ou
interactions intermoléculaires (reconnaissance) qui font intervenir des composés de complexité
croissante et de structures bien définies (composés organiques, complexes, couples acides-bases
ou redox, macromolécules…) pour produire, réguler, restaurer… Ces processus se déroulent dans
des conditions thermodynamiques et cinétiques bien précises.
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La chimie de demain à travers quelques exemples
La chimie verte (ou durable) s’intéresse à « l'ensemble des principes et des techniques visant à
réduire ou éliminer l'usage ou la formation de substances dangereuses, et/ou toxiques dans la
conception, la production et l'utilisation de produits chimiques ».
Cette définition distingue trois
niveaux pour lesquels des marges de progrès sont attendues.
Conception
Echelle du laboratoire : économie d’atomes
et d’étapes
par des nouvelles stratégies
(voies)
et
méthodologies
de
synthèse
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Production
Echelle industrielle : solvants, réactifs et
déchets peu toxiques ; procédés à faible
coût énergétique ; conditionnement et
transport…
Utilisation
Source : http://www.biojest.fr/images/chimieverte.gif
Echelle humaine et environnementale : profil toxicologique amélioré, impact écologique faible…
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La chimie de demain à travers quelques exemples
En sciences des matériaux, les molécules sont étudiées à des échelles de plus en plus petites
(moléculaire, nanoscopique…) pour élucider la structure très fine qui rendent compte des propriétés
optiques, électroniques ou magnétiques. La place du chimiste est multiple dans les nanosciences
(chimie de synthèse, chimie théorique…).
Ex. Biopuces d’ADN
La biopuce est une surface plane (1
cm²) et poreuse (micropuits) élaboré
à partir de divers matériaux (verre,
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La chimie de demain à travers quelques exemples
Les sciences des matériaux consacrent aussi une activité importante à la conception de matériaux
de plus en plus adaptés aux contraintes d’une application donnée.
Ex. Biomatériaux
Ils sont définis comme des matériaux non
vivants mais compatibles avec un système
biologique (prothèses de l’appareil locomoteur,
du système cardiovasculaire, implants intra-
oculaires…). Dans ce domaine, les polymères
biodégradables ont contribué à la mise au
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Ex. le Kevlar
C’est une fibre synthétique avec des propriétés
mécaniques remarquables liées à sa structure,
qui est utilisée dans diverses applications
(renforcement de pneumatiques, protection
renforcée et plus légère dans les gilets pare-
balles, revêtement des ailes d’avion…).
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II. Principes fondamentaux pour étudier la chimie
1. Mélanges et corps purs
Un mélange peut être homogène (une seule phase) ou hétérogène (plusieurs phases) mais sa
caractérisation dépendra de l’échelle d’observation (ex. le lait).
Mélange homogène
Mélange hétérogène
Huile
Deux phases
Eau
(a)
(b)
Eau pure-sirop
Huile-eau pure
L’analyse chimique immédiate permet de fractionner un mélange en corps purs qui peuvent
être caractérisés des constantes physicochimiques bien définies.
Corps pur
Constantes physiques
Eau
Température de fusion : 0°C
Température d'ébullition : 100°C
Masse volumique : 1000 Kg/m3
...
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2. Les états physiques de la matière
On distingue trois états fondamentaux de la matière (solide, liquide et gaz) et un corps peut
subir des changements d’état sous l’influence de la pression et/ou de la température.
Etat condensé et désordonné,
Matière non déformable

Etat liquide
Liquéfaction
Fusion
Solidification
Vaporisati
Fu
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Etat co

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Etat d
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Matière déformable
Matière expansible
Condensation
Etat gazeux
Etat solide
Sublimation
Masse volumique
Corps purs
Etat physique
r (kg/m3) à 20°C
Fer
Solide
7860
Or
Solide
19300
Eau
Liquide
917
Air
Gaz
1,204
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3. L’unité de quantité de matière
La mole (symbole mol) est l’unité de quantité de matière utilisée par le chimiste pour décrire
les aspects quantitatifs des réactions chimiques. Par définition :
1 mol = NA (Nombre d'Avogadro) = 6,022.1023 entités
4. Lois de conservation
Au cours d’une transformation chimique, les éléments chimiques se recombinent (nature
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Transformation chimique
Corps
initialement
Corps formés
Conservation :
présents et
après
- des éléments
consommés
transformation
- de la masse
- des charges électriques
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5. Interactions fondamentales
Les interactions physiques assurent la cohésion de la matière à diverses échelles (celle des
planètes ou des atomes).
Interaction gravitationnelle
FA/B
F
Force attractive et d’intensité faible
B/A
entre deux masses m et m séparés
A
B
A (mA)
B (mB)
d’une distance d.
Répulsion électrique
Attraction électrique

Interaction électromagnétique
A (
q
( A)
A
FA/B
/
FA/B
Force répulsives ou attractives entre
FA/B
ou
deux charges q
et q
électriques
A
B
FB/A
séparées d’une distance d.
B (qB)
FB/A
FB/A
Interaction forte
Forces attractives et de courte portée entre les constituants de l’atome.
Interaction faible
Forces d’intensité faible s’exerçant sur les constituants du noyau.
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