PHysique chimie BCPST 1re ANnéE (cid:49)(cid:68)(cid:87)(cid:75)(cid:68)(cid:79)(cid:76)(cid:72)(cid:3)(cid:37)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:86)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:373)(cid:3)(cid:36)(cid:81)(cid:81)(cid:72)(cid:3)(cid:42)(cid:88)(cid:76)(cid:79)(cid:79)(cid:72)(cid:85)(cid:68)(cid:81)(cid:71) (cid:36)(cid:89)(cid:72)(cid:70)(cid:3)(cid:79)(cid:68)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:79)(cid:79)(cid:68)(cid:69)(cid:82)(cid:85)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:3)(cid:38)(cid:75)(cid:85)(cid:76)(cid:86)(cid:87)(cid:82)(cid:83)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:54)(cid:87)(cid:72)(cid:76)(cid:81)(cid:72)(cid:85) Avec la collaboration scientifique de Isabelle Ecollan, Véronique Guilbert et Cédric Carlier Conception et création de couverture : Dominique Raboin © Dunod, 2016 11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff www.dunod.com ISBN 978-2-10-075337-6 Avant-propos Cet ouvrage s’adresse aux étudiants de BCPST1. Il est divisé en 33 chapitres qui couvrent l’in- tégralité du programme de cette première année de BCPST. Chaque chapitre a été pensé pour répondre à des objectifs multiples : • exposer les notions et les capacités à acquérir, • rappeler ou préciser les définitions utiles, • proposer un résumé de cours structuré où sont présentés les fondamentaux exigibles, • acquérir des méthodes de résolution, dans la partie méthodes à maîtriser, • tester ses acquis dans l’interro de cours, • s’entraîneravecdesexercicesvariés,dedifficultéscroissantes,répondantégalementauxnouvelles épreuves des concours : activités documentaires et questions ouvertes, • proposer un corrigé détaillé, correspondant à la rédaction que l’on attend d’un élève. Deuxfichesméthodes,rappelantlesacquisdeterminalesurlesméthodesd’analysespectroscopique IR et RMN ainsi que sur la nomenclature et les représentations des molécules en chimie organique pourront être consultées à la fin de l’ouvrage. Ce livre se termine par un lexique qui rassemble les termes définis dans l’ensemble des chapitres proposés. Ce livre n’aurait jamais vu le jour sans le concours de relecteurs avertis (I. Ecollan, V. Guibert et C. Carlier) qui, par leurs remarques et leurs suggestions, ont permis d’améliorer utilement le contenu de cet ouvrage. Pour bien utiliser cet ouvrage Ce symbole met en garde vis-à-vis des erreurs classiques à éviter. Remarque : elle apporte des précisions supplémentaires aussi bien dans le résumé de cours que dans les corrigés des exercices. * : ce symbole indique un exercice d’une difficulté élevée. Bonne lecture et bon travail à tous. Chaque pas, si petit soit-il, vous rapproche du but. Les Auteurs : Nathalie Bresson, Anne Guillerand Table des matières Partie 1 Thermodynamique chimique 1 Description d’un système chimique en réaction ........................ 7 2 Réactions acido-basiques.................................................23 3 Réactions d’oxydo-réduction.............................................55 4 Application à la chimie analytique ......................................77 Partie 2 Signaux physiques, bilans et transports 5 Signaux physiques........................................................111 6 Phénomènes de transport...............................................133 7 Circuits électriques en régime stationnaire (continu)................159 8 Régimes transitoires du premier ordre.................................181 Partie 3 Structure de la matière 9 Noyau atomique..........................................................209 10 Structure électronique des atomes....................................231 11 Liaison covalente. Délocalisation et aromaticité ....................251 12 Interactions de faible énergie..........................................281 Partie 4 Optique géométrique 13 Lois de Descartes .......................................................301 14 Lentilles minces .........................................................321 Partie 5 Introduction à la chimie organique 15 Stéréochimie.............................................................351 16 Solvant, acido-basicité en chimie organique ........................375 17 Oxydoréduction en chimie organique.................................399 Partie 6 Thermodynamique 18 États de la matière .....................................................425 19 Éléments de statique des fluides ..................................447 20 Changement d’état d’un corps pur ...................................469 21 Équilibre et transformations d’un système fermé ..................497 22 Premier principe en système fermé ...................................521 23 Second principe en système fermé....................................547 24 Machines thermiques...................................................561 Partie 7 Cinétique chimique 25 Vitesse de réaction .....................................................585 26 Mécanismes réactionnels...............................................609 Partie 8 Mécanique 27 Cinématique.............................................................633 28 Dynamique ..............................................................655 29 Énergie d’un point matériel............................................685 Partie 9 Chimie organique réactionnelle 30 Réactions de substitution nucléophile................................717 31 Réactions de β-Elimination............................................739 32 Réactions d’addition électrophile....................................765 33 Réactions d’addition nucléophile....................................789 Partie 10 Fiches Nomenclature et représentations en chimie organique .................815 Spectroscopies IR et RMN.................................................821 Lexique.......................................................................829 Partie 1 Thermodynamique chimique CHAPITRE Description d’un système 1 chimique en réaction L’essentiel du cours Introduction : Unsystèmeévoluespontanémentversunétatd’équilibre:lesystèmephysico-chimiquesièged’une réaction chimiquequellequ’ellesoit, voitsacomposition chimiqueévoluer. Ce1er chapitrepermet de poser les lois et méthodes d’études des équilibres chimiques. Ce qu’il faut retenir du chapitre : Notions Capacités Modélisation d’une transformation chimique à l’aide d’une équation de réaction, nombres stoechiomé- triques. Avancement de réaction, avancement volumique, de- Remplir un tableau d’avancement. gré ou taux d’avancement. Déterminer l’avancement maximal et le réactif li- Réaction totale, réactif limitant. mitant. Activité d’une espèce physicochimique. Écrire un quotient de réaction pour différents Quotient de réaction. types de système. Calculerdesconstantesstandardd’équilibreàpar- tir d’autres constantes standard d’équilibre. Réaction équilibrée. Prévoir le sens d’évolution spontanée d’un sys- Critère d’équilibre, critère d’évolution spontanée. tème. Déterminer l’avancement à l’équilibre dans le cas des systèmes homogènes. Définitions • Un constituant chimique est une association d’éléments chimiques représenté par une formule chimique (ex : NaCl). • Unconstituantphysico-chimiqueestunconstituantchimiquedansunétatphysiqueoud’agré- − gation bien spécifique (ex : Cl , C ) (aq) (graphite) 8 Chapitre 1 Description d’un système chimique en réaction Définitions (suite) • Unsystèmephysico-chimiquecorrespondàunensembledeconstituantsphysico-chimiquessus- ceptiblesd’évoluerpardestransformationsphysiques(changementd’état)ouchimiques(réactions chimiques). Ce système est supposé fermé sans échange de matière avec le milieu extérieur. • Une transformation chimique est une transformation qui, à partir d’espèces physico-chimiques appeléesréactifs,conduitàlaformationdenouvellesespècesphysico-chimiques,appeléesproduits. • Uneréactionchimiquetraduitauniveaumacroscopiquelestransformationssubiesparlesconsti- tuants physico-chimiques au niveau microscopique. • Le bilan de matière est décrit par une équation de réaction, faisant intervenir des nombres stœchiométriques pour assurer la conservation de chacun des éléments chimiques. • Le sens direct dans l’équation de réaction correspond à la formation des produits à partir des réactifsetlesensindirect(ouretour)correspondàlaformationdesréactifsàpartirdesproduits. (cid:2) 1 Activité d’un constituant physico-chimique Activité L’activité d’un constituant physico-chimique A , notée a , est une grandeur intensive, sans j j dimension,caractéristiqueducomportementdeA danslesystème.L’expressiondea dépend j j de l’état physico-chimique de A . j Grandeur État physico-chimique Expression de ai caractéristique A , espèce en solution aqueuse [A] concentration molaire en [A] (aq) diluée mol.L−1 a= C◦ Espèce solide A ou liquide A , (s) ((cid:2)) seule dans sa phase ou non - a=1 miscible à d’autres phases solides ou liquides p , pression partielle de A(g), espèce gazeuse, l’esApèce A dans le mélange, a= pA assimilée à un gaz parfait P◦ exprimée en bar A , solvant de la réaction - a=1 ((cid:2)) Remarques : • C◦ est une concentration de référence appelée concentration standard égale à 1 mol.L−1, P◦ est une pression de référence appelée pression standard égale à 1 bar. • L’expression de l’activité d’une espèce dissoute est valable uniquement en solution diluée ([A] < 0,1 mol.L−1). • La pression partielle sera définie dans le chapitre 19. • La notion de grandeur intensive sera définie dans le chapitre 6.