TP n°6 : Découverte de la mole : passage du monde microscopique

TP n°6 : Découverte de la mole : passage du monde microscopique au
monde macroscopique (« le monde que l'on voit »)
Activité documentaire : Qu'est-ce que la quantité de matière ?
Lors d’une activité physique, des transformations physiques et chimiques se produisent et
s’accompagnent d’effets thermiques.
Dans le langage courant, le mot quantité de matière est très souvent employé. De son côté, le
chimiste utilise couramment des grandeurs comme la masse, le volume ou la quantité de
matière. Que représente une quantité de matière ? S'identifie-t-elle à la masse ou est-ce une
nouvelle grandeur à définir ?
Le riz est aliment important dans le sport car il permet de « stocker de l’énergie » dans le
corps.
I. La « quantité de riz » ? (The amount of rice)
Le riz vendu dans le commerce est vendu par sachet de 500 g. Joey, Chandler et Ross,
amateurs de riz, veulent déterminer le nombre de grains de riz contenus dans le sachet. Le
matériel mis à leur disposition est le suivant : une balance, une coupelle en verre.
Ils engagent une discussion, dont voici des extraits:
« (...) Il faut compter le nombre de grain de riz, propose Chandler.
⁃ Mais non, ce sera trop long, servons-nous de la balance ! s'exclame Ross.
⁃ C'est çà ! Pesons un grain de riz et puisque la masse totale des grains de riz est connue, on
pourra trouver leur nombre, intervient Joey.
⁃ Cela suppose que tous les grains de riz soient parfaitement identiques, fait remarquer Ross.
Ils évaluent la masse d'un grain de riz à l'aide de la balance à disposition. Chandler affirme:
« Elle ne marche pas, elle affiche zéro!
⁃ Mais non, faisons un paquet de 100 grains, propose Ross.
⁃ Et si on appelait le paquet de 100, « centaines », interroge Chandler. »
Ross et Chandler acquiescent. La centaine de grains de riz est comptée et pesée.
« ça y est, on a la masse d'une centaine!, se réjouit Ross »
Ils obtiennent 2,0 g une fois que la balance est tarée.
Ils effectuent alors les calculs...
1) Dans la démarche de résolution proposée par Joey, quelle hypothèse, formulée par Ross, les
héros sont-ils obligés de faire ?
2) Que signifie la balance est tarée ?
3) Lors de la pesée d'un grain de riz, Chandler a-t-il raison d'affirmer que la balance ne
fonctionne pas ?
4) Quel changement d'échelle est finalement réalisé par les héros ?
5) Quelle nécessité les a poussé à le faire ?
6) Si le riz était remplacé par des pois chiches, la masse d'une centaine serait-elle identique?
Pourquoi ?
7) Ecrire le protocole expérimental qui leur a permis d'effectuer la pesée d'une centaine ?
8) La quantité de riz, n, est définie par le nombre de centaines. On notera m la masse du
sachet et M la masse d'une centaine. Calculer la quantité de riz, en précisant son unité.
9) Déterminer le nombre N de grains de riz dans le sachet.
10)
Le nombre de pois chiche d'un sachet de même masse sera-t-il identique ? Pourquoi ?
II La « quantité de fer » (the amount of iron)
1) Mesurer la masse m d'un clou en fer.
2) De quelle espèce chimique est constitué ce clou ?
3) Sachant que la masse d'un atome de fer mFe est de 9,27×10-23g, calculer le nombre N d'entité
chimique constituant ce clou.
4) Combien de temps faudrait-il pour compter un si grand nombre d'entité chimique en supposant que
l'on puisse en compter 10 par seconde.
5) Serait-ce une bonne idée que de trouver une unité intermédiare comme la « centaine » avec le riz ?
Justifier votre réponse.
III La mole (the mole)
1) Définition
La mole est l'unité de la quantité de matière notée n. Par définition une mole contient autant
d'entités qu'il y a d'atomes dans 12,0g de carbone 12 .
The mole is the amount of substance of a system which contains as many entities as there are
atoms in 0.012 kilogram of carbon 12; its symbol is “mol”
Le nombre d'entités contenues dans une mole est une constante appelée nombre d'Avogadro
noté NA et vaut NA ≈ 6,02 ×1023 mol-1 se lit « 6,02 ×1023 entités par mole »
When the mole is used, the elementary entities must be specified and may be atoms, molecules,
ions, electrons, other particles, or specified groups of such particles.
1) Quantité de matière d'un échantillon
La relation de proportionnalité entre la quantité de matière n, en moles, et le nombre d'entités
microscopiques N est :…………..
Exemple : pour les grains de riz nous avions NA = 100 grains de riz par centaines = 100.centaines-1, n
= ..................... centaines et N = .............................. grains de riz.
1) Application au clou en fer
a) Déduire des calculs et des mesures effectuées dans le II, la quantité de matière n de ce clou
en fer
b) Déduire la masse MFe d'une mole de fer.
c) Déduire une formule mathématique générale reliant la masse molaire d'un atome M, la
quantité de matière n et la masse m.
Résumé
Recopier et Compléter le tableau suivant
Objets
Grandeurs
Sachet de riz
Grain de riz
Centaine de grains
Masse d'un sachet
Masse d'une centaine
Quantité de centaine
Clou en fer
Notation
IV Masse molaire
1) Masse molaire atomique
La masse molaire atomique M(X) est la masse d'une mole d'atomes (de symbole ) et
s'exprime (ou son unité est) en g.mol-1 ou g/mol et se lit « gramme par mole ».
Exemple : M(Mg) = 24,3 g.mol-1 : ceci veut dire qu'une mole de magnésium ou 6,02×1023
atomes de magnésium NA atomes ont une masse de 24,3g.
1) Masse molaire moléculaire
C'est la masse d'une mole de molécule d'une espèce chimique. Elle est calculée en
faisant la somme des masses molaires des atomes constituant la molécule. Elle s'exprime en
g.mol-1.
Exemple : M(CO2) = M(C) + 2×M(O) = 12,0 + 2×16,0 = 44,0 g.mol-1.
1) Masse molaire et quantité de matière
La quantité de matière n (en mol) d'un échantillon, sa masse m (en g) et la masse
molaire moléculaire M (en g.mol-1) de son espèce chimique sont reliés par :
ou
Exemple : si on calcule la quantité de matière de m(H2O) = 54g d'eau. Nous avons vu que la
masse molaire de l'eau est M(H2O) = 18 g.mol-1 d'où l'on déduit n(H2O) = m(H2O) / M(H2O)
= 54g / 18 g.mol-1= 3,0 mol.
Exercice 1 :
Déterminer les quantités de matière (en mol) présentes dans les échantillons suivants :
a) 100 g de silice SiO2
b) 10 mg d'or Au
c) 2,2 g de cholestérol C27H46O(s)
d) 300 mg de paracétamol
C8H9O2N(s)
e) 1 tonne de craie CaCO3
f) 25 mL d'eau
g) 25 mL d'acétone C3H6O
h) 890 mL d'éthanol C2H6O(l).
Exercice 2 :
Déterminer la masse de :
a) 0,20 mol de sulfate de cuivre (CuSO4)
b) 1500 mol d'or (Au(s))
c) 25 mmol de paladium (Pd)
d) 1,0 Mmol d'eau

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