FORMULES de PHYSIQUE
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H1.CARACTÉRISTIQUES des CORPS en CHIMIE
-acidité & basicité
L'ACIDITÉ d'un corps
est déterminée par son pH (potentiel hydrogène) qui est la caractéristique ionique d’une cellule électrolytique:
pH = - log10[concentration en ions libres oxonium]
(l’oxonium -ou hydronium- est (H3 O+) et est issu de la réaction de dissociation :
HCl + H²O = H3 O+ + Cl -
LES pH D’ACIDITÉ vont de 0 et 7 .
Exemples: HCl(0,1)--H²SO4(0,3)--citron(2,3)--vinaigre(2,8)--café(5)--pluie(5 à 6)
Certains lacs naturels (soufrés) ont des pH inférieurs à 1
LE pH DE LA NEUTRALITÉ est de 7 (Ex: eau distillée)
LES pH DE LA BASICITÉ
sont compris entre 7 et 14 .Exemples: eau de mer(8)-- bicarbonate de Na(9)--soude(14)
Nota: dans une réaction acide-base, l’acide cède un proton à la base
On utilise aussi le symétrique du pH, qui est
le pOH = - log10[concentration en ions OH- ]
On a toujours pH + pOH = 14
On utilise également le pK, qui est l’inverse du pH
et qui est donc = -colog10[concentration en oxonium]
C'est une constante d'équilibre
PH des DIVERS ALIMENTS
-aliments acides (ordre alphabétique)
agneau-café-citron-dinde-fève-haricot-laitages de vache-poulet-rhubarbe-poulet-riz-sucre-thé-vinaigre
-aliments basiques (ordre alphabétique)
amandes-chataignes-huile d'olive-laitages de chèvre-légumes verts-mangues-miel-pamplemousse-sirop d'érable-tisanes vertes-
REACTIONS CHIMIQUES
-taux d’acidité (ou de basicité)
C'est un terme utilisé en vie courante pour exprimer un pourcentage d'acide (ou de base) dissous dans une solution
-constante d’acidité
C'est le rapport (acide / base) dans une réaction.
Quelques valeurs de constantes d'acidité:
HCl / Cl - (107)--HF / F - (7.10-4)--NH3 / NH² - (10-30)--H²O / OH - (10-14)
-constante de basicité
C'est le rapport (base / acide) dans une réaction.
-protonation
C'est la fixation d'un ion H+ (ou proton) sur un support implicitement basique (c'est à dire à doublet libre ou de type n)
-air (caractéristiques)
L'air est un mélange de gaz avec les pourcentages ci-après >>>
N² (78,09) + O²(20,93) + Ar(0,93) + H²(0,01) + CO²(0,035) + Ne(0,001) + He(0,0005) + Kr & Xe(0,0001)
Enthalpie air sec (Joules) = m.c'.T
(c' = capacité thermique massique et m = masse)
Masse molaire de l'air 28,96 kg/K-mol
Capacité thermique massique (c') de l'air 1006 J/kg-K
résistance linéique thermique de l'air 0,0234 W/m-K
Indice de réfraction de l'air 1
Température de fusion de l'air -216,2 °C
Température d'ébullition de l'air -194,3 °C
Solubilité de l'air dans l'eau 0,0292
Point critique de l'air 140,6 °C
-dureté d'un liquide
La dureté d'un liquide est une caractéristique chimique du liquide (dite parfois dureté dynamique) représentant un % d'ions caractéristiques
On utilise surtout la dureté de l’eau (% d’ions calcium et magnésium), qui se mesure en degrés hydrotimétriques (échelle), mais sans normalisation mondiale
En France, on utilise une échelle dite T. H. où l’on distingue: l’eau douce (de 1 à 10 degrés), l’eau moyenne (de 11 à 15 degrés), l’eau dure ou eau calcaire (de 16 à 25 degrés, l’eau dure (26 à 36) puis l’eau très dure (au-delà de 36).
Une valeur de dureté, multipliée par 10, donne la valeur en grammes de calcaire par m3
En Grande-Bretagne, une autre échelle est environ 25% plus faible
En Allemagne, une 3° échelle est environ 40% plus faible que la française
-eau, glace, neige, vapeur
CARACTÉRISTIQUES de l'EAU PURE
activité spécifique 10² Bq/kg
capacité thermique massique (ancienne chaleur spécifique) = quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 degré un litre d'eau
= 4,18.103 J /kg-K
cette valeur est donnée pour pression normale, mais elle varie de 1% tous les 10 bars
capacité thermique molaire = 26 J/K-mol
enthalpie massique de solidification (ex chaleur latente de solidif.) 3,34 .103 J/kg
chaleur massique de vaporisation (en 103 J/kg) : 2,50 à 0°C, puis 2,35 à 60°C, puis 1,93 à 200°C, puis 0 > 374°
coefficient d'atténuation acoustique : 5.500 m-1 (pour fréquence 5.107 Hz)
coefficient de diffusivité : 10-7 m²/s
coefficient de dilatation volumique isobare (entre 0 et 4°C) négatif soit -10-5 K-1
coefficient de transfert thermique ht (en W/m²-K) 500 pour eau calme- 2000 pour eau vive--5000 pour eau agitée
coefficient de variation isobare 2.10-4 K-1
compressibilité volumique 5.10-10 Pa-1 à 0° C
concentration molaire volumique 3,33.1028 mol/m3
constante cryométrique 1900° K
constante diélectrique 80 F/m-sr à T.P.N
constante ébullioscopique 520 °K
constitution physique: les molécules de O et de H (tétraèdres d'atomes) n'occupent que
46 % du volume total d'un élément d'eau (et 49% pour la glace)
densité maximale à 4° C (1) puis diminue, par exemple 0,712 à 300 °C
dureté (T.H) de 1 à 50 degrés (10 à 500 grammes de calcaire/m3)
enthalpie massique de fusion : elle varie en fonction de la température
- à pression normale, elle va de 3.105 J/kg (à 10 °C) jusqu'à 1,3.106 J/kg (à 300° C)
-et en fonction de la pression >> à 20° C, de 2.105 J/kg (à 0,1 bar) jusqu'à 1,2.106 J/kg (à 50 bars)
enthalpie massique de vaporisation (ex chaleur latente de vapor.) (à pression normale): 2,26.103 J/kg
elle est variable avec la pression >>> en J/kg à 0,1 bar(2392)--à 5 bars(2117)--à 10 bars(2014)--à 50 bars(1640)-
entropie molaire à 0° K : 3,4 J/k-mol
hauteur capillaire 3.10-3 m
impulsion volumique 1,4.106 kg/m²-s
indice de réfraction 1,335 moyen
isolant : l'eau pure est un excellent isolant (une eau pure est celle ne comportant que quelques auto-ionisations du genre H3O+ ou OH-)
liaison H2 1,8.10-10 m (et elle dure 10-12 s)
liaison ionique (énergie d’attraction entre 2 atomes de charge opposée) 60 à 10 kJ/mol
magnétisme : diamagnétisme
moment coulombien de la molécule d'eau = 1,86 Debye (= 6,2.10-30 C-m)
perméabilité magnétique relative -0,8
pH 7(eau distillée)
poids spécifique 104 N/m3
point de congélation eau saturée de sel -21°C
point d’ébullition 373 ° K
point triple 273,16 ° K
rayon d'une goutte d'eau de pluie 3.10-4 m
résistance linéique thermique 0,6 W/m-K à 20°C
résistivité 15 à 130 Ωm (la plus élevée pour la plus pure)
susceptibilité magnétique 10-6 sr
viscosité cinématique (à T.P.N) 10-6 m²/s (myriaStokes)
viscosité dynamique : varie de 15.10-4 pl (à 0°C) jusqu’à 3.10-4 pl (à 100°C)
vitesse de diffusion à travers un sol :10-3 à 10-11 m/s, selon perméabilité du sol
vitesse de la lumière dans l’eau 225.000 km/s
vitesse du son dans l'eau 1500 m/s à 0°C
volume massique varie de 10-3 (à 0°C) jusqu’à 1,4.10-3 (à 300 °C)
CARACTÉRISTIQUES de l'EAU DE MER
concentration molaire volumique 0,6 mol/litre
densité relative 1,026
pH environ 8
point de congélation -1,9 °C (c'est donc la température immédiatement sous une banquise)
salinité des mers 3 à 35 %
température à 2000 m de profondeur 7 à 13 °C
température à 4000m de profondeur 0 à 2° C
volume des océans terrestres 1018 m3 d'eau
nombre de gouttes d'eau dans les océans terrestres > 1026
CARACTÉRISTIQUES de la GLACE
capacité thermique massique 2090 J/kg-K
compression: la glace comprimée (compressée) fond
concentration molaire volumique 3,1.1028 mol/m3
densité volumique 9,2.10² kg/m3 (sauf pour la glace amorphe, ayant densité 12% supérieure)
enthalpie massique de fusion (ex chaleur latente) : 80.000 cal, soit 3,34.105 J(passage de 1 kg de glace à 1 litre d’eau)
enthalpie massique de sublimation (ex chaleur latente) q's= 2,8 .106 J/kg avec une variation en fonction de la température sous forme de viriel du genre
q'c = 2,83.106 – 3.10-4 T + 4.10-6 T² etc....
poids spécifique (neige tassée) 3 à 5.103 N/m3
structure cristalline hexagonale (sauf pour la glace amorphe, créée artificiellement à haute pression et basse température)
tension superficielle entre eau et glace 22 N/m
transparence: la glace, en surface, n'est pas très plane (structures moléculaires inégales) d'où réflexions donnant un aspect blanc, et par ailleurs en profondeur, des inclusions de bulles d'air, des réseaux moléculaires irréguliers, des corps étrangers... provoquent des micro-cristaux qui empêchent une bonne transparence
CARACTÉRISTIQUES de la NEIGE
La neige est un corps blanc au sens de l'apparence, car il n'absorbe quasiment aucune radiation, mais c'est un corps noir au sens thermodynamique
albédo (coeff. de réflexion) = 0,85 à 0,90
capacité calorifique 2,1.10-3 J/kg-K
enthalpie (ex chaleur latente) massique = (334 J/kg) pour fusion et solidification--
(2500 J/kg)pour évaporation et condensation liquide
et (2835 J/kg) pour sublimation et condensation solide
masse volumique en kg/m3 >>> fraîche(30)--compacte(200)--soupe(500)
poids spécifique (neige tassée) 3 à 5.103 N/m3
résistance mécanique, en Pa >>> compression et cisaillement(105)--traction (102)
résistance linéique thermique 0,02 J/kg-K
teneur en eau (ou T.E.L) 2% (peu humide)--3 à 4%(humide, propice aux boules de neige)--plus de 4% (soupe)
CARACTÉRISTIQUES de la VAPEUR d’EAU
capacité thermique massique à volume constant 1380 J/kg-K
chaleur enthalpique massique de condensation q'c = 2,26 .106 J/kg avec une variation en fonction de la température sous forme de viriel du genre
q'c = 2,3.106 – 2,3.103 T + 20 T² etc....
coefficient de transfert thermique (k') 10000 W/m²-K
constante individuelle de gaz 460 J/kg-K
enthalpie massique varie de 3.104 (à 103 Pa) jusqu’à 2.105 (à 104 Pa)
masse molaire 0,018 kg/mol
masse volumique (à 100° C) = 0,6 kg/m3 donc volume de vapeur d'eau = 1234 fois plus que le volume de l'eau ayant servi à sa création [958 / (1,293 x 0,6)]
masse volumique, évolutive avec la pression >>> en kg/m3
à 5 bars(2,7)--à 20 bars(10) et à 50 bars(25)
pression vapeur varie de 6.10² Pa à 0°C jusqu’à 3,12.104 Pa à 70°C
pression vapeur saturante 2,3.103 Pa
rayon d'une goutte de brume 10-5 m
tension superficielle entre eau et vapeur 0,8 N/m
-gaz carbonique
GAZ GARBONIQUE
-formule CO²
-capacité thermique massique à pression constante 820 J/kg-K
-capacité thermique massique à volume constant 630 J/kg-K
-résistance linéique thermique 0,01 W/m-K
-constante individuelle de gaz 189
-densité par rapport à l'air 1,98
-diffusivité thermique 6,5.10-6 m²/s
-indice de carbone c'est un terme surréaliste français, prétendant exprimer la quantité de CO² (qui n'est évidemment pas du carbone) émise lors de l'utilisation d'un produit de consommation (utilisation voulant dire la somme de l'énergie dépensée au cours de la production + le transport + les manipulations + la cuisson etc...)
Globalement il vaut de 100 à 1.000 pour les produits alimentaires et de 5.000 à 15.000 pour les produits manufacturés
-masse volumique 1,98 kg/m3
-mobilité des charges (dont les ions) 8.10-3 T-1
-nombre de Prandtl 0,75
-point de fusion 195° K
-point triple (sous 5,2.10-5 Pa) 217° K
-pourcentage dans l'air ambiant 0,035
-pression critique 7.106 Pa
-puissance fiscale française : notion liée à l'émission de CO² par le moteur du véhicule, sous la relation >>
Pf = (m* / 45 + P1,6 / 40) formule valable pour les véhicules légers, à essence ou diesel et où Pf (C.V) = puissance fiscale
m* (gramme / km) = émission de CO²
P(kW)= puissance réelle
-quantité totale dans l'atmosphère 1015 kg
-rejets de CO² dans l'atmosphère en grammes pour 1 kilowattheure produit >>
chaudière à granules (9)--chaudière géothermique(60)--véhicule automobile à plein régime(200à 230, ce qui correspond à 600 g/km parcouru)--chaudière à gaz(234)-- chaudière à fuel(300)--
-température critique 300° K
-température de sublimation 195° K
-vitesse du son dans le CO² à TPN 260 m/s
-volume molaire critique 9.10-6 m3/mol
-polymères
Un polymère est un matériau allotropique macromoléculaire résultant de l’union de molécules organiques monomères identiques
Les polymères sont de basse densité, résistants, isolants, à liaison covalente
CLASSIFICATION
-les polymères linéaires (molécules en ligne ou en chaîne)
-les polymères "en grappe" (molécules en disposition spatiale)
-les élastomères (grande élasticité)
-les duromères (mailles serrées, matériaux durs et inélastiques)
-les thermodurcissables (durcissement irréversible)
-les thermo-plastiques (fusions et solidifications successives laissant le matériau similaire à lui-même)
-les isomères ont des degrés de régularité différents (bien qu’ayant identiité de formule chimique, ils ont une disposition moléculaire géométriquement différente -dite atacticité-
Certains polymères peuvent devenir des quasi-cristaux
QUELQUES EXEMPLES : les polyisoprènes, les polybutadiènes, les polymétylènes...)
CARACTERISTIQUES
-la masse molaire m’p d’un polymère est fonction du nombre n de ses composants moléculaires, dit "degré de polymérisation": m’p = n.m’m (m’m étant la masse moléculaire du monomère)
-leur résistance à la traction (à T.P.N) va de (10 à 100) Mpa (10 à 30 pour les élastomères)
-leur coefficient de dilatation linéaire a des valeurs entre 6 à 12 10-5 K
-leur module de Young va de 1 à 3.106 Mpa
-leur résistance linéique thermique va de 0,2 à 0,4 W/m-K (et moitié moins pour les élastomères)
-leur facteur d'intensité de contrainte s'échelonne de 1 à 3 Mpa -m1/2 (et 10% de ces valeurs pour les élastomères)
-solubilité
SOLUBILITÉ
Si un corps composé AB est dissociable en ions A et B, on définit diverses notions pour mesurer sa solubilité :
-la solubilité propre [A.B]
C'est la quantité de matière dissoute (du soluté) dans un volume donné (du solvant) pendant une réaction
On la note entre crochets, ce qui signifie concentration molaire volumique
du corps [A.B] exprimée en pratique en mol/l , unité qui vaut 103mol/m3 (unité S.I.+)
-le produit de solubilité (ou produit ionique)
Symbolisé Kps, c'est [A].[B] c'est à dire [ions +].[ions -]
[A]et [B] = 2 concentrations molaires volumiques des composants A et B dans
le liquide avec [A].[B] exprimé en (moles par litre)² puisqu'il s'agit d'un produit de 2 concentrations molaires volumiques d'où dimension (L-3.N)²
Kps permet de déterminer si un composé est peu ou beaucoup soluble
Quelques valeurs du Kps[A].[B] à TPN et en (mol/l)²:
[Ca].[CO3]= 4.10-9 , [Ag].[OH]= 2.10-8 , [Pb].[SO4]= 2.10-8 , [Ag].[Cl]= 1,6.10-10 ,
[Mn].[S]= 2.10-13 ,[Cu].[OH]²= 3.10-19 , [Fe].[OH]3= 3.10-39
-le quotient réactionnel
Symbolisé Qps, il est similaire au Kps, mais ce sont des concentrations massiques volumiques
-une constante de dissociation B’d qui est [A.B] / [A].[B] donc exprimée en (litre/mole)
On utilise souvent une échelle de comparaison, dite d'équilibre de dissociation : -Log B’d
-un coefficient de solubilité
Pour des produits dissous c'est y = B' / p (loi de Henry)
où B' est la concentration molaire volumique et p la pression
DISSOLUTION
voir chapitre spécial
-turgescence
La turgescence est une pression biologique. En particulier chez les végétaux, c'est la légère surpression de l'eau incluse dans feuilles, tiges, fleurs,.. .expliquant les tropismes.
Une cellule turgescente possède de l'eau , venue par osmose, ce qui la gonfle (pression turgescente) pour donner un aspect tonique au végétal.
A l'inverse, un manque d'eau rend le tissu flasque et le fane.