II - Comportement chimique de quelques matériaux
(durée conseillée 17 h)

Parmi les critères qui permettent de choisir un matériau pour réaliser un emballage alimentaire, la question qui se pose spontanément est celle de son caractère inerte, vis-à-vis de l’air extérieur d’une part, de son contenu d’autre part.
De telles questions seront nécessairement soulevées par les élèves : pourquoi le cuivre n’est-il pas utilisé dans l’emballage alimentaire ? Pourquoi l’acier des boîtes de conserves ne rouille-t-il pas ?
Leur formalisation conduit à dégager le concept de réactivité chimique et à analyser la réactivité de quelques matériaux, vis-à-vis du dioxygène de l’air d’une part (rubrique A2.1), vis-à-vis des solutions aqueuses d’autre part (rubrique A2.2).
Un des objectifs premiers de la chimie est de préparer de nouvelles substances à partir d’autres substances, d’où les notions de corps pur, de réaction chimique, de réactifs et de produits. Le contenu scientifique des rubriques A2 et A3 a été choisi  pour que les élèves, à la sortie du collège, sachent identifier une réaction chimique et la distinguer d’une transformation physique.
La constatation du changement d’aspect du milieu étant en général insuffisante pour attester du caractère chimique d’une transformation, des expériences complémentaires sont le plus souvent nécessaires. Une telle analyse ayant été faite, le caractère chimique d’une transformation est en définitive consigné dans l’existence de formules chimiques différentes pour les produits et pour les réactifs.
On retiendra en tant qu’objectifs de connaissance pour le collège dans ce domaine :
- toute substance chimique est caractérisée en nature et en nombre d’atomes par une formule qui indique sa composition.
.- une formule chimique telle que H₂O ou CuO indique la composition d’un corps : il y a toujours respectivement deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène et un atome de cuivre pour un atome d’oxygène dans tout échantillon des corps précédents, quel que soit son état physique. La formule chimique donne la composition d’un corps pur en précisant la nature et les proportions de chaque espèce d’atome constituant le corps pur ;
- lors d’une réaction chimique, on observe un réarrangement entre les assemblages d’atomes, la nature et le nombre des atomes étant conservés (dans un souci de simplification, le terme élément n’est pas utilisé). Ce réarrangement est traduit par l’écriture d’une équation-bilan. Pour les réactions chimiques concernant les ions, le principe général de conservation de la charge électrique est vérifié.
- pour un petit nombre de composés moléculaires, déjà étudiés dans le cycle central (H₂ , O₂ , N₂ , H₂O , CO₂), la formule est associée à une entité qui peut être isolée et dont la représentation géométrique qualitative sera présentée ;
- pour des solides tels que les oxydes métalliques, la structure microscopique est trop complexe pour être décrite au collège.

II-1 - Réactions de quelques matériaux avec l’air ( 8 h )

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Le professeur fera apparaître ces transformations comme des réactions chimiques (et non physiques) en utilisant dans la mesure du possible plusieurs critères : apparition de nouveaux corps, identifiables par un ensemble de caractéristiques nouvelles, appelés produits de la réaction, disparition de réactifs.
À ce niveau, le terme d’oxydation désigne l’action du dioxygène. Le professeur établira en un premier temps un bilan qualitatif des réactions chimiques sous la forme :

métal + dioxygène ----> oxyde métallique.

Après avoir introduit les symboles de quelques métaux, on expliquera la signification des formules des oxydes ZnO, CuO, Al₂O₃ e t Fe₃O₄ : l’oxyde de zinc contient autant d’atomes de zinc que d’atomes d’oxygène (le professeur évitera soigneusement de parler de “molécules ZnO”). On pourra conclure en écrivant :

2Cu + O₂----> 2CuO
2Zn + O₂ ----> 2ZnO
4Al + 3O₂ ----> 2 Al₂O₃
3Fe + 2O₂ ----> Fe₃O₄

L’élève devra être capable de comprendre la signification de ces formules en tant que bilan (conservation des atomes) mais aucune mémorisation de ces équations n’est exigée. En ce qui concerne l’oxydation du cuivre, on ne mentionnera, dans un souci de simplification, que la réaction qui conduit à l’oxyde de cuivre (II).
Dans le même esprit, on pourra se contenter d’écrire le bilan de la combustion qui conduit à Fe₃O₄, en mentionnant que cet oxyde n’est pas le seul solide formé.
Pour ce qui est de la conservation de la masse, il ne saurait être question de “ démontrer ” ce qui est, dans ce cadre d’étude, un principe.
Tout ce qui peut être dit à propos d’une expérience telle que celle de la combustion de la laine de fer est que le résultat de celle-ci, compte tenu de sa précision, n’est pas en contradiction avec le principe.
Les matériaux organiques cités dans le programme donnent par réaction à chaud avec le dioxygène notamment du dioxyde de carbone et de l’eau. Ceci met en évidence la présence d’atomes de carbone et d’hydrogène dans ces matériaux.
Pour l’élève, l'observation de combustions, déjà effectuée en classe de quatrième, est la première occasion de rencontrer le terme énergie dans le cadre des programmes de physique-chimie. Il est important d’habituer les élèves à employer un vocabulaire correct.
La confusion entre chaleur et température, issue du langage courant, ne peut pas être ignorée. Le professeur se rappellera que, dans un contexte scientifique universitaire, le terme chaleur désigne un transfert d’énergie sous forme microscopique désordonnée. En principe, il ne serait donc pas incorrect de dire qu’un récipient que l’on chauffe reçoit de la chaleur. Néanmoins, l’expérience pédagogique indique que l’emploi de ce vocabulaire conduit les élèves à se représenter de façon implicite la chaleur comme un fluide qui se transfère et se conserve, ce qui est faux. Pour éviter ce type de confusion, il est conseillé au professeur de dire qu’un corps chauffé reçoit de l’énergie.
Incorrecte pour la chaleur, l’image mentale du fluide qui se conserve n’est pas inadéquate en tant que première approche du concept d’énergie.
Dans la suite du programme, le terme énergie sera rencontré dans d’autres contextes : énergie et mouvement (B1), énergie et électricité (B2), énergie et lumière (B3).

II-2 - Réactions de matériaux avec quelques liquides (9 h)

Les liquides utilisés dans cette étude sont des solutions aqueuses acides ou basiques.

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La molécule HCl est appelée chlorure d’hydrogène dans la nomenclature systématique (règle de l’UICPA) ; la terminologie usuelle donne le nom d’acide chlorhydrique à sa solution aqueuse. Elle donne de même le nom de soude à la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium.
A ce stade, les bilans des réactions seront écrits en toutes lettres, par exemple :
fer + acide chlorhydrique ----> dihydrogène + chlorure de fer.
Pour leur interprétation, ces équations chimiques seront d’abord écrites par le professeur en prenant en compte la mise en solution de certaines substances, par exemple :
Fe + 2 H⁺ + 2Cl ^- ---->H₂+ Fe ²⁺ + 2 Cl ^-
On écrira ensuite les équations-bilans en ne faisant apparaître que les espèces réagissantes, par exemple :
Fe + 2 H⁺ ----> H₂+ Fe²⁺
À ce niveau, on n’utilisera pas le terme d’oxydation pour les réactions des métaux avec l’acide chlorhydrique. Il n’est pas utile de soulever le problème de la solvatation des ions. En particulier, on écrira l’ion hydrogène H⁺
En dehors des réactions indiquées (réaction entre une solution d’acide chlorhydrique et le fer ou le zinc), aucune compétence générale relative à l’établissement d’équations-bilans comportant des ions ne sera exigée.