Matière et matériaux (PCM STI2D)

Ce matériel, basé sur le domaine « Matière et matériaux » du programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STI2D, parcourt les transformations physiques, nucléaires et chimiques qui comptent dans l'industrie et dans les débats sur l'énergie.

Les transformations physiques ouvrent le parcours : dans le cas de l'eau, un changement d'état correspond à la rupture ou à l'établissement de liaisons hydrogène entre molécules. Le diagramme d'état (P, T) d'un corps pur permet de prévoir l'état final d'un fluide, par exemple une sublimation sous une pression inférieure à celle du point triple. Les bilans énergétiques utilisent l'énergie massique de changement d'état et la capacité thermique massique.

Les transformations nucléaires viennent ensuite : radioactivité naturelle ou artificielle, nature des rayonnements alpha, bêta et gamma, activité en becquerels, demi-vie. On compare la décroissance de deux espèces de demi-vies différentes, on distingue une fission d'une fusion à partir de l'équation, et l'on calcule l'énergie libérée à partir du défaut de masse.

Les transformations chimiques forment la dernière partie. La combustion complète d'un combustible (limité aux alcanes, alcènes et alcools) est traitée par un bilan de matière qui donne à la fois l'énergie libérée et la masse de dioxyde de carbone rejetée. L'oxydo-réduction s'étudie dans les piles, les accumulateurs et les piles à combustible : identifier l'oxydant et le réducteur à partir de la polarité, comprendre ce qui distingue la charge de la décharge, écrire les demi-équations. Les réactions acido-basiques relient le pH à la concentration en ions oxonium, prévoient l'effet d'une dilution et s'écrivent à partir de deux couples ; la préparation d'une solution par dilution complète l'ensemble.

Le matériel propose un quiz, des flashcards, un oral d'entraînement et une fiche de huit exercices rédigés : chauffe-eau, fusion de la glace, source de cobalt 60, datation au carbone 14, réaction de fusion, chaudière au méthane, pile à combustible et dilution d'une solution acide.

  • Calculer l'énergie d'un chauffage ou d'un changement d'état
  • Exploiter la demi-vie et l'activité d'une source radioactive
  • Calculer l'énergie libérée par une réaction nucléaire
  • Établir le bilan d'une combustion complète
  • Identifier oxydant et réducteur dans une pile ou un accumulateur
  • Relier pH et concentration, et préparer une solution par dilution

Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STI2D, domaine « Matière et matériaux » : propriétés des matériaux et organisation de la matière (changements d'état, radioactivité, fission et fusion, défaut de masse), combustions, oxydo-réduction (piles, accumulateurs, piles à combustible), réactions chimiques acido-basiques.

Exemple de question

Pile : à gauche, une électrode de zinc (Zn, borne −) plonge dans une solution d'ions Zn²⁺ ; à droite, une électrode de cuivre (Cu, borne +) plonge dans une solution d'ions Cu²⁺ ; les deux solutions sont reliées par un pont salin et les deux électrodes par un circuit extérieur comportant une résistance R.

Dans une pile, la borne négative est une électrode de zinc (couple $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$) et la borne positive une électrode de cuivre plongeant dans une solution d'ions $\text{Cu}^{2+}$ (couple $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$). Quel est le réducteur qui réagit lorsque la pile débite ?

Voir la réponse

Le zinc $\text{Zn}$

Les électrons quittent la pile par la borne négative : c'est là qu'a lieu l'oxydation $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,\text{e}^-$. Le réducteur qui réagit est donc le zinc ; l'oxydant qui réagit est l'ion cuivre(II), réduit à la borne positive.

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