UE 1.1. Constitution et transformation de la matière
Licence Sciences pour la santéParcours Plurisciences et santé
Description
1. Composition élémentaire de la matière
- Constitution de l’atome
Dans cette section sera présentée la structure de l’atome. Nous aborderons ce point sous l'angle historique, en insistant sur la démarche scientifique.Ainsi, nous verrons comment ont été découverts l'électron et le noyau, et pourquoi l'atome est décrit non pas par les modèles de la physique classique, mais par ceux de la physique quantique. Nous n'entrerons pas dans les considérations sur la dualité onde/corpuscule de l'atome, mais introduirons la notion d'orbitale.
- Les éléments et le tableau périodique
Dans cette , nous découvrirons et explorerons le tableau. Nous aborderons les propriétés physico-chimiques élémentaires pour saisir les particularités et traits communs des éléments, et expliciter la périodicité.
- La configuration électronique et la valence
Dans cette , nous décrirons la structure électronique d'un atome comme un cœur stable, de type gaz noble, et une couche périphérique.
2. Espèces chimiques
- La liaison chimique
Dans cette section nous présenterons les différents types de liaisons entre atomes, avec une attention particulière pour la liaison ionique et la liaison covalente.
- Les composés moléculaires
Dans cette section, nous verrons les règles de nomenclature des molécules diatomiques, nous détaillerons la représentation de Lewis des molécules, ainsi que la charge formelle et le nombre d’oxydation des atomes les composant. Nous aborderons aussi la forme des molécules et le modèle d’hybridation des orbitales.
- Les composés ioniques
Dans cette section, nous verrons la nomenclature et formule unitaire des composés ioniques et stabilité des solides ioniques.
- Les complexes de coordination
Au travers de deux exemples, nous verrons que le s métaux du blocs d entrent dans la composition d’espèces chimiques qui ne sont ni des molécules ni des composés ioniques.
3. Molécules organiques
- Fonctions chimiques
Dans cette section, les différentes fonctions chimiques des molécules organiques seront présentées : nom et structure des fonctions (liaisons des atomes entre eux, position des doublets non liants et des charges sur les atomes), classes des fonctions.
- Nomenclature
Cette section traitera des règles internationales de nomenclature (IUPAC) qui seront appliquées aux molécules organiques simples (une fonction chimique) ou complexes (deux fonctions chimiques ou plus).
- Représentation des molécules dans l’espace
Cette section explicitera les différentes formules chimiques ainsi que les différentes représentations des molécules organiques dans l’espace.
4. Stéréochimie, mésomérie, isomérie
- Stéréochimie
Dans cette section, seront traitées les notions de carbone asymétrique, de stéréochimie (des carbones asymétriques), de chiralité et de pouvoir rotatoire.
- Isomérie
Cette section traitera des différents types d’isomères (et des éléments de nomenclature correspondant), des relations existant entre eux ainsi que des notions de propriétés physiques/chimiques des isomères. Le cas des conformères sera également abordé.
- Mésomérie
Dans cette section nous verrons les effets inductifs et mésomères, les déplacements des électrons et leur application aux molécules complexes
5. Solutions
- Définition
Dans cette section, nous donnerons une définition de solution, de solvant et de soluté.
- Dissolution
Dans cette section, nous verrons les 3 étapes de la dissolution et aborderons la notion d’é lectrolytes.
- Solubilité
Dans cette section, nous donnerons une définition de la solubilité, et aborderons sa dépendance à la température et à la pression.
- Structure moléculaire, cas particulier de l’eau
Dans cette section, nous aborderons la structuration des molécules d’eau dans le solvant et à proximité d’un soluté. Nous discuterons des composés ioniques faiblement solubles.
6. Réactions et équations chimiques
Dans ce chapitre, nous exposerons le formalisme pour décrire une réaction chimique. Nous l’exemplifierons sur des réactions simples de la chimie inorganiques (combinaison d’éléments ou de composés, décomposition de composés simples, échange d’éléments ou d’ions). Nous décrirons également les réactions avec l’eau de différent types de composés. Les sections du chapitre sont :
- Combinaison et décomposition
- Déplacement simple
- Déplacement double
- Réaction avec l’eau : hydrolyse et addition
7. Aspects quantitatifs
Dans ce chapitre, nous aborderons l’aspect quantitatif des réactions chimiques. Il s’agira de définir le système chimique dans lequel a lieu une réaction ainsi que les grandeurs permettant de décrire la matière aussi bien à l’état macroscopique que microscopique. La méthodologie permettant de préparer des solutions de concentration donnée à partir d’une solution concentrée (dilution) ou d’un composé solide (dissolution) sera présentée. Nous exposerons également comment équilibrer des équations de réaction grâce à la loi de conservation de la matière et comment réaliser un tableau d’avancement. Enfin, la cinétique chimique sera abordée pour décrire la vitesse d’évolution d’un système.
8. Equilibres chimiques
Dans ce chapitre, les notions d’activité , d’équilibre chimique, de quotient de réaction et de constante d’équilibre seront définies. Ensuite le principe de modération de « Le Chatelier » sera présenté afin de déterminer l’évolution spontanée d’une réaction. Le lien avec le chapitre précédent sera fait par l’utilisation du tableau d’avancement pour déterminer l’évolution d’une réaction chimique.
9. Forces intermoléculaires et états de la matière
L’origine des forces intermoléculaires, les forces de Van der Waals et les liaisons hydrogène, est décrite en terme de polarité des liaisons covalentes et de la géométrie des molécules.
Des exemples reliant la structure des molécules et les propriétés macroscopiques des corps purs correspondants seront donnés.
10. Réactions acido-basiques
1. Théorie de Brönsted
Dans cette section, nous définirons l’acide et la base, donnerons des exemples communs et discuterons du lien entre la structure chimique d’un composé et son caractère acide ou basique. Nous présenterons le cas particulier des réactions acido-basiques en solution aqueuse.
2. Force des acides et des bases dans l’eau
Dans cette section, nous verrons comment exprimer la force des acides et des bases en fonction de leur dissociation dans l’eau. Nous définirons le produit ionique de l’eau Ke, la constante d’acidité Ka et la constante de basicité Kb ainsi que leur notation logarithmique (pKe, pKa et pKb) et que la relation entre ces constantes.
3. Le pH de solutions aqueuses simples
Dans cette section, nous définirons comment exprimer l’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse par pH. Nous décrirons la méthodologie pour prédire le pH d’une solution aqueuse simple (eau pure, solution contenant un acide, solution contenant une base, solution contenant un ampholyte, et solution contenant un mélange d’un acide et de sa base conjugué e). Nous démontrerons les formules de calcul de pH, dont l’équation d’Henderson Hasselbach, en insistant sur les hypothèses réalisées dans les démonstrations et par conséquent les limites dans leur application.
4. Titrage
Dans cette section, nous aborderons la neutralisation ou titrage d’une solution aqueuse acide par une solution aqueuse basique et vice-versa. Nous verrons les conditions de la réalisation d’un titrage et définirons les points remarquables des courbes de titrage, en particulier les zones tampon.
5. Equilibre acido-basique in vivo et homéostasie du pH
Dans cette section nous verrons dans un premier temps, les valeurs et les rôles du pH dans l’organisme. Nous aborderons ensuite les différents moyens de régulation de l’organisme pour conserver l’homéostasie du pH, notamment grâce à différents systèmes tampons et aux régulations pulmonaire et rénale. Nous évoquerons les troubles de l’équilibre acido-basique qui peuvent affecter l’organisme et nous conclurons par la présentation du diagramme de Davenport, représentation graphique combinant les trois paramètres de l’équation d’Henderson Hasselbach et permettant une analyse des troubles de l’équilibre acido-basique.
11. Réactions d'oxydo-réduction
1. Définition
Dans cette section, nous aborderons la réaction chimique non pas sous l’aspect de rupture/création de liaison, mais en terme de transfert d’électrons. Nous définirons l’oxydant et le réducteur et donnerons des exemples de réaction d’oxydo-réduction (ou redox).
2. La cellule électrochimique
Dans cette section, nous décrirons le fonctionnement d’une cellule électrochimique, qui met en évidence le flux d’électrons lors d’une réaction redox. Nous définirons le potentiel d’électrode et distinguerons les deux types de cellules. Nous discuterons du lien entre la structure chimique d’un composé et de son caractère redox. Nous présenterons le cas particulier des réactions acido-basiques en solution aqueuse.
3. Thermodynamique de l’oxydoréduction : prévoir une réaction redox
Dans cette section, nous présenterons l’équation de Nernst, et la relation entre la force électromotrice et la constante d’équilibre de la réaction redox. Nous présenterons des exemples de réaction redox en milieu biologique, et discuterons des effets de la concentration et de la température.
12. Réactivité des molécules organiques
- Ecriture des réactions
Cette section sera consacrée à l’écriture des réactions et des mécanismes (différentes flèches réactionnelles et mécanistiques) ainsi qu’aux différents termes liés aux réactions (substrats, réactifs, intermédiaires, ...).
- Réactions d’addition
Cette section portera sur les additions électrophiles et nucléophiles (mécanisme(s) et produit(s) formé(s)).
- Réactions de substitution et d’élimination
Cette section traitera des notions de nucléofuge, nucléophile et électrophile. Les mécanismes et ordres des réactions de substitution nucléophile (SN) et élimination (E) seront vus, ainsi que la compétition entre ces deux types de réaction.
Compétences visées
1. Composition élémentaire de la matière
Constitution de l’atome
Connaissances : Maîtriser les notions de numéro atomique (Z), numéro de masse (A) et isotope ; Connaitre les caractéristiques de taille et de masse du proton (p), du neutron (n) et de l'électron (e) ; Distinguer élément et atome.
Compétences : Savoir lier A et Z au nombre de protons, de neutrons et d'électrons ; Trouver les points communs, les différences et les limites des modèles de l'atome.
Les éléments et le tableau périodique
Connaissances : Savoir définir un groupe, une période, un bloc. Nommer les principaux groupes d'éléments (ex : alcalins) ; Savoir définir rayon atomique, énergie d’ionisation, et affinité électronique ; Connaitre les éléments des 3 premières lignes du tableau périodique.
Compétences : Comprendre que le tableau périodique actuel a été développé au fil du temps sur la base de nombreuses découvertes, modèles et révisions ; Comprendre comment le tableau périodique est organisé et classer les éléments par nom de famille, numéro de groupe et numéro de période ; Relier le numéro atomique Z à la position du tableau périodique. Comprendre et être capable de prédire les tendances du rayon atomique, de l'énergie d'ionisation et de l'affinité électronique ; Classer un élément comme métal, non-métal ou métalloïde en fonction de ses propriétés physiques et chimiques ; Identifier des éléments inconnus en fonction de leurs propriétés de rayon atomique, de malléabilité, de conductivité et d'énergie d'ionisation.
La configuration électronique et la valence
Connaissances : Savoir définir couche, sous-couche, orbitale, spin et électron de valence ; Connaitre la dépendance entre couche, sous-couche et orbitale ; Connaitre le lien entre l'énergie d'un électron et la couche, sous-couche et orbitale.
Compétences : Donne r le nombre d'électrons de valence d'un élément ; Comprendre la configuration électronique des éléments à partir du tableau périodique.
2. Espèces chimiques
La liaison chimique
Connaissances : Électrons de valence ; Liaisons ionique et covalente, deux modèles extrêmes de liaison atomique ; Maîtriser les notions d’électronégativité et de polarisabilité.
Compétences : Savoir prédire l’état d’ionisation le plus probable des éléments des blocs s et p ; Déterminer si une liaison est majoritairement ionique ou covalente ; Estimer la force d’une liaison covalente à partir de l’énergie de liaison de molécules diatomiques ; Reconnaître une liaison covalente polarisée ; Prédire et expliquer les tendances de l’électronégativité des atomes dans le tableau périodique ; Prédire et expliquer les tendances de la polarisabilité des anions.
Les composés moléculaires et ioniques
Connaissances : Corps pur simples et composés, allotropes ; Règles de nomenclature des molécules inorganiques diatomiques, des ions simples et des sels ; Nomenclature des ions polyatomiques communs ; Exemples de composés inorganiques binaires, d'oxoacides, et de molécules organiques simples.
Pour une molécule - Connaitre la théorie de la répulsion des paires électroniques de valence (modèle VSEPR) ; Connaitre les principales formes d'hybridation d'un atome et ses implications structurales. Molécule - Distinguer les contributions sigma et pi d'un liaison multiple.
Pour un sel ionique - Connaitre les notions de maille élémentaire et de réseau.
Déterminer le nombre d’électrons de valence ; Connaitre la règle de l’octet, ses exceptions (octet étendu) ; Savoir définir paire liante, doublet libre ; Savoir définir radical, charge formelle et nombre d'oxydation ; Savoir définir forme et hybride de résonance ; Écrire la représentation de Lewis d’une molécule, d’un ion ou d’un radical ; Écrire les structures de résonance ; Déterminer les charges formelles et les nombres d’oxydation des atomes à partir d'une structure de Lewis ; Évaluer la polarité de liaison, la polarité d'une molécule ; Écrire les formes de résonance, évaluer leur contribution.
Pour une molécule simple - passer du dessin en 2D à la molécule en 3D ; Donner la forme et la polarité d’une molécule à partir de sa représentation de Lewis.
Pour un sel ionique - comprendre la structure cristalline ; Retrouver la formule unitaire d'un sel ionique à partir de la représentation de sa maille élémentaire.
Les complexes de coordination
Connaissances: définition d’un complexe de coordination.
3. Molécules organiques
Fonctions chimiques
Connaissances : Fonctions monovalentes, divalentes et trivalentes : structures et noms des fonctions.
Compétences: Savoir identifier et différencier les différentes fonctions présentes sur une molécule organique ; Savoir placer les doublets non liants sur les atomes ainsi que les charges le cas échéant (ex : fonction NO2).
Nomenclature
Connaissances : Règles de nomenclature IUPAC.
Compétences: Savoir donner un nom à une molécule chimique (savoir déterminer de la fonction principale de la molécule et la chaîne principale et identifier les substituants) ; Savoir dessiner la structure d’une molécule à partir de son nom.
Représentation des molécules dans l’espace
Connaissances : Formules brutes, semi-développées et développées ; Représentations de Cram, Newman, cavalière et Fischer.
Compétences: Connaître les différentes écritures des molécules organiques ; Savoir distinguer les différentes représentations dans l’espace ; Savoir représenter une molécule dans l’espace (en respectant les angles de liaison) à partir de sa formule et inversement.
4. Stéréochimie, mésomérie, isomérie
Stéréochimie
Connaissances : Définition du carbone asymétrique ; Règles de stéréochimie - définition et détermination des configurations absolues (R/S) ; Définition de la chiralité et du pouvoir rotatoire.
Compétences: Savoir identifier un carbone asymétrique ; Savoir attribuer la configuration absolue d’un carbone asymétrique ; Savoir reconnaitre une molécule chirale et optiquement active.
Isomérie
Connaissances : Définition des différentes isoméries ; Relations entre isomères.
Pouvoir rotatoire / Mélange racémique.
Compétences: Savoir différencier les isomères et donner les relations d’isomérie entre eux ; Savoir reconnaitre un mélange racémique ; Savoir déterminer l’existence ou non d’une activité optique à partir des molécules et leur stéréochimie.
Mésomérie
Connaissances : Effets inductifs et mésomères. Polarisations des liaisons. Densité électronique sur un atome (charges d+, d -) ; Déplacement des électrons appliqué aux molécules organiques. Règles de mésomérie (cas possibles, respect de la règle de l’octet, conservation de la charge globale).
Compétences: Savoir déterminer les charges partielles ; Savoir écrire les différentes formes mésomères possibles ; Savoir reconnaitre la délocalisation maximale des électrons ; Avoir des éléments de réflexion par rapport à la forme mésomère la plus probable.
5. Solutions
Connaisances: Solution, solvant et soluté. Dissociation, solvatation, et dispersion ; Electrolyte. Coefficient de dissociation ; Solubilité. Les règles générales de solubilité aqueuse des composés ioniques communs ; Produit de solubilité Ks.
Compétences: Evaluer si un mélange de composés est une solution ; Distinguer, en solution aqueuse, un é lectrolyte d’un non électrolyte d’un composé simple à partir de sa formule brute ; Distinguer un électrolyte fort d’un électrolyte faible à partir du coefficient de dissociation d’une substance dans l’eau ; Calculer la solubilité d’une substance dans l’eau à partir de Ks.
6. Réactions et équations chimiques
Connaissances: Combinaison, décomposition, déplacement, hydrolyse.
Compétences: Ecrire une équation bilan d’une réaction chimique ; Identifier les liaisons rompues et formées lors d’une réaction ; Utiliser la série d'activité des éléments pour prédire la réaction de déplacement simple entre métaux ; Utiliser la série d'activité des éléments pour prédire la réaction de déplacement simple entre halogènes ; Utiliser la série d'activité des éléments et les règles de solubilité aqueuse pour prédire la réaction de déplacement double entre deux composés ioniques.
7. Aspects quantitatifs
Connaissances : système chimique, transformation chimique, masse atomique, masse moléculaire, masse formulaire, nombre d’Avogadro, quantité de matière (la mole), volume molaire, masse molaire, concentration, dissolution, dilution, densité, masse volumique, loi de conservation de la matière, vitesse de réaction, lois de vitesse, effet de la température sur une réaction.
Compétences : Equilibrer une réaction chimique, déterminer des quantités de matière, déterminer des concentrations en solution, préparer des solutions par dissolution, préparer des solutions par dilution, établir des tableaux d’avancement, déterminer la loi de vitesse suivie par une réaction quand elle est d’ordre 0,1 ou 2, déterminer la vitesse d’une réaction.
8. Equilibres chimiques
Connaissances : loi des gaz parfaits, activité chimique, quotient de réaction, principe de modération de « Le Chatelier », constant e d’équilibre, taux d’avancement.
Compétences : Déterminer un quotient de réaction, déterminer une constante d’équilibre, appliquer le principe de modération de «Le Chatelier», décrire l’évolution d’un système chimique : sens de réaction, réaction à l’équilibre ou totale.
9. Forces intermoléculaires et états de la matière
Connaissances : géométrie et polarité des molécules, deux notions acquises lors des chapitres précédents
Compétences : être capable de prédire l’évolution des propriétés physiques de molécules de géométrie donnée en fonction de la position de l’atome central dans le tableau périodique des éléments ; Influence de la taille des molécules (masse molaire moléculaire) sur les propriétés physiques de composés moléculaires de géométrie donnée.
10. Réactions acido-basiques
La théorie de Bronsted
Connaissances : définition, nature chimique, force relative des acides et des bases ; définition des constantes d’acidité / de basicité ; définition du pH ; nivellement par l'eau ; diagramme de prédominance des espèces pour un couple acido-basique dans l'eau.
Compétences : Reconnaitre et nommer les acides et bases usuels ; Indiquer la force d’un acide ou d'une base à partir de son pKa/pKb ; Écrire la base conjuguée d’un acide et vice-versa ; Calculer le pH de solutions simples.
Le pH des solutions aqueuses
Connaissances : Formules communes pour le calcul du pH de solutions aqueuses simples ; Principe du titrage d’un acide par une base ou du titrage d’une base par un acide ; définition des points d’équivalence (neutralisation) et de demi-équivalence (demi-neutralisation) ; Définition d’un tampon.
Compétences : identifier les espèces prédominantes dans un mélange homogène entre plusieurs composés à propriétés acido-basiques ; Déterminer les points d’équivalence (neutralisation) et de demi-équivalence (demi-neutralisation) et les pH correspondants dans les réactions de titrage ; Savoir composer une solution tampon.
11. Réactions d'oxydo-réduction
Connaissances : définition d’oxydant, réducteur, anode, cathode, potentiel d’électrode, force électromotrice, état biologique standard ; loi de Nernst.
Compétences : reconnaitre l’oxydant et le réducteur d’un couple à partir des nombres d’oxydation ; savoir écrire des demi-réactions redox et s’en servir pour équilibrer une réaction redox dans l’eau ; dans le cas de réactions dépendantes du pH, savoir écrire une réaction bilan à pH acide et à pH basique ; comparer le caractère oxydant ou réducteur de composés à partir des valeurs de potentiels redox standard mesurés par rapport à une électrode normale à hydrogène (ENH) ; Prédire si une réaction redox est spontanée, dans l’eau et dans les conditions standard, à partir de potentiels redox standard ENH.
12. Réactivité des molécules organiques
Ecriture des réactions
Connaissances : Signification des différentes flèches ; Ecriture d’une réaction chimique. Notions liées aux réactions : substrat, réactif, produit, conditions réactionnelles (solvant, température, ...) ; Ecriture des mécanismes réactionnels.
Compétences : Reconnaitre les différentes flèches réactionnelles et mécanistiques ; Savoir écrire une réaction chimique ou un mécanisme réactionnel ; Savoir identifier le substrat, les réactifs, le solvant, ...
Réactions d’addition
Connaissances : Conditions et mécanismes des réactions d’addition.
Compétences : Reconnaitre les conditions réactionnelles ; Savoir définir quelle réaction a lieu et écrire le mécanisme correspondant ; Savoir trouver le(s) produit(s) formé(s) lors de la réaction
Réactions de substitution et d’élimination
Connaissances : Conditions et mécanismes des réactions de substitution nucléophile (SN) et d’élimination (E) ; Compétition SN/E.
Compétences : Reconnaitre les conditions réactionnelles ; Savoir définir quelle réaction a lieu et écrire le mécanisme correspondant ; Savoir trouver le(s) produit(s) formé(s) lors de la réaction.
Bibliographie
Se référer à la section « ouvrage de référence » de la plateforme moodle L1SPS-TC-UE1.