Caron figure B répartition des éléments chimiques20200429

(d'après Caron)

Thème 1: Une longue histoire de la matière

Introduction:

Les êtres vivants sont formés de grosses molécules: des lipides, des glucides, des protéines et de l'ADN. Or, ces molécules ne sont formées que de 5 ou 6 atomes: le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, du phosphore et dans une moindre mesure, du soufre.

Le soleil est une boule d'hydrogène et d'hélium en fusion... il n'y a pas de carbone, ni d'oxygène...etc.

Alors d'où viennent les atomes qui composent les molécules de nos cellules? Forcément de l'atome d'hydrogène.

Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue?

Aborder cette question nécessite de s’intéresser aux noyaux atomiques et à leurs transformations.

a- Un niveau d'organisation: les éléments chimiques (PC)

b- Des édifices ordonnés: les cristaux (SVT)

c- Une structure complexe: la cellule vivante (SVT)

 

Contenus:

a- Un niveau d'organisation: les éléments chimiques (PC)

Les noyaux des atomes de la centaine d’éléments chimiques stables résultent de réactions nucléaires qui se produisent au sein des étoiles à partir de l’hydrogène initial. La matière connue de l’Univers est formée principalement d’hydrogène et d’hélium alors que la Terre est surtout constituée d’oxygène, d’hydrogène, de fer, de silicium, de magnésium et les êtres vivants de carbone, hydrogène, oxygène et azote.

Certains noyaux sont instables et se désintègrent (radioactivité). L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est aléatoire. La demi-vie d’un noyau radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique se soit désintégrée. Cette demi-vie est caractéristique du noyau radioactif.

 

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b- Des édifices ordonnés: les cristaux (SVT)

Activités:

  • Utiliser une représentation 3D informatisée du cristal de chlorure de sodium.
  • Relier l’organisation de la maille au niveau microscopique à la structure du cristal au niveau macroscopique.

A retenir: Le chlorure de sodium solide, présent dans les roches, ou issu de l’évaporation de l’eau de mer, est constitué d’un empilement régulier d’ions: c’est l’état cristallin.

Activités:

  • Pour chacun des deux réseaux (cubique simple et cubique à faces centrées): représenter la maille en perspective cavalière; puis calculer la compacité dans le cas d’entités chimiques sphériques tangentes; enfin, dénombrer les atomes par maille et calculer la masse volumique du cristal.

A retenir: Plus généralement, une structure cristalline est définie par une maille élémentaire répétée périodiquement. Un type cristallin est défini par la forme géométrique de la maille, la nature et la position dans cette maille des entités qui le constituent. Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser. La position des entités dans cette maille distingue les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées. La structure microscopique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique.

Activités:

  • Distinguer, en termes d’échelle et d’organisation spatiale, maille, cristal, minéral, roche.
  • Les identifier sur un échantillon ou une image.

A retenir: Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes. Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline. Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux. Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul rénal, etc.).

Activités:

  • Mettre en relation la structure amorphe ou cristalline d’une roche et les conditions de son refroidissement.

A retenir: Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d’une lave.

Bilan:

Dans l'espace, la naissance de la molécule de dihydrogène s'est faite en même temps que la naissance de l'atome d'hydrogène. Si la molécule est une forme d'organisation de la matière molécule, l'état cristallin est une autre forme d'organisation de la matière. Cet état est caractérisé l'état solide de la matière, minéraux, roches, squelette, métaux, alors que la molécule peut être caratérisée par un état solide comme dans les cellules, un état liquide, comme pour l'eau ou bien un etat gazeux comme pour le dioxygène.

 

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c- Une structure complexe: la cellule vivante (SVT)

Activités:

  • Analyser et interpréter des documents historiques relatifs à la théorie cellulaire.
  • Situer les ordresde grandeur:atome, molécule, organite, cellule, organisme.

A retenir: La découverte de l’unité cellulaire est liée à l’invention du microscope.L’observation de structures semblables dans de très nombreux organismes a conduit à énoncer le concept général de cellule et à construire la théorie cellulaire.Plus récemment, l’invention du microscope électronique a permis l’exploration de l’intérieur de la cellule et la compréhension du lien entre échelle moléculaire et cellulaire.

Activités:

  • Relier l’échelle de la cellule et celle de la molécule (exemple de la membrane plasmique).
  • Schématiser la membrane plasmique à partir de molécules dont les parties hydrophile/lipophile sont identifiées.

A retenir: La cellule est un espace séparé de l’extérieur par une membrane plasmique. Cette membrane est constituée d’une bicouche lipidique et de protéines. La structure membranaire est stabilisée par le caractère hydrophile ou lipophile de certaines parties des molécules constitutives.

Bilan:

Dans le monde, la matière s’organise en structure d’ordre supérieur à l’échelle moléculaire. La structure cellulaire en est un exemple.

 

Objectif Bac:

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