Kaléidoscope. Science et technologie. Science et technologie de l’environnement 4 e secondaire. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités [2-2 ST-STE, 2e édition. ed.] 9782765054061, 2765054061

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Kaléidoscope. Science et technologie. Science et technologie de l’environnement 4 e secondaire. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités [2-2 ST-STE, 2e édition. ed.]
 9782765054061, 2765054061

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ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

CAHIER D’APPRENTISSAGE Savoirs et activités AHMED BENSAADA • ANNIE BOLDUC • VALÉRIE CLAUDE MOURAD MEZIANE • CATHERINE RHÉAUME • KARINE TARDIF

4e SECONDAIRE

2e édition Conforme à la PROGRESSION des apprentissages

Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Le tableau périodique des éléments.

ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

CAHIER D’APPRENTISSAGE Savoirs et activités AHMED BENSAADA • ANNIE BOLDUC • VALÉRIE CLAUDE MOURAD MEZIANE • CATHERINE RHÉAUME • KARINE TARDIF

4e SECONDAIRE

2e édition

Kaléidoscope, 2e édition Science et technologie Science et technologie de l’environnement 4e secondaire

Remerciements

Cahier d’apprentissage – Savoirs et activités Ahmed Bensaada, Annie Bolduc, Valérie Claude, Mourad Meziane, Catherine Rhéaume, Karine Tardif © 2017 TC Média Livres Inc. © 2012 Chenelière Éducation inc. Édition (2e édition) : Annie Fortier, Suzanne Champagne Édition (1re édition) : Annie Fortier, François Moreault Coordination (2e édition) : Suzanne Lavigne, Nadine Fortier, Lina Binet Coordination (1re édition) : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Cécile Poulou-Gallet, Ginette Gratton Révision linguistique : Suzanne Lavigne, Lina Binet Correction d’épreuves : Isabelle Canarelli Illustrations : Michel Rouleau, Martin Gagnon, Late Night Studio, Marc Tellier, Colpron (cartes) Conception graphique : Gisèle H Infographie : Pige communication Conception de la couverture : Gisèle H Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick St-Hilaire Impression : TC Imprimeries Transcontinental

TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction du présent ouvrage, en totalité ou en partie, par tous les moyens présentement connus ou à être découverts, est interdite sans l’autorisation préalable de TC Média Livres Inc. Toute utilisation non expressément autorisée constitue une contrefaçon pouvant donner lieu à une poursuite en justice contre l’individu ou l’établissement qui effectue la reproduction non autorisée. ISBN 978-2-7650-5406-1 Dépôt légal : 2e trimestre 2017 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 1

2

3

4 5

ITIB

21

20

19

18

17

Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Marc Bergeron, C.S. des Premières-Seigneuries, Hélène Boulanger, C.S. du Fer, Mona Langlois, C.S. Marie-Victorin, Julie Ricard, C.S. de la Rivière-du-Nord. Pour leur travail de révision scientifique réalisé avec rigueur et expertise, l’Éditeur tient à remercier : Marco Festa-Bianchet, professeur titulaire, Université de Sherbrooke (Univers vivant, chapitre 9), Denis Fyfe, consultant (Univers technologique, chapitres 11 à 13), Marie-Ève Lacombe-Harvey, Université de Sherbrooke (Univers matériel, chapitres 1 à 3), Benoît Leblanc, chargé de cours, Université de Sherbrooke (Univers vivant, chapitre 10), Richard Leonelli, professeur, Université de Montréal (Univers matériel, chapitres 4 et 5), Denis Pinsonnault, consultant (Terre et espace, chapitres 6 à 8).

TABLE DES MATIÈRES Organisation du cahier              VII Aperçu des activités interactives       IX

UNIVERS MATÉRIEL 1.5.1

La notion de mole          62

2

1.5.2

Le nombre d’Avogadro       63

3

1.5.3

La masse molaire          64

CHAPITRE 1 L’organisation de la matière

                

Rappel                    1.1

1.2

1.3

Les modèles atomiques          3 1.1.1

Les premiers modèles atomiques              4

1.1.2

Le modèle de Rutherford-Bohr  

1.1.3

Le modèle atomique simplifié STE            15

La masse atomique

physiques des solutions

     

75

Rappel                     76 2.1

Les électrolytes                77 2.1.1

La conductibilité électrique    77

1.2.1

La masse atomique relative    20

2.1.2

La dissociation électrolytique    77

1.2.2

Les isotopes             21

1.2.3

Le calcul de la masse atomique   22

STE

OUTIL 1

Le tableau périodique des éléments  27

1.3.2

1.5

CHAPITRE 2 Les propriétés

        20

1.3.1

1.4

5

Consolidation du chapitre 1          70

L’organisation générale du tableau périodique       29 Les familles du tableau périodique              30

2.2

Vérifier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse               79

2.1.3

La force des électrolytes STE   81

2.1.4

Les acides, les bases et les sels   83

La concentration               87 2.2.1

La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%)           87

1.3.3

Les périodes du tableau périodique              32

1.3.4

La périodicité des propriétés STE         38

2.2.2

La concentration en parties par million (ppm)          88

1.3.5

La notation de Lewis        39

2.2.3

La concentration molaire (mol/L) STE             89

Les molécules                44 1.4.1

Les ions                44

1.4.2

La nature de la liaison STE

1.4.3

Les règles de nomenclature et d’écriture des composés binaires STE             60

   50

2.3

Le pH

                    96

2.3.1

L’échelle pH             96

2.3.2

Le pH et la concentration molaire en ions H+ STE      97

Consolidation du chapitre 2         100

La notion de mole et le nombre d’Avogadro STE               62

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TABLE DES MATIÈRES

III

CHAPITRE 3 Les transformations

chimiques et les transformations nucléaires                     

La loi de la conservation de la masse              

107

Le balancement des équations chimiques               

111

3.1.3

La stœchiométrie STE        

115

3.1.4

Les réactions endothermiques et exothermiques STE        

125

3.1.2

3.1.5

4.4

Des exemples de transformations chimiques (neutralisation acidobasique, produits de neutralisation acidobasique STE , combustion, oxydation STE , photosynthèse et respiration cellulaire) 129

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L'activité humaine au cœur des changements climatiques            

Les transformations nucléaires

La loi de la conservation de l’énergie               

166

L’énergie thermique              

176

La distinction entre la chaleur et la température           

176

La relation entre la chaleur, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température STE         

176

Le rendement énergétique         

181

STE

4.4.1

4.4.2

4.5

Consolidation du chapitre 4            184

CHAPITRE 5 L’électricité et l’électromagnétisme 5.1

         

189

Les phénomènes électriques        190

135

5.1.1

La charge électrique         

190

   137

5.1.2

L’électricité statique          

191

      

196

     

197

3.2.1

La stabilité nucléaire         

137

5.1.3

La loi de Coulomb STE

3.2.2

La radioactivité             

140

5.1.4

Le champ électrique STE

3.2.3

La fission et la fusion nucléaires   

143

5.2

Les circuits électriques             203

Consolidation du chapitre 3            146

5.2.1

Les types de circuits électriques    205

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

5.2.2

Les instruments de mesure      205

L'irradiation des aliments

STE

           

152

OUTIL 2

CHAPITRE 4 Les transformations de l’énergie

                   

153

Rappel                       154 4.1

La relation entre la masse et le poids STE                  155

4.2

Le travail 4.2.1 4.2.2

4.3

                 

158

La relation entre le travail, la force et le déplacement      

158

La force efficace            

159

STE

L’énergie mécanique              163 4.3.1 4.3.2

IV

4.3.4

Les transformations chimiques       107 3.1.1

3.2

La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, la grandeur du champ gravitationnel et la hauteur STE            165

 105

Rappel                       106 3.1

4.3.3

La relation entre le travail et l’énergie STE            

163

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE           

164

TABLE DES MATIÈRES

5.3

Mesurer le courant et la différence de potentiel      206

5.2.3

La loi d’Ohm              

214

5.2.4

Les lois de Kirchhoff

218

5.2.5

La relation entre la puissance et l’énergie électrique          230

STE

     

Les phénomènes électromagnétiques    234 5.3.1

Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques    

234

5.3.2

Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant        239

5.3.3

Le champ magnétique d’un solénoïde STE         

241

Consolidation du chapitre 5            246

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TERRE ET ESPACE

7.2.3

La circulation océanique        309

7.2.4

Les glaciers et les banquises    

310

CHAPITRE 6 L’espace

7.2.5

La contamination de l’hydrosphère STE

       

313

Le traitement des eaux usées STE               

315

et l’atmosphère

                 254 7.2.6

Rappel                       255 6.1

L’espace                      256 6.1.1

Le flux d’énergie émis par le Soleil                256

6.1.2

Le système Terre-Lune         257

7.2.7

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère             320

Consolidation du chapitre 7            323

6.2

Les masses d’air                 261

CHAPITRE 8 La biosphère

6.3

La circulation atmosphérique        262

8.1

6.4

Les vents dominants

262

8.1.1

La portion biochimique         330

6.5

Les cyclones et les anticyclones      264

8.1.2

La portion géochimique       

STE

         

       

329

Le cycle du carbone              330 331

6.5.1

La formation d’un cyclone       264

8.2

Le cycle de l’azote                334

6.5.2

La formation d’un anticyclone     265

8.3

Le cycle du phosphore

6.6

La contamination de l’air

269

8.4

Les biomes terrestres              341

6.7

L’effet de serre                  270

8.5

Les biomes aquatiques             345

6.8

Les ressources énergétiques de l’atmosphère                 273

STE

      

Consolidation du chapitre 6            277

CHAPITRE 7 La lithosphère et l’hydrosphère

               

283

Rappel                       284 7.1

La lithosphère                  285 7.1.1

Les minéraux               285

7.1.2

Les horizons du sol           285

7.1.3

Le pergélisol               286

7.1.4

La contamination des sols STE

7.1.5

L’épuisement des sols STE

8.6

338

8.5.1

Les biomes marins            345

8.5.2

Les biomes d’eau douce        346

Les facteurs influençant la distribution des biomes          348

UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9 L’écologie

           354

Rappel                       355 9.1

L'organisation des vivants           355

  

289

9.1.1

Les populations             355

    

295

9.1.2

Les communautés            356

9.1.3

Les écosystèmes             357

La déforestation STE                   296

7.2

       

Consolidation du chapitre 8            350

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

7.1.6

STE

9.2

Les ressources énergétiques de la lithosphère             298

L’hydrosphère                   303

Les interactions                 361 361

9.2.1

La dynamique des populations   

9.2.2

La dynamique des communautés           362

7.2.1

Les bassins versants          304

9.2.3

La dynamique des écosystèmes    365

7.2.2

La salinité                 305

9.2.4

Les transformations de la matière et de l’énergie              

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’eau potable

                     

Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

308

9.3

L’écotoxicologie

STE

           

370 373

TABLE DES MATIÈRES

V

9.4

9.3.1

Les contaminants           

373

11.3.2

Le façonnage               428

9.3.2

Le seuil de toxicité           

374

11.3.3

L'inspection                430

L’empreinte écologique

       

STE

375

Consolidation du chapitre 9            377

OUTIL 3

Utiliser un pied à coulisse

STE

 

431

Consolidation du chapitre 11           436

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

Des montagnes de déchets électroniques STE

CHAPITRE 10 La génétique Rappel

 

379

mécanique STE

    380

                     381

10.1 Les mécanismes de l'ADN

STE

     

382

Rappel

                     442                      443

12.1 Les caractéristiques des liaisons      444 12.2 Les degrés de liberté

        

STE

445

10.1.1

La structure de l’ADN          382

12.3 La fonction de guidage            449

10.1.2

La synthèse des protéines       383

12.4 L’adhérence et le frottement

10.2 L’hérédité

                

STE

387

10.2.1

Les chromosomes et les gènes               388

10.2.2

Les allèles                 388

10.3 Les croisements 10.3.1

            

STE

394

L’échiquier de croisement       394

10.4 Le clonage

STE

               

398

10.4.1

Le clonage naturel            398

10.4.2

Le clonage artificiel           398

10.4.3

Les avantages et les désavantages du clonage                399

Consolidation du chapitre 10

STE

      

401

UNIVERS TECHNOLOGIQUE CHAPITRE 11 Le langage des lignes, les matériaux et la fabrication Rappel

    

450

12.5 Les systèmes de transmission

du mouvement                  454 12.6 Les systèmes de transformation

du mouvement                  461 Consolidation du chapitre 12           469

CHAPITRE 13 L’ingénierie électrique

                     

475

13.1 La fonction d’alimentation         

476

13.1.1

Les condensateurs STE

      

477

13.2 Les fonctions de conduction,

d’isolation et de protection          480 13.2.1

La fonction de conduction       480

13.2.2

La fonction d’isolation        

13.2.3

La fonction de protection       482

481

13.3 La fonction de commande          486 13.3.1

Les types d’interrupteur         487

                     407

13.3.2

Le rôle et la structure des différents interrupteurs STE   

STE

   

        

408

11.1.1

Le dessin technique           408

11.1.2

Les tolérances dimensionnelles   

412

11.2 Les matériaux                  

414

11.2.1

Les contraintes             

414

11.2.2

Les propriétés des matériaux    

417

11.2.3

Les céramiques, les plastiques et les matériaux composites      420

11.2.4

La dégradation des matériaux et les procédés de protection     424

11.2.5

Les traitements thermiques STE   426

11.3 La fabrication 11.3.1

STE

406

11.1 Le langage des lignes

VI

CHAPITRE 12 L’ingénierie

STE

             

488

13.4 La fonction de transformation

de l’énergie                    490 PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’énergie                         

494

13.5 La fonction de régulation

494

STE

      

13.5.1

Les résisteurs               495

13.5.2

Les diodes                496

Consolidation du chapitre 13           498 Index                           501 Sources                          506

427

Le mesurage et le traçage       427

TABLE DES MATIÈRES

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ORGANISATION DU CAHIER LE DÉBUT D’UNE PARTIE Le cahier est divisé en quatre parties : Univers matériel, Terre et espace, Univers vivant et Univers technologique.

Un sommaire présente les chapitres d’une partie.

Un texte d’introduction annonce le contenu d’un chapitre.

LE CONTENU D’UN CHAPITRE

LE DÉBUT D’UN CHAPITRE Un chapitre est divisé en plusieurs sections.

Le pictogramme STE identifie les concepts exclusifs à ce programme. Un sommaire présente les sections d’un chapitre.

Chaque section porte sur des concepts à l’étude. Les définitions des concepts sont mises en évidence.

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Dans la plupart des chapitres, un Rappel résume les connaissances antérieures préalables.

ORGANISATION DU CAHIER

VII

La rubrique Outil présente des techniques utiles en science et technologie.

Les activités sont constituées d’un grand nombre d’exercices qui portent sur les notions abordées dans la ou les sections qui les précèdent.

La rubrique Problématique environnementale permet la mise en contexte d’un ou de plusieurs concepts avec une problématique environnementale. Cette rubrique est suivie d'une ou de plusieurs activités qui s'y rapportent. La rubrique Communauté scientifique présente une personnalité ayant marqué l’histoire scientifique ou technologique.

En fin de chapitre, les activités de Consolidation permettent d’établir des liens entre les concepts vus dans les sections d’un même chapitre. La rubrique Flash science ou Flash techno apporte de l’information complémentaire.

VIII

ORGANISATION DU CAHIER

Un pictogramme indique que des activités interactives qui portent sur les notions abordées sont offertes sur la plateforme i+ interactif de Chenelière Éducation.

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APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES ST STE , 2e édition comprend de nombreux éléments numériques La collection offerts sur la plateforme i+ Interactif de Chenelière Éducation, dont 38 activités interactives portant sur les contenus du cahier. On y trouve plusieurs activités interactives par chapitre et deux activités interactives de consolidation de l’univers matériel. Ces activités, identifiées par le pictogramme , sont accessibles à partir de diverses pages du cahier. Leur emplacement indique le moment opportun pour les réaliser (voir l’emplacement des activités dans le tableau ci-dessous et à la page suivante). Chaque activité interactive est exclusive à l’un ou l’autre des deux programmes. Le numéro et le titre de l’activité apparaissent avec la mention ST ou STE lorsque la souris survole le pictogramme . Cette information apparaît également sur le bandeau bleu de chaque activité, comme on le voit sur l’exemple ci-dessous.

Univers et chapitres

Activités interactives (AI) et leur emplacement dans le cahier

UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1

AI 01 ST : Les modèles atomiques, p. 8 AI 02 STE : Les modèles et la masse atomiques, p. 23 AI 03 ST : Le tableau périodique, p. 40 AI 04 STE : Le tableau périodique, p. 40 AI 05 STE : Les molécules, la notion de mole et le nombre d’Avogadro, p. 66

CHAPITRE 2

AI 06 ST : Les ions et les électrolytes, p. 85 AI 07 STE : Les ions et les électrolytes, p. 83 AI 08 ST : La concentration et le pH, p. 98 AI 09 STE : La concentration et le pH, p. 98

L’organisation de la matière

Les propriétés physiques des solutions

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APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES

IX

Aperçu des activités interactives (suite) Univers et chapitres

Activités interactives (AI) et leur emplacement dans le cahier

CHAPITRE 3

AI 10 ST : La loi de la conservation de la masse et le balancement des équations chimiques, p. 113 AI 11 STE : La stœchiométrie, p. 117 AI 12 ST : Des exemples de transformations chimiques, p. 133 AI 13 STE : Les réactions endothermiques et exothermiques et des exemples de transformations chimiques, p. 133 AI 14 STE : Les transformations nucléaires, p. 144

CHAPITRE 4

AI 15 STE : La relation entre la masse et le poids et la notion de travail, p. 160 AI 16 ST : La loi de la conservation de l’énergie, l’énergie thermique et le rendement énergétique, p. 183 AI 17 STE : L’énergie mécanique et l’énergie thermique, p. 178

CHAPITRE 5

AI 18 ST : Les phénomènes électriques, p. 193 AI 19 STE : Les phénomènes électriques, p. 198 AI 20 ST : Les circuits électriques, p. 231 AI 21 STE : Les circuits électriques, p. 223 AI 22 ST : Les phénomènes électromagnétiques, p. 240 AI 23 STE : Les phénomènes électromagnétiques, p. 243

Les transformations chimiques et les transfor­ mations nucléaires

Les transformations de l’énergie

L’électricité et l’électromagnétisme

AI 24 ST : Consolidation de l’univers matériel, p. 246 AI 25 STE : Consolidation de l’univers matériel, p. 246

TERRE ET ESPACE CHAPITRE 6

L’espace et l’atmosphère

AI 26 ST : L’espace, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère, p. 253 AI 27 STE : La lithosphère et l’hydrosphère, p. 323

CHAPITRE 7

La lithosphère et l’hydrosphère AI 28 ST : La biosphère, p. 350 AI 29 STE : Le cycle du phosphore, p. 350

CHAPITRE 8 La biosphère

UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9

AI 30 ST : L’écologie, p. 377 AI 31 STE : L’écologie, p. 377

L’écologie

CHAPITRE 10 La génétique

AI 32 STE : La génétique, p. 401

STE

UNIVERS TECHNOLOGIQUE CHAPITRE 11

AI 33 ST : Les matériaux, p. 436 AI 34 STE : Le langage des lignes et la fabrication, p. 436

CHAPITRE 12

AI 35 ST : L’ingénierie mécanique, p. 469 AI 36 STE : L’ingénierie mécanique, p. 469

CHAPITRE 13

AI 37 ST : L’ingénierie électrique, p. 498 AI 38 STE : L’ingénierie électrique, p. 498

Le langage des lignes, les matériaux et la fabrication L’ingénierie mécanique L’ingénierie électrique

X

APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES

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SOMMAIRE CHAPITRE 1 L’organisation de la matière

UNIVERS

materiel

 2

CHAPITRE 2 Les propriétés physiques

des solutions  75 CHAPITRE 3 Les transformations chimiques et les transformations nucléaires  105 CHAPITRE 4 Les transformations de l’énergie  153 CHAPITRE 5 L’électricité et l’électromagnétisme  189

chapitre

1

L’ORGANISATION DE LA MATIÈRE

L’examen de la structure de la matière permet de décrire de façon détaillée ce qui est invisible et infiniment petit. Ce chapitre vous fera découvrir la structure atomique et vous familiarisera avec la masse atomique. Il vous permettra aussi d’utiliser le tableau périodique des éléments, de connaître les mécanismes de formation des molécules et de comprendre la notion de mole et le nombre d’Avogadro.

SOMMAIRE

Rappel  3 1.1 Les modèles atomiques  3 1.2 La masse atomique STE  20 1.3 Le tableau périodique des éléments  27 1.4 Les molécules

 44

1.5 La notion de mole et le nombre

d’Avogadro STE



62

RAPPEL

La ucu  la ai • L atomes  l plu pi paicul qui ciu la ai. Il  l ciua  ba  u l ubac   u l bj qui u u. L a puv  li chiiqu l u aux au pu f  lécul.

• U molécule  u abla ’au i ux a iiqu u iffé, ui pa  li chiiqu.

L’om vu  Jon Dlon (1808).

L molécul vu  Jon Dlon (1808).

L’élé

L l paiculai

U élément  u ubac pu ciué ’u ul yp ’a. L iffé élé qui xi a la au  péé a l ablau péiiqu  élé.

Afi ’xpliqu l’aiai, l ppiéé  l cp  la ai, l ciifiqu  ppé u l. Il ’ai u modèle particulaire.

Un cub d f u s un élémn usqu’l s consué d’un sul y d’oms (ls oms d l’élémn f).

Ds moléculs d’u ésnés à l’d du modèl cul.

1.1 Les modèles

atomiques De tout temps, les scientifiques ont étudié la matière grâce à l’observation et à l’expérimentation. À l’aide de modèles, ils ont pu expliquer ses propriétés et ses comportements.

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Chapitre 1 L’orgAnIsAtIon de LA mAtIère

3

1.1.1

Les premiers modèles atomiques ANTIQUITÉ

Démocrite (460-370 av. J.-C.)

Aristote (384-322 av.J.-C.)

Les philosophes grecs s’interrogent sur la nature de la matière. • Démocrite croit que la matière est composée de particules indivisibles infiniment petites qu’il nomme « atomes » (du grec atomos : indivisible). Selon lui, la matière est discontinue, car, lorsque les particules sont assemblées, il y a un vide entre elles.

1808

1895

John Dalton (1766-1844)

Wilhelm Röntgen (1845-1923)

Un chimiste anglais tire de l’oubli le modèle atomique de Démocrite et l’améliore. On le considère comme le « père de la théorie atomique ».

1896

1897

1898

Joseph John Thomson (1856-1940)

Découverte des rayons X

Marie et Pierre Curie Découverte de deux éléments radioactifs : le polonium et le radium

Henri Becquerel (1852-1908) Découverte de la radioactivité

Selon ce scientifique anglais, le modèle atomique de Dalton n’explique pas les phénomènes électriques de la matière. Ses expériences avec un tube à rayons cathodiques (tube vide parcouru par un courant) l’amènent à découvrir une particule subatomique (contenue à l’intérieur de l’atome) qu’il nomme « électron ». Sphère pleine (charge positive) Pâte

Le modèle de la matière selon Démocrite. • Aristote refuse l’idée que la matière est indivisible et qu’elle comporte du vide. Selon lui, la matière est continue et divisible à l’infini. Sa théorie sera préférée à celle de Démocrite pendant plus de 2 000 ans…

Selon le modèle de Dalton, les atomes sont des sphères pleines, uniformes et indivisibles. A

Le modèle de Dalton, aussi appelé modèle particulaire, repose sur les points suivants : 1. La matière est composée de particules indivisibles qu’on appelle « atomes ».

UNIVERS MATÉRIEL

B

Le modèle atomique de Thomson a été comparé au célèbre dessert britannique. A Un plum-pudding (pain aux raisins). B Le modèle atomique de Thomson.

2. Les atomes d’un même élément sont identiques.

Puisque l’atome peut libérer des électrons, il est donc divisible. Selon son modèle :

3. Les atomes d’éléments distincts sont différents.

1. L’atome est une sphère pleine, de charge positive.

4. Lors des réactions chimiques, les atomes se réassemblent pour former de nouvelles substances.

4

Électron (charge négative)

Raisin sec

2. Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère. 3. La charge positive de la sphère est électriquement contrebalancée par la charge négative des électrons, de telle sorte que l’atome est électriquement neutre.

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UM 1.1

1.1.2

Le modèle de Rutherford-Bohr

1911

1913

Ernes Ruherfrd (1871-1937)

Nels Bhr (1885-1962)

Ce physcen nézélnds cherche à explquer l’nercn enre le rynnemen rdcf e l mre.

• α (alpha) : de charge positive • β (bêta) : de charge négative • γ (gamma) : électriquement neutre En 1909, il bombarde une mince feuille d’or à l’aide de particules alpha (α).

Ernes Ruherfrd (1871-1937)

Jmes Chdwck (1891-1974)

• Les prcules psves sn suées dns le nyu e sn nmmées « prns ». • L’me én élecrquemen neure, l y ur un de prns dns le nyu que d’élecrns rvn uur de lu.

Mdle de Ruherfrd-Bhr (1913) Bohr corrige certaines imprécisions du modèle de Rutherford : • les électrons ne se déplacent pas au hasard autour du noyau, mais plutôt sur des orbites précises (les « couches électroniques »); • chaque orbite correspond à un niveau d’énergie précis : plus on s’éloigne du noyau, plus le niveau énergétique des orbites augmente ;

Décuvere d’une ure prcule submque dns le nyu : le neurn (1932). Voir la section 1.1.3 Le modèle atomique simplifié STE , p. 15.

Noyau

Électron

• chaque orbite contient un nombre précis d’électrons.

3 2

1

2

3

1 Noyau

3

A

STE 1932

Le physcen dns s’nerre sur le cmpremen des élecrns dns le mdle de Ruherfrd. S un élecrn se déplce uur du nyu, l d subr une ccélérn u en émen cnnuellemen de l’énere. Purqu ne mbe--l ps sur le nyu lrsque sn énere dmnue ?

Rutherford sait que les charges électriques se repoussent si elles sont de même signe et qu’elles s’attirent si elles sont de signes différents. En 1903, il montre à l’aide d’un champ électrique que le rayonnement radioactif est fait de trois constituants :

Faisceau de particules α (alpha)

1919

1

L modèl omqu d Rurford (1911) s uss lé « modèl lnér ».

3 Feuille d’or

L’xérnc d Rurford (1909). A Les bservns de Ruherfrd lrs de sn expérence. Ses observations sont les suivantes : 1. La majorité des particules α traverse cette feuille sans déviation. 2. Un petit nombre (environ 1/105) rebondit sur la feuille sans la traverser. 3. Un certain nombre subit une déviation en traversant la feuille.

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B

Atome

B L’nerprén de Ruherfrd.

Selon son interprétation, son modèle repose sur les points suivants : 1. L’atome est essentiellement constitué de vide.

Noyau

2. La matière est concentrée dans un espace restreint (environ 1/105 de la surface de l’atome), le « noyau ».

Orbite électronique

3. Ce noyau est chargé positivement puisqu’il repousse les particules alpha, qui sont déviées.

L modèl omqu d Rurford-Bor (1913).

Électron

ChapitRe 1 L’oRgaNiSatioN DE La MatièRE

5

Le numéro atomique Les travaux de Rutherford ont démontré que c’est dans le noyau atomique que se concentre toute la charge électrique positive et que ce noyau est composé de protons. Le numéro atomique (symbolisé par Z) d’un atome correspond au nombre de protons que contient son noyau. C’est le numéro atomique qui permet d’identifier un atome. Pour assurer sa neutralité électrique, un atome possède autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives). À titre d’exemple, la figure 1 représente un atome dont le numéro atomique (Z) est égal à 19.

La configuration électronique d’un élément Figure 1 La configuration électronique d’un atome de potassium (K) qui possède 19 électrons : 2 électrons sur la première orbite, 8 sur la deuxième, 8 sur la troisième et un électron sur la dernière orbite.

La configuration électronique d’un atome est la représentation simplifiée d’un atome en tenant compte de son noyau de charge positive ainsi que de ses électrons distribués sur les couches électroniques tel que préconisé par la contribution de Bohr (voir la figure 1). La configuration électronique se présente comme suit. • On représente le noyau de l’atome par un cercle. À noter qu’il est d’usage d’inscrire un signe + à l’intérieur du cercle représentant le noyau, ou encore le symbole chimique de l’élément représenté.

Figure 2 La configuration électronique du potassium (K) (Z = 19).

• On peut aussi représenter les couches électroniques par des arcs de cercles positionnés à droite du noyau. Le nombre d’électrons contenu sur chaque couche est alors indiqué en dessous des arcs de cercles (voir la figure 2). Le nombre d’orbites et d’électrons dépend de la matière dont est fait l’atome.

Pour les éléments dont le numéro atomique (Z) n’excède pas 20, voici comment les couches électroniques sont disposées : • 1re couche (couche la plus proche du noyau) : saturée avec 2 électrons ; • 2e couche : saturée avec 8 électrons ; • 3e couche : saturée avec 8 électrons ; • dernière couche (couche la plus éloignée du noyau) : électrons restants.

La dernière couche électronique est nommée « couche périphérique » et les électrons qui s’y trouvent sont appelés « électrons de valence ». Pour représenter la configuration électronique d’un atome donné (Z ≤ 20), il faut procéder de la façon suivante : 1. On détermine le nombre d’électrons contenus dans l’atome (il est égal au nombre de protons contenus dans le noyau de l’atome). 2. On distribue ces électrons sur les couches électroniques en suivant les règles précisées sur la page suivante.

6

UNIVERS MATÉRIEL

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UM 1.1

• On commence par remplir la couche la plus proche du noyau (cette couche ne peut contenir plus de 2 électrons). • On remplit les couches successives (chacune des couches contient un maximum de 8 électrons). • On place les électrons de valence sur la couche périphérique (comme les autres couches, cette couche ne peut contenir plus de 8 électrons).

Si on applique cette méthode à l’atome de calcium (Ca) (voir la figure 3), on obtient le résultat suivant : 1. L’atome de calcium contient 20 protons: il possède donc 20 électrons. 2. On distribue les électrons sur les couches électroniques:

Fgu 3 L confguon élconqu du clcum (C) (Z = 20).

• on place 2 électrons sur la première couche (il reste 18 électrons

à placer) ; • on place 8 électrons sur la deuxième couche (il reste 10 électrons

à placer) ; • on place 8 électrons sur la troisième couche (il reste 2 électrons

à placer) ; • on place les 2 électrons restants sur la quatrième couche (cette

couche périphérique contient effectivement un nombre d’électrons inférieur à 8). Cette représentation permet de constater que l’atome de potassium (K) qui possède 19 électrons (voir la figure 2) et l’atome de calcium (Ca) qui en possède 20 (voir la figure 3) ont tous les deux 8 électrons sur leur troisième couche électronique. Mais elle nous permet aussi de remarquer que ces atomes ont respectivement 1 et 2 électrons de valence sur leur couche périphérique.

La chaleur ou l’électricité excite l’électron, qui est projeté sur une orbite supérieure. Lors du retour de l’électron à son orbite initiale, il y a émission d’énergie sous forme de lumière.

L’émission de lumière par la matière Bohr explique le phénomène de l’émission de lumière par la matière en utilisant son concept de couches électroniques (voir la figure 4) : • Lorsqu’un électron se déplace sur une orbite précise, il n’émet pas d’énergie et conserve une énergie constante. • Pour qu’il passe d’une orbite de faible énergie à une autre dont l’énergie est plus haute, il faut lui fournir de l’énergie (ex. : chaleur). • Au contraire, lorsqu’il passe d’une orbite de haute énergie à une autre dont l’énergie est plus faible, il émet une énergie sous forme de lumière. La valeur de cette énergie correspond à la différence d’énergie entre les deux orbites.

La disposition des électrons sur les orbites électroniques, aussi appelée « configuration électronique », doit respecter la règle qui consiste à remplir d’abord les orbites de niveau énergétique inférieur avant de passer aux autres.

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Noyau Orbites

Fgu 4 L’bsoon d’éng m à un élcon d’nd un nvu d’ob suéu. Losqu’l oun à un ob éngéqumn nféu, l ém d l lumè.

Chapitre 1 L’organisation de La matière

7

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Ernest Rutherford (1871-1937)

Ernest Rutherford, quatrième enfant d’une fratrie de 12, est d’origine néo-zélandaise. Brillant élève, il fut accepté au laboratoire Cavendish (à Cambridge, en Angleterre) en 1895 où il poursuivit ses recherches avec Joseph John Thomson. Il accepta ensuite un poste à l’Université McGill à Montréal où il travailla sur la radioactivité. Il y demeura de 1898 à 1907, puis retourna en Angleterre à titre de professeur à l’Université de Manchester. C’est là qu’il fit sa découverte majeure en 1911 : le noyau atomique. Rutherford obtint le prix Nobel de chimie en 1908. En 1919, il devint le directeur du laboratoire Cavendish et il le restera jusqu’à sa mort, en 1937. Ernest Rutherford est considéré comme le père de la physique nucléaire. Le bâtiment du Département de physique de l’Université McGill porte aujourd’hui son nom, en hommage à son immense contribution à la science.

Activités 1.1.1 et 1.1.2 1

Durant l’Antiquité grecque, deux philosophes ont proposé des modèles pour représenter la structure de la matière. a ) De qui s’agit-il ?

b ) Comparez, en quelques mots, leurs modèles atomiques.

8

2

Peut-on dire que les modèles de Démocrite et d’Aristote sont des modèles scientifiques ? Expliquez votre réponse.

3

Sur quel modèle de l’Antiquité grecque John Dalton s’est-il appuyé pour proposer son modèle ?

4

Comment John Dalton a-t-il été surnommé ?

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UM 1.1

5

Quelles sont les caractéristiques du modèle de Dalton ?

6

Le schéma suivant représente une réaction chimique.

Si l’on se base sur le modèle atomique de Dalton : a ) que peut-on dire des éléments représentés par les atomes 1 et 2 ?

b ) que peut-on dire des éléments représentés par les atomes 1 et 3 ?

c ) quel point de sa théorie ce schéma illustre-t-il ?

7

Parmi les énoncés suivants, lesquels correspondent à une caractéristique du modèle de Thomson ou à sa découverte de l’électron ? Cochez les cases appropriées. a ) L’atome est considéré comme une sphère vide, de charge positive. b ) Thomson a découvert l’électron en réalisant des expériences à l’aide d’un appareil appelé « tube cathodique ». c ) Les électrons, de charge négative, sont répartis de façon irrégulière dans cette sphère. d ) L’atome est considéré comme une sphère pleine, de charge positive. e ) Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère. f ) L’atome est une sphère pleine dans laquelle les électrons sont insérés. g ) Durant ses expériences, Thomson a découvert des particules chargées positivement.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

9

8

Quel surnom donne-t-on au modèle de Thomson ? Pourquoi lui donne-t-on ce surnom ?

9

La découverte de l’électron par Thomson représente un tournant historique dans la recherche sur l’atome. Pourquoi ?

10

L’expérience que réalisa Rutherford en 1903 lui fournit une première piste quant à l’élaboration de son modèle atomique (voir l’expérience de Rutherford [1903] à la page 5). a ) Cette expérience lui montra, entre autres, quels étaient les constituants du rayonnement radioactif. Nommez ces constituants et donnez la nature de leur charge électrique.

b ) Comment Rutherford arriva-t-il à identifier les trois constituants du rayonnement radioactif ?

c ) Cette expérience lui permit d’observer un comportement de la matière qui ne pouvait pas être expliqué avec le modèle de Thomson. Lequel ?

11

10

Expliquez comment il est possible de modifier le modèle de Thomson de façon à obtenir celui de Rutherford.

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UM 1.1

12

Le schéma ci-contre illustre l’expérience de la feuille d’or réalisée par Rutherford en 1909.

3 2

a ) Expliquez cette expérience et les résultats qui en ont découlé.

1

3 Faisceau de particules α (alpha) Feuille d’or

b ) Comment Rutherford a-t-il expliqué le fait que la majorité des particules α traversait la feuille d’or sans aucune déviation ?

c ) Les particules α qui traversent la feuille d’or, mais qui sont déviées de leur trajectoire donnent une indication sur la charge électrique du noyau. Quelle est cette charge ? Expliquez votre réponse.

d ) Dites pourquoi l’expérience de la feuille d’or de Rutherford montre que la taille du noyau est très petite comparativement à celle de l’atome.

13

Le modèle atomique de Rutherford possède des caractéristiques qui le distinguent des modèles de ses prédécesseurs. a ) Tracez d’abord le schéma de ce modèle. Identifiez ensuite ses parties.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

11

b ) Décrivez chacune des parties identifiées sur votre schéma, tel que l’aurait fait Rutherford.

c ) Comment surnomme-t-on ce modèle ? Pourquoi le surnomme-t-on ainsi ?

12

14

En quoi consiste la contribution de Niels Bohr au modèle de Rutherford ?

15

Le schéma suivant représente la structure d’un atome selon le modèle de Rutherford, tout en tenant compte de la contribution de Bohr. Identifiez d’abord les parties de cette structure. Puis, décrivez-les.

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UM 1.1

16

Selon les précisions apportées par Niels Bohr, qu’arrive-t-il lorsqu’un électron passe d’une orbite énergiquement élevée à une autre orbite dont le niveau énergétique est plus faible ?

17

Comment appelle-t-on la dernière couche électronique d’un atome et les électrons qui s’y trouvent ?

18

Comment se nomme la disposition des électrons sur les couches électroniques d’un atome ?

19

Dessinez la configuration électronique du silicium (Si), du magnésium (Mg), de l'argon (Ar) et du fluor (F), sachant que les numéros atomiques de ces éléments sont respectivement 14, 12, 18 et 9. a ) Si

c ) Ar

b ) Mg

d) F

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

13

20

La configuration électronique suivante respecte-t-elle la règle de remplissage des couches électroniques d’un atome ? Expliquez votre réponse et corrigez, s’il y a lieu, le nombre d’électrons notés sous chaque arc de cercle.

21

Quel est le numéro atomique de l’atome représenté ci-dessous ? Expliquez votre réponse.

22

En 1919, Rutherford fit une nouvelle découverte. a ) Quelle particule, qui se trouve dans le noyau atomique, découvre-t-il ?

b ) L’atome, selon Rutherford, est-il électriquement neutre ? Expliquez votre réponse.

c ) Pourquoi le noyau atomique est-il de charge positive ?

d ) À cette époque, le modèle de Rutherford contient deux particules subatomiques. Quelles sont ces particules ?

14

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UM 1.1

1.1.3

Le modèle atomique simplifié

Nucléons

STE

Neutron

Proton

Le modèle de Rutherford comportait des faiblesses qui ont soulevé les critiques de nombreux scientifiques. Les modifications apportées à ce modèle ont permis d’y remédier et de concevoir le modèle atomique simplifié (voir la figure 5 ci-contre). Le modèle aomique simlifié est une représentation de l’atome qui fournit des précisions sur ses particules subatomiques (protons, neutrons, électrons) et sur sa configuration électronique.

Le neutron Lorsque Rutherford découvrit les protons, il ne pouvait pas expliquer pourquoi le noyau maintenait sa cohésion. En effet, comme les protons ont des charges de même signe (leur charge est positive), ils sont censés se repousser. L’explication de ce « mystère » a été donnée en 1932 par James Chadwick (1891-1974). Ce physicien anglais a mis en évidence l’existence d’une nouvelle particule : le neutron.

Électron

Noyau

Le neuon est une des particules qui constituent le noyau de l’atome. Il ne comporte pas de charge électrique : il est donc neutre. C’est la présence des neutrons dans le noyau qui assure sa cohésion (voir la figure 5). Les particules qui se trouvent dans le noyau, soit les protons et les neutrons, sont nommées « nucléons ». Les nucléons et les électrons n’ont pas tous la même masse. Le tableau 1 résume certaines de leurs propriétés. TABLEAU 1

Figue 5 Une eésenaion du modèle aomique simlifié de l’oxygène (O).

Quelques propriétés des particules subatomiques

Particule subatomique

Symbole

Charge électrique

Masse (g)

Proton

p+

1+

1,672 × 10−24

Dans le noyau

Neutron

n0

0

1,674 × 10−24

Dans le noyau

Électron

e

1

10−28

FLASH

Couche électronique



SCIENCE



9,109 ×

Position dans l’atome

Autour du noyau

Le labratire Cavenish

Surné « la pépinire es prix Nbel », le labratire Cavenish a jué un rôle ajeur ans la recherche sur la structure atique. Ce labratire, qui appartient à l’Université e Cabrie (Anleterre), a été inauuré en 1874 en hae à Henry Cavenish, un célbre physicien anlais. Jseph Jhn Thsn, Ernest Rutherfr et Jaes Chawick, qui nt écuvert respectiveent l’électrn, le prtn et le neutrn, y nt travaillé. Ils nt reçu chacun un prix Nbel pur leur apprt cnsiérable à la cnnaissance e l’ate (Thsn en 1906, Rutherfr en 1908 et Chawick en 1935).

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CHApItrE 1 L’oRgANISATIoN dE LA mATIèRE

15

En observant le tableau 1, à la page 15, on constate que les nucléons sont beaucoup plus « lourds » que les électrons. En fait, comme la masse d’un neutron (ou d’un proton) est environ 1 836 fois plus grande que celle d’un électron, la masse de l’atome est essentiellement concentrée dans son noyau.

Le nombre de masse La connaissance du nombre de masse (A) d’un atome et de son numéro atomique (Z) permet de réaliser une représentation complète de l’atome selon le modèle atomique simplifié (voir la figure 5, à la page 15). Le nombre de masse correspond au nombre de nucléons contenus dans le noyau d’un atome. Il est donc égal à la somme des protons et des neutrons. Le nombre de masse est symbolisé par la lettre « A ». Les atomes sont désignés par la notation , où A est le nombre de masse, Z est le numéro atomique et X est le symbole de l’élément chimique. Par exemple, désigne l’atome de l’élément « oxygène » dont le nombre de masse est 16 et le numéro atomique est 8. Grâce à ces informations, il est possible de déterminer le nombre de chaque particule subatomique, comme le montre la figure 6. L’atome de l’élément « oxygène » est donc représenté ainsi : • Nombre de protons (p+) = Z = 8 • Nombre d’électrons (e −) = nombre de protons = 8 • Nombre de neutrons (n0) = A − Z = 16 − 8 = 8

La configuration atomique d’un élément

Figure 6 Une représentation simplifiée de la configuration atomique de l’atome d’oxygène : .

La configuration atomique d’un élément est une représentation qui découle du modèle atomique simplifié. L’atome y est donc représenté en tenant compte de la répartition de ses électrons sur les différentes couches électroniques, mais en donnant aussi des précisions sur ses nucléons (protons et neutrons). Leur nombre est inscrit dans le cercle représentant le noyau (voir la figure 6).

Activités 1.1.3 1

Dans le tableau suivant, inscrivez le nom de chaque particule qui constitue l’atome ainsi que le nom du scientifique qui l’a découverte. Notez ensuite la position de cette particule par rapport au noyau de l’atome ainsi que le signe de sa charge électrique. Particule de l’atome

16

STE

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Découverte par

Position par rapport au noyau

Signe de la charge électrique

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UM 1.1

2

Quelles particules subatomiques sont des nucléons ? Lesquelles ne le sont pas ? Expliquez vos réponses.

3

De quelle particule subatomique s’agit-il ? a ) Particule dont le nombre définit le numéro atomique d’un atome. b ) Particule qui assure la cohésion du noyau. c ) Particule qu’on trouve dans le modèle « plum-pudding ». d ) Particule dont la masse est égale à 1,674 × 10−24 g. e ) Première particule à avoir été découverte. f ) Particule qui a la plus faible masse.

4

Les atomes des éléments « potassium » et « soufre » sont désignés respectivement par les notations et . En tenant compte de ces données, remplissez le tableau suivant. Notation de l’élément

Numéro atomique (Z)

Nombre de masse (A)

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

5

Un atome est formé de 13 protons, de 13 électrons et de 14 neutrons. Quel est son nombre de masse ? Expliquez votre réponse.

6

Le nombre de masse d’un atome est égal à 39. Combien de neutrons cet atome a-t-il s’il possède 19 protons ? Expliquez votre réponse.

7

Un atome possède 18 neutrons. Son nombre de masse est égal à 35. Combien de protons cet atome a-t-il ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

17

8

9

Classez les modèles atomiques suivants selon l’ordre chronologique. • Modèle de Dalton

• Modèle atomique simplifié

• Modèle d’Aristote

• Modèle de Rutherford

• Modèle de Démocrite

• Modèle de Thomson

Dessinez la configuration électronique des atomes de chaque élément selon le modèle atomique simplifié. Élément

10

18

Symbole

Z

Hydrogène

H

1

Bore

B

5

Sodium

Na

11

Calcium

Ca

20

Configuration électronique

Dessinez la configuration atomique du silicium (Si). Laissez la trace de vos différents calculs.

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UM 1.1

11

Dessinez la configuration atomique des atomes de chaque élément donné. Élément

Symbole

Configuration atomique

Carbone

Oxygène

Argon

Potassium

12

Parmi les configurations atomiques proposées ci-dessous, laquelle représente l’atome de chlore Expliquez votre réponse.

a)

c)

b)

d)

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

?

19

13

Remplissez le tableau suivant en tenant compte du symbole de l’élément donné. Élément (symbole)

Numéro atomique

Nombre de masse

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Nombre de nucléons

Nombre de particules subatomiques

H P Cl Al Kr

1.2 La masse atomique

STE

La masse d’un atome est égale à la masse combinée de son noyau et des électrons qui gravitent autour de ce noyau. Cependant, comme les électrons sont beaucoup plus légers que le noyau, la masse d’un atome est quasiment égale à celle de son noyau. Mesurer directement la masse d’un atome n’est pas une mince affaire, étant donné la petitesse de sa taille. Dans les pages qui suivent, vous découvrirez comment les scientifiques y sont parvenus.

1.2.1

La masse atomique relative

Comme les atomes et les particules subatomiques ont des masses très faibles (voir le tableau 2), les scientifiques ont établi une unité de masse atomique représentée par le symbole u et définie par la relation suivante : 1 u = 1,66 × 10−27 kg

L’utilisation de cette unité simplifie l’écriture des masses des particules subatomiques, comme on peut le voir dans le tableau 2. La masse des particules subatomiques en kilogrammes (kg) et en unités de masse atomique (u) TABLEAU 2

Particule subatomique

Masse kg

u

Neutron

1,674 × 10−27

1,008

Proton

1,672 × 10−27

1,007

Électron

9,109 × 10−31

5,486 × 10−4

On remarque donc, en observant le tableau 2, qu’une unité de masse atomique (1 u) correspond approximativement à la masse d’un proton ou d’un neutron. La masse de l’électron, comme cela a été dit plus haut, est beaucoup plus petite. 20

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UM 1.2 1.1

Puisqu’il est difficile de mesurer la masse d’un atome ou de compter les atomes contenus dans un échantillon de matière, les scientifiques ont introduit le concept de masse atomique relative. La mss omqu lv est la masse d’un atome d’un élément calculée par comparaison à la masse du carbone 12 prise comme référence. Depuis 1961, les scientifiques ont choisi le carbone 12 comme élément de référence du tableau périodique. Le carbone 12 est une variété de carbone qui contient 12 nucléons (6 protons et 6 neutrons) et dont la masse a été établie à 12,000 00 u précisément.

Nombre de masse (A)

En d’autres termes, cela veut dire que : 1u=

de la masse du carbone 12

Par exemple, si la masse atomique relative de l’hélium 4 (He 4), qui possède 2 protons et 2 neutrons, est égale à 4,002 6 u, cela signifie en fait que l’atome de He 4 est environ 3 fois plus léger que l’atome de C 12, comme l’illustre le calcul suivant.

Numéro atomique (Z) A Oxy 16 : 8 poo, 8 uo.

Pour représenter les atomes, on utilisera une nouvelle notation qui ne tient compte que du nombre de masse. Ainsi, au lieu d’écrire , il est possible d’écrire simplement « carbone 12 » ou C 12. Évidemment, le C 12 possède 6 protons et 6 neutrons.

1.2.2

B Oxy 17 : 8 poo, 9 uo.

Les isotopes

Tous les atomes d’un même élément contiennent nécessairement le même nombre de protons. Par contre, leur nombre de neutrons peut varier. Par exemple, l’oxygène existe sous trois formes différentes, comme le montre la figure 7. Ces trois atomes de l’élément « oxygène » ne diffèrent que par le nombre de neutrons contenus dans leur noyau. Les soos d’un élément sont des atomes d’un même élément qui ont le même nombre de protons, le même nombre d’électrons, mais pas le même nombre de neutrons. La figure 7 représente les trois isotopes de l’élément « oxygène » : O 16, O 17 et O 18. Ces isotopes ont tous 8 protons et 8 électrons. Par contre, ils ont respectivement 8, 9 et 10 neutrons.

C Oxy 18 : 8 poo, 10 uo.

Fgu 7 Ls os soos d l’oxygèn : O 16, O 17  O 18.

On comprend maintenant pourquoi il est précisé que la référence utilisée pour calculer les masses atomiques relatives est le C 12. En effet, le C 12 n’est que l’un des isotopes de l’élément « carbone » qui en possède deux autres : le C 13 et le C 14.

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Chapitre 1 L’OrganisatiOn de La matière

21

1.2.3

Le calcul de la masse atomique

Chacun des isotopes d’un élément possède une masse atomique relative qui lui est propre, car chacun contient un nombre de neutrons différent. Quelle masse atomique faut-il alors associer à un élément ? Pour obtenir la masse atomique d’un élément, les scientifiques tiennent compte de la masse de tous les isotopes de cet élément. Ils calculent ensuite la masse moyenne, qu’ils pondèrent avec l’abondance dans la nature (abondance relative) de chacun des isotopes. C’est pour cette raison que les masses atomiques listées dans le tableau périodique sont toutes fractionnaires. Le tableau 3 présente un exemple de calcul de la masse atomique. TABLEAU 3

Le calcul de la masse atomique de l’oxygène (O)

Isotope

Nombre de masse

Abondance relative dans la nature (%)

Produit (u) (Nombre de masse × abondance relative)

O 16

16

99,76

15,961 6

O 17

17

0,04

0,006 8

O 18

18

0,20

0,036 0

Somme des produits

FLASH

SCIENCE

16,004 4

La spectrométrie de masse

La spectrométrie de masse est une technique d’analyse physique utilisée dans divers domaines scientifiques (physique, chimie, biologie, médecine). Elle permet de détecter et d’identifier des constituants de la matière, comme les atomes et les molécules, en fonction de leur masse. Dans la lutte antidopage des sports de haut niveau, la spectrométrie de masse est l’une des techniques privilégiées (seule ou couplée avec d’autres méthodes) pour détecter les substances prohibées. Les stéroïdes anabolisants, par exemple, peuvent être détectés même lorsque leur concentration est très faible, en ppb, c’est-àdire en millième de partie par million (ppm). Cela équivaut à identifier un nanogramme (1 ng = 10−9 g) de substance dopante dans un gramme de liquide biologique tel que l’urine !

22

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UM 1.2 1.1

Activités 1.2

STE

1

Quel est l’intérêt d’utiliser l’unité de masse atomique (u) au lieu du kilogramme (kg) ?

2

Donnez la définition de la masse atomique relative.

3

Pourquoi dit-on que la masse d’un atome est approximativement égale à la masse de son noyau ?

4

Supposons que vous disposiez d’une balance « atomique ». Si l’on posait un proton sur un plateau de cette balance, combien d’électrons devrait-on placer sur l’autre plateau pour que la balance soit en équilibre ?

5

Quelle différence y a-t-il entre les isotopes d’un même élément ?

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

23

24

6

Quelle est la masse, en kilogrammes, d’un atome de carbone 12 ?

7

En faisant réagir 4,000 g de carbone (C) avec 10,667 g de dioxygène (O2), on forme 14,667 g de dioxyde de carbone (CO2). Calculez la masse atomique relative de l’oxygène impliqué dans cette réaction, sachant que le dioxyde de carbone est formé d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène. (On suppose que les atomes impliqués dans cette réaction sont exclusivement ceux du C 12 et du O 16.)

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8

Les différents isotopes d’un élément ont-ils la même masse atomique relative ? Expliquez votre réponse.

9

Un élément possède deux isotopes. Le noyau du premier isotope contient sept protons et huit neutrons. Que contient le noyau du second isotope ? Entourez la bonne réponse. a ) Le noyau du second isotope contient huit protons et sept neutrons. b ) Le noyau du second isotope contient sept protons et sept neutrons. c ) Le noyau du second isotope contient huit protons et huit neutrons.

10

Le lithium (Li) possède deux isotopes : Li 6 et Li 7. Dessinez leur configuration atomique respective. a)

11

Li 6

b)

Li 7

Les illustrations ci-dessous représentent la configuration atomique de quatre atomes.

1)

3)

2)

4)

a ) Quels atomes sont les isotopes d’un même élément ? Notez le numéro des illustrations correspondantes.

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25

b ) Quel est cet élément ? Expliquez votre réponse.

c ) Nommez les différents isotopes de cet élément.

12

13

26

En tenant compte des informations données dans le tableau ci-dessous sur le néon (Ne), calculez la masse atomique de cet élément. Isotope

Numéro atomique

Nombre de masse

Abondance relative (%)

Ne 20

10

20

90,92

Ne 21

10

21

0,26

Ne 22

10

22

8,82

Le bore (B) possède deux isotopes. Calculez la masse atomique de cet élément à l’aide des informations fournies dans le tableau suivant. Isotope

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Abondance relative (%)

Isotope no 1

5

5

5

19,9

Isotope no 2

5

5

6

80,1

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UM 1.3 1.1

14

Sachant que la masse de 1 neutron est égale à 1,674 × 10−27 kg, calculez la masse de 25 neutrons en unités de masse atomique (u), en utilisant la formule de conversion suivante : 1 u = 1,66 × 10−27 kg.

1.3 Le tableau périodique

des éléments La découverte des différents éléments qui existent dans la nature est l’œuvre de nombreux scientifiques qui, durant des siècles, ont sondé la matière. À mesure que les techniques permettant d’identifier la nature des éléments se sont développées, le nombre d’éléments a augmenté. Il a alors fallu trouver un moyen d’organiser ces éléments d’une manière pratique. C’est au savant russe Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907) que l’on doit le premier tableau dans lequel les éléments étaient classés selon leurs propriétés physicochimiques. Mendeleïev montra que cette similitude des propriétés était périodique, c’est-à-dire qu’elle revenait à intervalles fixes lorsqu’on classait les éléments selon l’ordre croissant de leur masse atomique. Dans le tableau périodique actuel (voir la figure 8, à la page suivante), les éléments sont plutôt classés selon l’ordre croissant de leur numéro atomique, numéro qui correspond au nombre de protons que l’élément contient. Les modifications engendrées par ce changement sont mineures, et la notion de périodicité demeure une des caractéristiques fondamentales du tableau des éléments.

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27

Le tableau périodique des éléments. Figure 8

28

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UM 1.3 1.1

1.3.1

L’organisation générale du tableau périodique

Le blu éodqu ds élémns est un tableau qui répertorie tous les éléments chimiques connus à ce jour et les présente de telle façon que leurs propriétés physiques et chimiques reviennent de manière périodique. Le tableau périodique des éléments comporte trois régions : celle des métaux, celle des non-métaux et celle des métalloïdes. Ces régions sont séparées par ce qui est communément appelé « l’escalier du tableau périodique », comme le montre la figure 8, à la page précédente. Les métaux, situés à gauche de l’escalier du tableau périodique, représentent la plus grande proportion des éléments dans le tableau (ce sont les cases bleues de la figure 9). Ces éléments ont des propriétés communes. Ils sont brillants, malléables (ils peuvent être déformés sans se casser) et de bons conducteurs électriques et thermiques. En général, les métaux réagissent avec les acides. De plus, ils sont tous solides à température ambiante, sauf le mercure (Hg). Beaucoup moins nombreux, les non-métaux sont localisés à droite de l’escalier du tableau périodique (ce sont les cases orange de la figure 9), à l’exception de l’hydrogène (H) qui est à gauche. Ils peuvent être gazeux ou solides. Le brome (Br) est le seul non-métal liquide. Ces éléments ont aussi des propriétés communes. Ils sont ternes, cassants et de mauvais conducteurs électriques et thermiques. Certains éléments ne sont ni des métaux ni des non-métaux : ce sont des métalloïdes. Ces éléments peuvent posséder certaines propriétés des métaux et des non-métaux énumérées précédemment. Ils sont situés de part et d’autre de l’escalier du tableau périodique (ce sont les cases vertes de la figure 9). Les métaux

Les métalloïdes

Les non-métaux

Fgu 9 Ls méux, ls non-méux  ls mélloïds du blu éodqu.

Comme tout tableau, le tableau périodique est constitué de colonnes et de rangées. Dans les sections 1.3.2 et 1.3.3, aux pages 30 à 32, vous verrez à quoi elles correspondent.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

29

1.3.2

Les familles du tableau périodique

Dans le tableau périodique des éléments, les familles d’éléments sont regroupées en colonnes, numérotées de 1 à 18. Les colonnes sont également numérotées à l’aide de chiffres romains associés aux lettres A et B (voir la figure 8, à la page 28). La série A comporte huit colonnes numérotées de I A à VIII A. Le chiffre romain qui précède la lettre A indique le nombre d’électrons de valence (électrons qui sont sur la dernière couche électronique) des éléments situés dans cette colonne, sauf en ce qui a trait à l’hélium (He). En plus de cette numérotation, les familles peuvent avoir des noms particuliers ou porter le nom de l’élément qui est placé en haut de la colonne. Par exemple, la famille 15 (V A) est appelée « famille de l’azote ». Les deux premières colonnes du tableau périodique ainsi que les deux dernières ont des noms particuliers (voir la figure 10). Une famille correspond à une colonne dans le tableau périodique, et ses éléments présentent des propriétés chimiques et physiques similaires parce qu’ils possèdent le même nombre d’électrons de valence. Lithium (Li) Les alcalins Les alcalino-terreux

Les gaz inertes Les halogènes

Sodium (Na)

Figure 10

Quatre des 18 familles du tableau périodique.

La famille 1 (I A) : les alcalins Potassium (K)

Figure 11 La configuration électronique des alcalins montre que ceux-ci ne possèdent qu’un seul électron de valence.

Situés dans la première colonne du tableau périodique (voir la figure 10), les alcalins sont tous des métaux. Ils ont la particularité de ne posséder qu’un seul électron de valence (électron qui est sur la dernière couche électronique), comme l’indique le chiffre romain (I) placé en haut de la colonne. La figure 11 illustre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalins. Les alcalins sont des métaux mous et très réactifs. Ils fondent à des températures plutôt basses. À cause de leur grande réactivité, ils n’existent pas dans la nature sous la forme d’éléments purs, car ils se combinent avec d’autres éléments pour former des composés. Entre autres choses, ils réagissent violemment avec l’eau pour former des bases (solutions alcalines).

30

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UM 1.3 1.1

Il est à noter que l’hydrogène (H), qui est un non-métal, n’est pas membre de la famille des alcalins bien qu’il soit situé dans la première colonne du tableau périodique. En effet, même s’il a un seul électron de valence comme les éléments de cette famille, il ne possède pas les propriétés des alcalins. L’hydrogène (H) ne fait d’ailleurs partie d’aucune famille.

La famille 2 (II A) : les alcalino-terreux Situés dans la deuxième colonne du tableau périodique (voir la figure 10, à la page précédente), les alcalino-terreux sont aussi des métaux qui possèdent deux électrons de valence, comme l’indique le chiffre romain (II) placé en haut de la colonne. La figure 12 montre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalino-terreux.

Béryllium (Be)

Fgu 12

Magnésium (Mg)

Calcium (Ca)

Ls lclno-ux ossèdn dux élcons d vlnc.

Les alcalino-terreux sont des métaux plus durs que les alcalins et beaucoup moins réactifs. Leur température de fusion est plus élevée que celle des alcalins.

La famille 17 (VII A) : les halogènes Les halogènes sont les éléments qui se trouvent dans l’avant-dernière colonne du tableau périodique (voir la figure 10, à la page précédente). Ils possèdent sept électrons de valence, comme l’indique le chiffre romain (VII) placé en haut de la colonne. La figure 13 présente la configuration électronique de deux éléments appartenant à la famille des halogènes.

Fluor (F)

Éléments colorés, les halogènes peuvent être gazeux à température ambiante, comme le fluor (F) et le chlore (Cl) ; ils peuvent aussi être liquides, comme le brome (Br), ou solides, comme l’iode (I) et l’astate (At). Parce que les halogènes sont très réactifs, on ne les rencontre jamais tels quels dans la nature. Ils sont plutôt combinés à d’autres éléments, de sorte qu’on les trouve généralement sous forme de sels. Les halogènes sont corrosifs, c’est-à-dire qu’ils détruisent lentement certaines substances par une action chimique. Ils sont aussi bactéricides, c’est-à-dire qu’ils tuent les bactéries.

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Chlore (Cl)

Fgu 13 Ls logèns ossèdn s élcons d vlnc.

Chapitre 1 L’organisation de La matière

31

La famille 18 (VIII A) : les gaz inertes

Hélium (He)

La dernière colonne du tableau périodique est celle des gaz inertes (voir la figure 10, à la page 30). La dernière couche de ces éléments est saturée d’électrons : deux dans le cas de l’hélium (He), qui ne possède qu’une seule couche électronique, et huit pour les autres éléments de cette famille. C’est pour cette dernière raison que la numérotation de la colonne de ces éléments est VIII. La figure 14 montre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des gaz inertes.

Néon (Ne)

Les gaz inertes, aussi appelés « gaz nobles » ou « gaz rares », sont tous à l’état gazeux à température ambiante. Ils sont qualifiés d’« inertes », car ils sont caractérisés par une très grande stabilité chimique, c’est-à-dire qu’ils ne réagissent pratiquement pas avec d’autres atomes. Généralement utilisés dans les enseignes lumineuses et les ballons-sondes, ces gaz ont de nombreuses autres applications.

1.3.3

Les périodes du tableau périodique

Les rangées du tableau périodique sont appelées « périodes ». Elles sont numérotées de 1 à 7 (voir la figure 8, à la page 28). Argon (Ar)

Figure 14 L’hélium (He), un gaz inerte qui n’a qu’une seule couche électronique, contient un maximum de deux électrons. Le néon (Ne) et l’argon (Ar) ont une couche périphérique complète, soit huit électrons.

Lorsqu’on parcourt une rangée du tableau périodique de gauche à droite, on passe des métaux aux métalloïdes, puis aux non-métaux. De façon semblable, lorsqu’on garde le même sens de parcours, on rencontre un alcalin, un alcalino-terreux, un halogène, puis un gaz inerte et ainsi de suite dans la rangée suivante. Ce comportement périodique est caractéristique du tableau des éléments. C’est pourquoi on le nomme « tableau périodique », et que ses rangées sont appelées des « périodes ». Une période correspond à une rangée dans le tableau périodique, et ses éléments comptent le même nombre de couches électroniques. Chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée à la configuration électronique des éléments. L’hélium (He), par exemple, est situé dans la première période et possède une seule couche électronique, alors que l’argon (Ar) se trouve dans la troisième période et possède trois couches électroniques (voir la figure 14). Il en est de même pour les autres périodes du tableau périodique (voir les figures 11, 12 et 13, aux pages 30 et 31).

32

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UM 1.3 1.1

Activités 1.3.1 à 1.3.3 1

Quel savant a mis au point le premier tableau dans lequel les éléments sont classés selon leurs propriétés physicochimiques ?

2

Depuis la première version du tableau périodique, la méthode de classement des éléments a été modifiée. a ) Dans le premier tableau périodique du savant que vous avez identifié à la question 1, comment étaient classés les éléments ?

b ) Dans le tableau périodique actuel, comment sont classés les éléments ?

3

Chaque élément du tableau périodique est représenté dans une case avec diverses indications. Inscrivez à quoi correspondent les indications de l’élément suivant.

30

21

La charge ionique

Zn

zinc 65,38

4

La masse atomique (u)

Le tableau périodique des éléments comporte trois régions principales. a ) Quelles sont ces régions ?

b ) Quelle région contient le plus grand nombre d’éléments ?

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

33

c ) Quelle région contient le moins grand nombre d’éléments ?

d ) Nommez deux éléments qui font partie de la région qui n’a pas été nommée dans les réponses aux questions b et c.

5

Le tableau périodique des éléments contient une ligne en forme d’escalier. a ) À quoi sert cet escalier ?

b) Tracez la ligne « en escalier » au bon endroit dans la représentation suivante du tableau périodique.

6

À quelle région du tableau périodique les éléments suivants appartiennent-ils ? Cochez, pour chaque élément donné, la case appropriée. Éléments

34

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Régions du tableau périodique Métaux

Non-métaux

Métalloïdes

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UM 1.3 1.1

7

Les énoncés suivants caractérisent l’une des trois régions du tableau périodique. Dans chaque cas, dites de quelle région du tableau périodique il s’agit. Inscrivez, dans chacune des cases, le numéro correspondant à la région appropriée. 1) Les métaux

2) Les non-métaux

3) Les métalloïdes

a ) Nous sommes situés à droite de l’escalier du tableau périodique. b ) Nous sommes ternes et cassants. c ) Nous sommes de bons conducteurs électriques et thermiques. d ) Nous sommes brillants et malléables. e ) Nous possédons certaines propriétés des deux autres régions principales. f ) Nous sommes tous solides à température ambiante, excepté le mercure (Hg). g ) Nous sommes situés à gauche de l’escalier du tableau périodique, et un des éléments de notre colonne ne fait pas partie de notre région. h ) Nous sommes de mauvais conducteurs électriques et thermiques. i ) Nous sommes situés à la fois à gauche et à droite de l’escalier du tableau périodique. j ) Nous sommes tous solides à température ambiante. k ) Nous sommes solides ou gazeux à température ambiante, excepté le brome (Br)

qui est liquide. l ) L’hydrogène (H) fait partie de cette région. m ) En général, les éléments de cette région réagissent avec les acides.

8

Dans le tableau périodique des éléments : a ) comment les familles et les périodes sont-elles disposées ?

b ) comment les familles et les périodes sont-elles numérotées ?

c ) Quels éléments possèdent le même nombre d’électrons de valence : ceux d’une même famille ou ceux d’une même période ?

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35

9

Dans la représentation du tableau périodique ci-dessous : a ) identifiez les familles marquées d’une flèche ; b ) notez, dans le rectangle prévu à cette fin, le nombre d’électrons de valence que possèdent les éléments de chacune des familles.

10

Dans le tableau périodique, un élément est situé à gauche de l’escalier, bien qu’il soit un non-métal. a ) De quel élément s’agit-il ?

b ) Pourquoi cet élément est-il placé dans la première colonne du tableau périodique, alors qu’il ne fait pas partie de la famille des alcalins ?

11

À quelle famille chacun des éléments suivants appartient-il ? a ) Un élément gazeux très peu réactif. b ) Un métal qui réagit violemment avec l’eau. c ) Un élément appartenant à la colonne II A. d ) Un élément gazeux, coloré et très réactif. e ) Un élément bactéricide.

36

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UM 1.3 1.1

f ) Un élément gazeux utilisé dans les enseignes lumineuses. g ) Un métal mou. 12

Complétez le tableau suivant en tenant compte des données qui sont déjà fournies.

Nom Symbole de de l’élément l’élément

Configuration électronique

Nombre d’électrons

Numéro Nombre Numéro Nombre de d’électrons de de couches famille de valence période électroniques

Be

17

IA

3

8

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3

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37

1.3.4

La périodicité des propriétés

STE

De nombreuses propriétés physicochimiques ont un comportement périodique lorsqu’on se déplace le long d’une période dans le tableau des éléments. C’est le cas de la conductibilité électrique, du rayon atomique, du point de fusion, etc. La périodicité des propriétés des éléments dans le tableau périodique correspond à la façon dont les propriétés physiques et chimiques des éléments se répètent régulièrement d’une période à l’autre. La figure 15 montre la périodicité de la conductibilité électrique des 18 premiers éléments du tableau périodique. On y remarque une différence notable entre les métaux et les non-métaux : les valeurs élevées de la conductibilité électrique des métaux contrastent avec les valeurs faibles des non-métaux. Période 2

Période 1

Période 3

Rayon atomique covalent (10−12 m)

Figure 15 La variation de la conductibilité électrique des éléments des trois premières périodes du tableau périodique.

Conductibilité électrique (106/Ω • cm)

0,40

0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0

Période 2

Période 1

0,35

1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Numéro atomique

Période 3

250 200 150 100 50 0 1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Numéro atomique

La figure 16, quant à elle, montre la variation périodique du rayon atomique covalent des 18 premiers éléments du tableau périodique en fonction de leur numéro atomique. En observant cette figure, on constate que le rayon atomique covalent diminue le long d’une période lorsqu’on se déplace de gauche à droite.

Figure 16 La variation du rayon atomique covalent des éléments des trois premières périodes du tableau périodique.

38

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UM 1.3 1.1

D’une part, le comportement du rayon atomique covalent le long d’une période s’explique par le fait que, à mesure qu’on se déplace vers la droite, le nombre de protons et d’électrons augmente, ce qui fait croître la force d’attraction électrique entre le noyau et les électrons. Cela a pour conséquence de diminuer le rayon de l’atome. D’autre part, le rayon augmente de haut en bas d’une colonne, car, chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée. Cet ajout a pour effet d’augmenter la taille des atomes. La figure 17 constitue une autre façon de représenter la variation du rayon atomique covalent des éléments du tableau périodique.

Fgu 17 L pésnon scémqu d l von du yon omqu covln d cns élémns du blu péodqu. Plus l yon omqu covln d’un élémn s gnd, plus l spè qu l pésn s gnd,  vc-vs.

1.3.5

La notation de Lewis

Les propriétés chimiques des éléments sont largement déterminées par le nombre d’électrons de valence, c’est-à-dire les électrons qui se trouvent sur la couche périphérique de l’atome. Ainsi, les éléments d’une même famille, qui partagent un ensemble de propriétés communes, ont le même nombre d’électrons de valence, sauf l’hélium (He). Si la couche périphérique d’un élément est saturée, comme c’est le cas des éléments de la famille des gaz inertes, cet élément sera très stable chimiquement. Par contre, si la couche périphérique d’un élément ne contient qu’un seul électron, comme c’est le cas des éléments de la famille des alcalins, cet élément sera très réactif. Les électrons de valence étant les électrons les plus importants dans le comportement chimique des éléments, il n’est pas utile de représenter toute la configuration électronique d’un atome ; on peut illustrer uniquement les électrons de valence. C’est à partir de cette idée que le scientifique américain Gilbert Newton Lewis (1875-1946) a proposé, en 1916, une notation qui porte son nom : la notation de Lewis. La noon d Lws est une façon de représenter l’atome d’un élément en illustrant les électrons de sa couche périphérique à l’aide de points disposés autour de son symbole chimique. Selon cette notation, les éléments sont représentés par leurs symboles chimiques entourés d’autant de points qu’ils comptent d’électrons de valence. Les points sont disposés, un à un, sur les côtés d’un carré imaginaire qui entoure le symbole de l’élément. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

ChaPitre 1 L’organisation de La matière

39

Na

Ca

Sodium

Calcium

Aluminium

F

Cl

Br

Fluor

Chlore

Brome

Al

La distribution des points se fait dans le sens horaire et il y a un maximum de deux points par côté. Pour les éléments qui possèdent plus de quatre électrons de valence, un deuxième tour de remplissage est nécessaire (voir la figure 18). Parmi les éléments possédant moins de quatre électrons, l’hélium (He) est le seul à faire exception à cette règle. En effet, l’hélium n’ayant qu’une seule couche saturée avec deux électrons seulement, sa représentation est la suivante :

Figure 18 La notation de Lewis de quelques éléments du tableau périodique.

Activités 1.3.4 et 1.3.5 1

STE Des deux éléments suivants, lequel possède le plus grand rayon atomique covalent : le chlore (Cl) ou le sodium (Na) ? Expliquez votre réponse.

2

STE Deux éléments sont situés dans la première colonne du tableau périodique : le premier élément est dans la deuxième période et le second, dans la quatrième. Lequel de ces éléments possède le plus grand rayon atomique covalent ?

3

STE L’électronégativité désigne la propriété que possède un élément d’attirer les électrons lors de la formation d’une liaison chimique avec un autre élément. Le graphique ci-dessous représente la variation de cette propriété en fonction du numéro atomique de certains éléments du tableau périodique. Observez bien ce graphique et répondez aux questions de la page suivante. La variation de l’électronégativité en fonction du numéro atomique

4,5 4,0

Électronégativité

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 3

40

UNIVERS MATÉRIEL

4

5

6

7

8

9 10 11 12 Numéro atomique

13

14

15

16

17

18

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UM 1.3 1.1

a ) Combien de périodes sont représentées dans ce graphique ?

b ) Comment évolue l’électronégativité le long d’une période du tableau périodique ?

c ) Déterminez la valeur approximative de l’électronégativité du bore (B). Présentez une solution numérique et une solution graphique.

4,5 4,0

Électronégativité

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 3

4

4

5

6

7

8

9 10 11 12 Numéro atomique

13

14

15

16

17

18

STE Expliquez ce qu’est une propriété périodique dans le tableau périodique des éléments. Donnez un exemple.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

41

5

STE L’énergie d’ionisation représente l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. Observez le graphique suivant qui montre la variation de l’énergie d’ionisation en fonction du numéro atomique de quelques éléments du tableau périodique. La variation de l’énergie d’ionisation en fonction du numéro atomique

Énergie d’ionisation (eV)

30 25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Numéro atomique

a ) Comment varie l’énergie d’ionisation des gaz inertes ?

b ) Dans une même période, quel est l’élément qui a la plus grande énergie d’ionisation : l’élément « alcalin » ou l’élément « gaz inerte » ?

6

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Tous les électrons d’un élément sont représentés selon la notation de Lewis.

b ) Dans la notation de Lewis, les électrons sont représentés par des points.

c ) Deux points seront nécessaires pour représenter les éléments de la famille des alcalins selon la notation de Lewis.

42

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UM 1.3 1.1

d ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments d’une même période sont représentés par le même nombre de points.

e ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments qui sont représentés par un seul point sont des alcalins.

7

Les gaz inertes sont les éléments de la dernière colonne du tableau périodique. Combien de points seront nécessaires pour représenter les éléments de cette famille d’après la notation de Lewis ?

8

Voici une représentation incomplète d’une portion du tableau périodique des éléments.

a ) Notez, dans chacune des cases, le symbole de l’élément qui correspond au numéro atomique inscrit. b ) Représentez ensuite ces éléments à l’aide de la notation de Lewis. c ) Que remarquez-vous quant à l’organisation des électrons de valence dans ce tableau ? Expliquez votre réponse.

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43

1.4 Les molécules Dans la nature, très peu d’éléments du tableau périodique existent sous la forme d’atomes individuels. Cela est dû au fait que les atomes ont tendance à se lier chimiquement à d’autres atomes pour former des molécules. Une molécule est un assemblage d’au moins deux atomes, identiques ou A La molécule de dioxygène (O2).

différents, liés chimiquement. La molécule de dioxygène (O2), par exemple, est formée de deux atomes d’un même élément, soit deux atomes d’oxygène (O) (voir la figure 19A), alors que la molécule d’eau (H2O) contient trois atomes de deux éléments différents, soit un atome d’oxygène (O) et deux atomes d’hydrogène (H) (voir la figure 19B).

B La molécule d’eau (H2O).

Les atomes se lient entre eux pour acquérir une configuration électronique leur permettant d’être plus stables chimiquement. L’une des façons d’at-

Figure 19 Les molécules de dioxygène (O2) et d’eau (H2O).

teindre cette stabilité est la formation d’ions. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) se forme à partir de l’ion sodium (Na+) et de l’ion chlore (Cl–).

1.4.1

Les ions

Pourquoi l’atome de sodium (Na) et l’atome de chlore (Cl) ont-ils tendance à se lier pour former le chlorure de sodium (NaCl) ? Parce que ces atomes sont plus stables lorsqu’ils sont liés l’un à l’autre. Pour acquérir plus de stabilité, ils chercheront à remplir totalement leur couche périphérique avec des électrons de valence. Ainsi, le sodium (Na), n’ayant qu’un seul électron de valence sur sa couche périphérique, il cherchera à perdre cet électron pour acquérir la configuration électronique du gaz inerte (nommé aussi « gaz rare » ou « gaz noble ») situé le plus près de lui dans le tableau périodique. La configuration élecA L’atome d’hélium (He).

tronique du sodium (Na) s’apparentera alors à celle du néon (Ne). L’atome de chlore (Cl), qui a sept électrons de valence, aura plutôt tendance à gagner un électron pour acquérir la configuration électronique du gaz inerte le plus près de lui dans le tableau périodique, soit l’argon (Ar). En perdant ou en gagnant des électrons, le sodium (Na) et le chlore (Cl) veulent acquérir la stabilité des gaz inertes (voir les figures 21 et 22, à la page

B L’atome de néon (Ne).

suivante). La couche (ou l’orbite) électronique la plus éloignée du noyau des gaz

Figure 20 La configuration électronique de deux gaz inertes : l’hélium (He) et le néon (Ne).

44

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inertes possède huit électrons, à l’exception de l’hélium (He), ce qui rend ces gaz très stables (voir la figure 20).

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UM 1.4 1.1

Tous les atomes qui ont de un à sept électrons de valence tendent à avoir une couche périphérique de huit électrons, ou deux si l’atome se trouve proche de l’hélium (He), en cédant ou en gagnant des électrons. C’est ce qu’on appelle la « règle de l’octet ». Comment les atomes qui ne possèdent pas huit électrons sur leur couche périphérique finissent-ils par obtenir une couche périphérique complète ? Par ionisation, un processus au cours duquel un atome devient un ion en gagnant ou en perdant un ou plusieurs électrons. Un ion est un atome qui porte une charge électrique positive ou négative résultant de la perte ou du gain d’un ou de plusieurs électrons. Initialement, un atome est électriquement neutre (voir la figure 20, à la page précédente), puisqu’il possède autant de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons). Lorsqu’un atome perd un ou plusieurs électrons, le nombre de protons qu’il contient devient alors supérieur au nombre d’électrons qu’il possède. Cet atome, devenu un ion, portera donc une charge positive et sera appelé « cation » (voir l’exemple du sodium, à la figure 21). Lorsqu’un atome gagne un ou plusieurs électrons, le nombre de ses protons est alors inférieur au nombre de ses électrons. L’ion qui en résulte portera donc une charge négative et sera appelé « anion » (voir l’exemple du chlore, à la figure 22). Les atomes métalliques ont tendance à perdre des électrons (voir la figure 21). Ils forment alors un ion positif de charge égale au nombre d’électrons perdus. Les atomes non métalliques, eux, ont tendance à gagner des électrons (voir la figure 22). Ils forment alors des ions négatifs de charge égale au nombre d’électrons acquis (voir le tableau 4).

TABLEAU 4

Perte

A L’ nu  iu (N).

B L p ’un élcn.

C L’in iu (N+) u cin.

Figu 21 L ocssus d’ionision d’un om mélliqu, l sodium (N).

Gain

A L’ nu  chl (CI).

B L in ’un élcn.

C Un in chl (CI−) u nin.

Figu 22 L ocssus d’ionision d’un om non mélliqu, l clo (Cl). Il s à no qu, los d l fomion d’un ion, l nomb d oons d l’om n’s jmis modifié.

L’ion le plus probable des éléments des deuxième et troisième périodes du tableau périodique Familles IA

II A

III A

IV A

VA

VI A

VII A

VIII A

Nombre d’électrons de valence

1

2

3

4

5

6

7

8 ou 0

Tendance à perdre des électrons

−1

−2

−3

−4

Li

Be2+

B

3+

Mg2+

Al3+

Tendance à gagner des électrons Ion formé

+4 +

Na+

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0 +3

+2

+1

C /C4−

N3−

O2−

F−

Si4+/Si4−

P3−

S2−

Cl−

4+

0 Aucun

ChapItre 1 L’orgaNIsatIoN de La matIère

45

On remarque, dans le tableau 4 présenté à la page précédente, que les éléments de la famille IV A peuvent perdre ou gagner quatre électrons pour former soit le cation X4+, soit l’anion X4−. L’atome d’hydrogène (H) est un cas particulier. La plupart du temps, il perd son électron pour donner l’ion H+. Cependant, il peut aussi gagner un électron pour former l’ion H−.

Les ions polyatomiques

STE Dans notre environnement, il n’y a pas que des molécules formées d’atomes de deux éléments différents, tel le chlorure de sodium (NaCl). Il existe aussi un grand nombre de molécules qui sont constituées de plus de deux sortes d’éléments, comme le nitrate de lithium (LiNO3). Lors de sa dissolution, le nitrate de lithium se sépare en un ion positif (Li+) et un ion négatif (NO3−).

Le groupe d’atomes chargé, NO3−, est un ion au même titre que les ions formés d’un seul atome (par exemple, l’ion Li+). Il faut le considérer comme un tout indissociable, auquel on donne le nom d’« ion polyatomique ».

TABLEAU 5

Les ions polyatomiques les plus courants Formule chimique

46

Nom de l’ion

H3O+

Hydronium

NH4+

Ammonium

OH−

Hydroxyde

NO3−

Nitrate

NO2−

Nitrite

HCO3−

Hydrogénocarbonate (bicarbonate)

SO42−

Sulfate

PO43−

Phosphate

CO32−

Carbonate

UNIVERS MATÉRIEL

Un ion polyatomique est un groupe de deux ou de plusieurs atomes chimiquement liés, qui porte une charge électrique causée par un surplus ou un déficit d’électrons. D’une manière générale, il existe plus d’anions polyatomiques que de cations polyatomiques. Les cations polyatomiques, tel l’ammonium (NH4+), sont habituellement unis à un atome non métallique ; c’est le cas du chlorure d’ammonium (NH4Cl). Les anions polyatomiques, tels les sulfates (SO42−), sont unis soit à un métal, c’est le cas du sulfate de magnésium (MgSO4 ), soit à l’hydrogène (H), c’est le cas du nitrate d’hydrogène (HNO3). Le tableau 5 présente les ions polyatomiques les plus courants. Il est difficile de prévoir la charge d’un ion polyatomique en se basant sur les atomes qui le constituent ; il est plus aisé de déterminer sa charge en tenant compte de la formule chimique de la molécule. Par exemple, le sulfate de disodium (Na2SO4) est une molécule électriquement neutre, constituée d’ions sodium (Na+) et d’ions sulfate (SO42−). Étant donné que le sodium appartient à la famille I A, on peut en déduire qu’il ne perd qu’un électron pour former un ion Na+. Comme il y a deux ions positifs (Na +), l’ion sulfate doit posséder deux charges négatives pour contrebalancer les deux charges positives du sodium de façon que la molécule soit électriquement neutre. Par conséquent, on peut déterminer que l’ion sulfate s’écrit SO42−.

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Activités 1.4.1 1

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’élément qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) Un ion b ) Un ion négatif

1) Un regroupement de deux ou de plusieurs atomes identiques ou différents, unis les uns aux autres par des liaisons chimiques. 2) Un atome qui n’est pas électriquement neutre.

c ) Un ion positif d ) Une molécule

2

3) Un anion 4) Un cation

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Selon la règle de l’octet, les atomes cherchent à acquérir la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique.

b ) Lors de la formation d’un ion, le nombre de protons que possède l’atome change.

c ) Un atome qui perd des électrons sera chargé négativement. Il s’appellera un « cation ».

d ) Les métaux ont tendance à former des cations, alors que les non-métaux forment plutôt des anions.

e ) La charge portée par un ion est toujours égale au nombre d’électrons de valence de l’atome.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

47

3

4

5

6

Comment l’azote (N) acquiert-il la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près de lui dans le tableau périodique ? Entourez la bonne réponse. a ) Il gagne cinq électrons.

c ) Il perd cinq électrons.

b ) Il gagne trois électrons.

d ) Il perd trois électrons.

Quel ion chacun des éléments suivants est-il susceptible de former ? a ) Béryllium

d ) Potassium

g ) Silicium

b ) Soufre

e ) Phosphore

h ) Fluor

c ) Argon

f ) Aluminium

i ) Néon

Indiquez la charge de chacun des ions formant les molécules suivantes. a ) HI

d ) K2S

g ) MnS

b ) MgF2

e ) BN

h ) Cu2O

c ) Al2O3

f ) CuO

i ) CoCl3

Pour chacune des configurations électroniques ci-dessous : • dites s’il s’agit d’un atome, d’un cation ou d’un anion ; • donnez le symbole chimique de l’élément correspondant ; • inscrivez la charge électrique de l’élément, s’il y a lieu.

48

a)

c)

e)

b)

d)

f)

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7

Remplissez le tableau suivant en inscrivant le nombre de protons, le nombre d’électrons et la charge électrique des ions donnés. Ion

Nombre de protons

Nombre d’électrons

Charge électrique

Césium Soufre Brome Zn2+ Sc3+

8

STE

Les énoncés suivants décrivent les ions polyatomiques. Entourez l’énoncé qui est faux.

a ) Un ion polyatomique est un ion au même titre que les ions formés d’un seul atome et il faut le considérer comme un tout indissociable. b ) Un ion polyatomique est un groupe d’atomes chimiquement liés, qui porte une charge élec trique positive ou négative à la suite de la perte ou du gain d’un ou de plusieurs électrons. c ) Les anions polyatomiques sont toujours liés à des atomes non métalliques. d ) Les cations polyatomiques existent, même s’ils sont peu nombreux. 9

STE Parmi les quatre molécules ci-dessous, laquelle ne contient pas d’ions polyatomiques ? Entourez la bonne réponse. a ) Cr(NO3)3

10

b ) KHCO3

c ) (NH4)2CO3

d ) SiBr4

STE Complétez les tableaux ci-dessous. Écrivez, selon le cas, le nom de l’ion polyatomique ou sa formule chimique. Formule chimique

Nom de l’ion

Formule chimique

SO42−

Nom de l’ion

Hydronium Ammonium

PO43−

OH−

Carbonate Nitrate

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HCO3−

Chapitre 1 L’organisation de La matière

49

11

STE En vous basant sur le tableau 5 présenté à la page 46, déterminez la charge de l’ion métallique dans les molécules suivantes. Molécule

12

STE

Ion métallique

Molécule

Cu(OH)2

BaSO4

Fe2(CO3)3

Ag3PO4

Mn(HCO3)2

Th(NO3)4

Cr2(SO4)3

V(CO3)2

Ca3(PO4)2

Cs2SO4

Ion métallique

Quelle est la charge de l’ion polyatomique de chacune des molécules suivantes ? Molécule

Ion polyatomique

Molécule

B2(Cr2O7)3

K2WO4

Al(ClO4)3

MgMoO4

LiBrO3

Na4P2O7

Na3VO4

Al2(SO3)3

Ca(IO3)2

Na2S2O3

1.4.2

La nature de la liaison

Ion polyatomique

STE

Comme cela a été expliqué auparavant, dans le but d’atteindre la stabilité chimique, les atomes cherchent à acquérir la configuration électronique du gaz inerte qui est le plus proche d’eux dans le tableau périodique. C’est ce qu’on appelle la « règle de l’octet ». Cela s’obtient de deux manières différentes : soit par le transfert d’un ou de plusieurs électrons d’un atome à un autre, soit par le partage d’un ou de plusieurs électrons entre les atomes. Il se produit alors une liaison chimique des molécules. Vous étudierez, dans la présente section, les deux types de liaison chimique : la liaison ionique et la liaison covalente.

La liaison ionique La liaison ionique est obtenue par le transfert d’électrons d’un atome dont la couche périphérique est presque vide vers un atome dont la couche périphérique est presque pleine. Ce cas est typique d’une liaison entre un métal et un non-métal. Le métal va céder son ou ses électrons de valence à un non-métal pour que ce dernier complète sa couche périphérique. La liaison se forme lorsque les deux atomes acquièrent la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique.

50

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La formation de la molécule de chlorure de sodium (NaCl) est un bon exemple pour illustrer une liaison ionique. La figure 23 montre sa formation. Il est important de mentionner, à ce stade-ci, que la formule moléculaire d’un composé formé d’un métal et d’un non-métal commence toujours par le symbole du métal. Avant la formation de la liaison

Sodium (Na)

Chlore (Cl)

A Le u (Na) pe un élecn e valence, al que le chle (Cl) en pe ep.

Pendant la formation de la liaison

Sodium (Na)

Chlore (Cl)

B Le u (Na) ce n élecn e valence au chle (Cl) pu que ce ene cple a cuche péphéque e pu que la enne  cpléée. An, l’avanene cuche u u (Na) even a cuche péphéque.

Après la formation de la liaison

Ion sodium (Na +)

Ion chlore (Cl−)

C En pean un élecn, le u n’e plu élecqueen neue : l even un n pf Na+. En anan un élecn, le chle even un n néaf Cl−. Avec ce anfe ’élecn, Na+ e Cl− n anenan hu élecn u leu cuche péphéque. Ce eux n n an la cnfuan élecnque u az nee ué le plu p ’eux an le ableau péque : le nén (Ne) pu Na+ e l’an (A) pu Cl−.

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Fgu 23 L fomon d l molécul d clou d sodum (NCl) f nvn un lson onqu.

Chapitre 1 L’orgANisAtioN dE LA mAtièrE

51

+



Figure 24 L’attraction électrique entre les ions Na+ et Cl− permet la formation de la molécule de chlorure de sodium (NaCl).

Bien que la molécule formée soit globalement neutre électriquement, ce n’est pas le cas de chaque atome qui la constitue. En effet, le sodium (Na), qui a perdu un électron, possède toujours 11 protons mais seulement 10 électrons, ce qui lui confère une charge positive excédentaire. Le chlore (Cl), qui a désormais 17 protons et 18 électrons, aura une charge négative excédentaire. Comme les atomes qui ne sont pas électriquement neutres sont nommés « ions », la liaison formée est appelée « liaison ionique ». En fait, la liaison ionique qui est formée par le transfert d’électrons d’un atome à un autre est due à l’attraction électrique entre l’ion positif (cation) Na + et l’ion négatif (anion) Cl−, comme le montre la figure 24.

Avant la formation de la liaison

Chlore

Chlore

A Chaque atome de chlore (Cl) possède sept électrons de valence.

Pendant la formation de la liaison

La liaison covalente Le transfert d’électrons entre deux non-métaux ne permet pas à ce type d’éléments de remplir leur couche périphérique et de former des liaisons selon ce procédé. Les électrons sont alors partagés par les atomes au lieu d’être transférés d’un atome à un autre. Les liaisons dues à la tendance des non-métaux à partager des électrons sont appelées liaisons covalentes. La formation de la molécule de dichlore (Cl2) est un exemple qui illustre bien la liaison covalente (voir la figure 25). La notation de Lewis est utilisée pour représenter ce type de liaison.

Chlore

Chlore

B Chaque atome de chlore (Cl) partage un électron.

Après la formation de la liaison

Chlore

Chlore

ou

C Comme les électrons partagés appartiennent aux deux atomes de chlore (Cl), chaque atome a huit électrons sur sa couche périphérique.

Figure 25 La formation de la molécule de dichlore (Cl2) fait intervenir une liaison covalente.

52

UNIVERS MATÉRIEL

Contrairement à la liaison ionique, la liaison covalente ne crée pas d’ions, car il n’y a pas d’électrons qui sont perdus ou gagnés. Lorsque deux électrons sont partagés, il y a formation d’un doublet électronique, et la liaison covalente est dite « simple » (comme dans le cas du Cl2, à la figure 25). Certaines molécules nécessitent une double liaison covalente (deux doublets électroniques), comme le dioxyde de carbone (CO2), ou une triple liaison covalente (trois doublets électroniques), comme le diazote (N2). Dans une liaison ionique, un composé ne peut être formé entre un métal et un non-métal que si le nombre d’électrons perdus par l’atome métallique ou les atomes métalliques est égal au nombre d’électrons gagnés par l’atome non métallique ou les atomes non métalliques. Dans une liaison covalente où le composé est formé par deux non-métaux, le nombre d’électrons partagés par les deux non-métaux doit être égal.

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Il est à noter qu’un métal ne peut pas se lier chimiquement à un autre métal pour former une liaison. Les métaux forment entre eux des alliages et non des composés chimiques.

L’élaboration d’une formule moléculaire De façon générale, on établit la formule moléculaire d’un composé à partir du nom des éléments qui le composent. Le tableau suivant présente les étapes qui permettent d’établir la formule moléculaire d’un composé binaire, c’est-à-dire d’un composé constitué de deux sortes d’éléments, soit un métal et un non-métal. Le composé binaire donné en exemple est le dichlorure de calcium (CaCl2). TABLEAU 6

Les étapes d’élaboration d’une formule moléculaire Étapes

Exemple (CaCl2)

1. Écrire le symbole du métal.

Ca

2. Déterminer le nombre de liaisons que peut former le métal. (Ce nombre est égal au numéro de la colonne du tableau périodique des éléments dans laquelle figure le métal.)

Le Ca peut former 2 liaisons.

3. Écrire le symbole du non-métal.

Cl

4. Déterminer le nombre de liaisons que peut former le non-métal. (Ce nombre est égal à 8 moins le numéro de la colonne du tableau périodique des éléments dans laquelle figure le non-métal.)

Le Cl peut former 1 liaison : (8 − 7) = 1

5. Calculer le plus petit commun multiple (PPCM) entre les nombres de liaisons du métal et du non-métal.

Le PPCM entre 2 et 1= 2.

6. Trouver le nombre d’atomes de chaque élément qui compose la molécule. Ce nombre s’obtient en divisant le PPCM par le nombre de liaisons que peut former l’élément. Ce nombre figure en indice dans la formule moléculaire du composé.

Nombre d’atomes de Ca = 2 ÷ 2 = 1 Nombre d’atomes de Cl = 2 ÷ 1 = 2

7. Écrire la formule moléculaire du composé.

CaCl2

Activités 1.4.2

STE

1

Les atomes cherchent à acquérir la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique des éléments. Décrivez comment se forme une liaison chimique d’après la règle de l’octet.

2

Y a-t-il un déplacement de nucléons lors de la formation d’une liaison chimique ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

53

3

Pourquoi une liaison entre un métal et un non-métal est-elle qualifiée de « liaison ionique » ?

4

Soit une liaison entre un métal et un non-métal. a ) Dans cette liaison, lequel du métal ou du non-métal cède des électrons et lequel en gagne ? Répondez à la question en complétant l’illustration ci-dessous.

Lithium (Li)

Fluor (F)

b ) Identifiez, dans cette liaison, l’anion et le cation.

5

Dans une liaison formée par un métal et un non-métal : a ) comment y a-t-il formation d’ions ? Entourez la bonne réponse. 1) Dans une liaison formée par un métal et un non-métal, le métal perd un ou des électrons et devient un ion négatif (anion). Le non-métal gagne un ou des électrons et devient un ion positif (cation). 2) Dans une liaison formée par un métal et un non-métal, le métal perd un ou des électrons et devient un ion positif (cation). Le non-métal gagne un ou des électrons et devient un ion négatif (anion). b ) quelle est la relation entre le nombre d’électrons perdus et le nombre d’électrons gagnés ?

54

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6

Observez la figure ci-dessous. Puis, répondez aux questions qui suivent.

Molécule d’eau (H2O)

a ) Quelle sorte de liaison les deux non-métaux forment-ils ? b ) Comment nomme-t-on chaque paire d’électrons encerclée en rouge ?

c ) Dans cette molécule, combien d’électrons chaque atome d’hydrogène (H) a-t-il ?

d ) Combien de doublets électroniques cette molécule compte-t-elle ?

7

Complétez le texte suivant en écrivant les mots « ionique » et « covalent » aux endroits appropriés.

Une liaison liaison

se forme entre un métal et un non-métal, alors qu’une lie chimiquement deux non-métaux. Contrairement à la liaison , qui est caractérisée par la formation de doublets électroniques,

la liaison 8

est due à l’attraction électrique entre des ions.

Considérons la formation de la molécule d’oxyde de magnésium (MgO). a ) À l’aide de la notation de Lewis, schématisez, dans les rectangles prévus à cette fin, la formation de cette molécule en trois étapes (voir la suite à la page suivante). b ) Expliquez, sous chaque figure, le processus de formation de l’étape dont il est question. c ) De quelle sorte de liaison s’agit-il ? Avant la formation de la liaison

Explication :

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55

Pendant la formation de la liaison

Explication :

Après la formation de la liaison

Explication :

9

Voici une représentation d’une portion du tableau périodique des éléments. Répondez aux questions qui suivent concernant des éléments de ce tableau.

a ) Donnez deux exemples d’éléments qui forment des liaisons ioniques.

56

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b ) Donnez deux exemples d’éléments qui forment des liaisons covalentes.

c ) Y a‑t‑il des éléments qui ne forment pas de liaisons entre eux ou avec d’autres éléments ? Si oui, lesquels ?

10

On cherche à former un composé binaire avec les éléments « magnésium » et « azote ». a ) La liaison entre ces deux éléments est‑elle ionique ou covalente ? Expliquez votre réponse.

b ) Remplissez le tableau ci‑dessous et déterminez le nombre de liaisons que peut former chaque élément. Expliquez vos réponses. Symbole de l’élément

Nombre de liaisons

Explications

c ) Quelle est la formule moléculaire du composé formé par ces deux éléments (le magnésium et l’azote) ? Répondez à la question en respectant les étapes décrites dans le tableau 6, à la page 53. Étape 1

Étape 5

Étape 2

Étape 6

Étape 3 Étape 4

Étape 7

d ) Y aura‑t‑il formation d’ions lorsque ce composé sera formé ? Si oui, lesquels ?

11

Entourez, parmi les molécules suivantes, celles qui sont formées par des liaisons covalentes. a ) N2

b ) LiCl

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c ) CCl4

d ) Na2O

Chapitre 1 L’organisation de La matière

57

12

On cherche à former un composé binaire avec les éléments « sodium » et « oxygène ». a ) Quelle est la formule moléculaire du composé formé par ces deux éléments (le sodium et l’oxygène) ? Répondez à la question en respectant les étapes décrites dans le tableau 6, à la page 53. Étape 1

Étape 5

Étape 2

Étape 6

Étape 3 Étape 4

Étape 7

b ) De quel type de liaison s’agit-il ? Expliquez votre réponse.

13

L’atome d’hydrogène (H) possède un seul électron, comme le montre l’illustration suivante.

a ) Représentez schématiquement la molécule de dihydrogène (H2) en utilisant l’illustration de l’atome d’hydrogène (H) ci-dessus.

b ) Par quelle sorte de liaison cette molécule est-elle formée ?

58

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14

Soit la molécule de dioxygène (O2). a ) À l’aide de la notation de Lewis, schématisez, dans les rectangles prévus à cette fin, la formation de cette molécule en trois étapes. b ) Expliquez, sous chaque figure, le processus de formation de l’étape dont il est question. c ) De quelle sorte de liaison s’agit-il ?

Avant la formation de la liaison

Explication :

Pendant la formation de la liaison

Explication :

Après la formation de la liaison

Explication :

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59

Les règles de nomenclature et d’écriture des composés binaires 1.4.3

STE

Dans le but d’identifier clairement la très grande variété de composés qui existent dans la nature, les scientifiques ont établi des règles permettant aussi bien de nommer les molécules (nomenclature) que d’écrire les formules moléculaires de ces composés. Il ne sera question ici que des composés binaires. Le tableau 7 présente les règles utilisées pour nommer les composés binaires à partir de leur formule moléculaire. Le composé binaire donné en exemple est le dichlorure de calcium (CaCl2). On peut aussi, en se basant sur ce tableau, faire l’inverse, c’est-à-dire trouver une formule moléculaire à partir d’un composé binaire. Les tableaux 8 et 9 fournissent des précisions supplémentaires sur le nom de certains composés. Les règles de nomenclature et d’écriture des formules moléculaires des composés binaires TABLEAU 7

Règles

Quelques préfixes représentant le nombre d’atomes de chaque élément d’un composé TABLEAU 9

1. L’élément qui apparaît en second dans la formule moléculaire du composé est nommé en premier lieu.

Chlore

2. On lui ajoute le suffixe « ure » (voir le tableau 8 pour des exceptions).

Chlorure

3. L’élément qui apparaît en premier dans la formule moléculaire est nommé en second lieu, sans aucune modification.

Calcium

4. Le nombre d’atomes de chaque élément (le chiffre placé en indice) est représenté par un préfixe qui est ajouté au nom de l’élément (voir le tableau 9 pour une liste de préfixes). Remarque : Lorsque l’indice est égal à 1, il n’est pas indiqué.

2 Di 2 atomes de chlore Dichlorure

5. On nomme le composé.

Dichlorure de calcium

6. On écrit la formule moléculaire du composé.

CaCl2

Nombre d’atomes

Préfixe

1

Mono*

2

Di

3

Tri

4

Tétra

5

Penta

6

Hexa

Azote

Azoture

Nitrure

7

Hepta

Carbone

Carbonure

Carbure

8

Octa

Hydrogène

Hydrogènure

Hydrure

9

Nona

Oxygène

Oxygènure

Oxyde

10

Déca

Phosphore

Phosphorure

Phosphure

Soufre

Soufrure

Sulfure

* Seul le suffixe « mono » peut être omis, si cela ne crée pas d’ambiguïté.

60

Exemple (CaCl2)

UNIVERS MATÉRIEL

TABLEAU 8

Des exceptions à la règle du suffixe « ure » Élément

Nomenclature

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UM 1.4 1.1

Activités 1.4.3 1

2

3

STE

Nommez les composés suivants en utilisant les règles de nomenclature. a ) Mg3N2

g ) MgO

b ) CO2

h ) Fe3O4

c ) CCl4

i ) MgCl2

d ) KBr

j ) O2

e ) Al2O3

k ) HCl

f ) PbI2

l ) Na2O

Écrivez les formules moléculaires des composés suivants. a ) Chlorure de sodium

g ) Trichlorure d’aluminium

b ) Monoxyde de cuivre

h ) Iodure de sodium

c ) Tétrachlorure de silicium

i ) Hexafluorure de soufre

d ) Fluorure de lithium

j ) Trioxyde de difer

e ) Pentaoxyde de diphosphore

k ) Monoxyde de carbone

f ) Dibromure de magnésium

l ) Tribromure d’antimoine

Soit les composés représentés ci-dessous. 1)

2)

Br P Cl

Cl

C

Br

Br

Cl

Br

a ) Quel est le nom de ce composé ?

a ) Quel est le nom de ce composé ?

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

61

4

Soit la molécule représentée ci-dessous.

a ) Quel est le nom de cette molécule ?

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

1.5 La notion de mole et

le nombre d’Avogadro FLASH

SCIENCE

Le système international d’unités (SI) est le système d’unités le plus largement utilisé partout dans le monde. Il comporte sept unités de base : le mètre (m), le kilogramme (kg), la seconde (s), l’ampère (A), le kelvin (K), la mole (mol) et la candela (cd).

mètre (m)

62

kilogramme (kg)

UNIVERS MATÉRIEL

STE

Les atomes sont des particules infiniment petites. Si on voulait compter le nombre d’atomes impliqués dans la matière manipulée dans les activités quotidiennes, le calcul serait constitué de très grands nombres. Pour remédier à ce problème, les scientifiques ont convenu de regrouper ces particules, comme il est d’usage de le faire avec les œufs ou les clous qu’on regroupe respectivement par douzaines et par centaines.

1.5.1

La notion de mole

La mole (mol) est une des unités de base du système international d’unités (SI). La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’atomes contenus dans 12,000 00 g de carbone 12. Rappelez-vous que le carbone 12 (C 12) vient du choix de l’isotope C 12 comme élément de référence du tableau périodique.

seconde (s)

ampère (A)

kelvin (K)

mole (mol)

candela (cd)

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UM 1.5 1.1

Il est à noter que la notion de mole ne s’applique pas seulement aux atomes, mais aussi aux molécules, aux ions, etc. Ainsi, on peut en déduire qu’il y a, par exemple, une mole de molécules d’eau (H2O) dans 18,0 g d’eau et une mole d’atomes de soufre (S) dans 32,0 g de soufre (S), comme l’illustre la figure 26.

Hélium (He) 4,0 g

Fer (Fe) 55,8 g

Fgu 26

Eau (H2O) 18,0 g

Éthanol (C2H5OH) 46,1 g

Carbone (C) 12,0 g

Chlorure de sodium (NaCl) 58,5 g

Mercure (Hg) 200,6 g

Soufre (S) 32,0 g

Glucose (C6H12O6) 180,2 g

Voc ds écanllons d’un mol d dfféns subsancs.

Cette façon de dénombrer les atomes ou les molécules est intéressante dans la mesure où elle revient à effectuer une simple pesée. Par exemple, si l’on pèse 58,5 g de chlorure de sodium (NaCl), on pèse une mole.

1.5.2

Le nombre d’Avogadro

Le nombre d’atomes de C 12 contenus dans une mole de C 12 est égal au nombre d’Avogadro, soit NA = 6,02 × 1023. C’est aussi ce nombre de molécules d’eau (H2O) qui est contenu dans une mole d’eau, c’est-à-dire dans 18,0 g de ce composé. Le nomb d’Avogado (NA = 6,02 × 1023) est le nombre d’atomes ou de molécules d’une substance donnée contenu dans une mole de cette substance.

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ChApitre 1 L’organisation de La matière

63

Le nombre d’Avogadro est un nombre extrêmement grand. Pour se faire une idée de l’ordre de grandeur de ce nombre, une mole de secondes représente près de 20 millions de milliards d’années, soit environ 4 millions de fois l’âge estimé de la Terre. Il est possible de calculer le nombre de particules (N) contenues dans une substance en utilisant le nombre d’Avogadro (NA) et le nombre de moles (n) d’atomes ou de molécules, comme le montre l’équation ci-dessous. N = n × NA

L’exemple suivant présente la façon de calculer le nombre d’atomes d’une substance à partir du nombre de moles de cette substance. EXEMPLE A

Combien d’atomes de fer (Fe) sont contenus dans 2,5 mol de fer ? Données : n = 2,5 mol NA = 6,02 × 1023 atomes/mol N=?

Calcul : N = n × NA = 2,5 mol × 6,02 × 1023 atomes/mol ≈ 1,5 × 1024 atomes

Il y a environ 1,5 × 1024 atomes de fer (Fe) dans 2,5 mol de fer.

1.5.3

La masse molaire

La masse molaire (M) d’une substance donnée est la masse d’une mole de particules de cette substance. Son unité usuelle est le gramme par mole (g/mol). Lorsqu’il est question d’atomes, on parle de masse molaire atomique ; lorsqu’il s’agit de molécules, on parle de masse molaire moléculaire. COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Amadeo Avogadro (1776-1856)

Physicien italien et fils de magistrat, Amadeo Avogadro suivit d’abord les traces de son père. Cependant, après avoir passé cinq années à exercer le droit, il abandonna cette profession et entreprit des études en physique. Sa carrière de physicien fut brillante. Avogadro énonça, entre autres choses, la loi qui stipule que des volumes égaux de gaz différents, dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules. Il fut aussi le premier à établir une différence entre les atomes et les molé cules. En l’honneur des découvertes d’Avogadro, les scientifiques ont donné son nom au nombre qui représente le nombre d’unités contenues dans une mole.

64

UNIVERS MATÉRIEL

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UM 1.5 1.1

Dans le tableau périodique, la masse atomique d’un élément est donnée en unités de masse atomique (u). On peut déduire la masse molaire atomique de cet élément en exprimant en grammes (g) la valeur numérique de sa masse atomique (voir le tableau 10 ci-dessous et la figure 26, à la page 63). La masse atomique et la masse molaire de quelques éléments du tableau périodique TABLEAU 10

Élément

Masse atomique (u)

Masse molaire (g/mol)

Carbone (C)

12,01

12,01

Oxygène (O)

16,00

16,00

Sodium (Na)

22,99

22,99

La masse molaire (M) moléculaire se calcule en effectuant la somme des masses atomiques des éléments qui constituent la molécule, comme le montre l’exemple B. EXEMPLE B

Quelle est la masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone (CO2) ? Données :

Calcul :

M C = 12,01 g /mol

M CO2 = M C + 2 (M O)

M O = 16,00 g /mol

= 12,01 g/mol + (2 × 16,00 g /mol)

M CO2 = ?

= 44,01 g/mol

La masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone (CO2) est de 44,01 g/mol.

Le nombre de moles (n) d’atomes ou de molécules d’une substance peut être calculé à partir de la masse (m) de cette substance et de sa masse molaire (M) atomique ou moléculaire à l’aide de l’équation suivante :

Voici un exemple de calcul. EXEMPLE C

Quel est le nombre de moles contenues dans 45,98 g de sodium (Na) ? Données :

Calcul :

M Na = 22,99 g/mol m = 45,98 g n=?

Le nombre de moles contenues dans 45,98 g de sodium (Na) est de 2,00 mol.

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

65

Activités 1.5 1

STE

Entourez les énoncés ci-dessous qui correspondent à la définition d’une mole. a ) La mole est le nombre d’atomes contenus dans une matière. b ) La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’atomes contenus dans 12,000 00 g de carbone 12. c ) La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’Avogadro dont la valeur est de 6,02 × 1023. d ) La mole est le nombre de molécules contenues dans une matière.

2

Complétez le tableau suivant en identifiant les différentes sortes d’atomes contenus dans chaque molécule ainsi que leur nombre. Différentes sortes d’atomes

Molécule

Nombre d'atomes de chaque sorte

1 molécule de NaCl 1 molécule de NaOH 1 molécule de C6H12O6 1 molécule de Ca(OH)2 1 molécule de CH4

3

4

66

Inscrivez, dans le tableau suivant, le nombre d’atomes de chaque sorte contenus dans les composés moléculaires donnés. Composé moléculaire

Nombre de molécules

H2SO4

2

CaCl2

10

CH4

50

NaNO3

100

C3H8

25

Nombre d’atomes de chaque sorte

Qu’est-ce que le nombre d’Avogadro ?

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UM 1.5 1.1

5

Remplissez le tableau suivant en notant la formule moléculaire du composé, le nombre de moles et le nombre de moles d’atomes de chaque sorte correspondant à chacune des quantités données. Quantité

Formule moléculaire

Nombre de moles

Nombre de moles d’atomes

1 mole de NaCl

5 moles de NaOH

0,5 mole de C6H12O6 1,5 mole de Ca(OH)2

6

Combien d’atomes ou de molécules sont contenus dans les quantités suivantes ? a ) 1 mole de Ne

b ) 2 moles de H2O

c ) 0,8 mole de KCl

d ) 100 moles de H3PO4

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

67

7

Combien de moles d’atomes ou de molécules sont contenues dans : a ) 7,826 × 1023 atomes de Cl ?

b ) 1,505 × 1024 molécules de AlBr3 ?

c ) 9,03 × 1025 molécules de CuO ?

d ) 2,107 × 1026 molécules de N2 ?

8

Qu’est-ce que la masse molaire moléculaire ?

9

Inscrivez, dans les tableaux suivants, la masse molaire atomique des éléments donnés. Élément

68

Masse molaire atomique

Élément

Fe

H

Cl

W

Na

Kr

Be

Cs

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Masse molaire atomique

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UM 1.5 1.1

10

Calculez la masse molaire moléculaire des composés suivants. a ) H3PO4

b ) Ca(OH)2

11

Calculez le nombre de moles d’atomes ou de molécules contenues dans les quantités suivantes. a ) 45,61 g de Zr

b ) 169,89 g de SiCl4

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Chapitre 1 L’organisation de La matière

69

Calculez la masse de chacun des échantillons suivants.

12

a ) 2 mol de Cu

b ) 1,6 mol de CO2

CONSOLIDATION DU ChApITre 1 1

−500

70

Placez les événements suivants en ordre chronologique sur la ligne du temps. Modèle de Dalton

Modèle d’Aristote

Modèle de Rutherford

Modèle de Démocrite

Modèle de Thomson

Modèle de Rutherford-Bohr

Naissance de J.-C.

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Années

1200

1600

1800

2000

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2

Les configurations électroniques suivantes représentent quatre éléments du tableau périodique selon le modèle de Rutherford-Bohr. 1)

3)

2)

4)

Lequel des énoncés ci-dessous est vrai ? a ) Les atomes 1 et 2 font partie de la même famille. b ) Les atomes 2 et 3 font partie de la même période. c ) Les atomes 1 et 4 font partie de la même famille. d ) Les atomes 1 et 3 font partie de la même période. 3

Remplissez le tableau qui suit. Les caractéristiques du silicium (Si)

Numéro atomique

Nombre de masse

Métal, non-métal ou métalloïde

Masse atomique

État à la température ambiante

Masse molaire

Nombre de protons

Numéro de colonne dans le tableau périodique

Nombre d’électrons

Numéro de période dans le tableau périodique

Nombre d’électrons de valence

Nombre de couches électroniques

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STE

STE

Chapitre 1 L’organisation de La matière

71

Les caractéristiques du silicium (Si) (suite) Nombre de neutrons STE

Configuration électronique

Nombre de nucléons STE

Configuration atomique STE

Nombre de particules subatomiques STE

Représentation selon la notation de Lewis

Nombre de moles d’atomes de Si contenues dans 100 g de Si

STE

Nombre d’atomes de Si contenus dans 1 g de Si STE

72

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4

Remplissez la grille de mots ci-dessous à l’aide des énoncés qui suivent. II

VIII IV

1

XIII X

2 I 3

4 VII

5

6 IX

V 7

XII

8 XI

9 III VI 10

11

12

13 14

Note : Dans une grille de ce type, on ne met pas d’accents sur les voyelles. HORIZONTALEMENT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14

Métal appartenant à la douzième famille. Famille d’éléments possédant sept électrons de valence. Alcalino-terreux qui a une couche électronique de plus que le calcium. Groupe d’éléments ayant le même nombre d’électrons de valence. Élément de la famille des alcalins situé dans la sixième période du tableau périodique. Non-métal situé à gauche de l’escalier du tableau périodique. Élément situé dans la deuxième colonne et la troisième période du tableau périodique. Son symbole est Sn. Autre nom des gaz inertes. Gaz inerte n’ayant pas le même nombre d’élec trons de valence que le reste de sa famille. Alcalino-terreux qui a le plus petit rayon atomique de sa famille. Il a été découvert par J. J. Thomson. Élément non métallique possédant 53 protons. Les éléments d’une même famille possèdent le même nombre d’électrons de…

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VERTICALEMENT I II

III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII

Se dit d’une couche électronique qui contient un nombre maximum d’électrons. Élément qui a sept électrons de valence et qui est situé dans la troisième période du tableau périodique. Gaz inerte qui a deux couches électroniques. Alcalin qui possède une couche électronique de plus que l’hydrogène. Famille d’éléments qui réagissent violemment avec l’eau pour former des bases. Tout élément situé à gauche de l’escalier du tableau périodique. Métal qui a quatre couches électroniques. Son nom fut donné à l’une des façons de représenter l’atome d’un élément. Se dit des gaz qui sont caractérisés par une très grande stabilité chimique. Élément situé entre le césium et le lanthane. Bien qu’il ait quatre couches, sa représentation de Lewis ne comporte que deux points. Rangées du tableau périodique numérotées de 1 à 7. Savant russe qui a élaboré le premier tableau dans lequel les éléments étaient classés selon leurs propriétés physicochimiques.

Chapitre 1 L’organisation de La matière

73

5

Remplissez le tableau ci-dessous en écrivant la formule de la molécule qui se forme selon les ions qui sont donnés. Ion sulfure

Ion phosphure

Ion chlorure

Ion potassium Ion aluminium Ion magnésium

6

STE

Complétez le tableau suivant.

Molécule

Ion métallique

Ion polyatomique Formule chimique

K+ Al3+

Nom de l’ion

Carbonate OH−

B2(SO4)3 Cu2+

7

Phosphate

STE Notez, dans le tableau ci-dessous, le type de liaison (covalente ou ionique) que décrit chaque caractéristique. Caractéristique

Type de liaison

Liaison métal–non-métal. Liaison non-métal–non-métal. Liaison produisant des doublets électroniques. Liaison produisant des ions. Liaison dans laquelle, après réaction chimique, les deux éléments ont la configuration électronique des gaz inertes les plus proches. Liaison formée par une attraction électrique. Liaison formée grâce au partage d’électrons. Liaison caractérisée par le transfert d’électrons d’un atome vers un autre. Liaison entre l’aluminium et l’oxygène. Liaison entre deux atomes d’hydrogène. Liaison permettant la formation du trichlorure de fer. Liaison permettant la formation du diazote. Liaison permettant la formation du HCl. Liaison permettant la formation du PbI2.

74

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chapitre

2

LES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES SOLUTIONS

Dans la nature, les substances pures sont rares. Nous sommes plutôt entourés de mélanges homogènes et hétérogènes. Par exemple, l’air, l’eau potable et l’acier sont des mélanges homogènes qu’on appelle aussi « solutions ». L’eau est considérée comme le solvant universel, car elle peut dissoudre un très grand nombre de substances. Dans ce chapitre, vous découvrirez comment la nature et la quantité des substances dissoutes dans l’eau donnent aux solutions aqueuses certaines de leurs propriétés physiques comme la conductibilité électrique, leur nature acide ou basique, une certaine concentration et un pH.

SOMMAIRE

Rappel  76 2.1 Les électrolytes  77 2.2 La concentration  87 2.3 Le pH  96

RAPPEL

Les solutions • Une solution est un mélange homogène dans lequel un soluté est dissous dans un solvant.

Une solution homogène. Cette solution transparente d’eau et de sulfate de cuivre est un mélange homogène.

• Une solution aqueuse est une solution dont le solvant est l’eau.

Quelques notions sur les solutions La concentration • La concentration d’une solution correspond à la quantité de soluté dissoute par rapport à la quantité totale de solution : • La concentration s’exprime à l’aide de différentes unités comme g/L, % m/V, etc. L’acidité et la basicité L’acidité et la basicité sont liées à la capacité de réagir de certaines substances. Ces termes expriment les caractères opposés de substances qui réagissent de manière différente. Acides

Bases

• Réagissent avec les métaux. • Rougissent le papier tournesol bleu.

• Visqueuses au toucher. • Bleuissent le papier tournesol rouge. • Dissolvent les graisses.

La dissolution La dissolution est le procédé utilisé pour dissoudre une substance dans une autre. A

B

Particule de soluté

C

Particule de solvant

Un exemple de dissolution. Lorsque le sucre est dissous dans l’eau, il perd son état solide pour s’associer aux molécules d’eau. A Un grain de sucre (soluté) déposé dans l’eau (solvant). B Les molécules de sucre, attirées par les particules d’eau, se détachent les unes des autres. C Les molécules de sucre se dispersent uniformément dans l’eau : elles sont dissoutes.

La dilution La dilution est l’ajout de solvant à une solution afin d’en diminuer la concentration. La loi de la dilution C1V1 = C2V2, où C1 : concentration de la solution initiale V1 : volume de la solution initiale Une solution de plus en plus diluée. Lors d’une dilution, le nombre de particules de soluté reste le même, alors que le volume de la solution augmente.

76

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C2 : concentration de la solution finale V2 : volume de la solution finale

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UM 2.1

2.1 Les électrolytes Qu’est-ce qui permet au courant électrique de circuler dans l’eau, alors que l’eau pure ne conduit pas l’électricité ? C’est ce que vous verrez dans la présente section.

2.1.1

La conductibilité électrique

Dans l’expérience présentée à la figure 1, deux électrodes reliées à une ampoule ont été placées dans une solution de chlorure de sodium (NaCl) et dans de l’eau pure (H2O). On constate que, dans le cas de l’eau pure (H2O), l’ampoule ne s’allume pas, tandis qu’elle s’allume dans le cas de la solution de chlorure de sodium (NaCl). Cette expérience montre une propriété importante des solutions : la conductibilité électrique. L’outil 1 de la page 79 présente la technique pour vérifier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse. La conducblé élcqu d’une solution est sa capacité à laisser passer le courant électrique. Le chlorure de sodium (NaCl), lorsqu’il est dissous dans l’eau, libère des particules chargées (ions Na+ et ions Cl−) qui peuvent se déplacer dans l’eau. Ce sont ces ions mobiles qui permettent au courant électrique de circuler. Une substance comme le chlorure de sodium (NaCl) est appelée « électrolyte », et la solution ainsi formée est une solution électrolytique.

Fgu 1 Un xénc d conducblé élcqu.

Un élcoly est une substance qui, une fois dissoute dans l’eau, permet le passage du courant électrique. D’autres substances, comme le sucre, ne permettent pas le passage du courant électrique une fois qu’elles sont dissoutes dans l’eau. On appelle ces substances des « non-électrolytes », car elles libèrent des molécules électriquement neutres. Les solutions ainsi formées sont des solutions non électrolytiques.

Molécule de sucre : C12H22O11(aq)

Un électrolyte est une substance formée d’atomes métalliques (ou d’hydrogène) et d’atomes non métalliques ; c’est le cas du sel de table ou chlorure de sodium (NaCl). Un non-électrolyte est une substance constituée uniquement d’atomes non métalliques ; c’est le cas du sucre (saccharose) (C12H22O11).

2.1.2

La dissociation électrolytique

Selon la nature électrolytique ou non électrolytique du soluté dissous, les particules ne sont pas séparées de la même manière dans l’eau. Lorsqu’un non-électrolyte se dissout, ses molécules se détachent les unes des autres tout en restant entières dans l’eau. Ainsi, les molécules d’eau ne font qu’entourer les molécules de soluté sans parvenir à les briser (voir la figure 2). Il est à noter que les indices entre parenthèses, comme on en voit à la figure 2, indiquent l’état physique des substances, qui peut être liquide (l), aqueux (aq), solide (s) ou gazeux (g).

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Molécule d’eau : H2O(l)

Fgu 2 Ls moléculs d suc (scchos) (C12H22O11), losqu’lls son dssous dns l’u, dvnnn ds moléculs quuss noués d moléculs d’u.

CHapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

77

Lorsqu’un électrolyte se dissout dans l’eau, ses molécules se détachent les unes des autres, puis se dissocient en ions positifs et négatifs. C’est ce qu’on appelle la « dissociation électrolytique ». La dissociation électrolytique se produit quand une substance dissoute se sépare en deux ions de charges opposées. La dissociation électrolytique est une transformation physique. Les ions du soluté sont attirés par les molécules d’eau, et l’électrolyte se dissocie en ions aqueux distincts, de charges opposées (voir la figure 3).

NaCl (s) Figure 3 La dissociation électrolytique du sel de table (NaCl) en ions positifs (Na+) et négatifs (Cl−) dans l’eau.



Na +(aq)

+

Cl−(aq)

On peut représenter les dissolutions d’un électrolyte et d’un non-électrolyte par une équation, comme on le fait pour une réaction chimique. Il faut s’assurer que l’équation est bien équilibrée, que ce soit du point de vue atomique ou des charges électriques. La dissolution du sucre (saccharose) (C12H22O11), qui ne produit aucun ion dans l’eau, peut être représentée par l’équation suivante : C12H22O11(s) → C12H22O11(aq)

La transformation physique du sucre, qui passe de l’état solide à l’état aqueux, est indiquée par les indices « (s) » et « (aq) » présents dans l’équation. L’eau (H2O(l)) n’étant pas un réactif, elle n’apparaît pas dans les équations de dissociation. Comme le montre la figure 3, la dissolution du sel de table (NaCl) est une dissociation électrolytique, puisqu’elle produit des ions de charges opposées, les ions Na+ et Cl− qui se trouvent en solution aqueuse. On remarque que, de chaque côté de l’équation, la neutralité électrique est respectée. Voici un autre exemple : l’équation de dissociation électrolytique du trioxyde de dialuminium (Al2O3). Al2O3(s) → 2 Al3+(aq) + 3 O2−(aq)

78

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OUTILS UM 2.1

OUTIL 1

Vérifier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse La ccbl lc s  pp caacs  cas sls   cas ls,  p ê cl pa  c m  x lcs ls à  m lmx (voir la figure 4). P s la ccbl lc ’ sl, l fa pc  la maè sva : 1. Ava ca s, c ls lcs  ccmè avc  l’a sll, ps ls ss.

2. S’ass  la cca s sls à s s sffsamm ga p  l’appal c la psc s s as ls sls. 3. Plac ls x lcs  c  ccbl  cac avc la sl à s. 4. S l m lmx s’allm, cla sgf  la sbsac s ccc ’lcc.

Témoin lumineux allumé

A L’a sal c l’lcc.

Figu 4

Témoin lumineux éteint

B L’a sc  c pas l’lcc.

L véifiction d l conductibilité élctiqu d solutions quuss.

Activités 2.1.1 et 2.1.2 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La conductibilité électrique est une propriété caractéristique de certains solides uniquement.

b ) Même à l’état solide, un électrolyte permet le passage du courant électrique.

c ) Les non-électrolytes sont des substances dont la formule chimique est composée d’un métal et d’un non-métal, ou de l’hydrogène (H) et d’un non-métal.

d ) Une solution électrolytique est électriquement chargée, alors qu’une solution non électrolytique est électriquement neutre.

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ChapITre 2 LeS ProPriétéS PhySiqueS deS SoLutionS

79

2

Les montages illustrés ci-dessous ont été utilisés pour observer la conductibilité électrique de deux solutions. Lors de cette expérience, on a comparé les solutions A et B dans lesquelles différents solutés ont été dissous.

Électrodes

Électrodes

Pile

Pile

Solution A

Solution B

Laquelle ou lesquelles des solutions : a ) est conductrice de courant ? b ) est non électrolytique ? c ) est électriquement neutre ? d ) contient des ions en solution ? 3

Classez les substances suivantes selon qu’elles sont des électrolytes ou des non-électrolytes. HF

CO2

NaI

FeF3

AlN

H2S

LiBr

C2H6

Mg3P2

CS2

PCl3

Br 2

CCl4

KF

P2O3

Électrolytes : Non-électrolytes : 4

Soit les séries de substances suivantes. Laquelle est composée seulement d’électrolytes ? a ) CH4

N2O5

b ) NH4Cl 5

H2

C6H12O6 LiOH

SO2 Na2O

c ) HI

KNO3

d ) C12H22O11

BeCl2 H2CO3

MgSO4 SF6

Na3PO4

Parmi les équations et les énoncés suivants ainsi que ceux de la page suivante, lesquels correspondent à une dissociation électrolytique ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) La dissolution du soluté dans l’eau ne fait que séparer les molécules les unes des autres. b ) CO2(g) → CO2(aq) c ) La dissolution du soluté dans l’eau produit deux ions de charges opposées. d ) C6H12O6(s) → C6H12O6(aq) e ) MgCl2(s) → Mg2+(aq) + 2 Cl−(aq)

80

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UM 2.1

f ) On me nomme aussi « dissociation ionique ». g ) H2S(g) → 2 H+(aq) + S2−(aq) h ) Br 2(l) → Br2(aq) i ) La dissolution du soluté dans l’eau produit une solution non électrolytique. j ) NaBr (s) → Na+(aq) + Br−(aq) 6

7

Les équations de dissociation électrolytique suivantes sont-elles écrites correctement ? Expliquez votre réponse et corrigez les équations, s’il y a lieu. a ) Li2O(s) → Li+(aq) + O2−(aq)

c ) Mg(NO3)2(s) → Mg2+(aq) + 2 NO3−(aq)

b ) Ca3(PO4)2(s) → 3 Ca2+(l) + 2 PO43−(aq)

d ) H2S(g) → 2 H+(g) + S2−(g)

Écrivez les équations de dissociation électrolytique des substances suivantes. a ) Na2CO3(s) b ) MgO (s) c ) Al(OH)3(s) d ) Be3P2(s) e ) LiH (s) f ) CH3COOH(l) g ) HNO3(l) h ) FeF3(s)

2.1.3

La force des électrolytes

STE

Les électrolytes ne conduisent pas tous le courant électrique de la même façon. Lorsqu’on détermine la conductibilité d’un certain nombre d’électrolytes à l’aide d’un conductimètre (voir la figure 5, à la page suivante), on constate que l’ampoule ne s’allume pas avec la même intensité. Cela est dû au fait que les électrolytes ne se dissocient pas tous de façon semblable. C’est le taux (ou le pourcentage) d’ions produits lors de la dissociation de l’électrolyte qui permet de dire qu’un électrolyte est fort ou faible.

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

81

La force d’un électrolyte correspond au taux de dissociation électro­ lytique du soluté en solution. Un électrolyte fort est un électrolyte qui se dissocie presque totalement, c’est­à­dire que son taux de dissociation est près de 100 %. C’est donc un très bon conducteur de courant électrique. Lorsque la dissociation est totale, il n’y a que des ions en solution ; c’est le cas du chlorure de sodium (NaCl), comme le montre la figure 5A. Un électrolyte faible est un électrolyte qui ne se dissocie que partiellement. Il conduit peu l’électricité en raison du peu d’ions qu’il produit en solution. À la fin de la dissociation, un grand nombre de molécules de l’électrolyte coexistent avec les ions formés ; c’est le cas de l’acide acétique (CH3COOH), comme l’illustre la figure 5B. Ce n’est qu’en mesurant la conductibilité électrique d’une substance qu’on peut dire si celle­ci est un électrolyte fort ou faible et non pas en se basant sur sa formule chimique. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) est un électrolyte fort, alors que le chlorure de mercure (HgCl2) est un électrolyte faible. Lorsqu’il faut classer les électrolytes en électrolytes forts ou faibles, il est essentiel que toutes les substances soient à la même concentration molaire.

NaCl(s) → Na +(aq) + Cl−(aq) 100 % Avant la dissociation

Après la dissociation

Molécules

0% Molécules

0% Ions

0% Ions

100 %

100 %

Ions

Ions

A Le chlorure de sodium (NaCl), un électrolyte fort, conduit fortement le courant.

CH3COOH(s) → CH3COO −(aq) + H+(aq) 100 % Avant la dissociation

Molécules

0% Ions

0% Ions

98 % Après la dissociation

Molécules

2%

2%

Ions

Ions

B L'acide acétique (CH3COOH), un électrolyte faible, conduit faiblement le courant.

Figure 5

82

La force des électrolytes de même concentration molaire.

UNIVERS MATÉRIEL

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UM 2.1

Activités 2.1.3 1

STE

Les facteurs énoncés ci-dessous établissent la différence de conductibilité entre deux solutions de même concentration, soit le chlorure de potassium (KCl), un électrolyte fort, et le dichlorure de plomb (PbCl2), un électrolyte faible. Dites si ces facteurs sont vrais ou faux. Cochez la case appropriée. Vrai

Faux

a ) Le nombre d’ions est plus faible dans la solution de PbCl2. b ) Les ions libérés par KCl ont une charge supérieure aux ions libérés par PbCl2. c ) La masse molaire de KCl est plus petite que celle de PbCl2. d ) Il y a plus de molécules neutres dans la solution de PbCl2 que dans celle de KCl. e ) Le taux de dissociation électrolytique de KCl est beaucoup plus élevé que celui de PbCl2. f ) Les ions libérés par KCl sont mobiles, alors que ceux libérés par PbCl2 ne le sont pas. 2

Soit trois solutés de formules chimiques AB, CD et XY. Les schémas ci-dessous illustrent la dissociation des solutés une fois dissous dans l’eau. Dites si chaque soluté est un électrolyte fort, un électrolyte faible ou un non-électrolyte. Expliquez chacune de vos réponses.

Soluté AB

Soluté CD

Soluté XY

Soluté AB : Soluté CD : Soluté XY :

2.1.4

Les acides, les bases et les sels

Un électrolyte peut être un acide, une base ou un sel. On distingue ces substances les unes des autres par leurs propriétés caractéristiques (voir le tableau 1, à la page suivante).

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

83

Quelques propriétés des acides, des bases et des sels

TABLEAU 1

Conductibilité électrique

Effet sur le papier de tournesol neutre

Goût

Acide

Oui

Il rougit

Aigre

Base

Oui

Il bleuit

Amer

Sel

Oui

Aucun effet

Salé

Toucher

Visqueux

Réaction avec les métaux

Neutralisation

Oui

Par une base

Non

Par un acide

Non

Les acides Les acides se dissocient dans l’eau en libérant des ions H+, comme le montrent les équations suivantes et la figure 6 :

: ions Cl−

Acide chlorhydrique

HCl(g) → H+(aq) + Cl−(aq)

Acide acétique

CH3COOH (l) → H+(aq) + CH3COO−(aq)

: ions H+

Figure 6 Une solution d’acide chlorhydrique (HCl).

Un acide est un électrolyte qui libère des ions H+ en solution aqueuse. La formule chimique des acides commence par le symbole de l’atome d’hydrogène (H), suivi du symbole d’un non-métal (HCl, H2S, etc.) ou d’un groupe d’atomes (HNO3, H2SO4, etc.). La formule de certains acides, comme l’acide acétique (CH3COOH), fait exception à cette règle.

Les bases Les bases se dissocient dans l’eau en libérant des ions OH−, comme le montrent les équations suivantes et la figure 7 :

: ions OH−

Hydroxyde de sodium

NaOH(s) → Na+(aq) + OH−(aq)

Hydroxyde d’ammonium

NH4OH(l) → NH4+(aq) + OH−(aq)

: ions Na+

Figure 7 Une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH).

Une base est un électrolyte qui libère des ions OH− en solution aqueuse. La formule chimique des bases commence par le symbole d’un métal (Na, Mg, etc.) ou du groupe d’atomes NH4 et se termine par le groupe d’atomes OH (KOH, Mg(OH)2, NH4OH, etc.).

Les sels Les sels sont des électrolytes formés par la réaction de neutralisation entre un acide et une base. Ils se dissocient en libérant des ions positifs et des ions négatifs en solution, comme le montrent les équations ci-dessous et la figure 8 :

: ions Cl−

: ions Na

Figure 8 Une solution de chlorure de sodium (NaCl).

84

UNIVERS MATÉRIEL

Chlorure de sodium

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq)

Sulfate de calcium

CaSO4(s) → Ca2+(aq) + SO42−(aq)

+

Un sel est un électrolyte qui libère des ions positifs et négatifs, autres que H+ et OH−, lorsqu’il est dissous dans l’eau. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

UM 2.1

La formule chimique des sels commence par le symbole d’un métal, suivi du symbole d’un non-métal (NaBr, MgCl2, etc.) ou d’un groupe d’atomes autre que OH (NaNO3, CaSO4, etc.). Il peut arriver que le métal soit remplacé par le groupe d’atomes NH4 (NH4Cl, (NH4)2SO4, etc.).

Activités 2.1.4 1

2

Pour chaque équation, dites s’il s’agit de la dissociation d’un acide, d’une base ou d’un sel. a ) HNO3(l) → H+(aq) + NO3−(aq)

e ) NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3−(aq)

b ) Mg(OH)2(s) → Mg2+(aq) + 2 OH−(aq)

f ) NH4OH(s) → NH4+(aq) + OH−(aq)

c ) Li3PO4(s) → 3 Li +(aq) + PO43−(aq)

g ) H2S(g) → 2 H+(aq) + S2−(aq)

d ) CH3COOH (l) → CH3COO−(aq) + H+(aq)

h ) Fe(HCO3)2(s) → Fe2+(aq) + 2 HCO3−(aq)

Les énoncés suivants décrivent-ils un acide, une base ou un sel ? Cochez la case appropriée. Acide

Base

Sel

a ) Je suis une substance qui libère des ions positifs et négatifs autres que H + et OH− en solution. b ) Ma formule chimique commence par le symbole d’un métal suivi de OH. c ) Une de mes formules chimiques s’écrit de cette manière : H suivi du symbole d’un non-métal. d ) Je suis formé pendant la neutralisation d’un acide par une base et vice-versa. e ) Ma formule chimique commence par l’atome H suivi du symbole d’un groupe d’atomes. f ) Ma formule chimique peut être constituée de deux groupes d’atomes. 3

Soit une solution aqueuse qui n’a aucun effet sur le papier de tournesol. Peut-on conclure que cette solution est une solution saline ? Expliquez votre réponse.

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85

4

Vous avez réalisé une expérience de laboratoire pour déterminer la nature acide, basique ou saline de quatre solutions aqueuses. Voici les résultats. Résultats de l’expérience Solution 1

Conduit le courant électrique et n’a aucun effet sur le papier de tournesol.

Solution 2

Conduit le courant électrique et bleuit le papier de tournesol.

Solution 3

Ne conduit pas le courant électrique et n’a pas d'effet sur le papier de tournesol.

Solution 4

Réagit avec un ruban de magnésium et neutralise les bases.

Lequel des énoncés suivants est vrai ? a ) La solution 1 est non électrolytique, la solution 2 est basique, la solution 3 est saline et la solution 4 est acide. b ) La solution 1 est saline, la solution 2 est acide, la solution 3 est non électrolytique et la solution 4 est basique. c ) La solution 1 est saline, la solution 2 est basique, la solution 3 est non électrolytique et la solution 4 est acide. d) La solution 1 est non électrolytique, la solution 2 est basique, la solution 3 est acide et la solution 4 est saline. 5

6

Écrivez les équations de dissociation électrolytique des substances suivantes. a ) H2CO3(s)

c ) Na3PO4(s)

b ) B(OH )3(s)

d ) (NH4)2SO4(s)

Classez les substances suivantes selon qu’elles sont des acides, des bases ou des sels. Si une substance n’entre pas dans ces catégories, classez-la dans « Autres ». LiOH

HBr

NH4OH

SO2

CH3OH

C6H12O6

HCN

AlCl3

H3PO4

BaF2

H2S

C2H6

Fe(OH)3

K 2S

NH4NO3

PCl3

Cu(OH)2

PbSO 4

HClO 4

Na2O

CH3COOH

Acides : Bases : Sels : Autres :

86

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UM 2.2

2.2 La concentration Les transformations physiques telles que l’évaporation, la dissolution et la dilution font varier la concentration des substances dissoutes. La concnon d’une solution est le rapport entre la quantité de soluté dissous et la quantité totale de solution. La concentration d’une solution peut être exprimée de différentes façons, soit en grammes par litre (g/L), en pourcentage (%), en parties par million (ppm) ou en moles par litre (mol/L).

2.2.1

La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%)

Pour calculer la concentration d’une solution en grammes de soluté par litre de solution (g/L), on utilise l’équation suivante : , où

C : concentration de la solution en grammes par litre (g/L) m : masse du soluté en grammes (g) V : volume de la solution en litres (L)

Voici un exemple de calcul de la concentration en grammes par litre (g/L). EXEMPLE A

Calculer la concentration en grammes par litre (g/L) d’une solution préparée avec 3,0 g d’hydroxyde de sodium (NaOH) dissous dans 125 mL d’eau.

Données :

Calcul :

m = 3,0 g V = 125 mL

1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : V = 125 mL = 0,125 L

C =?

2. Calculer la concentration de la solution en g/L :

Pour calculer la concentration d’une solution en pourcentage (%), on utilise, selon le contexte, l’une des équations suivantes : Nombre de grammes de soluté par 100 mL de solution Nombre de grammes de soluté par 100 g de solution Nombre de millilitres de soluté par 100 mL de solution

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

87

Voici un exemple de calcul de la concentration en pourcentage (%). EXEMPLE B

On a préparé 5,0 L d’une boisson alcoolisée à partir de 600 mL d’éthanol (C 2H5OH). Déterminer la concentration en alcool de cette boisson en nombre de millilitres de soluté par 100 mL de solution (% V/V ). Données :

Calcul :

Vsolution = 5,0 L Vsoluté = 600 mL

1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : Vsolution = 5,0 L = 5 000 mL

C en % V/ V = ?

2. Calculer la concentration de la solution alcoolisée en % V/ V :

La concentration en alcool de cette boisson est de 12 % V/V.

2.2.2

La concentration en parties par million (ppm)

Lorsque la concentration de soluté présente dans une solution est très faible, on peut exprimer sa concentration en parties par million (ppm). La concentration en parties par million (ppm) correspond au nombre de parties de soluté dissous dans un million de parties de solution. Par exemple, une concentration de 1 ppm correspond à 1 g de soluté dans 1 000 000 g de solution. On calcule, dans ce cas, la concentration en parties par million (ppm) d’une solution en utilisant l’équation suivante :

Voici, ci-dessous et à la page suivante, un exemple de calcul de la concentration en parties par million (ppm). EXEMPLE C

Au Québec, la norme sur la qualité de l’eau exige que la concentration en ions nitrate (NO3−) dans l’eau potable soit inférieure à 10,0 ppm. L’analyse de 500 L d’eau potable d’une ville québécoise a révélé la présence de 7,00 g de nitrates. On considère que 1,00 L d’eau a une masse de 1,00 kg. L’eau de cette ville est-elle potable ?

88

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UM 2.2

EXEMPLE C (

)

Données :

Calcul :

Vsolution = 500 L

1. Déterminer la masse de la solution :

m nitrate = 7,00 g C (ppm) = ? 2. Calculer la concentration de la solution en ppm :

L’eau de cette ville n’est pas potable, car sa concentration en ions nitrate (NO3−) est supérieure à la norme.

2.2.3

La concentration molaire (mol/L)

STE

La concentration molaire, aussi appelée « molarité », permet de comparer différentes solutions. Comme la quantité de matière peut être exprimée en moles, la concentration molaire sera notée en moles par litre (mol/L). La concnon mol d’une solution est égale au nombre de moles de soluté dissous dans un litre de solution. On utilise l’équation suivante pour calculer la concentration molaire (mol/L) : , où

C : concentration de la solution en moles par litre (mol/L) n : nombre de moles de soluté (mol) V : volume de la solution en litres (L)

Pour calculer la concentration molaire d’une solution, on a besoin de connaître la masse molaire (M) des substances. Voici un exemple. EXEMPLE D

Une technicienne de laboratoire dissout 6,02 g de sulfate de magnésium (MgSO4) dans 200 mL de solution. Quelle est la concentration molaire de cette solution ? Données :

Calcul :

m MgSO4 = 6,02 g

1. Transformer les unités de mesure :

Vsolution = 200 mL M MgSO4 = 120,37 g/mol C solution = ?

2. Convertir le nombre de grammes de MgSO4 en nombre de moles :

3. Calculer la concentration molaire de la solution :

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89

Activités 2.2 1

Voici des données relatives à quatre solutions. Remplissez le tableau qui suit. Solution 1 : 3,0 g de soluté dissous dans 1,5 L de solution. Solution 2 : 15 mg de soluté dissous dans 10 mL de solution. Solution 3 : 20 mg de soluté dissous dans 12,5 mL de solution. Solution 4 : 1 800 mg de soluté dissous dans 1,5 L de solution.

Solution

Masse (m) de soluté

Volume (V) de la solution

Concentration (C) de la solution (g/L)

1 2 3 4

2

Voici des données relatives à trois solutions salines. Solution

Masse de sel dans la solution (g)

Volume de la solution (mL)

1

7,5

750

2

6,0

300

3

0,75

150

Laquelle des propositions suivantes classe correctement ces solutions par ordre décroissant de leurs concentrations ? a ) 3, 1 et 2 3

90

b ) 2, 3 et 1

c ) 2, 1 et 3

d ) 1, 3 et 2

Vous avez à préparer 350 mL d’une solution sucrée dont la concentration sera de 56 g/L. Quelle masse de soluté devrez-vous utiliser ?

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4

Pour reproduire l’eau de mer dans son aquarium, votre ami prépare une solution saline à une concentration en sel de 35 g/L en utilisant 4,2 kg de sel. Quel sera le volume de la solution saline obtenue ?

5

Vous disposez des quatre solutions suivantes. Solution 1 : concentration de 1,5 g/250 mL Solution 2 : concentration de 0,08 g/10 mL Solution 3 : concentration de 2,5 g/500 mL Solution 4 : concentration de 4 g/L Quelle solution est la plus concentrée ? a ) Solution 1

6

b ) Solution 2

c ) Solution 3

d ) Solution 4

L’analyse chimique de 200 mL de jus d’orange montre que le jus contient 24 g de sucre. a ) Quelle est la concentration en sucre de ce jus d’orange en grammes de soluté par 100 mL de solution (% m/ V ) ?

b ) Quelle serait la quantité de sucre contenue dans une bouteille de 1,89 L de jus d’orange, si la concentration en sucre de ce jus était de 8 % m/ V ?

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

91

7

Complétez le tableau ci-dessous, qui comporte des données sur les concentrations de trois solutions.

Solution 1

Concentration

(g/L)

(% m/V)

0,15

Solution 2

2,2

Solution 3

0,049

8

Vous achetez un contenant de 3,78 L d’alcool à friction (C3H8O) à 70,0 % V/V. Quel est le volume d’alcool contenu dans ce flacon ?

9

Le nichrome est un alliage de nickel (Ni) et de chrome (Cr) largement utilisé dans des éléments chauffants. L’étiquette d’un échantillon de nichrome indique qu’il est constitué de 36,3 g de nickel et 9,10 g de chrome. Quelle est la concentration en chrome, en % m/m, de cet échantillon de nichrome ? a ) 25,1 % m/m

10

Nitrates (NO3–)

c ) 74,9 % m/m

Masse

Concentration

(mg)

(ppm)

d ) 20,0 % m/m

21,3

Mercure (Hg)

0,185

Cyanures (CN–)

0,375

Bore (B)

11

b ) 80,0 % m/m

L’analyse chimique de 2,50 L d’une eau potable a donné les résultats consignés dans le tableau cidessous. Complétez le tableau, en inscrivant dans la dernière colonne, la concentration, en ppm, de chacune des substances présentes dans cette eau potable. Substance

13,8

L’ammoniac (NH3) étant toxique pour les poissons, des analyses sont régulièrement faites dans les cours d’eau d’une région pour vérifier sa concentration. L’analyse d’un échantillon de 250 mL d’eau d’une rivière a révélé la présence de 0,007 mg d’ammoniac. Quelle est la concentration, en ppm, de cette eau en ammoniac ? a ) 280 ppm

92

Concentration

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b ) 0,028 ppm

c ) 0,28 ppm

d ) 28 ppm

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12

Le tableau ci-contre regroupe les données de cinq solutions aqueuses de chlorure de sodium (NaCl). Lesquelles de ces cinq solutions possèdent la même concentration ? a) Les solutions 1, 4 et 5

c) Les solutions 1 et 3

b) Les solutions 1, 2 et 3

d) Les solutions 2, 4 et 5

Solution

Concentration

1

0,45 % m/V

2

0,045 ppm

3

0,45 g/L

4

4 500 ppm

5

1,35 g/300 mL

13

La mauvaise qualité de l’air ambiant dans une pièce peut engendrer des problèmes de santé. Par exemple, si la concentration de monoxyde de carbone (CO) dans l'air est de 0,04 % m/m, une personne peut ressentir des maux de tête dans les deux heures qui suivent l’inhalation de ce gaz. Calculez la concentration de CO dans l'air en parties par million (ppm).

14

Selon la réglementation québécoise, la concentration de plomb (Pb) dans l’eau potable ne doit pas dépasser 0,01 ppm. Si un échantillon de 2,0 L d’eau potable contient 0,000 015 g de plomb, cette eau peut-elle être nocive pour l’organisme ? On considère que 1,0 L d’eau a une masse de 1,0 kg.

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

93

94

15

La concentration de contaminants dans un lac, telles les cyanobactéries, est égale au seuil de toxicité de ces contaminants, c’est-à-dire 0,016 ppm. Déterminez le nombre de kilogrammes de contaminants présents dans ce lac si son volume d’eau est de 380 millions de mètres cubes (m3). On considère que 1,0 L d’eau a une masse de 1,0 kg.

16

STE Soit une solution d’acide acétique (CH3COOH) à 5 % m/V. Quelle est la concentration molaire de cette solution ?

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UM 2.2

17

STE

Complétez le tableau suivant en tenant compte des données fournies. Nombre de moles (n) de soluté (mol)

Volume (V ) de la solution (L)

2,0

4,0 12

0,3

Concentration (C ) de la solution (mol/L)

5,0 1,5

18

STE Un élève prépare une solution de nitrate d’argent (AgNO3) en dissolvant 0,17 g de ce sel dans 50 mL de solution. Déterminez la concentration molaire de la solution.

19

STE Dans un examen de laboratoire, il est demandé aux élèves de préparer une solution de 300 mL de carbonate de dipotassium (K2CO3) ayant une concentration de 0,25 mol/L. Quelle masse de K2CO3 les élèves doivent-ils peser ?

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

95

20

STE Pour neutraliser une base, il a fallu utiliser une solution d’acide sulfurique (H2SO4) ayant une concentration de 0,35 mol/L. La solution a été préparée avec 15 g d’acide. Quel a été le volume de la solution d’acide utilisée ?

2.3 Le pH Vous avez vu, dans la section 2.1, qu’il est possible de distinguer les solutions acides des solutions basiques ou des solutions neutres en observant certaines de leurs propriétés. Par exemple, la façon dont ces solutions réagissent au contact d’indicateurs comme le papier de tournesol en dit beaucoup sur leur nature. Vous découvrirez, dans la présente section, une autre propriété observable et mesurable des acides, des bases et des sels : le pH.

2.3.1

L’échelle pH

Que l’on mesure le pH d’une solution à l’aide d’un papier pH ou d’un pH-mètre, les valeurs du pH varient de 0 à 14. Cet intervalle est appelé « échelle pH ». L’échelle pH permet de déterminer le degré d’acidité ou de basicité d’une solution. COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Søren Sørensen (1868-1939)

En 1909, le chimiste danois Søren Sørensen introduisit le concept de l’échelle pH, un modèle célèbre pour sa simplicité d’utilisation. Il démontra que le pH était, en fait, directement relié à la concentration en ions H+ (ou OH−) d’une solution.

96

UNIVERS MATÉRIEL

Les formules suivantes lui permirent de transformer le pH d’une solution en concentration en ions H+, et vice-versa : pH = −log [H+] [H+] = 10−pH

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UM 2.3

La valeur du pH indique si une solution est acide, basique ou neutre. Une solution est acide si le pH est inférieur à 7, elle est neutre si le pH est égal à 7 et elle est basique (ou alcaline) si le pH est supérieur à 7 (voir la figure 9). Plus le pH est bas, plus la solution est acide et, inversement, plus le pH est haut, plus la solution est basique. Ainsi, une solution de pH 3 est plus acide qu’une solution de pH 5, alors qu’une solution de pH 11 est plus basique qu’une solution de pH 8. Les valeurs du pH annoncent aussi combien de fois une solution est plus acide ou plus basique qu’une autre. En effet, une variation de 1 unité de pH fait augmenter ou diminuer l’acidité ou la basicité d’un facteur de 10. Une solution de pH 4 est 100 fois plus acide qu’une solution de pH 6. La figure 9 montre que le cola de pH 2,5 est 10 fois plus acide que le jus d’orange de pH 3,5, alors que la chaux de pH 12,5 est 10 fois plus basique que l’ammoniaque de pH 11,5.

2.3.2

Le pH et la concentration molaire en ions H+ STE

Vous savez maintenant que les acides sont des électrolytes qui libèrent des ions H+ lors de leur dissociation. Le pH, qui est l’abréviation de « potentiel hydrogène », est une indication de la concentration molaire des ions H+ présents dans une solution.

Fgu 9 L H d qulqus subsncs couns.

Le tableau 2 représente la relation entre le pH d’une solution et la concentration molaire des ions H+. Il montre que l’échelle pH est une échelle logarithmique. Lorsque le pH varie de 1 unité, la concentration en ions H+ varie d’un facteur de 10. Ainsi, lorsque le pH d’une solution passe de 3 à 5, la concentration en ions H+ de la solution diminue de 100 fois, passant de 10−3 mol/L à 10−5 mol/L. TABLEAU 2

La concentration en ions H+ et le pH correspondant Concentration de H+ (mol/L)

Variation de l’acidité et de la basicité Acide fort

0



10−1

1

0,01



10−2

2

0,001

1 × 10−3

3



10−4

4

0,000 01



10−5

5

0,000 001

1 × 10−6

6



10−7

7

0,000 000 01



10−8

8

0,000 000 001

1 × 10−9

9

0,000 1

0,000 000 1



10−10

0,000 000 000 01



10−11

11

0,000 000 000 001

1 × 10−12

12

0,000 000 000 000 1

1 × 10−13

13

10−14

14

0,000 000 000 1

Base forte

pH

1 × 100

1 0,1

Neutre

Concentration en notation scientifique (mol/L)

0,000 000 000 000 01

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10

CHapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

97

Activités 2.3 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) L’échelle pH compte 14 unités (de 0 à 14) et indique le degré d’acidité d’une solution.

b ) Plus le pH est élevé, plus la solution est acide ; plus le pH est faible, plus la solution est basique.

2

Les tableaux suivants présentent le pH de certaines substances. a ) Donnez la nature (acide, base ou neutre) de chacune des substances. Substance Déboucheur de tuyaux

pH

Nature

14,0

Substance

pH

Bicarbonate de sodium

8,5

Lait

6,5

Batterie à acide

1,0

Eau pure

7,0

Jus de citron

2,4

Sang

7,4

Lait de magnésie

10,5

Suc gastrique

2,0

Eau de pluie

5,6

Blanc d’œuf

7,8

Salive

7,2

Eau de mer

8,0

Chaux

12,5

Nature

b ) Quelle est la solution la plus acide ? c ) Quelle est la solution la plus basique ? d ) Complétez les phrases suivantes. 1) Le bicarbonate de sodium est que la chaux. 2 ) Le jus de citron est 3 ) L’eau de mer est

fois fois fois moins

basique acide que le sang. que l’eau pure.

4 ) Le lait de magnésie est 10 000 fois plus basique que 3

.

Le pH normal d’une pluie acide est de 5,3. À cause de l’émission de certains gaz dans l’atmosphère, comme le dioxyde de soufre (SO2) ou les oxydes d’azote (NOx ), le pH des pluies acides actuelles est de 4,3. Lequel des énoncés suivants est vrai ? a ) Les pluies acides actuelles sont 1 fois plus acides que les pluies acides normales. b ) Les pluies acides normales sont 1 fois plus acides que les pluies acides actuelles. c ) Les pluies acides normales sont 10 fois plus acides que les pluies acides actuelles. d ) Les pluies acides actuelles sont 10 fois plus acides que les pluies acides normales.

98

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UM 2.3

4

L’eau d’un lac a un pH de 4,5. Un analyste soutient que l’acidité de cette eau a été multipliée par un facteur de 100 en 2 ans. Quelle était la valeur du pH à ce moment-là ? Expliquez votre réponse.

5

Le tableau ci-dessous présente les valeurs de pH relevées dans quatre solutions aqueuses. Solution aqueuse

pH

1

8,1

2

6,8

3

6,1

4

4,7

Parmi ces quatre solutions aqueuses, laquelle est faiblement alcaline ?

6

a ) Solution aqueuse 1

c ) Solution aqueuse 3

b ) Solution aqueuse 2

d ) Solution aqueuse 4

STE

Complétez le tableau suivant en considérant les données déjà fournies. Concentration en ions H+ (en mol/L)

pH d'une solution

Nature de la solution (acide ou base)

9 0,000 001 4 10−12

7

STE

Classez les solutions suivantes selon leur degré décroissant d’acidité.

Solution A : pH 13 Solution B : concentration en ions H de 0,000 000 1 mol/L

Solution E : pH 8 +

Solution C : concentration en ions H + de 10−3 mol/L

Solution F : concentration en ions H + de 10−11 mol/L Solution G : pH 7

Solution D : concentration en ions H + de 0,01 mol/L

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

99

CONSOLIDATION DU ChApITre 2 1

À l’aide d’un indicateur de conductibilité électrique, vous testez deux solutions de même concentration : l’une de sulfure de dipotassium (K2S) et l’autre de trichlorure de phosphore (PCl3). a ) Dans quelle solution l’ampoule de l’indicateur de conductibilité électrique s’allumera-t-elle ? Expliquez votre réponse en donnant la nature des composés.

b ) Comment nomme-t-on ces deux substances ?

c ) Sachant que le sulfure de dipotassium (K2S) est une substance solide et que le trichlorure de phosphore (PCl3) est un gaz, écrivez leur équation de dissociation dans l’eau. Puis, indiquez quel est le type de dissociation de chacune des substances. K 2S : PCl3 : 2

STE En vous basant sur les informations contenues dans le tableau ci-dessous, classez, par ordre croissant, les trois électrolytes selon leur force. Précisez ensuite quel électrolyte vous choisiriez pour obtenir une électrolyse de l’eau très efficace. Expliquez votre réponse.

Électrolyte

Après dissociation

HIO3

100 molécules

60 molécules de HIO3 , 40 ions de H+ et 40 ions de IO3−

HNO3

50 molécules

2 molécules de HNO3 , 48 ions de H+ et 48 ions de NO3−

1 000 molécules

960 molécules de CH3COOH, 40 ions de H+ et 40 ions de CH3COO−

CH3COOH

3

Avant dissociation

Remplissez le tableau suivant en tenant compte des composés donnés. Composé

Électrolyte ou non-électrolyte

Nature du composé

Équation de dissociation électrolytique

Be(OH)2(s) FeCl3(s) H2S(g)

100

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4

On dissout 2,22 g de dichlorure de calcium dans 200 mL de solution. a ) Quelle sera la concentration, en g/L, de cette solution ?

b ) Quelle sera la concentration, en % m/V, de cette solution ?

c ) Quelle sera la concentration, en ppm, de cette solution ?

d)

STE

Quelle sera la concentration, en mol/L, de cette solution ?

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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

101

5

La concentration d’un soluté dans une solution aqueuse est de 125 ppm. Calculez la quantité, en grammes, de ce soluté contenue dans 3,75 L de solution. On considère que la masse volumique de cette solution est égale à la masse volumique de l’eau pure (1,00 kg/L).

6

Pour décolorer les cheveux de ses clientes, une coiffeuse prépare une solution aqueuse de 3,0 L avec 150 g de peroxyde d'hydrogène (H2O2). a ) Quelle est l’unité la plus appropriée pour exprimer la concentration de cette solution (% m/V, % V/V ou % m/m) ? Expliquez votre réponse.

b ) Déterminez la concentration de la solution selon l’unité choisie à la question a.

102

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c ) Quelle est la concentration de la solution en parties par million (ppm) ?

7

STE Vous préparez 1 200 mL d’une solution d’hydroxyde de potassium (KOH) d’une concentration de 1,68 g/L. Quelle sera sa concentration molaire (en mol/L) ? a ) 0,025 mol/L

b ) 0,036 mol/L

c ) 94,3 mol/L

d ) 0,030 mol/L

8

STE Une solution contient 20 g de sulfate de disodium (Na2SO4) dissous dans un volume de 150 mL de solution. La concentration de cette solution est-elle plus grande ou plus petite qu’une mole par litre (mol/L) ?

9

À une solution aqueuse de pH 4, vous ajoutez un certain volume d’une solution aqueuse B. Vous constatez que l’acidité de la solution A a diminué de 100 fois. Quel est le pH final de la solution A ? a ) pH 7

b ) pH 2

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c ) pH 6

d ) pH 8

Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions

103

10

Vous disposez d’une solution aqueuse de pH 9,5. Vous devez la neutraliser. Laquelle des solutions ci-dessous utiliserez-vous ? a ) Une solution aqueuse de pH 7. b ) Une solution aqueuse de sulfure de dihydrogène (H2S). c ) Une solution aqueuse de dichlorure de magnésium (MgCl2). d ) Une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (KOH). e ) De l’eau pure.

11

Voici des informations concernant certaines solutions. La solution A est 1 000 fois moins acide que la solution E. La solution B a un pH de 3 unités au-dessous du pH de la solution D. La solution C est 100 fois plus acide que la solution E. La solution D est 10 fois moins basique que la solution C. La solution E est neutre. La solution F est 1 000 fois plus basique que la solution A. Déterminez la valeur du pH de chacune de ces solutions. Laissez des traces de votre démarche.

104

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chapitre

3

LES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES ET LES TRANSFORMATIONS NUCLÉAIRES

La matière subit continuellement des transformations. Lorsque les atomes et les molécules de différentes substances interagissent pour former de nouvelles substances, on parle de transformations chimiques. Quand les transformations touchent le noyau des atomes, on parle de transformations nucléaires. Dans ce chapitre, la loi de la conservation de la masse vous aidera à représenter une réaction chimique avec une équation balancée. Des calculs stœchiométriques permettront de déterminer les quantités de matière et d’énergie impliquées dans une réaction chimique. Vous étudierez différentes réactions chimiques. Enfin, vous vous familiariserez avec les transformations nucléaires.

SOMMAIRE 3.1 Les transformations chimiques  107 3.2 Les transformations nucléaires STE  137

RAPPEL

Les changements chimiques Un changement chimique est une transformation qui modifie la nature d’une substance. La transformation a pour effet de créer des molécules différentes possédant d’autres propriétés.

Lors de la combustion, le méthane (CH4) réagit avec le dioxygène (O2) pour former de nouvelles molécules, du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d’eau H2O.

CH4 + 2 O2

CO2 + 2 H2O

Des indices de changements chimiques Comme les molécules ne sont pas observables parce que trop petites, il faut d’autres indices pour déterminer s’il y a changement chimique. Le tableau suivant présente les principaux indices permettant de reconnaître un changement chimique. Les principaux indices de changements chimiques Indice

106

Exemple

Changement de couleur

Le papier tournesol devient bleu au contact d’une base.

Dégagement de gaz ou effervescence (production de gaz dans un liquide)

Une pastille antiacide produit des bulles de dioxyde de carbone (CO2) dans l’eau.

Dégagement ou absorption de chaleur

La cuisson des aliments demande (absorbe) de la chaleur.

Émission de lumière

Une luciole brille dans le noir par l’effet d’une réaction chimique.

Formation d’un précipité

Une substance solide résulte du mélange de deux solutions liquides.

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UM 3.1

3.1 Les transformations

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

L’apport de la balance dans le développement de la chimie

chimiques

L’invention de la balance remonte à l’Antiquité. Toutefois, les balances manquèrent longtemps de précision.

Les transformations chimiques obéissent à des lois de conservation. L’étude de ces transformations exige de les représenter par des équations chimiques qui tiennent compte de ces lois.

3.1.1

Afin de mener à bien ses recherches, Antoine Lavoisier choisit de s’outiller des deux modèles de balance les plus précis de son époque.

La loi de la conservation de la masse

Au cours d’une réaction chimique, les atomes et les molécules des substances initiales, appelées « réactifs », se réorganisent pour former de nouvelles substances, appelées « produits ». Par exemple, la combustion du propane (C3H8) peut être représentée par l’équation suivante :

Réactifs

Il introduisit l’usage de balances de précision lors de ses expériences afin de quantifier les phénomènes observés. Leur utilisation systématique avant et après chaque expérience lui permit de mettre au point la loi de la conservation de la masse.

Produits

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) a observé que, au cours d’une transformation chimique, rien ne se perd et rien ne se crée, tout se transforme. C’est ce qui lui a permis d’établir la loi de la conservation de la masse. La loi de la conservation de la masse indique que, lors d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs est toujours égale à la masse totale des produits. La figure 1 illustre la combustion de l’acétylène (C2H2). Elle montre que la masse est conservée, de même que le nombre d’atomes de chaque élément, puisque les atomes ne sont ni détruits, ni créés au cours de la réaction. Molécules des réactifs

2 C2H2(g)

+

Molécules des produits

5 O2(g)



10



4 CO2(g)

+ 2 H2O(g)

Carbone (C) Oxygène (O) Hydrogène (H)

Nombre d'atomes Masse Masse totale

4 4 52 g

+ 212 g

160 g

= =

4

4

8

2

176 g

+

36 g

212 g

Figure 1 Au cours de la combustion de l’acétylène (C 2H2), le nombre d’atomes de chaque élément et la masse restent les mêmes avant et après la réaction.

Reproduction interdite © TC Média Livres Inc. CHAPITRE 3 LES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES ET LES TRANSFORMATIONS NUCLÉAIRES

107

La loi de la conservation de la masse permet de déduire la masse d’un réactif ou d’un produit dans une équation chimique, comme dans l’exemple suivant. EXEMPLE

On utilise une quantité déterminée de carbonate de calcium (CaCO3) pour neutraliser 14,6 kg de chlorure d’hydrogène (HCl). La réaction a produit 22,2 kg de dichlorure de calcium (CaCl2), 3,6 kg d’eau (H2O) et 8,8 kg de dioxyde de carbone (CO2). Quelle masse de carbonate de calcium (CaCO3) a été utilisée ? Données :

Calcul : Équation de la réaction :

14,6 kg +

= 22,2 kg + 3,6 kg + 8,8 kg

= 22,2 kg + 3,6 kg + 8,8 kg − 14,6 kg = 20,0 kg La neutralisation de 14,6 kg de chlorure d’hydrogène (HCl) a nécessité l’utilisation de 20,0 kg de carbonate de calcium (CaCO3).

Activités 3.1.1 1

Soit la réaction de combustion de l’éthane (C2H6) suivante.

Carbone (C)

Oxygène (O)

Hydrogène (H)

a ) Complétez le tableau suivant. Élément

Carbone (C)

Hydrogène (H)

Oxygène (O)

Total

Nombre d’atomes dans les réactifs Nombre d’atomes dans les produits

108

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UM 3.1

b ) Cette réaction respecte-t-elle la loi de la conservation de la masse ? Expliquez votre réponse.

c ) Un ajout est-il nécessaire pour que la réaction respecte la loi de la conservation de la matière ?

2

On neutralise 36,5 g de chlorure d’hydrogène (HCl) par 40,0 g d’hydroxyde de sodium (NaOH). La réaction est représentée par l’équation suivante :

Complétez le tableau ci-dessous. Masse totale des réactifs (g)

3

Masse totale des produits (g)

Nombre total des atomes des réactifs

Nombre total des atomes des produits

Dans les réactifs

Dans les produits

Parmi les cas suivants, entourez celui ou ceux qui ne respectent pas la loi de la conservation de la masse. a)

c) 146 g

112 g

254 g

4g

13 g

b) 4

Nombre total d’atomes d’hydrogène (H)

44 g

38 g

9g

d)

Déterminez la masse manquante dans chacune des réactions chimiques suivantes. a ) 2 Fe2O3(s) + 3 C(s)

4 Fe(s) + 3 CO2(g)

20 g

14 g

b ) PCl3(g) + 3 H2O(l) 27,5 g

H3PO3(aq) + 3 HCl(aq)

10,8 g

21,9 g

c ) 2 HCl(aq) + CaCO3(s) 73 g

CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

100 g

111 g

d ) NaNO3(aq) + H2SO4(aq) 9,8 g e ) Cu2S(s) + 2 Cu2O(s) 7,96 g

8,25 g

18 g

NaHSO 4(aq) + HNO3(aq) 12 g

6,3 g

6 Cu(s) + SO2(g) 19,07 g 3,20 g

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

109

5

La combustion complète d’une bonbonne contenant 13,0 kg de butane (C4H10) a nécessité l’utilisation de 46,6 kg de dioxygène (O2). La réaction a produit 39,4 kg de dioxyde de carbone (CO2) et une certaine quantité d’eau (H2O). L’équation de cette combustion s’écrit comme suit :

Quelle est la masse totale de gaz dégagée dans l’atmosphère ? Laissez des traces de votre démarche.

6

Une élève fait réagir, dans une tasse à mesurer, 300 g d’acide acétique (CH3COOH) avec 420 g de bicarbonate de sodium (NaHCO3). L’équation de cette réaction s’écrit comme suit : CH3COOH(aq) + NaHCO3(aq)

CH3COONa (aq) + CO2(g) + H2O(l)

Elle pèse le produit final et, à sa grande surprise, elle constate qu’il pèse 500 g et non 720 g. Elle se demande ce qui s’est passé. Proposez-lui une solution.

110

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UM 3.1

7

La formation du dioxyde de carbone (CO2) peut se faire en deux réactions successives. 1) O n fait réagir 180 g de carbone (C) avec 240 g de dioxygène (O2) pour obtenir une certaine quantité de monoxyde de carbone (CO) selon l’équation chimique : 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g). 2) L a totalité du monoxyde de carbone (CO) obtenu réagit ensuite avec une certaine quantité de dioxygène (O2) et produit 660 g de dioxyde de carbone (CO2), selon l’équation chimique : 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g). Quelle masse totale de dioxygène (O2) a été utilisée lors de ces deux réactions ? a ) 240 g

3.1.2

b ) 160 g

c ) 480 g

d ) 420 g

Le balancement des équations chimiques

Lorsque l’équation qui représente une réaction chimique ne tient pas compte de la loi de la conservation de la masse, on l’appelle « équation squelette ». Dans l’équation squelette de la combustion de l’octane (C8H18) présentée dans le tableau 1, la loi de la conservation de la masse n’est pas respectée, car le nombre d’atomes de chaque élément avant et après la réaction n’est pas le même. Pour être conformes à la loi de la conservation de la masse, les équations chimiques doivent être balancées. Le blncmn ds équons cmqus consiste à ajouter des coefficients devant les formules chimiques des réactifs et des produits afin de respecter la loi de la conservation de la masse. Le tableau 1 montre l’équation squelette, puis l’équation balancée. Les coefficients indiquent le nombre de molécules présentes avant et après la réaction chimique. L’équation balancée respecte la loi de la conservation des atomes et de la masse, même si le nombre de molécules avant et après la réaction n’est pas le même. TABLEAU 1

Le bilan atomique et moléculaire dans la combustion de l’octane Équation squelette

Nombre d’atomes C

H

O

Avant la réaction

8

18

2

Après la réaction

1

2

3

Nombre de molécules

Équation balancée

Nombre d’atomes

Nombre de molécules

C

H

O

2

16

36

50

27

2

16

36

50

34

À la page suivante, l’exemple A de la combustion de l’octane (C8H18) et l’exemple B de la réaction entre l’hydrazine (N2H4) et le tétraoxyde de diazote (N2O4) montrent certaines règles pour balancer une équation chimique. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

111

EXEMPLE A

1. Écrire l’équation squelette : 2. Commencer par la molécule la plus complexe (C8H18) et garder les molécules simples (O2) pour la fin. Balançons le C8H18 : • Il y a 8 atomes de C dans C8H18 et 1 seul atome de C dans CO2 ; plaçons le coefficient 8 devant CO2 :

• Il y a 18 atomes de H dans C8H18 et 2 atomes de H dans H2O ; plaçons le coefficient 9 devant H2O :

Balançons maintenant le O2 : • Il y a 2 atomes de O dans O2 et un total de 25 atomes de O dans les produits (16 dans le CO2 et 9 dans le H2O) ; plaçons le coefficient 25/2 devant O2.

3. Utiliser comme coefficients des nombres entiers à la plus petite valeur possible. L’équation précédente respecte la loi de la conservation de la masse, mais les coefficients ne sont pas tous entiers. Multiplions alors toute l’équation par 2 :

On obtient l’équation balancée suivante :

4. Ne pas inscrire le coefficient 1, il est sous-entendu. 5. Ne jamais modifier les indices des formules chimiques. 6. Ne jamais enlever de substances ni en ajouter de nouvelles. 7. Vérifier, une fois l’équation balancée, que le nombre d’atomes de chaque élément est le même dans les réactifs et dans les produits.

EXEMPLE B

1. Écrire l’équation squelette : N2H4(l) + N2O4(l)

N2(g) + H2O(g)

2. Commencer par balancer les atomes d’oxygène (O) : • Il y a 4 atomes de O dans N2O4 et 1 seul atome de O dans H2O ; plaçons le coefficient 4 devant H2O :

N2H4(l) + N2O4(l)

N2(g) + 4 H2O(g)

3. Balancer ensuite les atomes d’hydrogène (H) : • Il y a 4 atomes de H dans N2H4 et 8 atomes de H dans 4 H2O ; plaçons le coefficient 2 devant N2H4 :

2 N2H4(l) + N2O4(l)

N2(g) + 4 H2O(g)

4. Balancer enfin les atomes d’azote (N) : • Il y a un total de 6 atomes de N dans les réactifs (4 dans 2 N2H4 et 2 dans N2O4) et seulement 2 atomes d’azote (N) dans les produits (N2) ; plaçons le coefficient 3 devant N2 :

2 N2H4(l) + N2O4(l)

112

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3 N2(g) + 4 H2O(g)

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Activités 3.1.2 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé jugé faux. a ) Pour balancer une équation chimique, il est permis de changer les indices des formules chimiques des réactifs et des produits.

b ) Le balancement d’une équation chimique consiste à mettre des coefficients devant certains réactifs et produits pour se conformer à la loi de la conservation de la masse.

c ) Pour que l’équation chimique soit balancée, les coefficients doivent être des nombres entiers les plus grands possible.

2

Les équations chimiques suivantes respectent la loi de la conservation de la masse, mais ne respectent pas les règles relatives au balancement d’une équation. Dites quelle règle n’est pas respectée et corrigez les équations. a)

b)

c)

3

Pour expliquer à ses élèves les erreurs à éviter dans le balancement d’une équation chimique, un enseignant écrit quatre équations chimiques relatives à la formation de l’eau (H2O) à partir du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2). Pour chacune des équations, dites quelle est l’erreur mise en évidence par l’enseignant. a)

c)

b)

d)

Équation a ) : Équation b ) : Équation c ) : Équation d ) :

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

113

4

La réaction de l’acide acétique (CH3COOH) avec le carbonate de disodium (Na2CO3) produit de l’acétate de sodium (CH3COONa), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Écrivez l’équation balancée de cette réaction.

5

Cochez les équations qui ne sont pas balancées.

6

a)

d)

b)

e)

c)

f)

Balancez les équations suivantes. a ) Ca + O2

CaO

b ) HBr + LiOH

LiBr + H2O

i)

CO2 + H2O

j)

d ) K2O2 + H2O

KOH + O2

k)

e ) Al + H2SO4

Al2(SO4)3 + H2

l)

f ) HNO3 + NO

NO2 + H2O

m)

c ) C3H8 + O2

g)

7

h)

n)

Pour chacune des situations suivantes, écrivez l’équation chimique balancée. a ) La réaction entre le nitrate d’argent (AgNO3) et le chlorure de sodium (NaCl) produit du chlorure d’argent (AgCl) et du nitrate de sodium (NaNO3). b ) La réaction de l’aluminium (Al) sur du dichlorure de cuivre (CuCl2) produit du trichlorure d’aluminium (AlCl3) et du cuivre (Cu). c ) La neutralisation de l’hydroxyde de potassium (KOH) par l’acide phosphorique (H3PO4) produit du phosphate de tripotassium (K3PO4) et de l’eau.

114

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8

Le carbonate de calcium (CaCO3) réagit avec l’acide chlorhydrique (HCl) pour produire du dichlorure de calcium (CaCl2), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Quelle équation chimique balancée représente cette réaction chimique ? a ) CaCl2 + CO2 + H2O b ) CaCO3 + HCl c ) CaCO3 + 2 HCl

CaCl2 + CO2 + H2O CaCl2 + CO2 + H2O

d ) CaCl2 + CO2 + H2O 9

CaCO3 + HCl

Indiquez les coefficients qui permettent de balancer l’équation suivante. Entourez la bonne réponse, sachant que les coefficients sont indiqués de la gauche vers la droite de l’équation.

a ) 3, 2, 2, 5, 4 10

CaCO3 + 2 HCl

b ) 2, 2, 1, 1, 1

c ) 2, 4, 1, 1, 3

d ) 4, 5, 2, 2, 3

Balancez les deux équations suivantes. a)

b)

3.1.3

La stœchiométrie

STE

À partir d’une équation chimique balancée, on effectue des calculs sur les quantités (en moles et en grammes) de matière qui participent à une réaction chimique. Ces calculs permettent de prévoir les quantités de réactifs nécessaires pour réaliser une réaction et de prédire les quantités de produits qui seront formés. Ils servent aussi à déterminer la quantité d’énergie produite ou absorbée par une réaction chimique. Ces calculs sont appelés « stœchiométrie » ou « calculs stœchiométriques ». La sœcomé est l’étude des rapports entre les quantités de matière (réactifs et produits) qui participent à une transformation chimique. Les coefficients placés devant les formules chimiques des réactifs et des produits indiquent le nombre de molécules qui sont mises en jeu dans la réaction. Considérons l’exemple de la combustion du méthane (CH4) :

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

115

Le tableau 2 résume les trois façons de lire l’équation chimique de combustion du méthane (CH4). TABLEAU 2

Différentes lectures de l’équation chimique de la combustion du méthane CH4(g)

+

2 O2(g)

CO2(g)

+

2 H2O(g)

À l'aide du nombre de molécules

Une molécule de méthane

réagit avec

deux molécules de dioxygène

pour former

une molécule de dioxyde de carbone

et

deux molécules d’eau

À l’aide de la notion de mole (rapports molaires)

Une mole de molécules de méthane

réagit avec

deux moles de molécules de dioxygène

pour former

une mole de molécules de dioxyde de carbone

et

deux moles de molécules d’eau

À l’aide des masses molaires des substances

16,05 g de méthane

réa­ gissent avec

64,00 g de dioxygène

pour former

44,01 g de dioxyde de carbone

et

36,04 g d’eau

Les calculs stœchiométriques de l’exemple A déterminent le nombre de moles à partir d’un nombre de moles donné. La stœchiométrie sert également à déterminer la masse d’un réactif (ou d’un produit) à partir de la masse d’un des réactifs (ou d’un des produits), comme le montre l’exemple B de la page suivante. EXEMPLE A

La combustion du butane gazeux est représentée par l’équation suivante :

Une bonbonne de camping contient 107 moles de butane (C4H10). Combien faut­il de moles de dioxygène (O2) pour brûler tout le butane contenu dans cette bonbonne ? Données :

Calcul : 1. Balancer l’équation chimique :

2. Écrire les rapports molaires :

2 mol 13 mol 8 mol 10 mol 107 mol ? mol 3. Calculer le nombre de moles de O2 nécessaires à la combustion totale du C4H10 :

Il faut 695,5 mol de dioxygène (O2) pour la combustion totale du butane (C4H10) de la bonbonne.

116

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UM 3.1

EXEMPLE B

Le trichlorure de phosphoryle (POCl3) peut être préparé à partir de la réaction suivante : Quelle masse de trichlorure de phosphoryle (POCl3) obtient-on en faisant réagir 582,2 g de trichlorure de phosphore (PCl3) avec un excès de dioxygène (O2) ? Données :

Calcul : 1. Balancer l’équation chimique : 2. Écrire les rapports molaires et les convertir en masse à l’aide de la masse molaire : 2 mol 1 mol 2 mol ×

2 mol 2 mol ×

274,64 g 306,64 g 582,2 g ?g 3. Calculer la masse de POCl3 produite :

La masse de trichlorure de phosphoryle (POCl3) produite lors de cette réaction est d’environ 650,04 g.

Activités 3.1.3 1

STE

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé qui est jugé faux. a ) Les calculs stœchiométriques permettent de déterminer les quantités de réactifs à utiliser ainsi que les quantités de produits qui en résultent dans une réaction chimique.

b ) On peut toujours effectuer des calculs stœchiométriques avec une équation squelette.

c ) La synthèse de l’ammoniac ( ) selon l’équation balancée indique qu’une molécule de diazote (N2) réagit avec trois molécules de dihydrogène (H2) pour former deux molécules d’ammoniac (NH3).

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

117

2

Le trinitrate d’aluminium, Al(NO3)3, utilisé dans la fabrication de désodorisants, peut être préparé par action de l’acide nitrique (HNO3) sur le trioxyde de dialuminium (Al2O3) selon l’équation balancée :

Complétez les phrases suivantes : a ) Deux molécules d’Al2O3 réagissent avec

molécules de HNO3 pour former

molécules d’Al(NO3)3 et b)

moles de molécules de HNO3 produisent 5 moles de molécules d’Al(NO3)3.

c ) 3,01 × 1024 molécules d’Al2O3 produisent d ) Cette réaction produit

et

molécules de H2O. g d’Al(NO3)3 et 5,41 g de H2O.

e ) Cinq moles de molécules d’Al2O3 produisent

3

molécules de H2O.

g d’Al(NO3)3

g de H2O.

L’acide borique (H3BO3), est souvent employé comme substance antiseptique, c’est-à-dire qui a la propriété de tuer les germes pathogènes ou d’empêcher leur croissance. Il peut être préparé selon l’équation chimique squelette suivante :

Combien de moles de trioxyde de dibore (B2O3) sont nécessaires pour former 25,0 moles d’acide borique (H3BO3) ?

118

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UM 3.1

4

Soit l’équation chimique suivante. Al2O3 + Fe

Fe3O4 + Al

a ) Déterminez le nombre de moles de fer (Fe) nécessaires à la formation de 72 moles d’aluminium (Al).

b ) Quelle est la masse de tétraoxyde de trifer (Fe3O4) produite si 3,60 moles de trioxyde de dialuminium (Al2O3) ont réagi ?

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119

5

Un technicien doit déterminer le nombre de moles de dihydroxyde de calcium (Ca(OH)2) nécessaire pour neutraliser 346,6 g d’acide nitrique (HNO3). Cette réaction de neutralisation est représentée par l’équation chimique balancée suivante : 2 HNO3 + Ca(OH)2 Ca(NO3)2 + 2 H2O. Quel est le nombre de moles de dihydroxyde de calcium (Ca(OH)2) nécessaires à cette neutralisation ?

6

On obtient 1,054 g de carbonate de magnésium (MgCO3) solide et 100 mL d’une solution de bromure de potassium (KBr) en faisant réagir une solution de dibromure de magnésium (MgBr2) avec une solution de carbonate de dipotassium (K2CO3) selon l’équation balancée suivante : MgBr 2(aq) + K2CO3(aq) MgCO3(s) + 2 KBr (aq). Quelle est la concentration molaire de la solution de bromure de potassium (KBr) ainsi produite ?

120

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7

L’action du dioxyde de soufre (SO2) sur le sulfure de dihydrogène (H2S) produit du soufre (S) et de l’eau. a ) Balancez l’équation chimique :

SO2 +

H2S

S+

H2O

b) Combien d’atomes de soufre (S) sont formés à partir de 0,25 mole de dioxyde de soufre (SO2) ?

c ) Quelle masse de sulfure de dihydrogène (H2S) faut-il pour former 3,01 × 1022 molécules d’eau ?

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121

8

Lors d’un barbecue, on brûle 15,0 g de propane (C3H8). La combustion du propane est représentée par l’équation chimique balancée suivante. C3H8 + 5 O2

3 CO2 + 4 H2O

Quelle est la masse de dioxyde de carbone (CO2) dégagée dans l’atmosphère ? a ) 388 g 9

b ) 44,9 g

c ) 129 g

d ) 15,0 g

Le dichlorométhane (CH2Cl2), utilisé comme solvant pour de nombreux composés organiques, se prépare à partir du méthane (CH4) et du dichlore (Cl2) selon l’équation squelette suivante :

a ) Combien de moles de chacun des réactifs faut-il pour produire 510 g de dichlorométhane (CH2Cl2) ?

122

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b ) Quelle masse de chlorure d’hydrogène (HCl) obtient-on après réaction ?

10

Le cuivre métallique (Cu) est extrait de minerais sulfurés comme la chalcocite (Cu2S), que l’on fait réagir avec du dioxygène (O2) selon l’équation balancée suivante :

Quelle quantité de chalcocite (Cu2S) faut-il pour produire une tonne de cuivre métallique (Cu) ? (1 tonne correspond à 106 g.)

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

123

11

Le carbonate de calcium (CaCO3), composant principal des roches carbonatées telles que le calcaire, réagit avec les acides pour donner des sels de calcium, de l’eau et du dioxyde de carbone. On fait réagir une certaine masse de carbonate de calcium (CaCO3) avec 200 mL d’une solution d’acide chlorhydrique (HCl) de concentration 0,5 mol/L. L’équation balancée de cette réaction est :

a ) Quelle masse de carbonate de calcium (CaCO3) a réagi ?

b ) Quel est le nombre de moles de dioxyde de carbone (CO2) dégagées au cours de cette réaction ?

124

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3.1.4

Les réactions endothermiques et exothermiques STE

FLASH

Pour se développer, les plantes font appel à la photosynthèse, une réaction qui utilise l’énergie solaire. Pour se chauffer, les êtres humains brûlent certains combustibles comme le bois. Ces deux exemples nous amènent à distinguer deux types de réactions chimiques. Les éacions endohemiques sont des transformations chimiques qui absorbent de l’énergie provenant du milieu environnant. Les éacions exohemiques sont des transformations chimiques qui dégagent de l’énergie dans le milieu environnant. L’énergie qui entre en jeu dans ces réactions peut avoir différentes formes, par exemple, la chaleur ou la lumière. Notons également que, bien qu’elles dégagent de l’énergie, certaines réactions exothermiques ont besoin d’énergie pour s’amorcer. Pour distinguer une réaction endothermique d’une réaction exothermique, on peut se fonder sur des phénomènes observables tels que la production de lumière ou la variation de température du milieu. Le tableau 3 résume les différences entre les réactions endothermiques et les réactions exothermiques. TABLEAU 3

SCIENCE

Le dichlorure de calcium (CaCl2) épandu sur les routes en hiver est un exemple de réaction exothermique : sa dissolution fait s’élever la température de la glace et la fait fondre. Certains bandages utilisés pour traiter les blessures des sportifs sont un exemple de réaction endothermique. L’application de bandages contenant du nitrate de sodium (NaNO3) solide et une poche d’eau provoque une rupture de la poche d’eau et la dissolution du NaNO3 dans l’eau : cette dissolution fait baisser la température des tissus environnants.

Les différences entre les réactions endothermiques et les réactions exothermiques Réactions endothermiques

Réactions exothermiques

Absorption de chaleur (ex. : la cuisson des aliments).

Dégagement de chaleur (ex. : la combustion du bois dans un foyer).

Diminution de la température du milieu environnant.

Augmentation de la température du milieu environnant.

L’énergie chimique contenue dans les produits est plus élevée que celle contenue dans les réactifs.

L’énergie chimique contenue dans les produits est plus faible que celle contenue dans les réactifs.

On peut également s’aider du bilan énergétique de la réaction, dans l’équation chimique, pour différencier une réaction endothermique d’une réaction exothermique. En effet, le terme « énergie » peut être ajouté dans une équation chimique. Comme il y a absorption d’énergie dans une réaction endothermique, le terme « énergie » est ajouté à gauche de l’équation (du côté des réactifs). Dans le cas de la synthèse du monoxyde de diazote (N2O), un gaz possédant des propriétés anesthésiques, on obtient ainsi l’équation suivante :

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CHApItrE 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

125

Les réactifs (N2 et O2) se transforment en produit (N2O) à la suite de l’absorption de 163,2 kJ. L’oxyde de diazote (N2O) renferme plus d’énergie que les molécules de diazote (N2) et de dioxygène (O2) mises ensemble. Dans l’équation chimique d’une réaction exothermique, le dégagement d’énergie est indiqué par l’ajout du terme « énergie » à droite de l’équation (du côté des produits). Dans le cas de la corrosion (ou de l’oxydation) de certains métaux, on peut ainsi avoir l’équation suivante : Réactifs

Produits + Énergie

Les réactifs (Fe et O2) se transforment en produit (Fe2O3) et dégagent 1 648,4 kJ d’énergie. Le fer (Fe) et le dioxygène (O2) renferment donc ensemble plus d’énergie que les molécules du trioxyde de difer (Fe2O3). L’incorporation de l’énergie dans les équations chimiques, combinée à la stœchiométrie, permet de déterminer la quantité d’énergie absorbée ou dégagée au cours d’une réaction chimique. L’exemple suivant montre comment effectuer ces calculs. EXEMPLE

L’équation chimique de l’électrolyse de l’eau s’écrit :

Quelle est l’énergie nécessaire pour l’électrolyse de 250 g d’eau ? Données :

Calcul : 1. Convertir la masse d’eau électrolysée en nombre de moles :

2. Déterminer l’énergie nécessaire :

2 mol 488 kJ 13,87 mol ? kJ

L’électrolyse de 250 g d’eau nécessite environ 3 384 kJ d’énergie.

126

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Activités 3.1.4 1

STE

De quel type de réaction chimique s’agit-il dans chacun des énoncés suivants ? Cochez la case appropriée.

Réaction endothermique

Réaction exothermique

a ) Réaction qui absorbe de la chaleur. b ) Réaction qui fait augmenter la température du milieu environnant. c ) Réaction qui dégage de la chaleur dans le milieu environnant. d ) La respiration cellulaire, qui est un phénomène inverse de la photosynthèse. e ) L’électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCl). f ) Une pile en activité. g ) La cuisson d’une omelette. h) i) 2

Le sel de table (NaCl) peut être synthétisé à partir de ses éléments constitutifs. Il y a réaction lorsque le sodium (Na) fondu est exposé à un flux de dichlore (Cl2) gazeux selon l’équation balancée suivante :

Quelle quantité d’énergie la synthèse de 1,0 kg de sel de table dégagera-t-elle ?

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

127

3

Le chlorate de potassium (KClO3) est utilisé entre autres dans la fabrication des allumettes. Il peut être obtenu en faisant réagir du chlorure de potassium (KCl) avec le dioxygène (O2). Il faut 15,0 kJ pour former une mole de KClO3. Quelle masse de KClO3 obtient-on si l’énergie utilisée est de 1 800 kJ ?

4

L’équation chimique suivante représente la formation du dioxyde de soufre (SO2) à partir du sulfure de dihydrogène (H2S) : 2 H2S(g) + 3 O2(g) 2 SO2(g) + 2 H2O(g) + 1 036 kJ Quelle est l’énergie dégagée si la réaction a consommé 6,00 g de dioxygène (O2) ? a ) 2 072 kJ

5

b ) 518 kJ

c ) 16 576 kJ

d ) 64,75 kJ

La combustion complète d’une mole de pentane liquide (C5H12) libère 3 507 kJ d’énergie. Cette combustion est représentée par l’équation chimique suivante : C5H12(l) + 8 O2(g)

5 CO2(g) + 6 H2O(g) + 3 507 kJ

Quelle est la masse de dioxyde de carbone (CO2) produite si la combustion a libéré 1 169 kJ ?

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3.1.5

Des exemples de transformations chimiques

De nombreux bouleversements qui ont lieu dans notre environnement sont dus aux transformations chimiques. La neutralisation des acides par les bases, la combustion des combustibles fossiles, l’oxydation des métaux, la photosynthèse des plantes et la respiration cellulaire sont autant d’exemples de transformations chimiques.

La neutralisation acidobasique Nous provoquons fréquemment des réactions de neutralisation acidobasique dans la vie quotidienne. Ainsi, l’ajout de substances acides ou basiques dans l’eau des piscines pour corriger le pH ou dans les sols pour neutraliser leur très grande acidité ou basicité provoque ce genre de réaction. Afin d’empêcher la corrosion du réseau d’aqueduc, les villes neutralisent l’acidité de l’eau potable en y ajoutant de la soude (NaOH). Enfin, le chaulage des lacs, qui consiste à répandre de la chaux (Ca(OH)2), a pour effet de neutraliser l’acidité de l’eau due aux pluies acides. La nulson cdobsqu est une transformation chimique dans laquelle un acide réagit avec une base pour former un sel et de l’eau. L’équation générale de la neutralisation acidobasique s’écrit :

Au cours de la réaction de neutralisation acidobasique, les ions hydrogène (H+) libérés par l’acide réagissent avec les ions hydroxyde (OH−) libérés par la base pour donner de l’eau (H2O). Les ions restants vont former un sel dont la nature dépend des réactifs. Par exemple, la neutralisation de l’acide chlorhydrique (HCl) par l’hydroxyde de sodium (NaOH) forme de l’eau et du chlorure de sodium (NaCl), comme le montre l’équation suivante :

H +

Lorsqu’il y a autant d’ions H libérés par l’acide que d’ions OH libérés par la base, la réaction de neutralisation est complète. La solution résultante est neutre et a donc un pH de 7 (voir la figure 2).

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O

Na

Cl



Fgu 2 L nulson comlè d HCl  NOH (H = 7).

CHapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

129

Lorsque les quantités d’ions H+ et OH− sont différentes, la réaction de neutralisation acidobasique est incomplète. Le pH de la solution résultante sera alors acide ou basique selon ce qui est en surplus dans la solution (voir la figure 3).

Les produits de la neutralisation acidobasique

STE Dans cette section, vous avez vu que, lorsqu’un acide réagit avec une base, il se forme un sel et de l’eau. Est-il possible de déterminer la formule moléculaire du sel produit ? Oui. Pour le faire, il faut d’abord se rappeler que les acides et les bases sont des électrolytes : en solution, ils se dissocient, chacun formant des ions de charges opposées. Par exemple, l’acide HNO3 et la base Mg(OH)2 se dissocient selon les équations suivantes : HNO3(aq) Mg(OH)2(aq)

H+(aq) + NO3−(aq) Mg2+(aq) + 2 OH−(aq)

Comme l’ion H+ de l’acide réagit avec l’ion OH– de la base pour former l’eau (H2O), l’anion de l’acide (ici, NO3–) réagira avec le cation de la base (ici, Mg2+) pour former le sel dinitrate de magnésium (Mg(NO3)2) selon l’équation : Mg2+(aq) + 2 NO3−(aq)

Mg(NO3)2

L’équation chimique ci-dessous montre un autre exemple de formation d’un sel, le phosphate de trilithium (Li3PO4), à la suite de la neutralisation de l’acide phosphorique (H3PO4) par l’hydroxyde de lithium (LiOH). H

O

Na

Cl

Figure 3 La neutralisation incomplète de HCl par NaOH : surplus de H+ par rapport à OH– (pH < 7, donc acide).

H3PO4(aq) + 3 LiOH(aq)

Li3PO4(aq) + 3 H2O(l)

La combustion La combustion est un exemple de transformation chimique qui dégage de l’énergie. La combustion est une réaction chimique entre un combustible et un comburant qui dégage de l’énergie. Trois éléments sont nécessaires à la combustion : un combustible, un comburant et un point d’ignition. Ensemble, ces trois éléments forment le « triangle du feu » (voir la figure 4). Le combustible est la substance qui brûle au cours de la réaction de combustion en libérant beaucoup d’énergie. Il peut être solide (par exemple, du bois), liquide (par exemple, de l’essence) ou gazeux (par exemple, du gaz naturel).

Figure 4 Les trois éléments du « triangle du feu » doivent être présents pour qu’il y ait combustion.

130

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Le comburant est la substance qui alimente la combustion. Le comburant le plus utilisé est le dioxygène (O2). Le point d’ignition est la température que doit atteindre un combustible pour amorcer la combustion. Cette température varie suivant le combustible.

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On distingue trois types de combustion selon la quantité d’énergie libérée au cours de la réaction et la vitesse de celle-ci (voir le tableau 4). TABLEAU 4

Les trois types de combustion

Type de combustion

Caractéristiques

Exemples

Combustion vive

• • • •

Combustion spontanée

• Se produit sans apport direct d’énergie ; • Possède une température d’ignition inférieure à la température ambiante ; • Se comporte comme la combustion vive une fois la combustion amorcée.

• Incendie de forêt dans une période de fortes chaleurs ; • Camion-citerne transportant des gaz inflammables, qui prend feu à la suite d’un choc.

Combustion lente

• • • •

• Respiration cellulaire ; • Corrosion des métaux ; • Oxydation des aliments.

L’oxydation

S’accompagne de flammes ; Se produit rapidement ; Se produit à haute température ; Libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.

Ne produit pas de flammes ; S’étend sur une longue période de temps ; Se produit à température ambiante ; Ne dégage que peu de chaleur et aucune lumière.

• • • •

Feu de bois ; Explosion de moteurs à essence ; Bougie allumée ; Feu d’artifice.

STE

La formation de la rouille, la combustion, la respiration cellulaire et la corrosion des plastiques sont des exemples de réactions d’oxydation. Ils ont le même réactif, soit le dioxygène de l’air (O2). L’oxydaion est une transformation chimique au cours de laquelle un oxydant tel que le dioxygène (O2) ou une substance aux propriétés analogues se combine avec un réactif pour former un oxyde. Un oxydant est une substance chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons. Le dioxygène (O2), le dichlore (Cl2) et le dibrome (Br2) sont des oxydants. Un oxyde est un composé résultant de la combinaison du dioxygène (O2) ou d’un autre oxydant avec d’autres éléments. La rouille (Fe2O3) est un exemple d’oxyde. Durant l’oxydation, l’oxydant arrache les électrons de l’autre réactif (le fer, par exemple) pour former un oxyde avec ce dernier, comme dans la formation de la rouille représentée par l’équation chimique suivante :

FLASH

SCIENCE

L’oxydation est une réaction nécessaire à notre survie, car elle intervient dans la respiration cellulaire. Elle peut aussi être néfaste lorsque des aliments s’oxydent ou que des métaux se corrodent. L’utilisation de substances inhibitrices ou antioxydantes peut alors ralentir la réaction d'oxydation.

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131

La photosynthèse et la respiration cellulaire Le maintien de la vie sur Terre dépend de deux transformations chimiques inverses l’une de l’autre : la photosynthèse et la respiration cellulaire. La photosynthèse est la transformation chimique au cours de laquelle des organismes vivants transforment l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique. La photosynthèse a lieu dans les cellules végétales ainsi que chez certains microorganismes grâce à un pigment vert présent dans ces cellules, la chlorophylle. Ce pigment capte les rayons du Soleil pour produire du glucose (C6H12O6), un sucre, et du dioxygène (O2) à partir de dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O) (voir la figure 5). Énergie rayonnante

L’eau (H2O) absorbée par les racines du végétal

Figure 5

Le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air

Production de dioxygène (O2)

Production de glucose (C6H12O6)

Une représentation simplifiée de la photosynthèse.

L’équation suivante montre les réactifs et les produits impliqués dans la photosynthèse :

La respiration cellulaire est la transformation inverse de la photosynthèse. Les produits de la respiration cellulaire sont les réactifs de la photosynthèse, alors que les produits de la photosynthèse sont les réactifs de la respiration cellulaire. La respiration cellulaire est une réaction d’oxydation ou de combustion lente qui se produit dans les cellules de tous les organismes vivants. La respiration cellulaire est la transformation chimique par laquelle l’énergie contenue dans les sucres (glucose) est libérée pour effectuer le travail dans les cellules vivantes.

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Au cours de la respiration cellulaire (voir la figure 6), le glucose (C6H12O6), qui est le combustible, réagit avec le comburant qu’est le dioxygène (O2) pour produire du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau (H2O) ainsi que de l’énergie. L’énergie produite par la respiration cellulaire permet aux cellules d’accomplir les tâches essentielles au bon fonctionnement de l’organisme.

Le dioxygène (O2) présent dans l’air

Production de dioxyde de carbone (CO2)

Le glucose (C6H12O6) présent dans l’alimentation

Production d’énergie

Fgu 6

Production d’eau (H2O)

Un ésnon smlfé d l son cllul.

L’équation suivante montre les réactifs et les produits impliqués dans la respiration cellulaire :

Activités 3.1.5 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé qui est jugé faux. a ) La combustion est une réaction entre un combustible et un comburant qui absorbe de l’énergie.

b)

STE

Dans les réactions d’oxydation, le seul oxydant possible est le dioxygène (O2).

c ) La photosynthèse a lieu dans les cellules végétales, alors que la respiration cellulaire se produit dans les cellules animales.

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

133

2

Parmi les équations suivantes, entourez celles qui sont des réactions de neutralisation acidobasique. a) b ) 2 NaCl(aq) + MgBr 2(aq) c ) KOH(aq) + HI(aq)

2 NaBr (aq) + MgCl2(aq)

KI(aq) + H2O(l)

d) e) f) 3

Complétez les réactions de neutralisation acidobasique suivantes. a ) HBr (aq) + NaOH (aq) b ) 2 HI(aq) + c)

CaI2(aq) + 2 H2O(l) + 2 LiOH(aq)

d ) 3 HCl(aq) + e) 4

5

+ H2O(l)

Li2S(aq) + 2 H2O(l) AlCl3(aq) + 3 H2O(l)

+ Mg(OH)2

MgSe + 2 H2O

STE Pour chacune des paires acidobasiques suivantes, déterminez la formule moléculaire du sel formé une fois la neutralisation effectuée. a ) HCl(aq) et Fe(OH)3(aq)

c ) H2SO4(aq) et KOH (aq)

b ) HClO4(aq) et Ca(OH)2(aq)

d ) CH3COOH (aq) et Na2CO3(aq)

On ajoute, goutte à goutte, de l’hydroxyde de sodium (NaOH) à une solution d’acide sulfurique (H2SO4) de pH 2,5. a ) Écrivez l’équation chimique balancée de cette réaction, sachant qu’elle produit du sulfate de disodium (Na2SO4) et de l’eau.

b ) Le pH de la solution finale sera-t-il supérieur, inférieur ou égal à 7 si la quantité de NaOH excède la quantité d’acide ?

134

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6

Lisez le texte ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’activité humaine au cœur des changements climatiques L Conence des Nons Unes su les chngeens clues enue à Ps en 2015 pvo l lon du chueen clue à ons de 2 °C, e un onde sns cbone d’c 2100. Le chueen cuel es bu à l’ugenon des gz à ee de see (GES) dus à l’cv hune, u plen l’ee de see nuel. P ces gz guen le doxyde de cbone (CO2) e le hne (CH4). Le pee ven pncpleen de l’eplo de cobusbles ossles, coe le chbon, le pole, ou le gz nuel p cenes nduses coe les cenees. Le second poven de l cobuson du bos e de l’levge des

unns. D’ues gz, coe l’oxyde de dzoe (N2O) e l vpeu d’eu, conbuen dns de ondes popoons à l’ee de see enoc.

a ) Quels sont les gaz responsables de l’augmentation de l’effet de serre dans l’atmosphère ?

b) À quelle transformation chimique sont surtout dus les changements climatiques ? Donnez un exemple.

7

Pour éteindre ou prévenir les incendies, on peut agir sur l’un des trois éléments du triangle du feu. Indiquez sur quel élément on a agi dans chacune des situations suivantes. Justifiez votre réponse. a ) En camping, vous étouffez le feu de camp avec du sable.

b ) La coupe forestière linéaire fait partie des moyens utilisés pour empêcher une extension rapide des incendies de forêt ou de brousse.

c ) Lors de l’incendie d’un immeuble, un groupe de pompiers s’affaire à arroser l’immeuble en flammes, alors qu’un autre déverse de l’eau sur un immeuble voisin épargné par le feu.

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Chapitre 3 LES traNSfOrmatiONS CHimiqUES... NUCLéairES

135

8

Indiquez le type de combustion dont il est question dans chacun des énoncés suivants. Cochez la ou les cases appropriées. Combustion Vive

Spontanée

Lente

a ) Explosion de la dynamite. b ) Combustion qui se fait à température ambiante. c ) Combustion qui s’accompagne du dégagement d’une grande quantité de chaleur et de lumière. d ) Formation de rouille sur la coque d’un bateau. e ) Combustion dont le point d’ignition est inférieur à la température ambiante. f ) Combustion s’étalant sur une longue période. g ) Combustion à l’aide du brûleur d’une cuisinière au gaz. h ) Incendie de forêt en période de grave sécheresse. 9

STE Lesquelles des réactions suivantes sont des réactions d’oxydation ? Entourez les bonnes réponses. Lorsqu’il s’agit d’une réaction d’oxydation, nommez l’oxydant ainsi que l’oxyde formé. Réaction

Oxydant

Oxyde formé

a) b) c) d ) H2Cl2(g)

10

H2(g) + Cl2(g)

STE Lesquelles des situations suivantes sont des réactions d’oxydation ? Entourez les bonnes réponses. a ) Le verdissement du cuivre des toits d’églises. b ) La consommation de calories qui résulte de l’exercice physique. c ) La production du dioxygène par les végétaux au moyen de la photosynthèse. d ) Le développement des champignons responsables du pourrissement du bois extérieur exposé à l’humidité. e ) La décomposition de l’eau par électrolyse pour la production du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) gazeux.

136

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UM 3.2

11

Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez de quelle transformation chimique il s’agit. Cochez la case appropriée.

Photosynthèse

Respiration cellulaire

a ) Je suis un type de combustion lente. b ) Je ne peux être effectuée que par les végétaux. c ) Je produis de l’énergie. d ) Mes deux réactifs sont le sucre et le dioxygène. e ) Je fabrique une substance qui est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires. f ) J’ai lieu dans les cellules animales et végétales. g ) J’utilise l’énergie du Soleil. 12

Expliquez pourquoi la photosynthèse est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires.

3.2 Les transformations

nucléaires

STE

Selon le modèle atomique simplifié, les atomes sont constitués d’un noyau contenant des nucléons (protons et neutrons) autour duquel gravitent des électrons. Lorsqu’un atome subit des modifications, les transformations peuvent toucher soit les électrons, soit le noyau. Nous avons vu que les transformations chimiques impliquaient les électrons. Lorsque c’est le noyau qui est modifié, les transformations sont dites « nucléaires ».

3.2.1

La stabilité nucléaire

À l’exception de l’isotope le plus abondant de l’hydrogène ( ), qui ne possède qu’un seul proton, tous les noyaux des atomes comportent des protons et des neutrons. Les protons étant chargés positivement, ils ont tendance à se repousser les uns les autres à cause de la force électrique de répulsion. C’est la présence des neutrons qui maintient la cohésion du noyau. La force d’attraction qui se produit entre les nucléons (protons et neutrons) se nomme « force nucléaire ». La force nucléaire est donc une force qui lie fortement les nucléons entre eux, assurant ainsi la stabilité du noyau de l’atome. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

137

Proton (p +) Neutron (n 0 )

Carbone 12 (

Carbone 13 (

)

)

On parle de stabilité nucléaire lorsque la force nucléaire au sein du noyau atomique est supérieure à la force de répulsion électrique entre les protons. Dans les atomes légers, le nombre de neutrons (N) est approximativement le même que celui des protons (Z). Mais, à mesure que le numéro atomique augmente (c’est-à-dire que le nombre de protons croît), la force de répulsion électrique entre les protons augmente. Pour maintenir la cohésion du noyau, le nombre de neutrons s’accroît aussi et dépasse celui des protons, de sorte que la force nucléaire grandit et contrebalance la force de répulsion électrique. Cependant, la cohésion est difficile à assurer lorsque les noyaux deviennent très lourds, c’est-à-dire lorsqu’ils contiennent un trop grand nombre de nucléons. On considère que les atomes dont le numéro atomique (Z) est supérieur à 83 sont tous instables. Un atome dont le noyau est instable est susceptible de se désintégrer. On dit qu’il est « radioactif ». Mais même certains isotopes des atomes légers peuvent être radioactifs. Lorsque le numéro atomique (Z) est inférieur à 20, par exemple, on estime qu’un atome n’est stable que si le rapport est égal à 1 ou qu’il en est très proche. Un élément donné peut avoir plusieurs isotopes dont certains sont stables et d’autres, instables (voir la figure 7).

Carbone 14 (

)

Figure 7 Le carbone (C) a trois isotopes : le , le et le . Tous possèdent six protons et six électrons. Cependant, ils ont respectivement six, sept et huit neutrons. Le et le sont stables, alors que le est instable. Ce dernier est radioactif en raison du trop grand nombre de neutrons contenus dans le noyau par rapport au nombre de protons.

Activités 3.2.1

STE

1

Deux forces qui s’opposent l’une à l’autre existent dans le noyau. Quelles sont ces forces antagonistes ?

2

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La stabilité du noyau est assurée par la force de répulsion électrique.

138

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UM 3.2

b ) Il existe une force électrique de répulsion entre les protons et les neutrons.

c ) Pour les atomes dont le numéro atomique (Z) est inférieur à 20, la stabilité du noyau est assurée lorsque le rapport est égal ou très proche de 1.

d ) L’hydrogène (H) est le seul élément du tableau périodique à posséder un isotope qui n'a aucun neutron.

e ) Ni les transformations chimiques ni les transformations nucléaires ne peuvent changer la nature des atomes.

f ) Le noyau du carbone 14 est instable, tandis que celui du carbone 13 est stable.

g ) Le carbone 14 possède deux neutrons de plus que le carbone 12.

h ) Tous les isotopes du carbone possèdent 6 électrons.

i ) Le carbone 14 possède 14 neutrons.

3

Expliquez pourquoi la stabilité des noyaux n’est plus assurée lorsqu’ils deviennent très lourds.

4

Lorsque la masse atomique des atomes devient très grande, la cohésion de leur noyau devient de plus en plus difficile à assurer. À partir de quel numéro atomique (Z) les atomes deviennent-ils tous instables ?

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

139

La radioactivité

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

3.2.2

Harold Elford Johns (1915-1998)

La radioactivité est un phénomène naturel qui a été découvert par le chimiste français Henri Becquerel en 1896.

Un physicien cana dien, Harold Elford Johns, mit au point, en 1951, la « bombe au cobalt ». Cet instrument de radiothérapie utilisait des rayons gamma produits par la désintégration du cobalt 60 pour détruire les cellules cancé reuses. Aujourd’hui, plusieurs patients atteints d’un cancer sont traités par la radiothérapie, par exemple pour empêcher la diffusion de cellules cancéreuses dans l’organisme.

La radioactivité est la propriété qu’ont certains noyaux atomiques instables de se désintégrer en émettant spontanément des particules et de l’énergie. Les transformations nucléaires impliquent des énergies beaucoup plus importantes que les transformations chimiques. De plus, elles peuvent changer la nature des atomes en modifiant le nombre de nucléons contenus dans leurs noyaux, ce qui n’arrive jamais lors des réactions chimiques. Lors de leur désintégration, les noyaux atomiques instables se transforment en noyaux plus stables en perdant une partie de leur masse. Durant ces transformations nucléaires, l’émission des particules et de l’énergie se produit par l’intermédiaire de trois types de rayonnements : les rayonnements alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). On parle de rayonnement alpha (α) lorsque la désintégration d’un noyau instable s’accompagne de l’émission d’une particule alpha (α), une particule positive, qui n’est autre qu’un noyau d’hélium ( ). Un exemple d’une telle désintégration est schématisé dans la figure 8.

+ Énergie

+ Figure 8 La désintégration du noyau de l’uranium 238 (U) produit un noyau de thorium 234 (Th) et une particule alpha (α), c'est-à-dire un noyau d'hélium 4 (He).

Uranium 238 (

)

Thorium 234 (

Particule α (

)

Proton (p +)

)

Neutron (n 0 )

Le rayonnement bêta (β) est causé par la transformation d’un neutron en proton au sein d’un noyau instable. Il s’accompagne de l’émission d’une particule bêta (β), une particule négative, qui est en fait un électron (voir la figure 9). Neutron transformé en proton

+ Figure 9 Lorsque le carbone 14 (C) se désintègre, il se transforme en azote 14 (N) et émet une particule bêta ( β), qui est en fait un électron. Lors de cette désintégration, un neutron est transformé en proton.

140

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Carbone 14 (

)

Proton (p +)

Azote 14 (

)

Neutron (n 0 )

+

Énergie

Particule β (électron)

Électron (e−)

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UM 3.2

Le rayonnement gamma (γ) consiste en l’émission d’énergie, par le noyau, sous forme d’un rayonnement électromagnétique neutre. Ce rayonnement possède une énergie beaucoup plus grande que celle associée aux rayons ultraviolets (UV) ou aux rayons X. Comme ce rayonnement ne possède ni masse ni charge électrique, il ne modifie ni le numéro atomique (Z) ni le nombre de masse (A) du noyau. Chacun des rayonnements (α, β et γ) a un pouvoir de pénétration qui lui est propre (voir le tableau 5). TABLEAU 5

Le pouvoir de pénétration des différents rayonnements

Pénétration typique

Type de rayonnement Alpha (α)

Ne traverse pas la peau. Est arrêté par une feuille de papier.

Bêta (β)

Pénètre jusqu’à environ 1 cm dans le corps. Est arrêté par une planche de bois de 2,5 cm d’épaisseur.

Gamma (γ)

Passe à travers les tissus vivants. Peut être partiellement arrêté par une épaisse couche de béton ou des écrans en plomb.

Le processus de désintégration d’un isotope radioactif est un phénomène qui peut être très lent ou, au contraire, très rapide. Pour le quantifier, on a recours à la notion de « temps de demi-vie ». Le ms d dm-v d’un isotope radioactif représente le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un échantillon de cet isotope subisse une désintégration. Ainsi, le temps de demi-vie du polonium 216 ( ) est aussi court que 0,145 s, alors que celui de l’uranium 238 ( ) avoisine les 4,5 milliards d’années. Quant au carbone 14 ( ), son temps de demi-vie est de 5 730 années. Le graphique de sa décroissance radioactive en fonction du temps est représenté à la figure 10. D’après ce graphique, si la masse de carbone 14 ( ) initiale était de 10 g à t = 0, il n’en resterait que 5 g après 5 730 ans. La masse manquante correspond à la masse des noyaux de qui ont subi une désintégration. Il faudra encore 5 730 années supplémentaires, soit 11 460 années (2 × 5 730) depuis le début du processus, pour que la masse du C14 soit réduite à 2,5 g et ainsi de suite.

Fgu 10 L décossnc docv du cbon 14 ( n foncon du ms. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

)

Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

141

Activités 3.2.2 1

STE

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ? Entourez la bonne réponse. a ) Une transformation chimique dégage plus d’énergie qu’une transformation nucléaire. b ) Une transformation chimique change la nature des atomes. c ) Une transformation chimique implique le noyau de l’atome. d) Une transformation nucléaire peut modifier le nombre de nucléons présents dans le noyau de l’atome.

2

Lequel des énoncés suivants est exact ? a ) Les particules alpha (α) sont des noyaux d’hydrogène (H). b ) Les particules bêta (β) sont positives. c ) Le rayonnement gamma (γ) ne possède ni masse ni charge électrique. d ) Tous les types de rayonnement (α, β et γ) ont le même pouvoir de pénétration.

3

Dans l’équation suivante, que représente

?

4

Expliquez pourquoi, contrairement aux rayonnements α et β, le rayonnement gamma (γ) ne modifie ni le numéro atomique (Z) ni le nombre de masse (A) du noyau de l’isotope radioactif.

5

Le schéma suivant représente la variation de la quantité d’atomes de carbone 14 ( ) contenue dans un fossile en fonction des années écoulées. Référez-vous aux valeurs fournies dans la figure 10 de la page 141 pour compléter le schéma. Pourcentage d’atomes de carbone 12,5 %

50 %

0

11 460

Nombre d’années

142

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UM 3.2

3.2.3

La fission et la fusion nucléaires

La fission nucléaie est un phénomène qui correspond à la division d’un noyau atomique lourd (un noyau atomique qui contient beaucoup de nucléons) en d’autres noyaux plus légers. Ce phénomène, qui peut être spontané ou artificiellement provoqué, produit une très grande quantité d’énergie (voir la figure 11). Lorsqu’un noyau d’uranium 235 ( ) est bombardé de neutrons et qu’il en absorbe un, ce noyau se scinde en deux noyaux plus légers. La figure 11 représente le cas de la formation du baryum 141 ( ) et du krypton 92 ( ). Cette fission est accompagnée de la libération d’une quantité d’énergie et de trois neutrons qui, à leur tour, provoqueront la fission d’autres noyaux d’uranium 235 ( ). Cette réaction nucléaire est représentée par l’équation suivante :

FLASH

SCIENCE

À  d p, l  d’g lb p 1 g d’ 235 à l  d   pd à l’g l lb p l b d 2,7  () d b.

Au fur et à mesure que le processus se poursuit, le nombre de neutrons libérés augmente, le nombre de fissions s’accroît et la quantité d’énergie libérée devient de plus en plus grande. C’est ce qu’on appelle une « réaction en chaîne ». La fusion nucléaie est un phénomène qui correspond à l’assemblage de deux noyaux atomiques légers afin d’en former un seul, qui sera plus lourd. Figue 11 La fission nucléaie d’un noyau d’uanium 235 ( ), aificiellemen ovoquée a l’« absoion » d’un neuon.

Proton (p +) Neutron (n 0 )

La fusion nucléaire produit une énorme quantité d’énergie, bien plus grande que celle libérée par la fission nucléaire. Elle est aussi écologiquement plus propre parce qu’elle génère moins de déchets radioactifs. Ce phénomène a toutefois besoin de températures très élevées pour se produire, de l’ordre de plusieurs millions de degrés Celsius. C’est pour cette raison que les réactions de fusion nucléaire sont difficiles à produire sur Terre, mais qu’elles surviennent naturellement dans les étoiles comme le Soleil. La figure 12 de la page suivante représente un exemple de fusion nucléaire.

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CHApItrE 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

143

La figure 12 montre que cette réaction nucléaire produit un noyau d’hélium ( ), c’est-à-dire une particule alpha (α), un neutron ainsi qu’une très grande quantité d’énergie. Cette réaction peut être représentée par l’équation suivante :

Tritium

Neutron

+

Énergie

Deutérium

Hélium

Figure 12 La fusion nucléaire de deux isotopes de l’hydrogène (H) : le deutérium ( ) et le tritium ( ).

Activités 3.2.3 1

STE

Complétez le texte suivant en écrivant les mots « fission » et « fusion » aux endroits appropriés.

La fission et la fusion nucléaires Les centrales nucléaires ont besoin d’uranium pour fonctionner. Pour produire de l'électricité, elles utilisent des réactions de Les réactions de

nucléaire. nucléaire sont plus difficiles à produire sur Terre, car elles

nécessitent des températures extrêmes que l’on trouve, par exemple, dans les étoiles comme le Soleil. Les étoiles sont la source de la diversité des atomes dans l’Univers : tous les éléments plus lourds que l’hélium proviennent essentiellement des réactions de

nucléaire qui

ont lieu dans les étoiles.

2

À l'aide de la figure 11 présentée à la page 143, répondez aux questions suivantes. a ) Qu’est-ce qui est à l’origine de la fission initiale du noyau de l’uranium 235 (

144

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)?

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UM 3.2

b ) La fission du premier noyau produit trois neutrons. Combien de neutrons sont produits lorsque ces trois neutrons sont absorbés à leur tour ?

c ) Comment appelle-t-on ce processus de multiplication rapide de fissions ?

3

Le schéma suivant représente la fission d’un noyau d’uranium 235 ( correct et justifiez votre réponse.

). Complétez-le pour qu’il soit

Proton (p +) Neutron (n 0 )

Justification :

4

Le schéma suivant représente une réaction nucléaire.

+

Tritium

+



Deutérium

Hélium

Neutron

a ) Dans les cases, écrivez le symbole des particules impliquées dans cette réaction. b ) S’agit-il d’une fission ou d’une fusion nucléaire ?

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

145

CONSOLIDATION DU ChApITre 3 1

Les affirmations suivantes concernent les transformations chimiques. Indiquez si elles sont vraies ou fausses.

Vrai

Faux

a ) Au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs, le nombre total d’atomes ainsi que le nombre total de molécules sont conservés. b ) Le balancement d’une équation chimique consiste à mettre en évidence la loi de la conservation de la masse. c)

STE Il est possible de déterminer si une réaction est endothermique ou exothermique en se fondant sur l’équation chimique.

d)

STE Certaines réactions exothermiques ont besoin d’énergie pour s’amorcer.

e)

STE La combustion et la respiration cellulaire sont toutes deux des réactions d’oxydation.

f ) La photosynthèse est un type de combustion lente. g ) La température d’ignition d’une combustion spontanée est supérieure à la température ambiante.

2

Les autotrophes produisent leur propre nourriture en transformant le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère en glucose (C6H12O6) selon l’équation suivante :

a ) Balancez l’équation chimique précédente.

b ) De quel type de transformation chimique s’agit-il ?

c)

146

1) Combustion

3) Respiration cellulaire

2) Photosynthèse

4) Neutralisation acidobasique

STE Est-on en présence d’une réaction endothermique ou d’une réaction exothermique ? Justifiez votre réponse.

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d)

3

STE Sachant que la production d’une mole de glucose (C6H12O6) nécessite 2 803 kJ d’énergie, quelle quantité d’énergie la plante doit-elle absorber pour produire 13,5 g de glucose ?

Certains phosphates présents dans les cours d’eau proviennent des effluents d’usines d’engrais phosphatés. Ils sont rejetés sous forme d’acide phosphorique (H3PO4), et cet acide se neutralise avec de la chaux, Ca(OH)2, une base forte. Au terme de la réaction, on obtient du diphosphate de tricalcium (Ca3(PO4)2) et de l’eau. a ) De quel type de réaction s’agit-il ? b ) En vous aidant de la masse atomique des éléments, vérifiez si la loi de la conservation de la masse est respectée dans l’équation chimique suivante. Balancez d’abord l’équation. H 3PO4 +

Ca(OH)2

Ca3(PO4)2 +

Masse des réactifs :

Masse des produits :

Masse totale :

Masse totale :

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H2O

Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

147

c)

4

STE On fait réagir une certaine masse d’acide phosphorique (H3PO4) avec 250 mL d’une solution de chaux (Ca(OH)2) dont la concentration est de 0,75 mol/L. Quelle est la masse d’acide phosphorique (H3PO4) qui a réagi ?

STE On neutralise une solution d’acide carbonique (H2CO3) par une solution de trihydroxyde de fer (Fe(OH)3). La neutralisation produit un sel et de l’eau. Quelle est la formule moléculaire du sel produit ? a ) FeCO3

5

b ) Fe3(CO3)2

c ) Fe(CO3)2

d ) Fe2(CO3)3

Le gaz naturel ou méthane (CH4) est la principale source d’énergie dans plus de 135 000 foyers québécois. a ) Une cuisinière au gaz naturel brûle du méthane, ce qui dégage du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d’eau et une grande quantité d’énergie qui permet de faire cuire les aliments. 1) À quel élément du triangle du feu correspond le méthane ? 2) À quel type de combustion (vive, spontanée ou lente) correspond la combustion du méthane ? Justifiez votre réponse.

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b ) La combustion d’une certaine quantité de méthane (CH4) a nécessité l’utilisation de 12,80 g de dioxygène (O2) et a produit 8,80 g de dioxyde de carbone (CO2) et 7,21 g de vapeur d’eau (H2O). Quelle masse de méthane (CH4) a brûlé ?

c)

STE Une famille consomme en moyenne 67 kg de méthane (CH4) par an. Sachant que la combustion d’une mole de méthane dégage 803 kJ, quelle quantité d’énergie les 67 kg de méthane fournissent-ils au cours d’une année ?

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Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

149

6

STE Au cours d’une promenade avec un ami dans un port, vous vous arrêtez devant un vieux bateau rouillé. a ) De quelle transformation chimique s’agit-il ? b ) Sachant que la rouille se forme en faisant réagir du fer (Fe) avec du dioxygène (O2), quelle masse de rouille (Fe2O3) obtient-on si la masse de fer qui a réagi est de 75 g ?

7

STE Quand un rayonnement gamma (γ), alpha (α) ou bêta (β) traverse le corps humain, certains liens qui sont à l’intérieur des molécules qui composent le corps humain peuvent être brisés. Des molécules du corps humain peuvent aussi être ionisées (elles peuvent perdre des électrons). Ces effets sont dommageables pour le corps humain, car ils peuvent empêcher le déroulement normal des mécanismes cellulaires et endommager l’ADN des cellules. Peuvent-ils aussi rendre les cellules du corps humain radioactives ? Expliquez votre réponse.

150

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8

STE Il est possible de dater les fossiles en mesurant les désintégrations des isotopes radioactifs naturels qui s’y trouvent.

L d dv La technique de datation radioactive la plus connue est la datation au carbone 14 ( ). Tous les organismes vivants échangent continuellement du dioxyde de carbone (CO2) avec l’environnement. Cependant, quand un être vivant meurt, le cesse d’entrer dans l’organisme. Le étant radioactif, il subit une décroissance radioactive dont le temps de demi-vie est connu (voir la figure 10 à la page 141). Ainsi, la mesure de la quantité résiduelle de dans l’échantillon d’un organisme permet de déterminer son âge. Les « jeunes » échantillons contiennent plus de que les « vieux » échantillons.

a ) L’équation qui régit la désintégration du carbone 14 est la suivante.

a ) De quel type de radioactivité s’agit-il ? b ) Lors de la datation au carbone 14, il se peut que les échantillons soient contaminés par des sources modernes. Supposons que vous avez déterré un vieux morceau de bois et que vous l’avez daté en utilisant la technique de la datation au carbone. Si le morceau de bois a été imbibé d’eau souterraine contenant des molécules organiques qui renferment elles-mêmes du , sous-estimerez-vous ou surestimerez-vous l'âge du morceau de bois ? Expliquez votre réponse.

9

STE

Observez les quatre équations ci-dessous, qui décrivent des réactions nucléaires.

1)

3)

2)

4)

Quelle équation correspond à : a ) une fusion nucléaire ?

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b ) une fission nucléaire ?

Chapitre 3 Les transformations chimiques... nucLéaires

151

10

STE

Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez aux questions qui suivent.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’irradiation des aliments Il existe de nombreuses méthodes pour prolonger la durée de conservation des aliments. Certaines d’entre elles reposent sur la destruction d’organismes qui détériorent la nourriture, comme les bactéries, les moisissures ou même certains insectes. L’irradiation est l’une des techniques utilisées. Elle présente certains avantages, car elle est sécuritaire pour la santé humaine tout en étant efficace pour la réduction des germes pathogènes.

qu’elle n’augmente pas significativement la température des aliments. De plus, elle préserve leurs propriétés physiques, gustatives et nutritionnelles. Au Canada, les aliments irradiés doivent être identifiés par le symbole international que l’on voit ci-dessous.

Cette méthode consiste à irradier les aliments à l’aide de rayonnements ionisants tels que les rayons gamma (γ), les rayons X ou les faisceaux d’électrons. Approuvée par Santé Canada en 2002, l’irradiation est utilisée pour la conservation de la viande, des pommes de terre, des oignons, des épices, des assaisonnements déshydratés, du blé, de la farine, etc. Contrairement à d’autres méthodes, l’irradiation est considérée comme un procédé à froid, c’est-à-dire

a ) Dans quel but les aliments sont-ils irradiés ?

b ) Quels types de rayonnements sont utilisés pour irradier les aliments ?

c ) Pourquoi dit-on que l’irradiation est un procédé de conservation à froid ?

d ) Nommez trois aliments qui sont irradiés dans le but identifié à la question a).

152

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chapitre

4

LES TRANSFORMATIONS DE L’ÉNERGIE

Le terme « énergie » est fréquemment employé, mais peu de gens peuvent dire ce que l’énergie solaire, l’énergie nucléaire et l’énergie fournie par les « boissons énergisantes » ont en commun. De plus, même si on parle souvent de « consommation d’énergie », l’énergie ne peut pas réellement être consommée puisqu’elle ne peut pas être détruite. Elle peut toutefois être transformée. Ainsi, l’énergie chimique contenue dans l’essence d’une automobile peut devenir de l’énergie mécanique et de l’énergie thermique. Par ailleurs, l’énergie ne se crée pas spontanément : aucune machine ne peut dégager plus d’énergie qu’elle n’en reçoit.

SOMMAIRE

Rappel  154 4.1 La relation entre la masse et le poids STE  155 4.2 Le travail STE  158 4.3 L’énergie mécanique  163 4.4 L’énergie thermique  176 4.5 Le rendement énergétique  181

RAPPEL

L’énergie est la capacité de générer un mouvement ou de transformer la matière. L’énergie se mesure en joules (J). Elle peut se présenter sous plusieurs formes. Quelques formes d’énergie Formes d’énergie

154

Exemples

Énergie chimique L’énergie chimique est une forme d’énergie contenue dans la matière elle-même. Elle relève de l’agencement des atomes qui forment une molécule, et non de leur agitation.

Les aliments (par exemple, une coupe de crème glacée contenant des glucides et des lipides) renferment de l’énergie chimique qui peut être métabolisée par le corps.

Énergie électrique L’énergie électrique est la forme d’énergie associée au déplacement des électrons dans un matériau conducteur d’électricité.

Dans les centrales hydroélectriques, des turbines transforment l’énergie mécanique de l’eau en énergie électrique. Dans une éolienne, c’est l’énergie mécanique du vent qui est transformée.

Énergie mécanique L’énergie mécanique est la forme d’énergie associée au mouvement et à la position d’un corps.

Une motocyclette roulant à 50 km/h possède de l’énergie mécanique. Si sa vitesse augmente, son énergie mécanique augmente aussi.

Énergie rayonnante L’énergie rayonnante est une forme d’énergie transportée par un rayonnement appelé « onde électromagnétique ».

La lumière et les rayons X sont des ondes électromagnétiques. Ils transportent de l’énergie rayonnante.

Énergie thermique L’énergie thermique est la forme d’énergie que possède un objet en raison du mouvement des particules de matière qui le composent les unes par rapport aux autres.

La lave contient une grande quantité d’énergie thermique qui la maintient à l’état liquide. En refroidissant, elle se solidifie peu à peu.

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L’essence et les autres combustibles fossiles sont des sources d’énergie chimique. Celle-ci est libérée lorsqu’il y a combustion.

Un grille-pain transforme l’énergie électrique en énergie thermique et rayonnante. Pour sa part, un ventilateur transforme surtout l’énergie électrique en énergie mécanique.

Un camion roulant à la même vitesse possède une plus grande énergie mécanique, car sa masse est plus grande.

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UM 4.1

4.1 La relation entre la

masse et le poids

STE

Quand on demande le poids de quelqu’un, il se peut que cette personne donne une réponse en kilos. Même si cela est tout à fait accepté dans le langage familier, il s’agit d’une erreur, puisque le kilogramme est une unité de mesure de la masse et non du poids. En effet, la masse et le poids sont deux choses différentes. Il sera important de pouvoir les distinguer lors de l’étude de l’énergie mécanique. La masse (m) d’un corps correspond à la quantité de matière que ce corps contient. La masse d’un corps est donc une caractéristique propre à ce corps et elle est indépendante de l’endroit où ce corps se trouve. Dans le système international d’unités (SI), la masse se mesure en kilogrammes (kg). Le oids d’un corps correspond à la force gravitationnelle (Fg ) exercée sur ce corps par une planète ou un astre. Comme toutes les forces, le poids se mesure en newtons (N). Le poids (Fg ) d’un corps en newtons (N) peut être évalué à l’aide de l’équation suivante : Fg = mg, où

Fg : poids en newtons (N) m : masse du corps en kilogrammes (kg) g : intensité du champ gravitationnel en newtons par kilogramme (N /kg)

L’intensité du champ gravitationnel dépend de l’endroit où l’on se trouve dans l’Univers. À la surface de la Terre, g vaut 9,8 N /kg. Voici un exemple de calcul du poids à l’aide de l’équation Fg = mg.

FLASH

SCIENCE

La liv Au Caaa, l’uié  u icill  la a  l kila, ê ’il aiv qu’ uili c la liv pu u la a. C ’ qu pui 1983 qu l épici caai  u ’aich l pix  pui au kila (u pu 100 ). Il lu  ui pibl ’aich aui l pix à la liv. Aux Éa-Ui, la liv  uju l’uié  u icill  la a. U liv (lb) cp vi à 0,454 k.

EXEMPLE

Un filet de saumon a une masse de 150 g. Quel est son poids à la surface de la Terre ? Données :

Calcul :

m = 150 g

1. Convertir la masse en kilogrammes :

g = 9,8 N/kg Fg = ?

2. Évaluer le poids du filet de saumon :

Le poids du filet de saumon est de 1,47 N.

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CHApItrE 4 Les trAnsformAtIons de L’ÉnergIe

155

Activités 4.1

STE

1

Une personne a une masse de 53 kg. Quel est son poids (sur Terre) ?

2

Sur Terre, une personne a un poids de 588 N. Quelle est sa masse ?

3

À la surface de la Lune, le champ gravitationnel est environ six fois moins intense que sur la Terre. a ) Quelle est l’intensité du champ gravitationnel qui règne à la surface de la Lune ? (La réponse à cette question sera utile pour répondre aux questions qui suivent.)

156

UNIVERS MATÉRIEL

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UM 4.1

b ) Si une personne a une masse de 65 kg sur la Terre, quelle masse aura-t-elle sur la Lune ?

c ) Si une personne a une masse de 70 kg sur la Terre, quel poids aura-elle sur la Lune ?

d ) Si une personne a un poids de 784 N sur la Terre, quel poids aura-t-elle sur la Lune ?

e ) Si un véhicule a un poids de 1 630 N sur la Lune, quel poids aura-t-il sur la Terre ?

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

157

4.2 Le travail

STE

En physique, le mot « travail » n’a pas toujours le sens intuitif qu’on lui attribue dans la vie de tous les jours. Ainsi, une personne ou une machine effectuera un travail, au sens physique du terme, si elle exerce une force de façon à déplacer un objet, ce qui ne sera pas le cas si elle ne fait que maintenir un objet en place (voir la figure 1).

Figure 1 Un travail implique le déplacement d’un objet. A L’haltérophile effectue un travail en déplaçant une charge. B L’haltérophile n’accomplit pas de travail, puisqu’il ne fait que maintenir la charge immobile en équilibre.

A

4.2.1

B

La relation entre le travail, la force et le déplacement

Quand un corps subit un déplacement (Δs) sous l’effet d’une force constante (F) appliquée sur lui dans le sens de son mouvement, le travail (W) effectué par cette force est égal à : Quand la force est parallèle au déplacement, W = FΔs, où W : travail en joules (J) F : force en Newtons (N) Δs : déplacement (variation de position) en mètres (m)

L’exemple suivant montre comment évaluer le travail effectué par une force parallèle au déplacement du corps sur lequel elle s’applique. EXEMPLE A

Une déménageuse pousse, sur une distance de 5 m, une boîte sur le sol, en exerçant sur cette boîte une force constante de 200 N parallèlement au sol (voir la figure 2). Quel est le travail effectué par la déménageuse sur la boîte ? Données :

F

Calcul :

F = 200 N Δs = 5 m W=? Le travail effectué par la déménageuse sur la boîte est de 1 000 J.

158

UNIVERS MATÉRIEL

Déplacement (Δs)

Figure 2 Une déménageuse pousse une boîte en exerçant une force (F ) parallèle au déplacement (Δs) de la boîte.

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UM 4.2

4.2.2

La force efficace

Lorsque la force n’est pas parallèle au déplacement, seule la composante de la force qui est parallèle au déplacement effectue réellement un travail. Cette composante, illustrée à la figure 3, s’appelle « force efficace (Feff ) ». Quand un travail est effectué sur un corps, la foc ffcc (Feff ) correspond à la composante de la force qui est parallèle au déplacement du corps. Puisque seule la composante efficace de la force contribue au travail effectué sur un corps, l’équation W = F∆ s devient :

F

Le travail correspond à la contribution qu’une force apporte au déplacement d’un corps. Plus le travail est grand, plus la contribution que la force apporte au déplacement est grande. L’exemple suivant montre comment évaluer le travail effectué par une force qui n’est pas parallèle au déplacement du corps sur lequel elle s’applique.

Déplacement (∆s) F

Feff

Fgu 3 Une jeune fille tire le traîneau dans lequel est assis son frère. La force (F ) exercée forme un angle non nul avec le déplacement (Δs) du traîneau.

EXEMPLE B

Une fille pousse une tondeuse sur une distance de 7,5 m, en exerçant une force constante (F ) de 80 N parallèlement au manche de la tondeuse (voir la figure 4). a ) La force efficace (Feff ) exercée par la fille sur la tondeuse est-elle plus petite ou plus grande que la force (F ) que la fille exerce ? La force efficace (Feff ) est plus petite que la force totale (F ) exercée par la fille sur la tondeuse, puisque la force efficace est la composante de la force totale qui est parallèle au déplacement. b ) Si la force efficace (Feff ) exercée par la fille sur la tondeuse est de 60 N, quel est le travail effectué par la fille sur la tondeuse ? Données :

F

Déplacement (∆s) F

Calcul :

Feff = 60 N

∆s = 7,5 m W=? Le travail effectué par la fille sur la tondeuse est de 450 J.

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Feff

Fgu 4 Puisque la force exercée par la fille n’est pas parallèle au déplacement de la tondeuse, il faut utiliser la force efficace (Feff ) pour évaluer le travail effectué.

Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

159

Activités 4.2 1

STE

Un homme pousse un meuble, mais il ne parvient pas à le déplacer. a) L’homme exerce-t-il une force sur le meuble ? Expliquez votre réponse.

b ) Quel est le travail effectué par l’homme sur le meuble ? Expliquez votre réponse.

160

2

Sur un sol plat, un homme pousse sa voiture de 1200 kg en exerçant sur elle une force horizontale de 500 N vers l’avant. Quel est le travail fait par cet homme, si la voiture avance d’une distance de 2,2 m ?

3

Une femme tire une chaise vers l’arrière en la faisant glisser sur le plancher sur une distance de 0,30 m. Si le travail qu’elle effectue est de 22,5 J, quelle est la grandeur de la force exercée par la femme ?

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UM 4.2

4

Pour soulever un corps à vitesse constante en exerçant sur lui une force verticale vers le haut, il faut que la grandeur de la force exercée soit égale à la grandeur du poids de ce corps. Quel est le travail effectué par une personne qui soulève, à vitesse constante, une boîte de 10 kg sur une distance de 50 cm ?

F

Fg

5

Une cycliste descend une pente. a) Sur l’illustration ci-contre, dessinez, à l’échelle, la composante efficace de la force gravitationnelle, représentée par une flèche, qui agit sur la cycliste. b) Si la grandeur de la force gravitationnelle agissant sur la cycliste est de 540 N, et que la pente forme un angle de 30° avec l’horizontale, calculez la grandeur de la force efficace.

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Fg

Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

161

6

Une force constante est appliquée oblique­ ment sur un objet qui se déplace horizontale­ ment vers la droite. Cette force est représentée sur le diagramme ci­contre.

1 case = 1 N

a ) Illustrez la force efficace sur le diagramme. b ) Dans cette situation, quelle est, en new­ tons, la grandeur de la force efficace ?

F

c ) Si le déplacement de l’objet avait été à la verticale vers le haut, quelle aurait été, en newtons, la grandeur de la force efficace ?

7

Une personne effectue un travail de 500 J sur un chariot à provisions en le poussant sur une distance de 5,0 m. Quelle est la grandeur de la force efficace exercée par cette personne ?

8

Dans certaines situations, le travail effectué peut être négatif. Ainsi, il est possible qu’une force effectue un travail de −5 J sur un objet. Un travail négatif est effectué sur un objet par une force quand celle­ci forme un angle de 90° à 270° avec le déplacement de cet objet. Cela s’explique par le fait que, dans de telles situations, la composante efficace de la force a un signe négatif. Un travail négatif signifie que la force s’oppose au déplacement de l’objet : la force tend à ralentir le mouvement de l’objet, par exemple. Parmi les situations suivantes, entourez les lettres correspondant à celles où la force dont il est question effectue un travail négatif. a ) Le poids d’une balle de tennis lancée en l’air agit sur celle­ci pendant qu’elle monte. b ) Le poids d’une balle de tennis lancée en l’air agit sur celle­ci pendant qu’elle redescend vers le sol. c)

F

162

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∆s

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UM 4.3

9

Sur la glace, la force gravitationnelle agit sur un hockeyeur de 85 kg, alors qu’il effectue une échappée sur une distance horizontale de 10 m. Quel est le travail effectué par la force gravitationnelle sur le hockeyeur ?

Fg

Δs

4.3 L’énergie mécanique Quelques-unes des différentes formes d’énergie sont présentées à la page 154. Dans cette section-ci, vous étudierez l’énergie mécanique. L’énegie mécanique (Em) est l’énergie qui est associée au mouvement et à la position d’un corps. Dans les situations étudiées dans ce chapitre, l’énergie mécanique (Em) correspond à la somme de l’énergie cinétique (Ek) et de l’énergie potenSTE tielle gravitationnelle (Epg), deux concepts définis dans cette section. Em = Ek + Epg

4.3.1

La relation entre le travail et l’énergie STE

Le travail effectué par une force peut être considéré comme la mesure de la contribution d’une force à produire un déplacement, comme on l’a vu dans la section 4.2. Toutefois, il y a une façon plus fondamentale de définir le travail. Le avail (W ) correspond à un transfert d’énergie entre un corps et son environnement, qui se fait par l’application de forces (des poussées ou des tractions) sur le corps.

FLASH

SCIENCE

L cl Dans le système international d’unités (SI), l’unité de mesure de l’énergie est le joule (J). Toutefois, dans le domaine de la nutrition, l’énergie est généralement évaluée en calories. Une calorie nutritionnelle correspond à 4,182 J. L’apport calorique des aliments mesure l’énergie chimique contenue dans les aliments qui pourrait être métabolisée par le corps lors de la digestion.

Le travail (W) effectué sur un corps par des forces extérieures entraîne une variation correspondante de l’énergie de ce corps (ΔE) : W = ΔE

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CHApItrE 4 Les transformations de L’énergie

163

Donc, si on effectue un travail (W) de 4 J sur un corps, l’énergie totale de ce corps augmentera de 4 J (ΔE = 4 J). De même, alors qu’on peut définir le travail comme un transfert mécanique d’énergie, on peut définir l’énergie mécanique comme la capacité à effectuer un travail.

4.3.2

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE

L’énergie cinétique (Ek) est l’énergie que possède un corps en mouvement en raison de sa vitesse. Plus un corps est massif ou plus sa vitesse est importante, plus son énergie cinétique sera grande (voir la figure 5). Figure 5 L’énergie cinétique dépend de la masse et de la vitesse des corps. A Un camion possède plus d’énergie cinétique qu’une automobile qui roule à la même vitesse, parce qu’il est plus massif. B Une automobile qui roule plus rapidement qu’une autre de même masse a davantage d’énergie cinétique.

A

B

L’équation qui permet d’évaluer l’énergie cinétique d’un corps en translation est la suivante : , où

Ek : énergie cinétique du corps en joules (J) m : masse du corps en kilogrammes (kg) v : vitesse du corps en mètres par seconde (m /s)

L’exemple suivant montre comment on peut évaluer l’énergie cinétique d’un corps. EXEMPLE A

Une voiture de 1 250 kg roule à une vitesse de 90 km/h. Quelle est son énergie cinétique ? Données :

Calcul :

m = 1 250 kg

1. Convertir la vitesse de la voiture en mètres par seconde :

v = 90 km/h Ek = ? 2. Évaluer l’énergie cinétique de la voiture :

L’énergie cinétique de la voiture est de 390 625 J.

164

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UM 4.3

La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, la grandeur du champ gravitationnel et la hauteur STE 4.3.3

L’énege oenelle gvonnelle (Epg) est une énergie qui peut être emmagasinée par les corps soumis à la force gravitationnelle (voir la figure 6).

A

Fgue 6 Un obje qu’on soulève u-dessus du sol emmgsne de l’énege oenelle gvonnelle. En ombn, l l ed. A Qud  sulèv u bjt u-dssus d l suc d l T, l’ qu’ lu tsè  st u tvl pu lutt ct l c vttll st s sus  d’ pttll vttll. B S  css d’xc u c su l’bjt, l tb. Dut s chut, l’ pttll vttll pdu s ts   ctqu : à su qu l hutu du bll du, s vtss ut.

B

La valeur de l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps n’est pas définie de manière absolue : seule la façon dont cette énergie varie est significative. Habituellement, on choisit le sol comme niveau de référence pour mesurer l’énergie potentielle gravitationnelle. Donc, on convient généralement que, au sol, Epg = 0. Dans ces conditions, près de la surface de la Terre, l’équation qui permet d’évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg) d’un corps est la suivante : , où

m : masse du corps en kilogrammes (kg) g : grandeur du champ gravitationnel en newtons par kilogramme (N /kg), soit 9,8 N /kg à la surface de la Terre h : hauteur du corps en mètres (m) par rapport au niveau de référence (correspondant souvent au sol)

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ChapitrE 4 LeS TranSformaTionS De L’énergie

165

L’exemple suivant montre comment on peut évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps. EXEMPLE B

On lance une balle de tennis de 58 g à 10 m au-dessus du sol. Quelle quantité d’énergie potentielle gravitationnelle possède cette balle lorsqu’elle atteint le sommet de sa trajectoire, si l’on considère que son énergie potentielle gravitationnelle est nulle au niveau du sol ? Données :

Calcul :

m = 58 g

1. Convertir la masse de la balle en kilogrammes :

g = 9,8 N/kg h = 10 m Epg = ?

2. Évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle de la balle lorsqu’elle atteint le sommet de sa trajectoire :

Au sommet de sa trajectoire, l’énergie potentielle gravitationnelle de la balle est de 5,684 J.

4.3.4

La loi de la conservation de l’énergie

La loi de la conservation de l’énergie stipule que l’énergie peut changer de forme (être transformée) et passer d’un corps à un autre (être transférée), mais qu’elle ne peut être ni créée ni détruite. Ainsi, l’énergie totale est une quantité constante. La quantité totale d’énergie que possède un corps isolé est une quantité conservée, c’est-à-dire que cette quantité ne change pas dans le temps. Par « isolé », on entend que ce corps n’échange pas d’énergie avec son environnement. Quand les seules formes d’énergie qui varient sont l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg) et l’énergie cinétique (Ek), la somme de ces deux quantités, qui correspond à l’énergie mécanique (Em), demeure constante. STE

Cela se traduit par l’équation suivante : Em = Ek + Epg = constante

La situation d’un enfant assis sur une balançoire suspendue (voir la figure 7, à la page suivante) peut être considérée comme une situation où l’énergie mécanique est conservée, à condition que le frottement et la résistance de l’air soient négligeables et que l’enfant n’utilise pas ses muscles pour se propulser.

166

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UM 4.3

STE

O po l vau  c pou la u  l’ poll avaoll (Epg)  l’a au po l plu ba  a ajco. 1 Qua l’a  au po l plu ba  a ajco, o  poll avaoll  ull. Pa co, o  cqu (Ek)  axal, puqu l’a a a v axal à c o. 2 Au u  à u qu la balaço ’lèv, l’a a  l’ poll, a l al, c qu copo à u uo  o  cqu. 3 Loqu l’a  ouv au o  la ajco, a v pa oa pa zo, à l’a où l  u ouv ’v. L’ cqu  oc ull, a qu l’ poll  axal. 4 L’ poll  ao   cqu au u  à u qu l’a c  accla.

3 2 1

4

Énergie

Em Epg

Ek Position

Fgu 7

Un nfn sss su un blnço susndu.

Activités 4.3 1

Associez chacune des transformations d’énergie de la colonne de gauche à une situation où on peut l’observer, dans la colonne de droite. a ) Transformation d’énergie mécanique en énergie thermique.

1) Une voiture hybride avance sans consommer d’essence.

b ) Transformation d’énergie électrique en énergie rayonnante.

2) Un avion accélère pour le décollage, propulsé par ses moteurs.

c ) Transformation d’énergie chimique en énergie mécanique.

3) Une pierre de curling qui glisse ralentit sous l’effet du frottement.

d ) Transformation d’énergie électrique en énergie mécanique.

4) Une ampoule à DEL éclaire une petite pièce sans dégager significativement de chaleur.

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Chapitre 4 Les trAnsfOrmAtiOns de L’énergie

167

2

STE

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux.

a ) Le travail qu’on calcule à l’aide de l’équation W = FΔs correspond à un transfert mécanique d’énergie.

b ) Si un travail est effectué sur un corps, l’énergie de ce corps est conservée.

c ) Si l’on applique une force sur un corps qui fait augmenter l’énergie de ce corps de 5 J, cela signifie qu’un travail de 5 J a été effectué sur ce corps.

168

3

STE

Une mouche de 1 g vole à une vitesse de 5 m/s. Quelle est son énergie cinétique ?

4

STE

L’énergie cinétique d’un projectile de 12 g est de 5,4 J. Quelle est la vitesse de ce projectile ?

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UM 4.3

5

STE Une planchiste de 65 kg fait un saut qui lui permet de s’élever à 1,50 m au-dessus du sommet d’une demi-lune. Le sommet de la demi-lune est à 4,00 m de sa base, et sa base est à 35 cm du sol. Quelle est l’énergie potentielle gravitationnelle de la planchiste quand elle se trouve au sommet de sa trajectoire, si le sol est le niveau de référence pour la mesure de l’énergie potentielle gravitationnelle ?

6

Énoncez la loi de la conservation de l’énergie.

7

Antoine Lavoisier est célèbre pour avoir énoncé la phrase suivante au sujet de la matière : « Rien ne se perd, rien ne se crée ; tout se transforme. » Quel lien pouvez-vous faire entre cette maxime et la loi de la conservation de l’énergie ?

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

169

8

STE Un petit train s’apprête à parcourir des montagnes russes. 1 Immobile au départ, le train commence à monter lentement. 2 Il gravit la pente à vitesse constante jusqu'à son arrivée au sommet 3 . Puis, 4 il descend une pente très abrupte et subit une grande accélération. 5 Il remonte ensuite une petite pente, ce qui le ralentit un peu. Il s’engage alors dans un tunnel… Placez les énoncés suivants en ordre chrono­ logique, en commençant au moment où le train démarre et en terminant juste avant qu’il n’entre dans le tunnel. a) L’énergie cinétique du train augmente rapidement, alors que son énergie potentielle décroît. b ) L’énergie cinétique du train est constante, alors que son énergie potentielle augmente. c ) L’énergie cinétique du train est d’abord nulle, puis elle augmente légèrement. d ) L’énergie potentielle du train augmente légèrement, tandis que son énergie cinétique diminue un peu. e ) L’énergie potentielle du train est maximale.

9

STE À la surface de la Lune, le champ gravitationnel est environ six fois moins intense qu’à la surface de la Terre. a ) Un astronaute qui saute à 1,00 m au­dessus du sol lunaire a­t­il autant d’énergie potentielle gravita­ tionnelle qu’un homme de même masse qui saute à 1,00 m au­dessus du sol terrestre ? Expliquez votre réponse.

b ) Quand l’astronaute et le terrien retomberont, à la fin de leur saut, à la surface de l’astre sur lequel ils se trouvent, auront­ils la même vitesse ? Expliquez votre réponse.

170

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UM 4.3

10

STE Une dame ramasse une fourchette qu’elle avait laissé tomber. Elle la soulève à vitesse constante. Parmi les énoncés suivants, lequel est vrai ? a) La dame gagne de l’énergie chimique au cours de son mouvement. b) L’énergie cinétique de la fourchette diminue au fur et à mesure que la dame la soulève. c) En soulevant la fourchette, la dame lui transfère de l’énergie mécanique. d) Dans le mouvement de remontée, l’énergie potentielle gravitationnelle de la fourchette est transformée en énergie cinétique.

11

STE L’illustration ci-dessous montre une centrale hydroélectrique et une partie de son réseau de distribution. Les transformations d’énergie et les différents transferts d’énergie impliqués dans la production et la distribution de l’hydroélectricité sont décrits dans les énoncés suivants.

1

L’énergie cinétique de l’eau est transférée à la turbine.

2

Le barrage maintient l’eau à un niveau élevé, ce qui fait que l’eau emmagasine de l’énergie potentielle gravitationnelle.

3

La génératrice transforme l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique.

4

Après avoir parcouru le réseau de distribution d’électricité, l’énergie électrique est transférée aux appareils électriques branchés sur le circuit électrique des clients.

5

Lorsque l’eau pénètre dans la centrale et descend vers les turbines, une partie de son énergie potentielle gravitationnelle est transformée en énergie cinétique.

Parmi les séries suivantes, laquelle classe les étapes dans l’ordre correct pour expliquer clairement le processus de production et de distribution de l’électricité ? a) 2 – 1 – 3 – 5 – 4

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b) 2 – 5 – 1 – 3 – 4

c) 3 – 1 – 5 – 2 – 4

Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

171

12

Que se passe-t-il quand un joueur de baseball frappe une balle, puis qu’un autre l’attrape ? Complétez le texte suivant à l’aide de la liste de mots fournie. (Un même mot peut être employé plus d’une fois.) 1

2

chimique

3

mécanique transférée

thermique transformée

Texte à compléter 1

Les muscles du frappeur transforment l’énergie

qui

leur a été fournie par la nourriture (métabolisée par le système digestif) en énergie et en énergie thermique. Une partie de l’énergie cinétique des bras du frappeur est

au bâton, de sorte que le bâton

est mis en mouvement lui aussi. 2

Lorsque le bâton frappe la balle, une partie de son énergie est

à la balle. Il y a également une partie de l’énergie du bâton qui est

en énergie

(puisqu’une faible quantité de chaleur est

dégagée). 3

Quand le joueur de l’équipe adverse saute pour attraper la balle, il utilise l’énergie que ses muscles ont consommée pour produire de l’énergie

en se propulsant. Quand il attrape la balle,

une partie de l’énergie

de celle-ci est transférée

à son bras et une autre partie de cette énergie est en énergie thermique. 13

L’énoncé suivant est-il vrai ou faux ? Il est possible de transformer 10 J d’énergie mécanique en 4 J d’énergie électrique et 6 J d’énergie thermique. a) Vrai

172

UNIVERS MATÉRIEL

b) Faux

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UM 4.3

14

STE

Le dessin ci-dessous illustre la trajectoire d’une plongeuse.

On choisit la surface de l’eau comme niveau de référence pour la mesure de l’énergie potentielle gravitationnelle. On considère que la résistance de l’air et le déplacement de la plongeuse sont négligeables. a ) Sur le dessin ci-dessus : 1) écrivez le chiffre 1 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle est maximale tandis que l’énergie cinétique est minimale (nulle, si on néglige le déplacement horizontal de la plongeuse et si on considère que celle-ci n’a pas de vitesse horizontalement) ; 2) écrivez le chiffre 2 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle est minimale (nulle) tandis que l’énergie cinétique est maximale ; 3) écrivez le chiffre 3 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie cinétique sont égales. b ) Dans la situation représentée, l’énergie mécanique est-elle conservée ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

173

c ) Quel est le lien entre la valeur maximale de l’énergie potentielle gravitationnelle de la plongeuse, la valeur maximale de son énergie cinétique et la valeur de son énergie mécanique ? Expliquez votre réponse.

d ) Au moment où l’énergie potentielle gravitationnelle de la plongeuse représente le quart de sa valeur maximale, quelle fraction de sa valeur maximale l’énergie cinétique de la plongeuse représente-t-elle ?

e ) Si la plongeuse a une masse de 55 kg, combien d’énergie potentielle gravitationnelle possède-telle quand elle se trouve à 2 m au-dessus du niveau de l’eau ?

f ) Si la plongeuse a une masse de 55 kg, combien d’énergie cinétique possède-t-elle quand elle se trouve à 1,5 m au-dessus du niveau de l’eau et que sa vitesse est de 7 m/s ?

174

UNIVERS MATÉRIEL

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UM 4.3

g ) Si la plongeuse a une masse de 55 kg et que la hauteur maximale qu’elle atteint, par rapport au niveau de l’eau, est de 4 m, quelle est sa vitesse lorsqu’elle atteint la surface de l’eau ?

h ) Si la résistance de l’air n’avait pas été négligeable et qu’elle avait vraiment affecté le mouvement de la plongeuse, la vitesse de celle-ci, lors de son entrée dans l’eau, aurait-elle été plus grande ou plus petite que la vitesse que vous avez calculée à la question g ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

175

4.4 L’énergie thermique L’énergie thermique (ET ) est une forme d’énergie que possède un objet en raison du mouvement de ses particules (atomes ou molécules) les unes par rapport aux autres. Lorsque les particules qui composent un objet deviennent plus agitées les unes par rapport aux autres, l’énergie thermique de cet objet augmente.

4.4.1

La distinction entre la chaleur et la température

L’énergie thermique d’un corps dépend du nombre de particules qu’il contient ainsi que de sa température. La température (T ) d’un objet est une mesure du degré d’agitation de ses atomes ou de ses molécules (voir la figure 8). La température se mesure le plus souvent en degrés Celsius (˚C). Lorsque deux objets qui ont des températures différentes sont mis en contact, une partie de l’énergie thermique de l’objet qui a la température la plus élevée est transférée à l’objet qui a la température la plus basse. Ce transfert d’énergie thermique est appelé « chaleur » (voir la figure 9). Figure 8 La température de l’eau contenue dans les béchers dépend de la vitesse des molécules les unes par rapport aux autres. Plus les molécules d’eau sont agitées, plus la température est élevée.

La chaleur (Q) est un transfert d’énergie thermique (ET ) entre deux objets mis en contact lorsqu’il y a une différence de température entre eux. La chaleur se mesure en joules (J). Quand il y a un transfert d’énergie thermique entre deux corps de températures différentes, la variation (ΔET ) de l’énergie thermique de chacun des corps est égale à la chaleur (Q) qui est impliquée : Q = ∆ET

Substance chaude

Substance froide

La distinction entre la chaleur et le travail mécanique

STE

Le travail et la chaleur sont deux façons de transférer de l’énergie : • quand un transfert d’énergie entraîne le déplacement d’un objet,

ce transfert d’énergie est un travail, • quand c’est plutôt la température d’un objet qui est à la source d’un transÉnergie thermique transférée (chaleur)

fert d’énergie, il s’agit de chaleur.

4.4.2 Figure 9 La substance de gauche, dont la température est plus élevée, transfère de l’énergie thermique (chaleur) à la substance de droite. Ce transfert se poursuit jusqu’à ce que la température des deux substances soit la même.

176

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La relation entre la chaleur, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température STE

Lorsqu’on chauffe un objet (on lui transfère de l’énergie thermique), sa température augmente. La relation mathématique qui permet de connaître

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UM 4.4

la relation entre la chaleur (Q) et la variation de la température (∆T) d’un objet fait également intervenir la masse (m) et la capacité thermique massique (c). La capacité thermique massique est une constante de proportionnalité qui dépend de la substance dont l’objet est fait. La ccé mqu mssqu (c ) correspond à la quantité d’énergie thermique (en joules) qu’il faut transférer à un gramme d’une substance pour augmenter sa température de un degré Celsius. Elle est mesurée en joules par gramme et par degré Celsius [J /(g °C)]. La relation mathématique entre la chaleur, la masse, la capacité thermique massique et la variation de température est : Q = mc∆T, où

Q : chaleur, en joules (J) m : masse, en grammes (g) c : capacité thermique massique, en joules par gramme et par degré Celsius ∆T : variation de température, en degrés Celsius (°C)

Ainsi, deux objets qui reçoivent la même énergie thermique ne verront pas leur température augmenter de façon similaire s’ils ont des masses différentes ou s’ils sont faits de substances différentes. Puisque Q = ∆ET , on peut écrire : ∆ET = mc∆T

Dans ces équations, la variation de température (∆T) correspond à la différence entre la température finale (Tf) et la température initiale (Ti ) :

TABLEAU 1

La capacité thermique massique (c ) de quelques substances

Substance

Capacité thermique massique

Mercure

0,14

Cuivre

0,39

Fer

0,44

Aluminium

0,90

Glace

2,06

Eau liquide

4,19

∆T = Tf − Ti

La capacité thermique massique (c) peut être déterminée expérimentalement. Le tableau 1 donne les valeurs de capacité thermique massique de quelques substances. L’exemple suivant met en application l’équation Q = mc∆T. EXEMPLE

Quelle chaleur un bloc de cuivre de 500 g absorbe-t-il lorsque sa température est portée de 4 °C à 24 °C ? Données :

Calcul :

m = 500 g

1. Évaluer la variation de température :

c = 0,39

(voir le tableau 1)

Tf = 24 °C

2. Évaluer la chaleur qui est absorbée par le cuivre :

Ti = 4 °C ∆T = ? Q=? Le bloc de cuivre absorbe 3 900 J de chaleur.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

177

Activités 4.4 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Quand deux objets sont mis en contact, l’objet qui a la température la plus élevée transfère toujours de l’énergie thermique à l’objet qui a la température la plus basse.

b ) Quand un objet reçoit de l’énergie thermique de la part d’un autre corps, les atomes et molécules qui le composent deviennent plus agités.

2

c)

STE Quand la variation de température d’un objet est négative, cela signifie que ce corps a absorbé de la chaleur.

d)

STE Quand deux objets gagnent des énergies thermiques égales, la variation de leur température est égale.

On sort une petite cuillère métallique d’un tiroir et on la plonge dans une tasse de café chaud. a ) Lorsque les substances (la cuillère et le café) sont mises en contact, laquelle : 1) transfère de la chaleur à l’autre ? 2) absorbe de la chaleur ? b ) On dépose la tasse de café sur un comptoir (avec la cuillère dans la tasse). Après quelques instants, on constate que le café est devenu tiède. Où est passée l’énergie thermique perdue par le café ?

c ) Entourez l’énoncé qui est vrai parmi les énoncés suivants. 1) Si on attend suffisamment longtemps, les quantités d’énergie thermique contenues dans le café, la cuillère et l’air ambiant seront égales. 2) Si on attend suffisamment longtemps, les températures du café, de la cuillère et de l’air ambiant seront égales. d)

STE

Entourez l’énoncé qui est vrai parmi les énoncés suivants.

1) Si on remplaçait la cuillère par une autre de capacité thermique massique plus élevée, il faudrait moins d’énergie thermique pour la réchauffer de 5 °C. 2) Si on remplaçait la cuillère par une autre de capacité thermique massique plus élevée, il faudrait plus d’énergie thermique pour la réchauffer de 5 °C.

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3

STE

La température de 5 g de mercure contenus dans un thermomètre passe de 15 °C à 16,5 °C. La

capacité thermique massique du mercure est de 0,14

4

STE

. Quelle chaleur le mercure a-t-il absorbée ?

Dans votre cours de science, on vous demande d’examiner un morceau de brique de 150 g.

a) Vous mesurez qu’il faut transférer 75,6 J d’énergie thermique au morceau de brique pour que sa température monte de 0,6 °C. Quelle est la capacité thermique massique de ce type de brique ?

b ) Quelle serait la variation de la température du morceau de brique si vous lui transfériez 630 J d’énergie thermique ? (Indice : Utilisez le résultat de la question a pour répondre.)

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

179

5

STE

Une tige de fer de 250 g absorbe 1 800 J d’énergie thermique. La capacité thermique massique

du fer est de finale ?

180

. Si la température initiale de la tige était de 22 °C, quelle est sa température

6

STE On chauffe, sur la même plaque chauffante, deux rondelles métalliques de même masse. L’une des rondelles est faite de cuivre et l’autre, de fer. Laquelle des deux rondelles verra sa température augmenter plus rapidement ? Expliquez votre réponse.

7

STE Dans un thermos, on mélange 200 mL d’eau à 90 °C avec 200 mL d’eau à 10 °C. Sans utiliser votre calculatrice, dites quelle sera la température de l’eau du thermos une fois le mélange terminé.

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UM 4.5

8

STE Un calorimètre est un appareil utilisé pour déterminer la quantité de chaleur absorbée ou dégagée par une substance. On peut fabriquer un calorimètre rudimentaire à l’aide d’un thermomètre et d’un verre de styromousse. On remplit le verre d’eau et on le ferme avec un couvercle, comme le montre l’illustration ci-contre.

Thermomètre

Soit un calorimètre fait d’un verre de styromousse contenant 350 g d’eau. La température de cette eau passe de 20 °C à 23 °C en une minute quand on y plonge un bloc de fer de 100 g. La capacité thermique massique du fer est de 0,44 J/(g°C) et celle de l’eau est de 4,19 J/(g°C). Quelle chaleur est dégagée par le bloc de fer durant cette minute ? (Le styromousse étant un bon isolant thermique, on peut considérer que presque toute la chaleur dégagée par le fer est absorbée par l’eau, et que l’eau ne transmet pas de chaleur à son environnement à cause de l’isolation fournie par le styromousse.)

4.5 Le rendement

énergétique Lorsqu’on souhaite transformer ou transférer de l’énergie pour effectuer une tâche, il y a seulement une partie de cette énergie qu’on parvient à utiliser. Le reste de l’énergie ne peut pas être transformé en énergie utile ; cette énergie est donc « perdue », « gaspillée ». Souvent, l’énergie inutilisée est libérée sous forme de chaleur : dans une situation où la chaleur dégagée n’est ni utilisable ni recherchée, c’est de l’énergie « perdue ». Le ndmn éngéqu d’un système correspond au pourcentage de l’énergie consommée qui est transformée ou transférée de façon utile.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

181

Le rendement énergétique est exprimé par le rapport suivant :

Le rendement énergétique ne peut jamais dépasser 100 %. L’exemple suivant montre comment évaluer le rendement énergétique dans une situation donnée. EXEMPLE

En 1 seconde, une ampoule électrique de 60 W consomme 60 J d’énergie électrique. Elle produit 3,5 J d’énergie lumineuse ; le reste de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur. Quel est le rendement énergétique de cette ampoule ? Données : Quantité d’énergie utile (énergie lumineuse produite en 1 seconde) = 3,5 J Quantité d’énergie consommée (énergie électrique consommée en 1 seconde) = 60 J Rendement énergétique = ? Calcul :

Le rendement énergétique de l’ampoule est d’environ 5,83 %. Cela signifie que 94,17 % de l’énergie électrique consommée par l’ampoule est transformée en énergie thermique.

Le rendement énergétique d’un chauffe-eau électrique, par exemple, correspond au rapport entre la quantité d’énergie thermique contenue dans l’eau qui sort du chauffe-eau et la quantité d’énergie électrique utilisée pour chauffer cette eau. Pour améliorer son rendement énergétique, il faut limiter le plus possible les pertes de chaleur. Cela peut être fait en isolant le réservoir.

FLASH

SCIENCE

L’Alérion maximise le rendement

Des étudiants de l’Université Laval ont mis au point un véhicule capable de rouler sur 1 610 km avec un seul litre d’essence ! Pour obtenir ce rendement, les étudiants ont maximisé l’énergie mécanique produite à partir de l’énergie chimique contenue dans l’essence. Ils ont réduit les frottements internes du moteur, optimisé le roulement des roues, conçu une coque d’un aérodynamisme exemplaire, etc. Faut-il préciser que, pour battre les records de faible consommation d’essence, leur prototype ne roule qu’à environ 30 km/h… La version 2015-2016 du monoplace Alérion a remporté la 1re place à l’éco-marathon SAE Supermileage.

182

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UM 4.5

Activités 4.5 1

Une lampe à incandescence dissipe, sous forme de chaleur, près de 95 % de l’énergie électrique qu’elle consomme. Une lampe fluocompacte, elle, n’en dissipe que 70 ou 80 %. Quel type de lampe offre le meilleur rendement énergétique ? Expliquez votre réponse.

2

La combustion de l’essence dans le moteur d’une voiture utilise 4 500 000 J d’énergie chimique et permet à la voiture d’acquérir 500 000 J d’énergie cinétique. Quel est le rendement énergétique du système de propulsion de cette voiture ?

3

Un ingénieur doit améliorer le rendement des systèmes de remontées mécaniques, alimentés à l’électricité et destinés aux stations de ski. Parmi les idées suivantes, laquelle représente une solution intéressante pour l’ingénieur ? Cochez la case appropriée. a ) Fournir davantage d’énergie électrique aux systèmes de remontées mécaniques. b ) Faire monter moins de skieurs à la fois dans les remontées mécaniques. c ) Diminuer le frottement indésirable sur les câbles des systèmes de remontées mécaniques.

4

Expliquez pourquoi le rendement énergétique d’un système ne peut pas être supérieur à 100 %.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

183

Le rendement d’une mobylette est de 15 %. Combien de joules d’énergie cette mobylette a-t-elle consommés si 9 600 000 J d’énergie ont été utiles pour la faire avancer ?

5

a ) 1 440 000 J

c ) 64 000 000 J

b ) 1 560 000 J

d ) 144 000 000 J

CONSOLIDATION DU ChApITre 4 1

STE Une motocyclette dont le poids est de 1 568 N roule à une vitesse de 25 m/s. Quelle est son énergie cinétique ?

2

STE Dans les premiers temps d’une colonie, un cheval participe au défrichement des nouvelles terres. Il tire un tronc d’arbre en haut d’une côte (voir la figure ci-dessous). Parmi les traits A, B, C et D, lequel représente correctement la force efficace exercée par le cheval sur le tronc ?

A B

B

C C A

F

D

D

184

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3

STE Au gymnase, vous déplacez une charge sur 60 cm. Ce faisant, vous effectuez un travail de 78 J. Quelle force efficace exercez-vous ? (On suppose que cette force est constante.) a ) 0,769 N

d ) 130 N

b ) 1,30 N

e ) 4680 N

c ) 46,8 N 4

STE

Qui suis-je ?

a ) Je suis un transfert mécanique d’énergie. b ) Je quantifie la capacité d’un objet à accomplir un travail.

5

STE Une balle dont le poids est de 0,9 N chute de 2 m. Quelle est la variation de son énergie potentielle gravitationnelle ? a ) Elle diminue de 17,64 J. b ) Elle diminue de 1,8 J. c ) Elle augmente de 1,8 J. d ) Elle augmente de 17,64 J.

6

Un ouvrier de la voirie utilise un marteau-piqueur à essence pour briser de l’asphalte. a) Quel énoncé décrit correctement les transformations d’énergie lors du fonctionnement du marteau-piqueur ? 1) De l’énergie chimique est transformée en énergie mécanique et en énergie thermique. 2) De l’énergie mécanique est transformée en énergie chimique et en énergie thermique. 3) De l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique. 4) De l’énergie mécanique est transformée en énergie chimique. b) Quels énoncés décrivent correctement les transferts d’énergie lors du fonctionnement du marteaupiqueur ? Encerclez tous les énoncés qui sont corrects. 1) L’énergie consommée est transférée au marteau par l’essence. 2) L’énergie consommée est transférée au marteau par le bruit et l’ouvrier. 3) L’énergie produite est transférée à l’essence. 4) L’énergie produite est transférée au sol, à l’air environnant et à l’ouvrier. c ) Comment serait-il possible d’augmenter le rendement du marteau-piqueur ? Entourez tous les énoncés qui sont corrects. 1) En utilisant le marteau moins longtemps. 2) En mettant moins d’essence dans le réservoir du marteau. 3) En mettant plus d’essence dans le réservoir du marteau. 4) En modifiant le moteur du marteau pour qu’il dégage moins de chaleur.

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

185

7

186

STE Vous faites un faux mouvement qui projette votre téléphone cellulaire vers le sol à une vitesse initiale de 1,7 m/s. Votre téléphone a une masse de 138 g. Il chute d’une hauteur de 1,05 m. Quelle vitesse aura-t-il juste avant de toucher le sol, si la résistance de l’air est négligeable ?

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8

Une batterie de piles transforme de l’énergie chimique en énergie électrique. Ce faisant, elle produit également un peu d’énergie thermique. Quel énoncé est vrai ? a ) L’énergie chimique consommée est égale à l’énergie électrique produite. b ) L’énergie chimique consommée est inférieure à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites. c ) L’énergie chimique consommée est égale à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites. d ) L’énergie chimique consommée est supérieure à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites.

9

Les énoncés suivants se rapportent-ils à la chaleur ou à la température ? a ) Je suis la grandeur mesurée par un thermomètre.

b ) Je suis un transfert d’énergie thermique.

c ) Je suis la mesure du mouvement des atomes et des molécules qui composent un objet.

d ) Je suis mesurée en joules.

e ) Je suis mesurée en degrés Celsius.

10

Vous déposez un verre de lait froid sur une table et vous l’y oubliez. Lesquels des énoncés suivants décrivent correctement ce qui va se passer ensuite ? a ) Le lait va transférer de la chaleur à l’air ambiant. b ) L’air ambiant va transférer de la chaleur au lait. c ) Les molécules qui composent le lait seront de plus en plus agitées. d ) La température du lait va augmenter. e ) L’énergie thermique du lait va augmenter.

11

L’énoncé suivant est-il vrai ou faux ? Si, lors d’une réaction chimique, le contenu d’un calorimètre perd 100 joules d’énergie chimique et gagne 100 joules d’énergie thermique, l’énergie du contenu du calorimètre est conservée. a ) Vrai b ) Faux

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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie

187

12

STE Un forgeron manipule un morceau de fer de 450 g dont la température est de 700 °C. Pour le refroidir, il le plonge dans un grand bac contenant 10 kg d’eau à 22 °C. La capacité thermique massique du fer est de 0,44 J/(g °C) et celle de l’eau est de 4,19 J/(g °C). Après un certain temps, la température de l’eau atteint 25 °C. Quelle est la température du fer à cet instant ?

13

Voici les données recueillies lors de tests d’utilisation de trois tondeuses électriques. Énergie électrique consommée par le moteur

Énergie mécanique produite par le moteur

CoupeTout XL3

14 300 J

11 900 J

TonteMax 3600

25 725 J

20 580 J

Vert-dur Nx

17 850 J

15 200 J

Modèle

a ) Le moteur de la tondeuse CoupeTout XL3 a consommé 2400 J d’énergie électrique de plus qu’il n’a produit d’énergie mécanique. Où sont passés ces 2400 J ? 1) Ils sont emmagasinés sous forme d’énergie électrique dans la tondeuse.

3) Ils ont été transformés principalement en énergie chimique.

2) Ils ont été transformés principalement en énergie thermique.

4) Ils ont disparu.

b ) Quelle tondeuse offre le meilleur rendement ? 1) CoupeTout XL3

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2) TonteMax 3600

3) Vert-dur Nx

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chapitre

5

L’ÉLECTRICITÉ ET L’ÉLECTROMAGNÉTISME

Les phénomènes électriques et magnétiques sont moins abstraits qu’on ne le pense. Ce sont les phénomènes électriques qui causent les éclairs impressionnants que l’on voit lors d’un orage. Ils sont aussi à la source de toutes les réactions chimiques. Ils sont également nécessaires au fonctionnement des ordinateurs et des téléphones intelligents. C’est le magnétisme qui explique le comportement des aimants et l’existence des aurores boréales. Il est également essentiel au fonctionnement des moteurs électriques, des génératrices, des appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM), etc.

SOMMAIRE 5.1 Les phénomènes

électriques  190 5.2 Les circuits électriques  203 5.3 Les phénomènes électromagnétiques  234

5.1 Les phénomènes électriques La notion de charge électrique est au centre de l’étude des phénomènes électriques. C’est la charge électrique des corps qui gouverne leurs inter­ actions électriques.

Neutron Proton

5.1.1

La charge électrique

La charge électrique (q) est la grandeur physique responsable des phéno­ mènes électriques. Elle se mesure en coulombs (C). Il existe deux types de charge : la charge positive et la charge négative. Par convention, on dit que les électrons sont des particules qui portent une charge négative, alors que les protons, qui sont dans le noyau des atomes, portent une charge positive (voir la figure 1). Les protons et les électrons portent des charges dont la grandeur est exac­ tement la même, mais dont les signes sont opposés : Électron

Charge du proton : +1,602 × 10−19 C

Figure 1 La représentation d’un atome.

Charge de l’électron : −1,602 × 10−19 C

Les neutrons sont des particules subatomiques, tout comme les électrons STE et les protons, mais ils ne portent pas de charge. Ils sont donc neutres et ne changent en rien la charge totale d’un atome. À la base, les atomes et les corps macroscopiques comptent autant de protons que d’électrons : c’est pourquoi on dit qu’ils sont neutres. Toute­ fois, ils peuvent transférer des électrons à d’autres corps ou recevoir des électrons en provenance d’autres corps. Si cela se produit, ils porteront une charge résultante positive ou négative (voir la figure 2). Neutre

A

Charge positive

B

Charge négative

C

Figure 2 Un corps peut être neutre, chargé positivement ou chargé négativement. A Un corps qui contient autant de charges positives que de charges négatives (autant de protons que d’électrons) est neutre. (Un corps neutre n’est pas un corps qui ne contient aucune charge.) B Quand un corps compte plus de protons que d’électrons parce qu’il a transféré certains de ses électrons à un autre corps, il porte une charge résultante positive. C Quand un corps compte plus d’électrons que de protons parce qu’il a acquis des électrons qui lui ont été transférés par un autre corps, il porte une charge résultante négative.

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UM 5.1

Deux corps qui portent une charge de même signe se repoussent, tandis que deux corps qui portent des charges de signes opposés s’attirent (voir la figure 3).

A

B

C

Figue 3 Les foces qui agissent ente des cos cagés. A Deux hes psiives se epusse. B Deux hes éives se epusse.

5.1.2

C Deux hes de sies ppsés s’ie.

L’électricité statique

L’électicité statique correspond aux phénomènes observables à la suite de l’accumulation de charges électriques sur un corps. La figure 3 illustre des exemples de phénomènes d’électricité statique : des balles chargées s’attirent ou se repoussent. Les éclairs comme celui illustré à la figure 4 sont également liés à l’électricité statique. Pour qu’on puisse observer des phénomènes d’électricité statique, il faut que des charges s’accumulent sur un corps. On appelle ce fait « électrisation ». L’électrisation d’un corps peut se faire de trois façons : par frottement, par conduction ou par induction. Ces trois modes d’électrisation sont expliqués dans le tableau 1 de la page suivante. Figue 4 Un exemle imessionnant d’électicité statique. Ls d’u e, l bse des ues quie ue he éive, pbblee à l suie du fee ee les ues d’eu e les piules de le à l’iéieu du ue. P idui, le sl sus le ue quie ue he psiive. Qud l fe d’i éleique ee les hes éives e psiives devie suffise de, l’i s’iise e devie dueu. L dui fi e se que les hes éleiques (éles e is) peuve, ped u bef is, iule ee le sl e le ue. Du e pessus, ue vive luièe es éise : ’es l’éli.

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Beji Fkli (1706-1790)

Pliiie éii, Beji Fkli  qué l’hisie de s pys. Il es l’u des iq édeus de l Déli d’idépede des És-Uis (1776). E  que physiie, Fkli es élèbe pu s éude des phéèes éleiques, e piulie de l fude. Ses ehehes l’ eé à l’ivei du pee.

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ChApITrE 5 L’ÉLEctrIcItÉ Et L’ÉLEctromagnÉtISmE

191

TABLEAU 1

Les divers types d’électrisation

L’électrisation par frottement

Fourrure de lapin

Verre

Cheveux

Laine

Soie

Ballon de baudruche

Caoutchouc dur (ébonite)

+

Une liste électrostatique permet de savoir quel objet va acquérir une charge négative et quel objet va acquérir une charge positive lors du frottement.

Styromousse

Une liste électrostatique. Une tige de verre frottée à de la soie acquiert une charge positive (et la soie, une charge négative).

Polyester

Un exemple d’électrisation par frottement. Les cheveux transfèrent des électrons au ballon. Les cheveux acquièrent une charge positive et le ballon, une charge négative. Les cheveux se repoussent alors les uns les autres, mais ils sont attirés par le ballon. Pellicule cellulosique (emballage)

Généralement, quand on frotte deux objets l’un contre l’autre, celui dont les atomes ou les molécules retiennent moins bien les électrons perd certains de ses électrons, qui sont transférés à l’autre objet. L’objet qui perd des électrons devient chargé positivement. Celui qui les reçoit devient chargé négativement. Les objets sont donc électrisés.

Tendance à gagner des électrons

Tendance à perdre des électrons

L’électrisation par conduction Quand un objet chargé est mis en contact avec un objet neutre, l’objet neutre acquiert une charge de même signe : il est électrisé par conduction.

A

B

C

Un exemple d’électrisation par conduction. A On s’apprête à mettre une tige chargée négativement en contact avec une balle de styromousse neutre. B Lors du contact entre la tige et la balle, des charges négatives quittent la tige pour aller vers la balle. Cela se produit parce que les charges négatives accumulées sur la tige se repoussent les unes les autres : certaines sont donc chassées de la tige. C Après le contact entre la tige et la balle, la tige et la balle ont toutes les deux une charge électrique négative. (La somme des deux charges correspond à la charge que portait la tige avant le contact.)

L’électrisation par induction Quand on approche un objet chargé d’un objet neutre, les électrons de l’objet neutre subissent une force électrique due à la proximité de l’objet chargé. L’objet neutre reste neutre dans son ensemble, car il contient toujours la même quantité de charges positives et de charges négatives. Aucun transfert de charges n’a eu lieu, mais des charges de même signe s’accumulent sur certaines portions de l’objet. L’objet est électrisé par induction.

A

B

Un exemple d’électrisation par induction. A On approche une tige de charge négative d’une balle neutre, sans les mettre en contact. Les électrons contenus dans la balle sont repoussés par la tige et s’en éloignent donc. Une charge négative s’accumule sur le côté de la balle éloigné de la tige. À l’inverse, une charge positive s’accumule sur le côté de la balle proche de la tige. La balle est électrisée par induction. B Si on éloigne la tige, les charges de la balle se rééquilibrent. La balle n’est plus électrisée.

192

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UM 5.1

Activités 5.1.1 et 5.1.2 1

Deux petites balles de styromousse chargées sont suspendues à des ficelles. Dans les cas suivants, quel est le signe de la charge sur chacune des balles de droite ? Écrivez le signe approprié sur ces balles. a)

2

b)

Dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Quand on frotte l’un contre l’autre deux corps neutres faits de matériaux différents, ils acquièrent des charges de même signe.

b ) Un corps neutre est un corps qui ne contient aucune charge.

c ) Quand on frotte deux corps l’un contre l’autre, le corps dont les atomes ou les molécules retiennent moins bien les électrons acquiert une charge négative.

3

Un ion est un atome qui compte un nombre différent d’électrons et de protons. Un ion d’hélium compte deux protons, mais aucun électron. Quelle est, en coulombs, la charge de cet ion ?

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

193

4

La colorisation électrostatique est une technique de peinture par pistolet. Cette technique permet de diminuer le gaspillage de peinture qui se fait normalement lorsqu’on pulvérise des gouttelettes de peinture sur une surface. Quand on utilise la colorisation électrostatique, on donne une charge électrique aux gouttelettes de peinture qu’on vaporise. On donne également une charge à la surface à peindre (par exemple, la carrosserie d’une voiture), de telle sorte que les gouttelettes de peinture sont attirées par ce qui est à peindre. Si l’on transfère des électrons aux gouttelettes de peinture avant de les vaporiser, quel doit être le signe de la charge qu’on donne à la surface à peindre ? Expliquez votre réponse.

5

Lisez la situation présentée ci-dessous. Puis, répondez aux questions qui suivent.

Trois petites balles de styromousse (A, B et C), très légères, sont suspendues à des fils. Ces trois balles sont chargées, mais on ignore le signe des charges qu’elles portent. On approche de chacune de ces balles une tige de caoutchouc dur que l’on a frottée contre un morceau de laine. On fait alors les observations suivantes : a)

b)

A

c)

B

C

a ) Répondez aux questions en indiquant dans la case si la charge est positive (+) ou négative (−). 1) Quel est le signe de la charge portée par la tige de caoutchouc après avoir été frottée contre la laine ? (Référez-vous à la liste électrostatique de la page 192.) 2) Quel est le signe de la charge portée par la balle A ? 3) Quel est le signe de la charge portée par la balle B ? 4) Quel est le signe de la charge portée par la balle C ? b ) Que se passera-t-il si on approche la balle A de la balle B ? 1) Les deux balles se repousseront.

2) Les deux balles s’attireront.

c ) Que se passera-t-il si on approche la balle A de la balle C ? 1) Les deux balles se repousseront.

194

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2) Les deux balles s’attireront.

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UM 5.1

6

Identifiez le mode d’électrisation dont il est question dans chacun des cas suivants.

Mode d’électrisation

Avant l’électrisation

Après l’électrisation

a)

Un corps chargé et un corps neutre

Deux corps chargés, avec des charges de même signe

b)

Deux corps neutres

Deux corps chargés, avec des charges de signes opposés

c)

Un corps chargé et un corps neutre

Un corps chargé et un corps neutre, mais dont les deux extrémités sont chargées, avec des charges de signes opposés

7

L’efficacité de certains linges à épousseter faits en polyester est augmentée grâce à l’électricité statique. a ) Quand on frotte un linge en polyester sur une surface recouverte de poussière, que se produit-il ? Entourez les deux énoncés qui sont vrais. 1) Le linge s’électrise, tout comme la surface époussetée et la poussière qui la recouvre. 2) Le linge, la surface époussetée et la poussière qui la recouvre restent neutres. 3) La poussière est attirée par le linge. 4) La poussière est repoussée par le linge. b ) Qu’arrive-t-il à la poussière qui se trouve juste à côté de l’endroit où passe le linge, mais sans être frottée par le linge ?

8

En vidant votre sécheuse, vous trouvez un bas collé à un chandail en molleton. Vous comprenez que cela est dû au fait que, lors du séchage, les deux vêtements ont été électrisés par frottement. Vous vous posez une question : pourquoi n’arrive-t-il jamais qu’une chaussette colle sur celle avec laquelle elle forme la paire ? a ) Parce que les chaussettes sont deux objets trop petits pour que l’électrisation soit assez forte pour leur permettre de coller l’une à l’autre. b ) Parce qu’il ne peut pas y avoir d’électrisation par frottement quand on frotte ensemble deux objets faits du même matériau. c ) Parce que quand on frotte ensemble deux objets faits du même matériau, il peut y avoir une électrisation par frottement, mais, une fois qu’ils sont électrisés, ces objets ne s’attirent pas.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

195

5.1.3

La loi de Coulomb

STE

La loi de Coulomb permet d’évaluer la force électrique qui agit entre deux charges, en fonction de la grandeur des charges et de la distance entre celles-ci. L’équation de la loi de Coulomb est la suivante : , où

F : force agissant entre les corps, en newtons (N) q1 et q2 : grandeurs des charges électriques portées par chacun des corps, en coulombs (C) r : distance entre les corps, en mètres (m) k : constante de proportionnalité (appelée « constante de Coulomb ») égale à

Quand le signe de la force (F) est positif, cela signifie que les charges q1 et q2 se repoussent parce qu’elles sont de même signe. Si le signe de la force (F) est négatif, cela signifie que les deux charges s’attirent parce qu’elles sont de signes opposés. L’exemple suivant montre comment exploiter la loi de Coulomb. EXEMPLE

Une mince tige de plastique portant, à son extrémité, une charge positive de 10 × 10−9 C est placée à 5 cm d’une toute petite balle de styromousse portant une charge positive de 9 × 10−9 C. a ) La force qui agit entre la tige et la balle est-elle une force d’attraction ou une force de répulsion ? C’est une force de répulsion, puisque la tige et la balle portent toutes les deux une charge positive (donc, une charge de même signe). b ) Quelle est la grandeur de la force qui agit entre l’extrémité de la tige et la balle ? Données : q tige = q1 = + 10 ×

Calcul : 10−9

C

q balle = q2 = + 9 × 10−9 C r = 5 cm = 0,05 m k= F=?

Le signe positif obtenu pour F confirme que la tige et la balle se repoussent, tel qu’on l’a déterminé dans la réponse à la question a.

Note : On a associé la charge de la tige à q1 et celle de la balle à q2, mais on aurait pu faire l’inverse et obtenir le même résultat. La grandeur de la force entre l’extrémité de la tige et la balle est de 3,24 × 10−4 N.

196

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UM 5.1

5.1.4

Le champ électrique

STE

Les corps chargés exercent à distance une force électrique les uns sur les autres. Le cm élcqu est le concept que l’on utilise pour représenter la capacité des charges électriques à exercer une force à distance sur les autres charges électriques. On représente le champ électrique à l’aide de lignes qui partent des charges positives et se dirigent vers les charges négatives (voir la figure 6). Les lignes de champ électrique sont orientées dans le sens de la force qui agirait sur une particule portant une charge positive (voir la figure 5).

A

Les lignes de champ sont plus rapprochées là où le champ électrique est plus intense.

F

F

B

A

B

Fgu 5 Un comson n l’onon d l foc (F) qu g su un cg élcqu  l’onon du cm élcqu dns lqul c cg s longé. A U h pv pl d u hp lqu xu ub u f d l  d l d  hp. B U h v pl d u hp lqu xu ub u f   v p pp ux l d  hp.

C

Dans la figure 5, la charge positive et la charge négative créent autour d’elles des lignes de champ comme celles illustrées dans les composantes A et B de la figure 6, mais elles n’ont pas été dessinées dans la figure 5. En effet, seules les lignes du champ extérieur affectent la particule : son propre champ n’a pas d’effet sur elle.

Fgu 6 L cm élcqu généé  ds cgs élcqus dns dfféns confguons. A L hp lqu d’u pul h pv. B L hp lqu d’u pul h v. C L hp lqu  p l p d dux pul p d h pv d ê du. D L hp lqu  p dux pul p d h pp d ê du. E L hp lqu  p dux plqu p d h pp d ê du.

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D

E

Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

197

Activités 5.1.3 et 5.1.4 1

STE

Deux petites tiges chargées sont placées côte à côte. Que se passera-t-il si on triple la charge portée par chacune des tiges ? a ) La force agissant entre les tiges restera la même. b ) La force agissant entre les tiges triplera. c ) La force agissant entre les tiges sera multipliée par 6. d ) La force agissant entre les tiges sera multipliée par 9. e ) On ne dispose pas de suffisamment d’information pour répondre à la question.

2

Deux petites balles de styromousse, A et B, sont placées à 10 cm l’une de l’autre, comme le montre l’illustration ci-contre. a) On donne une charge de 3 × 10−7 C à la balle A et une charge de −3 × 10−7 C à la balle B. Dessinez, sur l’illustration ci-contre, les orientations de la force électrique exercée sur la balle A par la balle B (Fsur A par B) et de la force électrique exercée sur la balle B par la balle A (Fsur B par A). Dessinez deux flèches et identifiez-les à l’aide des symboles Fsur A par B et Fsur B par A .

10 cm

b ) Quelle est la grandeur de la force électrique exercée sur la balle A par la balle B ?

198

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UM 5.1

c ) Quel énoncé complète correctement la phrase suivante ? Entourez la bonne réponse. La force exercée sur la balle A par la balle B est… 1) moins grande que celle exercée sur la balle B par la balle A. 2) de même grandeur que celle exercée sur la balle B par la balle A. 3) plus grande que celle exercée sur la balle B par la balle A. d ) Si la balle B est remplacée par une balle C qui porte une charge de −1 × 10−7 C, quelle sera la grandeur de la force électrique qui agira entre les balles A et C ? (La distance entre les balles A et C est de 10 cm.)

e ) Si la balle C est remplacée par une balle D qui porte une charge de + 1 × 10−7 C, l’intensité de la force qui agit entre les balles A et D sera-t-elle plus grande, égale ou plus faible que celle de la force qui agissait entre les balles A et C ? Expliquez votre réponse.

f ) Dessinez, sur l’illustration ci-contre, les orientations de la force électrique exercée sur la balle A par la balle D (Fsur A par D) et de la force électrique exercée sur la balle D par la balle A (Fsur D par A). Dessinez deux flèches et identifiez-les à l’aide des symboles Fsur A par D et Fsur D par A .

10 cm

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

199

g ) Est-il exact de dire que, si la distance entre les balles A et D passe de 10 cm à 5 cm, la grandeur de la force électrique qui agit entre les balles doublera ? Expliquez votre réponse.

3

Sachant qu’un coulomb correspond à une charge très importante, répondez aux questions suivantes. a ) Combien d’électrons faut-il retirer à un corps pour que celui-ci accumule une charge de 1,0 C ?

b ) Soit une boule de quille portant une charge de 1 C et une autre, une charge de −1 C. Les deux boules de quille sont séparées par une distance de 3 m. Quelle est la grandeur de la force électrique qui agit entre les deux boules de quille ?

200

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UM 5.1

c ) Si la masse des boules de quille décrites à la question b est de 3,5 kg, combien de fois la force électrique qui agit entre ces boules est-elle plus grande que le poids respectif de ces boules ?

4

Déterminez quelle doit être la distance entre deux petites billes chargées qui portent chacune une charge de 5 × 10−6 C pour que la force de répulsion électrique agissant entre elles soit de 5 N.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

201

5

Les figures ci-dessous illustrent deux paires (indépendantes) de particules identiques qui portent des charges électriques de même grandeur.

a ) Dessinez les lignes de champ électrique qui entourent les deux charges de chacun des cas. b ) Imaginez que l’on relâche une particule à proximité de l’une ou de l’autre paire de particules chargées illustrées ci-dessus. Cette particule se déplacerait-elle dans le sens des lignes de champ électrique ou en sens inverse : 1) si sa charge est positive ?

2) si sa charge est négative ?

6

Observez les lignes de champ illustrées. Dans chacun des cas ci-dessous, indiquez, dans la case ou sur les particules, le signe des charges portées par les plaques et par chacune des particules. a)

b) Charges de signe

Charges de signe

202

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UM 5.2

5.2 Les circuits électriques Certains matériaux, comme les métaux, ont la particularité de permettre aux électrons de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des « conducteurs électriques ». Quand on relie plusieurs éléments conducteurs les uns aux autres et qu’on branche une source d’énergie électrique à ces éléments, les électrons circulent d’un conducteur à un autre.

A

Un ccu élcqu est un ensemble de conducteurs électriques reliés en boucle et formant un parcours continu dans lequel les particules chargées électriquement peuvent circuler. La figure 7 illustre un circuit électrique. On représente le plus souvent les circuits électriques sous forme schématique, les différentes composantes étant illustrées par des symboles normalisés (voir la figure 8).

Source d'alimentation continue La source (une pile, par exemple) fournit l’énergie électrique qui met les électrons en mouvement dans le circuit.

Conducteur Les composantes d’un circuit sont reliées par des fils conducteurs.

Ampoule Une ampoule transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique.

Résisteur Un résisteur transforme l’énergie électrique en énergie thermique.

B

Fgu 7 L géomé ds fls n’s s ou à f dnqu su l’lluson  su l scém du ccu élcqu : nénmons, c’s l mêm ccu qu s ésné. A L’llu d l pl, d l’pul, du u  d fl d’u u lqu. B L h d l pl, d l’pul, du u  d fl d’u u lqu.

Fgu 8 Dfféns comosns ds ccus élcqus vc lu symbol nomlsé.

Un circuit électrique doit former une boucle fermée pour que les électrons puissent y circuler (voir la figure 9). Par exemple, quand le filament d’une ampoule électrique se rompt, les électrons ne circulent plus, et l’ampoule n’éclaire plus. Quand des particules chargées circulent dans un circuit, il y a, dans ce circuit, ce qu’on appelle un « courant électrique ».

Fgu 9 L ccu ésn un ouvu : ls élcons n cculn s, l’moul n s’llum s  l éssu n cuff s.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

203

FLASH

SCIENCE

Le courant alternatif

Dans les circuits qui sont alimentés par des piles, le courant circule toujours dans le même sens. Un tel courant est continu (CC). Dans les circuits qui sont alimentés directement par l’électricité fournie par le réseau de distribution domestique, le courant circule alternativement dans un sens, puis dans l’autre. Un tel courant est alternatif (CA). Certains appareils, tels les ordinateurs portables, fonctionnent à l’aide d’une pile ou de l’électricité domestique. Leurs circuits internes sont des circuits CC. Quand on les branche à une prise murale, on doit utiliser un adaptateur CA/CC pour transformer le courant alternatif fourni par la prise en un courant continu.

Un adaptateur CA/CC.

Le courant électrique (symbolisé par la lettre I) correspond à la quantité de charge qui passe en un point donné d’un circuit durant une unité de temps. Le courant se mesure en ampères (A). Un ampère correspond à un coulomb par seconde (1 A = 1 C/s). Les sources d’alimentation comme les piles possèdent deux bornes (deux endroits où l’on peut effectuer un branchement) : l’une est chargée positivement et l’autre, négativement. La source d’alimentation fournit de l’énergie électrique aux électrons, de sorte qu’ils se mettent en mouvement dans tout le circuit. Les électrons circulent de la borne négative de la source, qui les repousse, vers la borne positive, qui les attire. Cependant, pour des raisons historiques, le courant électrique conventionnel (I) est défini comme un courant qui circule de la borne positive de la source vers sa borne négative (voir la figure 10).

Sens conventionnel du courant

Sens du déplacement des électrons

Figure 10 Dans un circuit, le courant conventionnel circule de la borne positive de la pile vers sa borne négative, même si les électrons circulent, en réalité, en sens inverse.

Les sources d’alimentation électrique créent, dans un circuit, ce qu’on appelle une « différence de potentiel », aussi appelée « tension électrique ». La différence de potentiel (représentée par la lettre U) entre deux points d’un circuit correspond à l’énergie électrique qui est gagnée ou perdue, par unité de charge, par une particule chargée qui passe de l’un à l’autre de ces points. La différence de potentiel se mesure en volts (V). Un volt correspond à un joule par coulomb (1 V = 1 J/C). 204

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UM 5.2

5.2.1

Les types de circuits électriques

Quand on étudie les circuits électriques, on distingue les circuits en série des circuits en parallèle.

Les circuits en série Un circuit en série est un circuit dans lequel il n’y a qu’un seul chemin pour le passage du courant (voir la figure 11).

A

Dans un circuit en série, toutes les particules chargées doivent emprunter le même chemin. Le rythme auquel la charge traverse chacun des éléments du circuit est donc le même. Cela signifie que, dans un circuit en série, le courant est partout le même.

Les circuits en parallèle

B

Un circuit en parallèle est un circuit dans lequel les particules chargées passent soit par une composante du circuit, soit par une autre composante (voir la figure 12). Le courant n’est pas nécessairement le même dans chacune des composantes d’un circuit en parallèle. Par contre, puisque chaque composante est branchée directement à la pile, la différence de potentiel aux bornes de chacune des composantes est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile.

A

Fgu 11 Dux amouls son bancés n sé avc un l. S l couan s d 2 A dans l’un ds amouls, l do égalmn ê d 2 A dans la scond amoul. A L’llua d’u u   f d’u pl  d dux apul. B L ha d’u u   f d’u pl  d dux apul.

B

Fgu 12 Dux amouls son bancés n aallèl avc un l. S la dffénc d onl aux bons d la l s d 6 V, la dffénc d onl aux bons d la mè amoul do égalmn ê d 6 V, ou comm la dffénc d onl aux bons d la scond amoul. A L’llua d’u u  paallèl f d’u pl  d dux apul. B L ha d’u u  paallèl f d’u pl  d dux apul.

5.2.2

Les instruments de mesure

Pour mesurer le courant, on utilise un ampèremètre, alors que pour mesurer la différence de potentiel, on utilise un voltmètre (voir la figure 13). La façon d’utiliser un ampèremètre et un voltmètre est expliquée aux pages 206 et 207 dans l’Outil 2, Mesurer le courant et la différence de potentiel.

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A Apèè

B Vlè

Fgu 13 Ls symbols nomalsés ulsés ou ésn un amèmè  un volmè.

ChApitre 5 L’éLectricité et L’éLectromAgnétisme

205

OUTIL 2

Mesurer le courant et la différence de potentiel Pour mesurer le courant électrique qui traverse une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé « ampèremètre » (voir les figures 14, à gauche, et 16 a).

Comment utiliser un ampèremètre 1. Si l’ampèremètre possède plus d’une échelle, choisir l’échelle qui permet de prendre les mesures les plus élevées. 2. Ouvrir le circuit en débranchant le fil qui se trouve immédiatement avant ou après la composante dans laquelle on veut mesurer le courant (voir les figures 15 a et 15 b). 3. Insérer l’ampèremètre dans le circuit (voir la figure 15 c). Un ampèremètre doit toujours être branché en série avec la composante dans laquelle on veut mesurer le courant*.

Figure 14 Un ampèremètre numérique (à gauche) et un voltmètre numérique (à droite).

A

B

Figure 15 La mesure du courant à l’aide d’un ampèremètre. A On souhaite mesurer le courant qui traverse le résisteur. B On ouvre le circuit en débranchant le fil qui se trouve immédiatement après (ou avant) le résisteur. C On branche l’ampèremètre en série avec le résisteur.

C

*Quand on utilise un ampèremètre analogique : · le courant doit absolument entrer dans l’ampèremètre par sa borne positive ; · il doit en sortir par sa borne négative.

4. Lire la mesure du courant affichée sur l’ampèremètre. 5. Si l’ampèremètre possède plus d’une échelle et si la valeur affichée sur l’appareil est inférieure au maximum de l’une des échelles plus sensibles, sélectionner cette échelle pour obtenir une mesure plus précise. 206

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Si on utilise un ampèremètre numérique et que celuici affiche une valeur négative, cela signifie que le courant le traverse de façon inversée. Pour que l’appareil affiche une valeur positive, le courant doit y entrer par la borne positive et en sortir par la borne négative. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

UM 5.2

Pou su l dff d pol ux bos d’u opos d’u u, o uls u su ppl « volè » (voir la figure 14, à droite, et la figure 16 b).

Comment utiliser un voltmètre 1. S l volè possèd plus d’u hll, hos l’hll qu p d pd ls sus ls plus lvs. 2. Bh l volè  pllèl v l opos ux bos d lqull o vu oî l dff d pol (voir la figure 17)*.

A

3. L l su d l dff d pol ffh su l volè. 4. S l volè possèd plus d’u hll  s l vlu ffh su l’ppl s fu u xu d l’u ds hlls plus ssbls, slo  hll pou ob u su plus ps. *Qud o uls u volè loqu : · l ou do bsolu  ds l volè p s bo posv ; · l do  so p s bo v. S o uls u volè uqu  qu lu- ffh u vlu v, l sf qu l ou l vs d fço vs. Pou qu l’ppl ffh u vlu posv, l ou do y  p l bo posv   so p l bo v.

A

B

Fgu 16 Dux nsumns d msu. A U pèè loqu. B U volè loqu ou à ulls.

B

Fgu 17 L msu d l dffénc d onl à l’d d’un volmè. A O souh su l dff d pol ux bos du ssu. B O bh l volè  pllèl v l ssu.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectrOmagnétiSme

207

Activités 5.2.1 et 5.2.2 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) « Tension » et « différence de potentiel » sont des synonymes.

b ) L’unité de mesure de la différence de potentiel est l’ampère.

c ) Dans un circuit en série, le courant est le même dans chacune des composantes du circuit.

d ) Dans un circuit en parallèle, les particules chargées suivent toutes le même chemin.

2

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé qui lui convient dans la colonne de droite. a ) Un courant

b ) Une ampoule

2) Je suis parfois utilisé pour produire de la chaleur, par exemple dans l’élément chauffant d’un four électrique.

c ) Un résisteur

3) Je laisse passer le courant et je relie les différentes composantes d’un circuit électrique.

d ) Une différence de potentiel

4) Je transforme une partie de l’énergie électrique qui me traverse en énergie lumineuse et une autre partie en énergie thermique.

e ) Un ampère

f ) Un fil électrique

208

1) Je corresponds à un coulomb par seconde (C/s).

UNIVERS MATÉRIEL

5) Je quantifie la variation de l’énergie électrique des particules chargées en fonction de la grandeur de la charge qu’elles portent. 6) Je corresponds au rythme auquel les charges électriques traversent une composante.

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UM 5.2

3

Dans l’un des circuits illustrés ci-dessous, laquelle des ampoules ne s’allumera pas ? Entourez cette ampoule et expliquez votre réponse. a)

4

b)

Qui suis-je ? a ) Je suis le type de circuit dans lequel il y a des embranchements. b ) Je suis l’appareil qui sert à mesurer le courant. c ) Je suis un appareil de mesure qui doit être branché en parallèle.

5

Deux résisteurs sont branchés en parallèle avec une pile de 1,5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs ? a ) La différence de potentiel est de 1,5 V aux bornes de chacun des résisteurs. b ) La somme des différences de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs est de 1,5 V. c ) Il est impossible de connaître la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs sans informations supplémentaires.

6

Dans le circuit illustré ci-dessous, l’un des ampèremètres affiche 0,56 A. Quelle valeur de courant affichera l’autre ampèremètre ? Expliquez votre réponse.

0,56 A

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

209

7

Les deux illustrations suivantes représentent respectivement un circuit en série et un circuit en parallèle. a)

Circuit en série

b)

Circuit en parallèle

Parmi les six circuits illustrés ci-dessous, repérez ceux qui se rapportent au circuit a et ceux qui se rapportent au circuit b. Inscrivez l’une des deux lettres (a ou b) dans les cases prévues à cette fin.

210

1)

4)

2)

5)

3)

6)

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UM 5.2

8

Schématisez chacun des circuits illustrés ci-dessous dans les rectangles prévus à cette fin. a)

b)

c)

d)

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

211

212

9

Sur le schéma ci-dessous, une flèche bleue et une flèche rouge ont été tracées. L’une des flèches indique le sens réel du déplacement des électrons et l’autre, le sens du courant conventionnel. Inscrivez, à côté de chaque flèche, s’il s’agit du sens du courant conventionnel ou du sens du déplacement des électrons.

10

Les schémas ci-dessous illustrent différents circuits contenant deux appareils de mesure. Sur chacun de ces schémas, faites un X sur l’appareil de mesure qui n’est pas branché correctement. Expliquez chaque fois votre choix. a)

Explication :

b)

Explication :

c)

Explication :

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11

Dessinez le schéma d’un circuit comprenant : a ) deux résisteurs et une ampoule qui sont branchés en parallèle avec une pile ; b ) un ampèremètre qui mesure le courant venant de la pile (dessinez-le en rouge) ; c ) un ampèremètre qui mesure le courant traversant l’ampoule (dessinez-le en bleu) ; d ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes de la pile. Utilisez les symboles normalisés pour représenter chacune des composantes du circuit.

12

Dessinez le schéma d’un circuit comprenant : a ) deux ampoules et un résisteur qui sont branchés en série avec une pile ; b ) un ampèremètre qui mesure le courant venant de la pile ; c ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes de la pile (dessinez-le en rouge) ; d ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes du résisteur (dessinez-le en bleu). Utilisez les symboles normalisés pour représenter chacune des composantes du circuit.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

213

13

À l’aide de la liste de mots donnée ci-dessous, complétez le texte qui suit. alternatif

continu

source d’alimentation

Dans un circuit électrique, il doit y avoir une

qui met les électrons en

mouvement. Le courant de cette source peut être batterie, par exemple), ou

(une pile ou une (une prise électrique, par exemple).

5.2.3

La loi d’Ohm

Certaines composantes des circuits électriques, bien que conductrices, offrent une opposition au passage du courant et font perdre aux particules chargées une partie de leur énergie. Les ampoules et les résisteurs (voir la figure 18) sont des exemples de ce type de composantes. La résistance (R ) est la propriété physique qui décrit à quel point une composante d’un circuit électrique s’oppose au passage du courant. La loi d’Ohm décrit la relation entre la grandeur de la différence de potentiel (U) aux bornes d’une composante électrique qui présente une résistance (R) et le courant (I) établi dans cette composante. La loi d’Ohm s’exprime par l’équation suivante : Figure 18 Des modèles de résisteurs.

U = RI, où

U : différence de potentiel aux bornes d'une composante électrique, en volts (V) R : résistance de la composante, en ohms (Ω) l : courant établi dans la composante, en ampères (A)

L’exemple A montre comment utiliser la loi d’Ohm. EXEMPLE A

Un résisteur dont la résistance est de 250 Ω est branché directement aux bornes d’une pile de 9 V. Quel est le courant établi dans le résisteur ?

R = 250 Ω

Données :

Calcul : Le résisteur étant branché directe- À partir de l’équation de la loi ment aux bornes de la pile, la diffé- d’Ohm (U = RI ), isoler la valeur rence de potentiel est la même aux de I : bornes du résisteur qu’aux bornes de la pile.

U=9V

R = 250 Ω U=9V I=? Le courant établi dans le résisteur est de 0,036 A.

214

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UM 5.2

Les résisteurs sont des composantes électriques qui ont une propriété particulière. Leur résistance est constante. On utilise la loi d’Ohm sous la forme suivante pour établir la valeur de la résistance :

Ainsi, si on mesure le courant établi dans un résisteur ainsi que la différence de potentiel à ses bornes, on trouvera que le courant (I) augmente proportionnellement à la différence de potentiel (U). L’exemple B illustre ce fait. EXEMPLE B

Au laboratoire, on fait varier la différence de potentiel aux bornes d’un résisteur et on mesure le courant qui y est établi. Avec les données recueillies, on trace un graphique de la différence de potentiel en fonction du courant. (L’avantage d’inverser ainsi les variables dépendante et indépendante est que, dans un graphique de la différence de potentiel en fonction du courant, la pente [taux de variation] de la droite correspond à la résistance du résisteur.) Quelle est la résistance du résisteur ? Données :

Calcul :

Sur le graphique, les deux marques rouges correspondent à des points sur la droite de tendance. Ces points montrent que la différence de potentiel augmente de 3 V quand le courant

La résistance d’un résisteur correspond au taux de variation de la différence de potentiel à ses bornes en fonction du courant qui y est établi.

augmente de 0,024 A.

La résistance du résisteur est de 125 Ω.

Activités 5.2.3 1

Le courant qui traverse un résisteur dont la résistance est de 1 000 Ω est de 0,15 A. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de ce résisteur ?

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

215

216

2

On mesure une différence de potentiel de 5 V aux bornes d’un résisteur dont la résistance est de 1 250 Ω. Quel est le courant qui traverse le résisteur ?

3

La différence de potentiel aux bornes d’un résisteur est de 3 V, alors que le courant qui le traverse est de 0,1 A. Quelle est la résistance de ce résisteur ?

4

Dans le circuit illustré ci-dessous, la résistance du résisteur est de 750 Ω. Si la valeur de la différence de potentiel affichée sur le voltmètre est de 9 V, quelle est la valeur de courant affichée sur l’ampèremètre ?

5

On construit le circuit illustré ci-dessous. La valeur affichée sur l’ampèremètre est de 0,25 A. La valeur affichée sur le voltmètre est de 8,25 V. Quelle est la résistance du résisteur ?

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6

Deux résisteurs sont branchés en série. Le courant est donc le même dans chacun d’eux. Le premier a une résistance de 100 Ω et le second, une résistance de 200 Ω. La différence de potentiel aux bornes du premier résisteur est de 1,5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes du second résisteur ?

7

Complétez le graphique afin qu’il illustre la différence de potentiel en fonction du courant dans un résisteur dont la résistance est de 500 Ω. Pour vous aider, remplissez d’abord le tableau. N’oubliez pas de graduer l’axe vertical du graphique et d’indiquer l’unité de mesure de la différence de potentiel là où il le faut. La différence de potentiel (U) en fonction du courant (l)

I (A)

U (V)

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

8

Tout comme les résisteurs, les filaments des ampoules offrent une résistance au passage du courant. Cependant, la résistance du filament d’une ampoule peut varier, puisque la résistance qu’un matériau offre au passage du courant augmente généralement quand sa température augmente. En vous basant sur ces faits, diriez-vous que le courant qui traverse le filament d’une ampoule branchée à une source de tension constante va augmenter ou qu’il va diminuer en fonction du temps, à partir du moment où on allume l’ampoule ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

217

5.2.4

Les lois de Kirchhoff

STE

Les lois de Kirchhoff sont très utiles pour déterminer la différence de potentiel (« tension ») et le courant à différents endroits dans un circuit.

La loi des nœuds La première loi de Kirchhoff est connue sous le nom de « loi des nœuds ». Un nœud est un point d’un circuit où plus de deux fils se rejoignent (voir les deux cercles jaunes tracés sur la figure 19 b). C’est un embranchement dans un circuit. La loi des nœuds stipule que la somme des courants électriques qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent (voir la figure 19).

A

I1

B

Nœud I1

I2

I3

I2

Nœud

I3 I source

Isource

Circuit en série

Isource

Circuit en parallèle

Figure 19 L’application de la loi des nœuds. A Circuit en série. La loi des nœuds n’est pas très utile pour étudier un circuit en série. Puisqu’il n’y a aucun nœud, le courant est le même dans tout le circuit. B Circuit en parallèle. La somme des courants qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent.

La loi des nœuds découle du fait que les charges ne peuvent ni être créées ni disparaître. Si, par exemple, la somme des courants qui sortent d’un nœud pouvait être supérieure à la somme des courants qui y entrent, cela impliquerait que des charges sont créées à l’emplacement du nœud, ce qui est impossible. L’exemple A de la page suivante montre comment utiliser la loi des nœuds pour étudier un circuit en parallèle.

218

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EXEMPLE A

Un résisteur et une ampoule sont branchés en parallèle avec une pile de 6 V. Le courant qui vient de la pile est de 0,3 A. Le courant établi dans l’ampoule est de 0,1 A. Quel est le courant établi dans le résisteur ? Données :

Nœud

Nœud

I source = 0,3 A Iampoule = 0,1 A

Irés = ? Iampoule = 0,1 A

I rés = ? Calcul : 1. Appliquer la loi des nœuds.

Isource = 0,3 A

I source = Irés + I ampoule

Isource = 0,3 A

2. Isoler la valeur du courant établi dans le résisteur :

Le courant établi dans le résisteur est de 0,2 A.

U=6V

La loi des boucles La deuxième loi de Kirchhoff est connue sous le nom de « loi des boucles ». Une boucle est un parcours fermé que l’on trouve dans un circuit. Il y a une seule boucle dans un circuit en série ; il y en a plusieurs dans un circuit en parallèle. La lo ds boucls stipule que, autour d’une boucle dans un circuit, la différence de potentiel aux bornes de la source d’alimentation est égale à la somme des différences de potentiel aux bornes de chacune des autres composantes (voir la figure 20). U1 A

B

U2 U1

U2

U3

Usource

Circuit en série

U3

Usource

Circuit en parallèle

Fgu 20 L’lcon d l lo ds boucls. A Circuit en série. L dff d pl ux b d l u d’l  l à l  d dff d pl ux b d u p. B Circuit en parallèle. L l d bul ’ p è ul pu ud u u  pllèl. Puqu hu d p  bh d ux dux b d l u d’l, l dff d pl ux b d hu d p  l à l dff d pl ux b d l u.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

219

La loi des boucles découle du principe de conservation de l’énergie. En effet, la différence de potentiel aux bornes d’une source d’alimentation électrique quantifie l’énergie électrique qui est gagnée, par unité de charge, par les particules chargées qui traversent cette source. À l’opposé, la différence de potentiel aux bornes d’un résisteur (ou d’une autre composante qui dissipe l’énergie électrique) quantifie l’énergie électrique qui est perdue, par unité de charge, par les particules chargées qui traversent cette composante. Puisque l’énergie est conservée, il est normal, sur un parcours fermé, que l’énergie gagnée soit égale à l’énergie perdue. L’exemple B montre comment utiliser la loi des boucles pour étudier un circuit en série. EXEMPLE B

Deux ampoules sont branchées en série avec une pile aux bornes de laquelle la différence de potentiel est de 12 V. La différence de potentiel aux bornes de la première ampoule est de 5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule ? 1

2

Données : Usource = 12 V Uampoule 1 = 5 V Uampoule 2 = ? Calcul : 1. Appliquer la loi des boucles. 2. Isoler la valeur de la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule 2 :

La différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule est de 7 V.

La résistance équivalente On peut combiner les lois de Kirchhoff et la loi d’Ohm pour obtenir à peu près toutes les informations que l’on veut sur un circuit donné. Cependant, l’analyse des circuits électriques que l’on effectue en combinant ces deux lois est simplifiée par l’utilisation du concept de résistance équivalente. La résistance équivalente (Réq) d’un circuit correspond à la résistance d’un résisteur unique qui remplacerait tous les résisteurs d’un circuit et qui ferait en sorte que le courant qui circule dans la source est le même.

220

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Les circuits en série Dans un circuit en série, la résistance équivalente (Réq) correspond simplement à la somme des résistances de tous les résisteurs du circuit, comme le montre l’équation suivante :

L’exemple C montre comment utiliser le concept de résistance équivalente pour analyser un circuit en série. EXEMPLE C

Un circuit est constitué d’une pile de 3 V et de trois résisteurs, respectivement de 16, de 30 et de 24 Ω, branchés en série. Quel est le courant dans ce circuit ? Données :

R2 = 30 Ω

R1 = 16 Ω

R 3 = 24 Ω

R1 = 16 Ω R2 = 30 Ω R 3 = 24 Ω Usource = 3 V

Usource = 3 V

I=? Calcul :

Réq = 70 Ω

1. Déterminer la résistance équivalente du circuit :

Cela permet de dessiner le circuit équivalent ci-contre :

2. Trouver la différence de potentiel aux bornes du résisteur équivalent. Selon la loi des boucles, dans le circuit équivalent:

U source = Uéq = 3 V

3. Appliquer la loi d’Ohm (U = RI ) pour déterminer le courant qui est établi dans le circuit :

Le courant établi dans le circuit est d’environ 0,043 A. (Comme c’est un circuit en série, le courant est le même dans chacun des résisteurs.)

Les circuits en parallèle Dans un circuit en parallèle, on peut calculer la résistance équivalente (Réq) à l’aide de l’équation suivante :

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

221

L’équation qui précède montre que, dans un circuit en parallèle : • la résistance équivalente est plus faible que chacune des résistances des résisteurs d'un circuit ; • la résistance équivalente diminue quand on ajoute un résisteur. L’exemple suivant montre comment utiliser le concept de résistance équivalente pour analyser un circuit en parallèle. EXEMPLE D

Un circuit contient trois résisteurs, respectivement de 10, de 20 et de 100 Ω, branchés en parallèle avec une pile. Le courant qui traverse la pile est de 0,48 A.

R1 = 10 Ω R2 = 20 Ω R 3 = 100 Ω I source = 0,48 A

a ) Quelle est la résistance équivalente du circuit ? Données :

b ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la pile ?

R1 = 10 Ω

Données :

R2 = 20 Ω

Réq = 6,25 Ω

R 3 = 100 Ω

I source = 0,48 A

Réq = ?

Usource = ?

Calcul :

Calcul :

Puisque

, on a :

Réq = 6,25 Ω

1. Appliquer la loi d’Ohm pour trouver la différence de potentiel aux bornes du résisteur équivalent :

2. Appliquer la loi des boucles dans le circuit équivalent :

I source = 0,48 A

La résistance équivalente du circuit est de 6,25 Ω.

222

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La différence de potentiel aux bornes de la pile est de 3 V.

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Activités 5.2.4 1

STE

Parmi les énoncés suivants, lesquels sont vrais ? Encerclez toutes les bonnes réponses. a ) Dans un circuit en série, le courant établi dans chacune des composantes est le même. b ) Dans un circuit en parallèle, le courant établi dans chacune des composantes est le même. c ) Dans un circuit en série, la différence de potentiel est la même aux bornes de chacune des composantes. d ) Dans un circuit en parallèle, la différence de potentiel est la même aux bornes de chacune des composantes. 1

2

2

3

Un circuit contient trois ampoules différentes qui sont branchées en série avec une pile de 1,5 V, comme l’illustre le schéma ci-contre. La différence de potentiel aux bornes de la première ampoule est de 0,75 V. La différence de potentiel aux bornes de la deuxième ampoule est de 0,35 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la troisième ampoule ?

2 1

3

Dans le circuit ci-contre, l’ampèremètre 1 mesure un courant de 0,25 A. L’ampèremètre 2 mesure un courant de 0,15 A. Quel courant l’ampèremètre 3 mesure-t-il ?

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3

Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

223

4

Le schéma ci-contre illustre trois résisteurs branchés en série avec une source de tension continue. La différence de potentiel associée à chacun des résisteurs est mesurée au moyen de voltmètres. Ces valeurs sont indiquées sur le schéma. La résistance R1 du résisteur de gauche est de 12,5 Ω.

2,0 V

1,5 V

1,5 V

R1 = 12,5 Ω

R2

R3

a ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la source ?

b ) Quel est le courant mesuré par l’ampèremètre branché dans ce circuit ?

5

Dans chacun des cas présentés ci-dessous, calculez la résistance équivalente du circuit en sachant que la résistance R1 est de 100 Ω, que la résistance R2 est de 250 Ω et que la résistance R3 est de 500 Ω. a) R1 R2 R3

224

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b)

R2

R1

R3

6

Un circuit est composé d’une pile et de deux résisteurs branchés en parallèle. La résistance équivalente du circuit est de 30 Ω. L’un des résisteurs a une résistance de 90 Ω. Quelle est la résistance de l’autre résisteur ?

7

Le circuit illustré ci-dessous est constitué de trois résisteurs branchés en parallèle avec une pile de 9 V. L’ampèremètre mesure un courant de 0,3 A. Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

I source = 0,3 A

U source = 9 V

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

225

8

Le schéma ci-contre illustre trois résisteurs branchés en parallèle avec une source d'alimentation de 12 V. Le courant est mesuré à différents endroits dans le circuit à l’aide d’ampèremètres. Les valeurs de courant mesurées sont notées sur le schéma.

R1 1,1 A

R2

a ) Quel courant est établi dans le résisteur dont la résistance est R1 ?

0,5 A

R3

2,0 A

12 V

b ) Quelle est la différence de potentiel mesurée par le voltmètre branché dans ce circuit ?

c ) Quelles sont les résistances de chacun des trois résisteurs ?

226

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9

Deux résisteurs, qui possèdent respectivement des résistances R1 et R2 de 200 Ω et de 300 Ω, sont branchés en série avec une pile de 3 V, comme le montre le schéma ci-contre.

R1

R2

a ) Quel est le courant dans ce circuit ?

b ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs ?

c ) Quel est l’énoncé qui complète correctement la phrase suivante ? Si l’on branchait un troisième résisteur, de résistance R3 , en série avec les deux résisteurs déjà présents, le courant dans le circuit… 1) a ugmenterait. 2) r esterait le même. 3) diminuerait.

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227

10

Deux résisteurs sont reliés à une pile de 9 V, tel qu’illustré ci-contre.

a ) Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

b ) Quel est le courant établi dans le résisteur de 260 Ω ?

c ) Quel est le courant issu de la pile ?

228

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11

Le circuit illustré ci-dessous montre un résisteur, qui possède une résistance R1 de 100 Ω, branché en parallèle avec un second résisteur, dont la résistance R2 est inconnue. Les deux résisteurs sont associés à une pile de 6 V qui produit un courant total de 0,1 A. a ) Quelle est la valeur de la résistance R2 ?

R1

R2

b ) Entourez le chiffre correspondant à l’énoncé qui complète correctement la phrase suivante. Si l’on branchait un troisième résisteur, de résistance R3, en parallèle avec les deux résisteurs déjà présents, le courant mesuré par l’ampèremètre… 1) augmenterait. 2) resterait le même. 3) diminuerait.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

229

5.2.5

La relation entre la puissance et l’énergie électrique

Quand les charges électriques traversent une source de tension, elles gagnent de l’énergie électrique. À l’opposé, quand elles traversent un résisteur ou une ampoule, elles perdent de l’énergie électrique. La puissance électrique (P) correspond au rythme auquel l’énergie électrique est consommée ou fournie. La puissance se mesure en watts (W) ; un watt correspond à un joule d’énergie consommée ou fournie chaque seconde. L’équation qui relie la puissance et l’énergie est la suivante : , où

E : énergie consommée ou fournie durant l’intervalle de temps (Δt), en joules (J) P : puissance consommée ou fournie, en watts (W) Δt : intervalle de temps écoulé, en secondes (s)

On peut isoler la puissance (P) dans l’équation précédente :

Pour évaluer la puissance électrique, il existe également une autre équation. Cette équation est la suivante : P = UI, où

P : puissance électrique consommée ou fournie par une composante d’un circuit, en watts (W) U : différence de potentiel aux bornes de cette composante, en volts (V) I : courant établi dans cette composante, en ampères (A)

L’exemple suivant montre comment utiliser les deux équations pour évaluer la puissance électrique. EXEMPLE

Une bouilloire électrique de 1,5 kW est alimentée par une différence de potentiel de 120 V. a ) Quel est le courant qui traverse la bouilloire ? Données : P = 1,5 kW = 1 500 W

Calcul : À partir de l’équation P = UI, isoler la valeur de I :

U = 120 V I=? Le courant qui traverse la bouilloire est de 12,5 A.

230

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UM 5.2

b ) Si la bouilloire met 3 minutes pour faire bouillir 700 mL d’eau, quelle énergie électrique consomme-t-elle durant cet intervalle de temps ? Données :

Calcul :

P = 1 500 W

Δt = 3 min = 180 s E=? La bouilloire consomme 270 000 J d’énergie électrique pour faire bouillir l’eau.

L’unité SI de mesure de l’énergie est le joule (J), mais les producteurs et distributeurs d’électricité, entre autres, utilisent couramment le kilowattheure (kWh) pour mesurer l’énergie. Un kilowattheure équivaut à 1 000 wattheures (Wh). Cela correspond à la quantité d’énergie consommée par un appareil utilisant une puissance de 1 kW (soit 1 000 W) pendant 1 heure (3 600 s).

Donc, 1 kWh correspond à 3 600 000 J.

Activités 5.2.5 1

Comment peut-on réduire la consommation d’énergie d’un appareil ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) On peut utiliser l’appareil moins longtemps, sans changer sa puissance. b ) On peut utiliser l’appareil plus longtemps, sans changer sa puissance. c ) Si la puissance de l’appareil est réglable, on peut l’utiliser à plus faible puissance, durant le même temps. d ) Si la puissance de l’appareil est réglable, on peut l’utiliser à plus forte puissance, durant le même temps.

2

Un grille-pain consomme 114 kJ d’énergie électrique en 2 minutes. a ) Quelle est sa puissance électrique ?

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

231

b ) Entourez le chiffre correspondant à l’énoncé qui complète correctement la phrase suivante. Si le grille-pain est allumé 6 minutes, il consomme… 1) trois fois moins d’énergie électrique qu’en 2 minutes. 2) l a même quantité d’énergie électrique qu’en 2 minutes. 3) trois fois plus d’énergie électrique qu’en 2 minutes. c ) Si le grille-pain est alimenté par une différence de potentiel de 120 V, quel est le courant qui le traverse ?

3

Un ordinateur portable fonctionne sous une différence de potentiel de 19 V, avec un courant de 3,4 A. a ) Quelle puissance électrique consomme-t-il ?

b ) Quelle est l’énergie électrique que consomme cet ordinateur s’il fonctionne à plein régime pendant 16 heures ?

4

232

Un four à micro-ondes fonctionne sous une différence de potentiel de 120 V et un courant de 5,8 A quand il est utilisé à puissance maximale. Quelle quantité d’énergie électrique consomme-t-il si on l’utilise à sa puissance maximale pendant 2 min 30 s ?

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UM 5.2

5

Vous songez à remplacer l’ampoule de 100 W de l’une de vos lampes par une ampoule DEL de 14,5 W qui procure la même luminosité. Sachant qu’il vous en coûte environ 0,087 $ par kilowattheure d’énergie consommée, combien pourriez-vous économiser sur votre facture d’électricité en utilisant cette lampe durant 1 400 heures sur une période d’un an ? a ) 0,06 $

c ) 10,41 $

e ) 13,95 $

b ) 1,77 $

d ) 12,18 $

f ) 12 180 $

6

Si un réfrigérateur consomme 1,2 kWh par jour, combien de joules consomme-t-il en une journée ?

7

Combien de kilowattheures une ampoule de 60 W consomme-t-elle en une année si elle est allumée en moyenne 5 heures par jour ?

8

Un kilowattheure correspond à une assez grande quantité d’énergie. Pourquoi, selon vous, HydroQuébec et les autres sociétés de distribution d’électricité dans le monde utilisent-elles le kilowattheure plutôt que le joule pour mesurer l’énergie électrique consommée par les particuliers et les commerçants ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

233

5.3 Les phénomènes

électromagnétiques Quand on approche deux aimants l’un de l’autre, on sent immédiatement qu’une force s’exerce entre eux. C’est une force magnétique. Bien qu’elles soient différentes des forces électriques, les forces magnétiques leur sont intimement liées.

5.3.1

Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques

Les aimants possèdent tous deux pôles, c’est-à-dire deux parties qui ont un comportement différent l’une de l’autre. L’un de ces pôles est appelé « pôle Nord » et l’autre, « pôle Sud » (voir la figure 21).

Figure 21 Peu importe leur forme, les aimants possèdent toujours deux pôles appelés « pôle Nord » et « pôle Sud ». Souvent, pour les identifier, on peint les deux pôles d’un aimant de couleurs différentes et on marque le pôle Nord d’un « N » et le pôle Sud d’un « S ».

Une force d’attraction magnétique est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui s’attirent sous l’effet du magnétisme. Une force de répulsion magnétique est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui se repoussent sous l’effet du magnétisme. La figure 22 montre comment les forces d’attraction et de répulsion magnétiques agissent quand on approche l’un de l’autre deux pôles de deux aimants différents.

Attraction

Attraction

Répulsion

Répulsion

Figure 22 Quand on approche deux pôles identiques l’un de l’autre, ils se repoussent. Quand on approche deux pôles différents, ils s’attirent.

234

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UM 5.3

En plus de s’attirer ou de se repousser, les aimants exercent à distance une force d’attraction sur certains objets métalliques fabriqués avec des matériaux ferromagnétiques. Parmi les matériaux ferromagnétiques, on compte, entre autres : S

• le fer ; • le cobalt ; • le nickel ; • les alliages contenant l’un de ces métaux. Les objets faits d’un matériau ferromagnétique sont attirés par les aimants (autant par leur pôle Nord que par leur pôle Sud). C’est parce que ces objets deviennent eux-mêmes des aimants, de façon temporaire, quand on les approche d’un aimant permanent. Une fois magnétisés, ils peuvent, à leur tour, attirer d’autres objets ferromagnétiques (voir la figure 23). Le cm mgnéque est le concept que l’on utilise pour représenter la capacité des aimants à exercer une force à distance sur les autres aimants et les matériaux ferromagnétiques. On représente le champ magnétique à l’aide de lignes qui partent du pôle Nord des aimants et qui entrent dans leur pôle Sud.

N

Fgue 23 Les unses feomgnéques son ées  l’mn. En ésence de l’mn, les unses devennen, à leu ou, des mns qu en les unses vosnes.

En un point de l’espace, la direction de la ligne d’un champ indique la direction de la force qui agirait sur le pôle Nord d’un aimant qu’on placerait là. Dans une région de l’espace, plus les lignes de champ sont rapprochées, plus le champ magnétique est intense. Tous les aimants créent un champ magnétique autour d’eux (voir la figure 24).

A

B

Fgue 24 Le cm mgnéque céé  un mn do. A Il s possibl d visualis l hap aiqu  pa u aia  plaça  aia sous u plaqu d plxilas ou d v. Si l’o pasè d la liaill d f (d pis fas d f) su  plaqu, ls oaux d liaill vo s’ali l lo ds lis d hap. La liaill d f p d visualis la diio  la dsi ds lis d hap aiqu. B O pu visualis l hap aiqu  pa u aia doi à l’aid d lis d hap. Ls flèhs idiqu la diio du hap aiqu. Aux pôls, la dsi lv ds lis idiqu qu l’isi du hap s fo. L ob d lis d hap qui so d’u pôl s al au ob d lis qui  das l’au pôl.

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ChapitrE 5 L’éLectrIcIté et L’éLectrOmAgnétISme

235

La boussole est un instrument qui permet de se représenter la configuration des lignes de champ magnétique et de connaître le sens de ces lignes (voir la figure 25).

A

B

Figure 25 Les boussoles permettent de connaître la direction et le sens des lignes de champ. A L’aiguille d’une boussole est un petit aimant permanent. Cette aiguille est placée sur un pivot ; elle est donc libre de tourner sur elle-même. Quand on place la boussole dans un champ magnétique, son aiguille pivote pour s’aligner dans le sens de la ligne du champ qui passe par le point où elle se trouve, depuis le sud vers le nord. Toutefois, le pôle Nord de l’aiguille de la boussole pointe à peu près dans la direction du nord géographique. En effet, vous verrez à la question 5 de la page 238 que le pôle Nord géographique est en fait un pôle Sud magnétique. B Les boussoles s’alignent le long des lignes de champ. L’axe qui va du pôle Sud d’une boussole vers son pôle Nord donne l’orientation de la ligne de champ magnétique qui passe par ce point.

Activités 5.3.1

236

1

Entre 2000 et 2012, la plupart des pièces de 1 cent émises au Canada avaient un cœur d’acier (l’acier est un alliage de fer et de carbone). Cependant, certaines pièces avaient un cœur de zinc. Donnez un moyen simple de distinguer les pièces qui sont faites d’acier de celles qui sont faites de zinc.

2

En tous points de l’espace, les lignes de champ magnétique sont orientées dans la direction indiquée par l’aiguille d’une boussole. Chacun des cercles illustrés ci-dessous représente une boussole. Dessinez correctement les aiguilles de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.)

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UM 5.3 1.1

3

L’illustration ci-dessous montre des lignes de champ magnétique qui entourent un aimant. Encerclez l’erreur que contient cette illustration et corrigez-la.

4

Observez bien les figures présentées ci-dessous. Puis, tracez les lignes de champ magnétique qui entourent l’aimant ou les aimants représentés. a)

b)

c)

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

237

5

La Terre agit comme un aimant permanent : le pôle Nord magnétique de l’aimant constitué par la Terre est près du pôle Sud géographique et le pôle Sud magnétique de l’aimant constitué par la Terre est près du pôle Nord géographique. a ) Complétez la phrase suivante, qui décrit le comportement d’une boussole dans le champ magnétique terrestre. Puisque le pôle Nord d’une aiguille aimantée d’une boussole est attiré par le pôle magnétique de l’aimant constitué par la Terre, l’aiguille d’une boussole s’oriente naturellement de façon que son pôle Nord pointe vers le

géographique.

b ) L’illustration ci-dessous montre quelques-unes des lignes du champ magnétique terrestre. Les cercles représentent des boussoles. Complétez l’illustration en dessinant correctement les aiguilles de ces boussoles. (Représentez le pôle Nord des aiguilles aimantées en rouge et laissez leur pôle Sud en blanc.)

Pôle Sud magnétique de l’aimant constitué par la Terre

Pôle Nord géographique

Pôle Sud géographique

Pôle Nord magnétique de l’aimant constitué par la Terre

c ) De quelle façon une boussole peut-elle être utile à une personne qui fait, par exemple, une excursion en forêt ?

238

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UM 5.3

5.3.2

Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant

I (sens du courant conventionnel)

Les phénomènes électriques et magnétiques sont intimement liés. Quand il y a un courant électrique dans un fil, un champ magnétique est créé autour de ce fil. Les lignes de champ forment des cercles concentriques autour du fil (voir la figure 26). L’intensité du champ magnétique produit par un fil dans lequel il y a un courant électrique dépend de deux facteurs : • plus le courant électrique dans le fil est grand, plus le champ magnétique est intense ; • plus on s’éloigne du fil, plus l’intensité du champ magnétique diminue (les lignes de champ deviennent plus espacées quand on s’éloigne du fil) (voir la figure 26). Pour déterminer expérimentalement le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un fil rectiligne, on peut utiliser une boussole (voir la figure 27).

I

Fgu 26 Ls lgns d cm céés  un coun qu cou un fl clgn nnn l fom d ccls. Su l’llus, ls ss +  − dqu qu c’s l’x fu du fl qu s l à l b psv d l suc d’l lcqu,  l’x supu qu s l à l b v. Cl xplqu puqu l cu cvl s  vs l hu.

I

I

Fgu 27 S l’on lc ds boussols uou d’un fl couu  un coun, lus gulls s’onon ngnllmn ux ccls cnés su l fl. Ls ôls Nod onon dns l sns ds lgns d cm.

La première règle de la main droite Pour connaître le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un fil rectiligne, on peut aussi utiliser ce qu’on appelle la « première règle de la main droite » : si on aligne le pouce de la main droite dans le sens du courant, les autres doigts de la main s’enroulent dans le sens des lignes de champ magnétique (voir la figure 28). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Fgu 28 L mè ègl d l mn do m d connî l sns ds lgns d cm mgnéqu céés  un coun qu ccul dns un fl clgn.

Chapitre 5 L’éLeCtriCité et L’éLeCtromagnétiSme

239

Activités 5.3.2 1

Tracez quelques-unes des lignes de champ magnétique créées par le courant électrique qui circule dans chacun des fils illustrés ci-dessous. a)

b)

I

2

Sur l’illustration ci-contre, le petit cercle bleu correspond à une vue de haut, en coupe, d’un très long fil rectiligne. Le fil est parcouru par un courant dirigé vers le haut. Les cercles noirs représentent des boîtiers de boussole. Dessinez correctement les aiguilles de chacune de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.)

3

Dans chacun des cas représentés ici, dites dans quel sens circule le courant dans le fil. a)

4

240

b)

Antoine fait passer un courant de 3 A dans un très long fil rectiligne. Comment pourrait-il faire pour augmenter l’intensité du champ magnétique créé autour de ce fil ?

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UM 5.3 1.1

5

Observez les lignes de champ créées par chacun des fils illustrés ci-dessous. Puis, entourez la lettre correspondant au fil qui est parcouru par le courant le plus grand. a)

6

b)

Sur l’illustration ci-dessous, on voit un garçon, un écureuil et un oiseau qui se trouvent à différentes distances de fils électriques parcourus par des courants. Classez le garçon, l’écureuil et l’oiseau de façon à les placer selon l’ordre croissant de l’intensité du champ magnétique auquel ils sont exposés.

5.3.3

Le champ magnétique d’un solénoïde STE

Il est possible d’obtenir des champs magnétiques plus élevés que ce qu’un fil rectiligne peut produire, en roulant le fil de façon à former un solénoïde. Un solénoïd est une bobine faite de plusieurs enroulements très serrés de fil conducteur. Ces enroulements sont appelés des « spires ». Lorsqu’un courant électrique parcourt un solénoïde, un champ magnétique est créé, tout comme lorsqu’un courant parcourt un fil rectiligne. Par contre, le champ magnétique n’a pas du tout la même forme (voir la figure 29, à la page suivante).

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

241

N

S

I

A

B

Figure 29 Lorsque le courant circule dans un solénoïde, le champ magnétique créé ressemble à celui d’un aimant droit. On peut assimiler chacune des extrémités du solénoïde à l’un des pôles d’un aimant. Les lignes de champ sortent du pôle Nord et entrent au pôle Sud. À l’intérieur du solénoïde, le champ est très intense. À l’extérieur, il est plus faible. A Le champ magnétique d’un solénoïde. B Le champ magnétique d’un aimant droit.

La deuxième règle de la main droite

N

Pour connaître le sens des lignes de champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde, on utilise la « deuxième règle de la main droite » : si on enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant qui parcourt le solénoïde, le pouce pointe alors dans le sens des lignes de champ qui sont à l’intérieur du solénoïde (voir la figure 30). On peut dire que le pouce pointe vers le pôle Nord du solénoïde.

S

I

Figure 30 La deuxième règle de la main droite permet de connaître le sens des lignes du champ magnétique créées par un courant qui circule dans un solénoïde.

Les facteurs suivants modifient l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde : • Plus le courant qui parcourt le solénoïde est fort, plus le champ magnétique est intense. • Plus les spires du solénoïde sont denses, plus le champ magnétique est intense. • Une tige de métal ferromagnétique placée à l’intérieur du solénoïde fait augmenter l’intensité du champ magnétique. Une telle tige est appelée « noyau ». Quand le courant circule dans le solénoïde, le métal s’aimante et son champ magnétique s’ajoute à celui produit par le courant. La nature du métal affecte l’intensité du champ. Un solénoïde qui possède un noyau ferromagnétique est appelé « électroaimant ». Les solénoïdes présentent un avantage indéniable par rapport aux aimants permanents : en variant l’intensité du courant, on peut modifier le champ magnétique. Les solénoïdes ont plusieurs applications technologiques : on en trouve, par exemple, dans les écouteurs, les moteurs électriques et les grues à aimant (qu’on appelle aussi « électroaimant de levage »).

242

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UM 5.3 1.1

Activités 5.3.3 1

STE

Dans chacun des cas présentés ci-dessous, tracez d’abord quelques-unes des lignes de champ magnétique créées par le courant qui circule dans les solénoïdes. Puis, identifiez les pôles Nord (N) et Sud (S) associés à ces solénoïdes.

c)

a)

I

I

b)

d)

I

2

Dans chacune des figures suivantes : . marquez le sens du courant par une flèche ; . identifiez les pôles Nord (N) et Sud (S) associés aux solénoïdes. a)

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b)

Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

243

3

La force qui agit entre l’aimant et le solénoïde illustrés ci-contre est-elle une force d’attraction ou une force de répulsion ?

a ) C’est une force d’attraction : le pôle Nord associé au solénoïde fait face au pôle Nord de l’aimant. b ) C’est une force d’attraction : le pôle Sud associé au solénoïde fait face au pôle Nord de l’aimant. c ) C’est une force de répulsion : le pôle Nord associé au solénoïde fait face au pôle Nord de l’aimant. d ) C’est une force de répulsion : le pôle Sud associé au solénoïde fait face au pôle Nord de l’aimant. 4

Entourez, dans chaque paire de solénoïdes illustrés ci-dessous, le solénoïde qui produit le champ magnétique le plus intense. a)

I=1A

I=2A

b)

I=1A

I=1A

c)

I=1A

244

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I=1A

Tige de fer

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UM 5.3

5

Dans un dépotoir, on utilise, pour retirer les pièces de ferraille des autres débris, une grue à aimant. a ) Pourquoi utilise-t-on un électroaimant plutôt qu’un aimant permanent dans une grue à aimant ? Entourez la meilleure réponse. 1) C ’est parce que le champ magnétique créé par un électroaimant est plus fort que celui créé par un aimant permanent, ce qui permet de soulever des objets plus lourds. 2) C ’est parce que le champ magnétique créé par un électroaimant peut être stoppé : cela permet à la grue de relâcher les matériaux qu’elle a soulevés. b) On peut considérer qu’une grue à aimant est composée de deux solénoïdes dans lesquels on fait passer un courant. Ces solénoïdes créent alors un champ magnétique et attirent les matériaux ferromagnétiques qui se trouvent en dessous. L’électroaimant est illustré ci-après de trois façons différentes. 1) U ne grue à aimant en action

2) L’électroaimant d’une grue à aimant

3) L e schéma de principe de l’électroaimant

Interrupteur

Batterie

Noyau

Énoncez trois moyens que l’exploitant du dépotoir pourrait prendre pour augmenter la force avec laquelle sa grue attire les matériaux ferromagnétiques.

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

245

CONSOLIDATION DU ChApITre 5 1

Parmi les illustrations suivantes, laquelle est correcte ? a)

2

b)

c)

On met une tige chargée positivement en contact avec une petite balle de styromousse chargée négativement. Que se produira-t-il ? a ) Puisqu’ils se repoussent les uns les autres et qu’ils sont attirés par les protons, certains des électrons excédentaires de la balle iront sur la tige. b ) Puisqu’ils se repoussent les uns les autres et qu’ils sont attirés par les électrons, certains des protons excédentaires de la tige iront sur la balle.

3

À l’aide de la liste de mots ci-dessous, complétez le texte qui suit. (Un même mot peut être utilisé plus d’une fois.) négative

neutre

positive

Lisa marche en chaussettes sur un tapis en se traînant les pieds. Le frottement entre le tapis et les chaussettes fait que des électrons sont arrachés à ses bas par les poils du tapis. Lisa acquiert ainsi une charge globalement

. Quand elle touche la poignée d’une porte, Lisa

ressent un choc. Cela est dû au fait que des électrons passent par la poignée pour entrer dans son corps (et ses chaussettes !) afin de rétablir l’équilibre des charges. En effet, ces électrons, de charge , sont attirés par la charge cement fait que Lisa redevient 4

246

que porte Lisa. Leur dépla.

STE Deux petites balles de styromousse, placées à 10 cm l’une de l’autre, s’attirent avec une force électrique de 1,8 N. L’une de ces balles porte une charge de −5 × 10−6 C. Quelle charge la deuxième balle porte-t-elle ?

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5

STE

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux.

a ) Les lignes de champ électrique sortent des corps chargés positivement et entrent dans les corps chargés négativement.

b ) Placée dans un champ électrique, une particule chargée positivement subit une force orientée en sens inverse par rapport aux lignes de champ électrique.

6

STE Entre deux longues plaques parallèles qui portent des charges opposées de même grandeur, les lignes de champ sont parallèles et espacées de façon régulière. Qu’est-ce que cela implique ? a ) Puisque les lignes de champ pointent vers la plaque négative, cela signifie que l’intensité du champ augmente quand on s’approche de la plaque négative. b ) Puisque l’intensité du champ est proportionnelle à la densité des lignes de champ, le champ a la même intensité partout entre les plaques.

7

L’illustration ci-contre montre un circuit électrique composé d’une pile de 1,5 V, d’un voltmètre et de deux résisteurs pos sédant chacun une résistance de 250 Ω. a ) Faites un schéma du circuit illustré ci-contre.

b ) Le voltmètre affiche 0,75 V. Quel est le courant dans le circuit ?

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

247

c ) Redessinez le schéma du circuit illustré à la page précédente, en y incluant un ampèremètre qui mesure le courant généré par la pile.

d ) Quelle est la puissance électrique consommée par chacun des résisteurs ?

e ) Quelle quantité d’énergie électrique est consommée par chacun des résisteurs en 60 minutes ?

f ) STE

248

Quelle est la résistance équivalente de ce circuit ?

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g ) Vous remplacez l’un des deux résisteurs du circuit par un résisteur de 500 Ω. 1) C e changement aura-t-il pour effet de faire augmenter ou de faire diminuer le courant qui circulera dans le circuit ? Expliquez votre réponse.

2) C e changement aura-t-il pour effet de faire augmenter ou de faire diminuer la différence de potentiel aux bornes de l’autre résisteur de 250 Ω ?

3) STE

Q uelle sera la différence de potentiel aux bornes du résisteur de 500 Ω ?

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

249

8

STE Deux résisteurs sont reliés à une source d’alimentation de 30 V, tel qu’illustré ci-dessous. Quel est le courant mesuré par l’ampèremètre ? R1 = 200 Ω

A

R 2 = 100 Ω

U source = 30 V

9

STE Deux résisteurs sont reliés à une source d’alimentation de 30 V, tel qu’illustré ci-dessous. Quel est le courant mesuré par l’ampèremètre ? a ) Quelle est la différence de potentiel mesurée par le voltmètre ?

R1 = 200 Ω

R 2 = 100 Ω

U source = 30 V

b ) À partir de votre réponse à la question a, en utilisant la loi des boucles, évaluez la différence de potentiel aux bornes du résisteur de gauche. 1) 10 V

250

UNIVERS MATÉRIEL

2) 20 V

3) 30 V

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10

Un résisteur de 100 Ω est soumis à une différence de potentiel de 30 V. Quelle puissance électrique consomme-t-il ? a ) 0,3 W

11

b) 9 W

c ) 3 000 W

Observez la forme des lignes de champ illustrées ci-contre. Qu’est-ce qui a pu les créer ? a ) Un aimant b ) Un fil rectiligne

12

Sur les illustrations suivantes, les cercles noirs représentent des boîtiers de boussole. Dessinez correctement les aiguilles de chacune de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.) a)

b)

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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme

251

c)

13

STE

STE

L’un des énoncés suivants est faux. Lequel ?

a ) La présence d’un courant crée un champ magnétique. b ) On peut augmenter l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde en plaçant une tige de cuivre à l’intérieur. c ) On peut augmenter l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde en augmentant la grandeur du courant qui le parcourt. d ) On peut augmenter l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde en augmentant la densité de ses spires. e ) Le champ magnétique produit par un solénoïde ressemble beaucoup à celui produit par un aimant permanent droit. 14

STE Dans un haut-parleur, un solénoïde mobile est placé au centre d’un aimant permanent circulaire. Le mécanisme du haut-parleur vise à mettre en mouvement un diaphragme attaché au solénoïde. Le mouvement du diaphragme créera une onde sonore dans l’air ambiant. En vous basant sur vos connaissances de l’électromagnétisme, expliquez comment le mécanisme peut mettre le diaphragme en mouvement. Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes ci-dessous. Le solénoïde est parcouru par un courant

Diaphragme

Aimant

alternatif – continu , qui crée un champ

électrique – magnétique . La polarité de ce champ reste la même – s’inverse chaque fois que le sens du courant s’inverse. Cela fait que le solénoïde est

attiré – repoussé –

tour à tour attiré, puis repoussé par l’aimant permanent. En conséquence, le solénoïde se déplace dans un sens, puis dans l’autre, et il entraîne le diaphragme avec lui dans son mouvement.

252

UNIVERS MATÉRIEL

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SOMMAIRE

Terre et

espace

CHAPITRE 6 L’espace et l’atmosphère



254

CHAPITRE 7 La lithosphère et l’hydrosphère  283 CHAPITRE 8 La biosphère 329

chapitre

6

L’ESPACE ET L’ATMOSPHÈRE

Les sciences de la Terre ont mis en évidence l’impact de certains phénomènes astronomiques sur notre planète, dont les échanges d’énergie. Dans ce chapitre, vous découvrirez que l’énergie rayonnante du Soleil et le mouvement rotatif de la Terre donnent lieu à divers phénomènes météorologiques. Vous apprendrez aussi que les interactions gravitationnelles de la Terre, de la Lune et du Soleil sont responsables des marées. Enfin, vous étudierez l’impact d’autres phénomènes atmosphériques sur l’environnement pour mieux comprendre cette ressource énergétique renouvelable qu’est l’atmosphère.

SOMMAIRE

Rappel  255 6.1 L’espace  256 6.2 Les masses d’air  261 6.3 La circulation atmosphérique  262 6.4 Les vents dominants STE  262 6.5 Les cyclones et les anticyclones 6.6 La contamination de l’air STE



264



269

6.7 L’eet de serre  270 6.8 Les ressources énergétiques

de l’atmosphère  273

RAPPEL

L’atse L’atse est une cuce gazeuse elativeent tansaente qui envele la Tee. Au niveau de la e, l’ai est csé de diazte (78,1 %), de dixygne (20,9 %), d’agn (0,93 %), de gaz cabnique (0,04 %) et de taces d’autes gaz. En atant de la suface de la Tee, l’atse cte quate cuces : la tse, la statse, la ésse et la tese.

Le vent

La luie

Le vent, anifestatin natuelle de l’énegie, est le uveent d’une asse d’ai située à la suface de la Tee. Ce uveent est causé a la cbinaisn de deux facteus :

La luie est une fe d’énegie aynnante. Elle ssde les iétés suivantes :

• le écauffeent inégal des difféentes égins du glbe a l’énegie slaie qui cée des cellules de cnvectin ;

• elle eut ête éflécie (a une suface âle) u absbée (a une suface fncée).

• elle se age en ligne dite et eut ête déviée en assant d’un ilieu à un aute ;

• la tatin de la Tee. Pôle Nord

Transparent On voit clairement au travers.

Vents d’est polaires 60° N

Opaque On ne voit pas au travers.

Translucide On voit au travers, mais l’image est floue.

30° N Calmes tropicaux Calmes équatoriaux 30° S

Pôle Sud

60° S Vents d’est polaires

Ls sx clluls d convcon à l’ogn ds vns domnns dns dvss égons du glob.

L comomn d l lumè v slon l y d sufc qu’ll f.

Le secte électagnétique Le secte électagnétique est l’enseble des aynneents éis a le Sleil. Seuls la luie visible et les ayns infauges (caleu) euvent ête eçus a l’uain.

La gavitatin univeselle La gavitatin univeselle est un énne a lequel deux cs s’attient à cause de leu asse. La asse des cs et la distance les séaant déteinent la fce gavitatinnelle, u gavité. Corps très massif

Grande force d’attraction Corps peu massif

Corps très massif

Petite force d’attraction

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Petite force d’attraction

L’nnsé d l foc gvonnll xcé  l cos d guc su l cos d do s foncon d l mss d ccun ds dux cos  d l dsnc qu ls sé. (La taille de la flèche augmente avec l’intensité de la force gravitationnelle.)

Chapitre 6 L’ESpACE ET L’ATmoSphèrE

255

6.1 L’espace La présente section traite du flux d’énergie émis par le Soleil et des inter­ actions entre la Terre et la Lune afin d’expliquer le phénomène des marées.

6.1.1

Le flux d’énergie émis par le Soleil

Le Soleil est composé essentiellement d’atomes d’hydrogène (H) et d’hé­ lium (He). La fusion des noyaux d’hydrogène, qui se transforment ainsi en atomes d’hélium, dégage une énorme quantité d’énergie. Le flux d’énergie émis par le Soleil est l’énergie de l’ensemble du rayon­ nement électromagnétique qui s’échappe de sa surface pour se propager dans l’espace. Figure 1

La latitude.

Tr du o pi q Ca ue n ce r

Tro Ca pi qu pr i e d co r ne u

Figure 2

Le solstice de décembre.

ue pi q e r Tro C an c du

du ue e pi q c or n o r T pr i Ca

Figure 3

Le solstice de juin.

Une partie du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre est absorbée par des surfaces généralement foncées (roche, asphalte, brique) et dégagée ultérieurement sous forme de chaleur. L’autre partie de ce rayonnement est réfléchie par des surfaces généralement claires (sable, eau, neige). Elle retourne dans l’atmosphère et, en partie, dans l’espace. La quantité de rayonnement solaire qui touche à la surface de la Terre, appelée « insolation », varie selon divers facteurs (voir le tableau 1). TABLEAU 1

Les facteurs qui influent sur l’insolation

Facteurs influant sur l’insolation

Explication

La latitude (voir la figure 1)

En raison de la forme sphérique de la Terre, les rayons solaires sont plus diffus lorsqu’ils frappent les régions polaires et plus concentrés lorsqu’ils frappent les régions équatoriales.

Les saisons (voir les figures 2 et 3)

Comme l’axe de rotation de la Terre est incliné, la zone qui reçoit le maximum d’insolation (selon l’heure de la journée, là où les rayons du Soleil sont perpendiculaires à la surface du globe) se déplace d’un tropique à l’autre durant l’année.

L’épaisseur de la couche d’ozone

La couche d’ozone de la haute atmosphère (stratosphère) protège la Terre d’une partie des rayons ultraviolets provenant du Soleil. Plus la couche est dense, plus les rayons sont absorbés.

La pollution atmosphérique

Tout comme la présence de nuages, les particules issues de la pollution atmosphérique et des éruptions volcaniques interfèrent dans la quantité de rayonnement solaire qui peut atteindre le sol.

Les surfaces réfléchissantes (albédo*)

Les surfaces réfléchissantes, par exemple le sable clair ou la neige blanche, font « rebondir » les rayons lumineux vers l’espace et d’autres surfaces, lesquelles, selon leur nature, pourront les réfléchir ou les absorber (ex .: l’asphalte et la terre noire).

* L’albédo indique la capacité d’un corps de réfléchir l’énergie lumineuse qu’il reçoit. Les corps pâles ont donc un albédo plus élevé que les corps foncés.

256

TERRE ET ESPACE

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te 6.1

Activités 6.1.1 1

Une partie du rayonnement du Soleil atteignant la surface de la Terre est absorbée par certaines surfaces, puis relâchée ultérieurement sous forme de chaleur. Parmi les facteurs suivants, lequel peut expliquer une diminution de l’insolation ? a ) L’augmentation de particules volatiles due à la pollution atmosphérique. b ) La présence d’un trou dans la couche d’ozone. c ) Le nombre croissant d’édifices possédant bon nombre de fenêtres réfléchissantes. d ) L’arrivée du solstice de juin dans l’hémisphère Sud.

2

Lequel des énoncés suivants est vrai en ce qui concerne l’insolation ? a ) La totalité du rayonnement solaire est absorbée à la surface de la Terre. b ) Peu importe notre situation géographique, l’insolation demeure constante toute l’année. c ) Pour une même insolation, les surfaces foncées absorbent plus d’énergie solaire que les surfaces pâles. d ) Les particules de poussière dans l’air permettent une meilleure diffusion de la lumière, ce qui augmente l’insolation.

3

Au retour de la plage, votre ami vous montre son coup de soleil en disant : « C’est fou comme le soleil est fort au bord de la mer ! » Parmi les facteurs suivants, lesquels ont favorisé la quantité de rayonnement solaire reçue par votre ami ? 1) La couleur pâle du sable.

3) La surface réfléchissante de la mer.

2) L’humidité et les poussières de l’air.

4) La couleur foncée de sa bouée de plage.

a ) 1 et 4

6.1.2

b ) 1, 2 et 3

c ) 1 et 3

d ) 3 et 4

Le système Terre-Lune

Dans le système solaire, les planètes tournent autour du Soleil et des satellites naturels tournent autour de certaines planètes. C’est le cas de la Lune, dont l’orbite fait le tour de la Terre. Les astres et les planètes se maintiennent dans leur orbite et ne dérivent pas dans l’espace grâce à la force gravitationnelle qu’ils subissent et à leur vitesse de rotation. En effet, selon la loi de la gravitation universelle, tous les corps qui ont une masse s’attirent mutuellement. Le phénomène le plus connu résultant de la force d’attraction gravitationnelle entre la Terre et la Lune est celui des marées.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

257

Le système Terre-Lune est caractérisé par des interactions gravitationnelles dont l’une des manifestations observables sur la Terre est le phénomène des marées. Une marée est une déformation de la surface de l’eau des océans. Elle est le résultat des forces d’attraction qu’exercent la Lune et, dans une moindre mesure, le Soleil sur la Terre. Ainsi, la Lune, par l’attraction qu’elle exerce, provoque un renflement des eaux océaniques qui lui font face : c’est ce qu’on appelle la « marée haute » (voir la figure 4). Au même moment, les eaux situées sur la face opposée de la Terre subissent elles aussi un renflement. A À la pleine Lune, il se produit une marée de vive-eau.

B À la nouvelle Lune, il se produit une marée de vive-eau.

La figure 4B montre qu’il y a deux marées hautes et deux marées basses en même temps, qui sont diamétralement opposées. De plus, comme la Terre tourne sur elle-même, les deux renflements des eaux se déplacent en provoquant des marées hautes et des marées basses en alternance deux fois par jour, toutes les 12 heures environ. Ainsi, la marée monte et descend approximativement toutes les 6 heures. Rotation de la Terre Pôle Nord

Attraction de la Lune Lune

Marée basse Marée haute

C Au premier quartier et au dernier

quartier de la Lune, il se produit deux marées de morte-eau. Attraction gravitationnelle de la Lune Attraction gravitationnelle du Soleil Sens de rotation de la Terre Figure 5 La position du système Terre-Lune par rapport au Soleil influe sur l’amplitude des marées, c’est-à-dire la différence entre le niveau de l’eau à marée basse et le niveau de l’eau à marée haute. Note : La figure n’est pas à l’échelle.

FLASH

SCIENCE

A Le niveau des masses d’eaux océaniques si aucune force d’attraction extérieure n’est exercée sur la Terre.

B La force d’attraction de la Lune sur les masses d’eaux océaniques* produit simultanément deux marées hautes et deux marées basses.

* Comme les marées sont à peine perceptibles dans les lacs et les mers, on ne considère généralement que les marées des masses d’eaux océaniques.

Figure 4 Les interactions gravitationnelles entre la Terre et la Lune, et les marées.

L’attraction gravitationnelle et la position du système Terre-Lune par rapport au Soleil influent sur les marées. Toutefois, l’effet du Soleil sur les marées est deux fois plus petit que celui de la Lune étant donné la grande distance séparant les deux astres. À la pleine et à la nouvelle Lune, la Terre, la Lune et le Soleil se trouvent sur le même axe. Les forces d’attraction du Soleil et de la Lune s’additionnent alors et provoquent des marées de plus grande amplitude appelées « marées de vive-eau » (voir la figure 5).

La marée du siècle

En mars 2015, on a observé un marnage (différence entre marée haute et marée basse) de plus de 16 mètres dans la baie de Fundy, située entre le Nouveau-Brunswick et la Nouvelle-Écosse. On a nommé cet événement « la marée du siècle ». Ce phénomène revient tous les 18 ans. Le prochain est prévu pour le 2 mars 2033.

258

TERRE ET ESPACE

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te 6.1

Activités 6.1.2 1

Observez l’illustration ci-contre, qui montre la position de la Terre par rapport à la Lune et au Soleil à un moment donné. Puis, répondez aux questions.

Terre Soleil

Lune A

a ) 1) Quel type de marée est produit à ce moment précis au point A ? Marée de morte-eau

Marée basse

Marée de vive-eau

Marée basse de morte-eau

2) Justifiez le choix que vous avez fait dans la réponse à la question a1.

b ) Complétez le schéma ci-dessous, qui porte sur les marées produites au moment de l’alignement Terre-Lune-Soleil. 1) Dessinez le niveau des mers. 2) Indiquez toutes les marées produites sur la Terre à ce moment précis. 3) Complétez la légende.

Légende

2

Lisez l’énoncé suivant, puis répondez aux questions a et b. Vous faites une excursion en mer. Au port, le capitaine du bateau vous dit : « Nous partirons demain matin à 7 h 00, pas avant, sinon, nous n’irons nulle part ! Les récifs risqueraient d’abîmer la cale de mon bateau. » a ) Parmi les énoncés suivants, lequel explique la raison de votre départ en mer à cette heure précise ? 1) La marée sera descendante, ce qui permettra un embarquement sécuritaire.

3) La marée sera stable, ce qui permettra de quitter le port sans incident.

2) La marée sera montante, ce qui permettra au bateau de quitter le port sans incident.

4) La marée sera ascendante, ce qui facilitera l’embarquement.

b ) La veille de votre excursion, la marée sera à son plus bas vers 16 h 00. Au moment de quitter le port en bateau, quel sera le mouvement de l’eau ? 1) Descendant, d’où l’urgence de quitter le port à 7 h 00 précises. 2) Descendant, puisqu’il devrait y avoir deux marées basses dans la journée. 3) Montant, puisque la marée haute est prévue 3 heures après l’heure du départ, soit vers 10 h 00. 4) Ni montant ni descendant, puisque la marée aura atteint son niveau optimal vers 7 h 00.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

259

3

Lisez l’énoncé suivant, puis répondez aux questions a et b. En vacances en Nouvelle-Écosse, au bord de l’océan Atlantique, vous décidez d’observer les marées de 5 h 00 à 19 h 00. La marée est à son plus bas à 6 h 00. a ) Combien de marées, hautes et basses, observerez-vous ? 1) Trois marées : une basse et deux hautes

3) Quatre marées : deux basses et deux hautes

2) Deux marées : une basse et une haute

4) Trois marées : deux basses et une haute

b ) En tenant compte de l’ordre chronologique, quelle rangée de schémas correspond aux marées observées ? Le symbole signifie « Je suis ici ». À 6 h 00

À midi

À 18 h 00

B

B H

1)

H

B

H

H

H

H

H

B H

H

B

B

B

B H

3)

H B

B

2)

À minuit

H

B

B

B

H

B

B

H

B

H

4)

4

260

H

Dans certains pays qui bordent les océans, les maisons situées le long des côtes sont parfois construites sur pilotis, comme le montre la photo ci-contre. Expliquez un des avantages liés à ce genre de construction.

TERRE ET ESPACE

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TE 6.2

6.2 Les masses d’air Sur de vastes territoires, comme celui de l’Amérique du Nord, on trouve de très grands volumes d’air. Or, d’une région à l’autre, ces volumes d’air sont soumis à des conditions différentes de température, d’humidité et de pression. Les volumes d’air qui sont soumis à des conditions particulières d’une région à une autre se nomment des « masses d’air ». Dans le sud du Québec, les masses d’air provenant du sud sont généralement chaudes et humides et celles provenant du nord, froides et sèches. Une masse d’ai est un grand volume de l’atmosphère dont la température, l’humidité et la pression sont relativement homogènes. En raison de leurs caractéristiques différentes, les masses d’air qui se rencontrent ne se mélangent pas. La surface où elles se rencontrent se nomme « front » : il s’agit d’une zone où la direction des vents, la température et le taux d’humidité changent rapidement (voir le tableau 2). TABLEAU 2

Les différences entre un front froid et un front chaud Front froid

Front chaud

Une masse d’air froid rattrape une masse d’air chaud. L’air froid s’infiltre sous cette masse d’air chaud, amenant celle-ci à se refroidir en prenant de l’altitude. Ce refroidissement entraîne la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau.

Une masse d’air chaud rattrape une masse d’air froid et passe au-dessus de l’air froid, plus dense à la même altitude. L’air chaud gagne ainsi de l’altitude et se refroidit graduellement.

Symbole utilisé en météorologie

Facteur de formation

Fortes précipitations Condition météorologique attendue

Nuages épais formés par la condensation de la vapeur d’eau (eau sous forme gazeuse) qui se refroidit, générant de fortes précipitations et de grands vents.

Nuages légers formés de minces couches, laissant place à un temps incertain : nuageux avec averses.

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

L’indic umidx

Duran l caud jurné d’éé, l bullin méérlgiqu arln d « calur rni » u ncr d « l’indic umidx ». L’indic umidx a éé créé n 1965 ar dux méérlgi canadin, J. M. Marn  F. A. Ricardn. C indic m n rlain l aux d’umidié d l’air  la méraur réll afin d’bnir un imain d

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la calur rni ar l cr (ufi, il n rnd a n cm l vn). Cmm l’indic umidx n’ a un mur, mai l réula d’un calcul, il n’ a rréné ar un unié d mur. À arir d’un indic umidx d 40, n cnidr qu l’ff cmbiné d’un fr aux d’umidié  d’un méraur élvé cau baucu d’incnfr.

ChApITrE 6 L’espACe et L’AtMosphèRe

261

6.3 La circulation

atmosphérique L’air est un fluide gazeux qui est continuellement en mouvement autour de la Terre. La circulation atmosphérique est l’ensemble des mouvements des masses d’air qui entourent la Terre.

B A Source de chaleur

C C D

Air chaud Air froid

Figure 6 Une boucle de convection. A L’air chauffé se dilate. Sa masse volumique diminue et l’air chaud monte. B En s’éloignant de la source de chaleur, l’air se refroidit et se contracte. C La masse volumique de l’air froid augmente et l’air froid redescend. D L’air froid se substitue à l’air chaud qui monte.

Les mouvements des masses d’air sont causés par les différences de pression entre les zones de l’atmosphère. La pression atmosphérique dépend de la masse volumique de l’air, de l’humidité qu’il contient et, surtout, de sa température dans une région donnée. La circulation atmosphérique dépend donc de la variation de ces facteurs, qui entraînent généralement une boucle de convection (voir la figure 6). Le même phénomène se produit à l’échelle de l’atmosphère terrestre. L’air des régions équatoriales, plus chaud et moins dense, s’élève dans les couches supérieures de l’atmosphère. De l’air plus froid, venu du nord, vient remplir l’espace ainsi libéré, d’autant plus aisément que l’air des régions plus froides a tendance à se condenser et à descendre vers le sol. Cet apport constant de masses d’air refroidies vers l’équateur, où elles seront à nouveau réchauffées, forme ainsi un mouvement de convection. En réalité, la circulation atmosphérique entre l’équateur et les pôles est plus complexe, car deux autres facteurs entrent en jeu : l’insolation qui diminue de l’équateur aux pôles et la rotation de la Terre. En raison de la rotation de la Terre, l’air froid qui se dirige vers l’équateur n’arrive pas directement des régions polaires. Il s’y rend plutôt en formant six boucles de convection appelées des « cellules » (voir la figure 7 à la page suivante). Ainsi, l’air se met en mouvement en formant six cellules dont l’enchaînement des courants de convection permet des échanges de chaleur de l’équateur vers les pôles.

6.4 Les vents

dominants

STE

La rotation de la Terre fait dévier les vents dans une direction bien précise selon la région où ils soufflent. C’est l’effet de Coriolis. À l’intérieur de chaque cellule, l’effet de Coriolis fait dévier les mouvements de l’air à la surface de la Terre. Ces deux phénomènes combinés donnent l’orientation particulière des vents dominants (voir à nouveau la figure 7).

262

TERRE ET ESPACE

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tE 6.4

Pôle Nord Vents d’est polaires

Cellule polaire

60° N

Cellule de Ferrel

Vents d’ouest dominants

Cellules de Hadley

30° N

Alizés du nord-est

Équateur

Alizés du sud-est

Cellule de Ferrel

Vents d’ouest dominants

30° S

60° S

Cellule polaire Vents d’est polaires Pôle Sud

Figue 7 La ciculaion amoshéique e les vens dominans. Dans la aie de l’hémishèe Nod où se ouve le sud du Québec, les vens dominans soufflen d’oues en es. Les sysèmes mééoologiques s’y délacen généalemen du sud-oues ves le nod-es.

Les vents dominants ont un effet sur la dispersion des polluants dans l’atmosphère. Ainsi, des industries métallurgiques situées aux abords des Grands Lacs, qui consomment beaucoup d’énergie produite à partir de combustibles fossiles, émettent une grande quantité de gaz à effet de serre (CO2, NOx, CH4, etc.), ainsi que des poussières responsables du smog. Ces polluants sont transportés par les vents dominants sur un vaste territoire.

FLASH

SCIENCE

L’fft d Cilis

L’fft d Cilis a été décuvt a l savant fançais Gasad-Gustav Cilis (1792-1843). Clui-ci a xliqué qu la tatin d la T fait dévi tut cs n uvnt, a xl d l’ai, su sa sufac. Ainsi, la tajcti ds vnts st dévié vs la dit (dans l sns ai) dans l’éis Nd, t vs la gauc (dans l sns antiai) dans l’éis Sud (voir l’illustration ci-contre). L’fft d Cilis influ aussi su ls cuants ains.

Direction initiale

Déviation vers la droite

La déviaion des vens due à l’effe de Coiolis.

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CHApItrE 6 L’eSpACe eT L’ATmoSphère

263

6.5 Les cyclones

et les anticyclones La circulation des masses d’air au-dessus des régions chaudes ou froides crée des zones de pressions différentes qui produisent des cyclones (ou dépression) et des anticyclones (ou zones de haute pression). La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de l’atmosphère sur la surface de la Terre. Elle se mesure en pascal (Pa), souvent à l’aide d’un baromètre. La pression atmosphérique dépend entre autres du nombre de particules présentes dans un volume donné. Plus le nombre de ces particules est grand, plus la pression est forte et vice-versa.

6.5.1

La formation d’un cyclone

Un cyclone (ou dépression) est une zone de l’atmosphère où l’air chaud monte en tournant à partir d’un centre de basse pression. Dans l’hémisphère Sud, l’air tourne dans le sens horaire (sens des aiguilles d’une montre). Dans l’hémisphère Nord, à l'inverse, il tourne dans le sens antihoraire. Comme le montre la figure 8, le déplacement horizontal de l’air près du sol depuis la zone de haute pression vers la zone de basse pression (vent) est soumis à l’effet de Coriolis qui dévie l’air vers la droite (dans l’hémisphère Nord). Zone de haute pression (anticyclone)

Zone de basse pression (cyclone)

4

Montée de l’air chaud

Centre de basse pression

Descente de l’air froid

Centre de haute pression

5 2

Vent

1

6

3

Figure 8 Les systèmes de basse pression (cyclones) et de haute pression (anticyclones) dans l’hémisphère Nord. Ces systèmes sont à l’origine du vent. 1 Une masse d’air circulant au-dessus d’un sol ou d’un océan relativement chauds se réchauffe. 2 De cette façon, la masse volumique de l’air diminue, ce qui lui permet de s’élever dans l’atmosphère. 3 Des particules d’air froid prennent alors cet espace laissé libre par les particules chaudes, ce qui amorce un mouvement de convection. 4 L’air devient plus dense (masse volumique plus élevée) vu le refroidissement de ses particules. 5 S’ensuit un mouvement descendant vers le sol des particules plus froides (en altitude). 6 Ce mouvement de particules amorce ainsi un mouvement de convection.

264

TERRE ET ESPACE

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te 6.5

Les dépressions entraînent des conditions météorologiques instables, généralement accompagnées de précipitations et de vents. La forme la plus violente de dépression est l’ouragan. En prenant origine au-dessus des océans dans les régions chaudes, l’ouragan génère de fortes précipitations accompagnées de vents violents.

6.5.2

La formation d’un anticyclone

Un ncyclon (ou zone de haute pression) est une zone de l’atmosphère où l’air froid descend en tournant autour d’un centre de haute pression. Dans l’hémisphère Nord, l’air tourne dans le sens horaire (sens des aiguilles d’une montre). Dans l’hémisphère Sud, il tourne dans le sens inverse. À l’opposé du cyclone, l’anticyclone implique le refroidissement d’une masse d’air. Comme le suggère la figure 8 à la page précédente, la présence d’un anticyclone implique toujours la présence d’un cyclone, et vice-versa. En effet, le mouvement de convection s’amorce seulement s’il existe une différence de pression entre deux zones. Les anticyclones entraînent des conditions météorologiques plutôt stables, généralement accompagnées d’un ciel dégagé et de temps sec. Dans certaines conditions, un centre de haute pression qui reste longtemps au-dessus d’une même région peut causer une période de sécheresse ou de froid intense.

Activités 6.2 à 6.5 1

En mars, à l’arrivée du printemps, quels facteurs différencient les masses d’air que nous observons au-dessus du Québec en comparaison avec celles se trouvant au-dessus de l’Arizona, où le climat est désertique ? a ) La température, l’insolation et la pression. b ) La température, l’humidité et le type de nuages. c ) La pression, l’humidité et la quantité de pollution. d ) La pression, la température et l’humidité.

2

Durant les journées chaudes et humides d’été, pourquoi l’arrivée d’un front froid produit-elle des précipitations abondantes et de forts vents ? a ) Situé derrière le front, l’air froid (plus dense) monte rapidement en altitude au-dessus de l’air chaud en place, puis se condense à son contact pour former d’abondantes précipitations. b ) L’air froid, plus dense, situé derrière le front, s’engouffre sous l’air chaud en place. Celui-ci se refroidit en prenant de l’altitude, ce qui peut entraîner la condensation d’une partie de la vapeur d’eau et des précipitations. c ) L’air froid contient plus de particules de vapeur d’eau (humidité) que l’air chaud et produit davantage de précipitations en se mêlant à l’air chaud déjà en place. d ) L’air chaud contient une grande quantité d’humidité qui produira d’abondantes précipitations, peu importe le type de front qu’il rencontrera.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

265

3

Est-il possible qu’un ouragan entraînant de fortes précipitations et des vents violents soit observé au Nunavut, un nouveau territoire du nord du Canada ? Justifiez votre réponse.

4

Ce schéma représente deux masses d’air situées dans un volume identique. Observez-le attentivement, puis répondez aux questions.

Légende Particule d’air Masse d’air 1

Masse d’air 2

Particule d’eau (H 2O(g))

a ) Dans quelle masse d’air la pression atmosphérique est-elle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.

b ) Supposons que la masse d’air 2 rattrape la masse d’air 1, quel type de front retrouverait-on à la frontière de ces deux masses d’air ? Un front chaud

Un front froid

c ) Au passage de ce front, de quelle façon la température mesurée au sol changerait-elle ? Elle augmenterait.

Elle diminuerait.

d ) Quel type de système décrirait le mieux le phénomène provoqué par l’arrivée de la masse d’air 2 ? Un cyclone

Un anticyclone

e ) Quel symbole devrait-on utiliser pour illustrer cette situation ?

266

1)

3)

2)

4)

TERRE ET ESPACE

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te 6.5

5

Observez la carte météo suivante. Puis, répondez aux questions. a ) Que représente la ligne bleue au centre de la carte ?

Situation météo Mardi

b ) Inscrivez les termes « chaud » et « frais » aux bons endroits sur la carte pour qualifier la masse d'air. c ) Combien de masses d’air observe-ton sur cette carte ? Justifiez votre réponse.

d ) Qu’arrivera-t-il à la température de l’air, mercredi, dans la région de Sherbrooke ?

e ) Expliquez comment se déroulera ce changement. Puis, faites un schéma ci-contre pour illustrer vos propos.

Explication :

6

Dans plusieurs maisons, on trouve des ventilateurs installés au plafond de certaines pièces. Comme ceux-ci ne peuvent pas refroidir l’air ambiant, pour quelle raison choisit-on tout de même de les utiliser ? a ) Pour faire circuler l’air ; en hiver, faire descendre l’air chaud au sol et en été, créer une faible brise. b ) Pour créer des courants d’air et ainsi refroidir la pièce. c ) Pour créer une circulation d’air, en été seulement, afin de faire descendre le froid et ainsi économiser en frais de climatisation.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

267

7

À l’aide des cartes, répondez aux questions suivantes. Prévisions Samedi

Probabilités de précipitations pour Toronto : 10 %

Prévisions Dimanche

Probabilités de précipitations pour Toronto : 50 %

a ) Complétez la capsule météo ci-dessous. Entourez le terme approprié dans chacune des boîtes. Voici les prévisions pour la fin de semaine : Samedi, il y aura du soleil à Toronto, à Ottawa et à Montréal. Dimanche, un front chaud – froid traversera ces trois villes lors du passage d’un

cyclone – anticyclone . Le temps sera plutôt

ensoleillé – nuageux mais relativement doux – froid – glacial . À Montréal, la température atteindra un maximum de -10 à -20 C – 6 à 8 C – 18 à 20 C . Lundi, la pluie cessera à Toronto et à Ottawa après le passage d’un front chaud – froid . À Montréal, le début de la semaine sera encore très ensoleillé – nuageux avec des possibilités d’averses en attendant le passage du même front. b)

STE La pluie cessera lundi à Ottawa et à Toronto. À quelle prévision météorologique peut-on s’attendre pour mardi, à Montréal ?

c)

STE Quelle caractéristique propre à la circulation atmosphérique dans le sud du Québec vous permet de prévoir la température qu’il fera lundi à Montréal ?

d ) Comment les averses peuvent-elles se former dans cette situation ? Dans un premier temps, expliquez ce qui se produit. Puis, faites un schéma pour illustrer vos propos.

Explication :

8

Si la Terre arrêtait de tourner, quel effet cela produirait-il sur la direction des vents dominants ? a ) Aucun, puisque le mouvement de la Terre n’influence en rien la direction des vents. b ) La direction des vents tendrait à être rectiligne, allant du Nord au Sud ou du Sud au Nord. c ) Il n’y aurait plus de vents dominants, car ils qu’ils dépendent de la rotation de la Terre. d ) Un mouvement rotationnel ascendant et descendant semblable au cyclone ou à l’anticyclone.

268

TERRE ET ESPACE

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te 6.6

9

Dans la région de Québec, on prévoit un indice humidex de 40 et une chaleur accablante pour les prochains jours. a ) Qu’est-ce qui caractérisera la masse d’air durant ces journées ?

b ) Cette masse d’air sera-t-elle le résultat du passage d’un front chaud ou d’un front froid ?

c ) À la lumière de ces prévisions, y a-t-il un risque de formation d’ouragan dans la ville de Québec ? Justifiez votre réponse.

6.6 La contamination

de l’air

STE

Les principales composantes de l’air sont le diazote (N2) et le dioxygène (O2), mais l’atmosphère dans laquelle nous vivons contient beaucoup d’autres substances. La conmnon moséqu survient lorsque la composition de l’air change par l’ajout de substances qui proviennent soit de sources natu­ relles, soit de l’activité humaine, et qui présentent un risque pour la santé. L’atmosphère contient des particules en suspension, comme des particules de sable, des cendres volcaniques et du pollen. Toutefois, d’autres subs­ tances s’ajoutent à cette liste. Ces contaminants atmosphériques ont des effets négatifs sur la santé et l’environnement (voir le tableau 3). TABLEAU 3

Les principaux contaminants atmosphériques

Contaminant

Source principale

Effets sur la santé et l’environnement

Particules en suspension

Activités industrielles (scieries, métallurgie, combustion, etc.)

• Causent des problèmes respiratoires. • Contribuent à la formation du smog.

Dioxyde de soufre (SO2)

Production d’électricité (centrales thermiques au charbon, au pétrole et au gaz naturel), transport, industries métallurgiques

• Contribuent à la formation des précipitations acides.

Oxyde d’azote (NOx)

Centrales thermiques, transport et agriculture (engrais)

Monoxyde de carbone (CO)

Transport et combustion

• Participe à la formation du smog.

Composés organiques volatiles (COV*)

Solvants et peintures, produits nettoyants, aérosols, raffinage du pétrole, etc.

• Toxiques pour les vivants. • Participent à la formation de l’ozone troposphérique (constituant du smog).

* Les COV sont formés d’au moins un atome de carbone (C) et un atome d’hydrogène (H). Exemples : l’éther méthylique (CH3OCH3), propulseur de gaz utilisé dans les peintures à aérosols ; l’éthylène (C 2H4) utilisé, à l’état gazeux, pour prévenir la germination des pommes de terre en entrepôts.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

269

6.7 L’effet de serre L’effet de serre est un processus naturel par lequel une partie de la chaleur émise par le Soleil est conservée dans l’atmosphère (voir la figure 9).

1 La Terre reçoit l’énergie solaire

Sans effet de serre naturel, la température moyenne à la surface de la Terre serait d’environ −18 °C.

(lumière). Espace

2 Une partie de l’énergie solaire,

3

4

5

6

sous forme de rayonnement, traverse l’atmosphère pour atteindre la surface terrestre et la réchauffer. La partie restante du rayonnement solaire émis est réfléchie par l’atmosphère vers l’espace. L’énergie rayonnante absorbée par la surface terrestre est ensuite réémise, en bonne partie, vers l’atmosphère sous forme de chaleur (rayons infrarouges). Une plus petite partie de ces rayons infrarouges et de la lumière réfléchie traverse l’atmosphère et atteint l’espace. Le reste des rayons infrarouges est absorbé par les gaz à effet de serre, puis réémis par ceux-ci vers la surface terrestre.

Figure 9

3 1

5

Atmosphère 2

4

6

L’effet de serre.

Les principaux gaz responsables de l’effet de serre (GES) sont présents naturellement dans l’atmosphère : la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l’oxyde de diazote (N2O). Cependant, depuis l’ère industrielle, la présence de ces gaz dans l’atmo­ sphère a augmenté. Cela est principalement dû à la combustion de combustibles fossiles, responsable d’émissions importantes de GES. En raison de la présence accrue de GES dans l’atmosphère, la chaleur demeure emprisonnée plus longtemps au niveau du sol, ce qui entraîne une hausse des températures moyennes sur la Terre. Il s’agit de l’effet de serre renforcé, qui se traduit par un ensemble de phénomènes, parmi lesquels on peut citer : • la fonte des glaciers et des banquises ; • la fonte du pergélisol ; • la hausse du niveau des mers ; • la perturbation de nombreux écosystèmes ; • des périodes de sécheresse et d’inondation importantes.

270

TERRE ET ESPACE

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te 6.7

Activités 6.6 et 6.7 1

STE

Nommez le ou les contaminants de l’air en cause dans chacune des situations suivantes.

c)

a)

b)

2

STE

d)

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite à la question.

La cie du vegla En janvie 1998, le Québec a connu une ioane eêe, aujoud’ui connue ou le no de « cie du vegla ». De nobeue eonne on éé ivée d’élecicié duan une éiode allan de quelque jou à luieu eaine. Alo que ceain cioyen dioaien de généaice ou ’aliene en élecicié, d’aue on eu ecou à de oyen lu ou oin écuiaie ou e cauffe e ’éclaie. Cee eêe a enaîné la o de 28 eonne, don 7 déc on aibuable à une inoxicaion au onoxyde de cabone (CO). Ce gaz incoloe e inodoe e odui loque de cooé conenan du cabone (boi, cabon, gaz nauel, ec.) bûlen an avoi uffiaen d’oxygne. Décrivez une méthode peu sécuritaire et potentiellement nocive pour la santé qui a probablement été utilisée par les sinistrés pour tenter de se chauffer et de s’éclairer. Justifiez votre choix.

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Chapitre 6 L’EspACE Et L’AtmOsphèrE

271

3

Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez aux questions suivantes. Expéditeur : Pierre Destinataire : Dominique Objet : Enfin arrivés ! Salut Dominique ! Nous sommes finalement au pays des kangourous, après un trajet en avion de près de 24 heures ! Ouf ! Après avoir déposé nos bagages à l’hôtel, nous avons pris un taxi vers le centre-ville. On voyait au loin un épais nuage de fumée. Le chauffeur nous a dit que des incendies de forêt faisaient rage à l’extérieur de la ville… Malgré l’inversion des saisons, les soirées sont fraîches à Sydney… Le long des trottoirs et sur les terrasses, de grosses lampes électriques réchauffent l’atmosphère ! Nous avons d’ailleurs choisi de nous arrêter dans un resto typiquement australien : viandes exotiques cuites sur un feu de bois. Succulent !!! Je te laisse et te promets de te réécrire bientôt ! Ton ami globe-trotter Pierre

a ) Lequel des énoncés suivants est vrai ? Reportez-vous à la situation décrite dans le courriel de Pierre. 1) Les lampes électriques, par la lumière qu’elles dégagent, contribuent à l’effet de serre. 2) La température élevée des incendies de forêt contribue à l’effet de serre. 3) La combustion de combustibles fossiles et de bois produit un important gaz à effet de serre, le CO2. 4) Les GES produits sont évacués vers l’espace lors des soirées fraîches à Sydney. b ) Si l’on considère la position géographique de l’Australie, quelle manifestation de l’effet de serre est la plus susceptible de se produire dans cette région ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) La fonte de glaciers 2) Le dégel du pergélisol 3) La disparition de la banquise 4) Les périodes de sécheresse importantes 5) Les inondations

4

272

Quelle est la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre renforcé ?

TERRE ET ESPACE

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te 6.8

5

Les schémas suivants sont incomplets. Que leur manque-t-il pour représenter l’effet de serre renforcé ? Reliez chaque schéma à l’élément manquant. a) 1) Une partie des rayons est réfléchie par l'atmosphère vers l’espace.

b) 2) Une partie des rayons est absorbée par l’eau.

c)

6

3) Une partie des rayons est réfléchie par l’eau et retourne dans l’espace.

Depuis quelques années, la popularité de l'automobile électrique est grandissante au Québec et au Canada. Par contre, son coût élevé à l’achat pousse les consommateurs à opter pour un véhicule hybride fonctionnant à l’électricité et à l’essence, qui est moins dispendieux. En quoi l’utilisation de l'automobile électrique contribue-t-elle à diminuer l’effet de serre renforcé ?

6.8 Les ressources

A

énergétiques de l’atmosphère L’atmosphère est une réserve d’énergie constamment renouvelée par le rayonnement du Soleil. Ce rayonnement est lui-même une forme d’énergie exploitable grâce à certains systèmes technologiques (voir la figure 10). Fgu 10 Ds sysèms qu xlon l yonnmn du Soll. A D nnux li à cllul vlïqu. Un cllul vlïqu  un diiif qui gén un cun élciqu lqu’il  xé à l lui. Il cn d 15 à 20 % du ynnn li dinibl (çu u nivu du l). B D nnux li iqu. C nnux cn 75 % du ynnn li dinibl. L’éngi  ni u liquid qui gin l clu  lin l y d cuffg u l évi d’u d’un in.

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Rayonnement solaire

B

Eau chaude

Eau froide

Chapitre 6 L’espaCe et L’atmosphère

273

Un autre système technologique associé à l’atmosphère est l’éolienne, dont l’ancêtre est le moulin à vent. Aujourd’hui, l’énergie éolienne est exploitée pour produire de l’électricité. Les éoliennes sont généralement de très hautes structures, ce qui leur permet de capter les vents. En tournant, leurs pales activent une génératrice qui se trouve à l’intérieur de la nacelle et qui sert à produire de l’électricité (voir la figure 11).

Pale Génératrice d’électricité

Nacelle

Les ressources énergétiques de l’atmosphère correspondent à l’ensemble des caractéristiques de l’air, en particulier le rayonnement du Soleil et le vent.

Système d’orientation

Divers procédés technologiques mettent ces caractéristiques à profit afin d’en tirer de l’énergie thermique ou électrique (voir le tableau 4).

Mât

Figure 11 TABLEAU 4

Les différentes parties d’une éolienne.

Les principaux impacts de l’exploitation des ressources énergétiques de l’atmosphère

Système technologique

274

Désavantages

Avantages

Panneau solaire à cellules photovoltaïques

• Rendement qui dépend entièrement de facteurs météorologiques (rayonnement solaire). • Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint.

Panneau solaire thermique

• Ne produit pas d’électricité. • Rendement relativement faible qui dépend du rayonnement solaire. Sert donc comme système d’appoint pour le chauffage du chauffe-eau ou d’une habitation.

Éolienne

• Rendement qui dépend entièrement de facteurs météorologiques (vent). • Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint. • Structure imposante (pollution visuelle). • Fonctionnement occasionnant parfois un bruit sourd (pollution sonore). • Nécessite une installation sur un site stratégique : région venteuse, plaine libre d’obstacles ou bordure de mer.

Thermopompe à air (voir la question 6 de la page 277)

• Ne produit pas d’électricité. • Système de chauffage inefficace lorsque les températures sont très froides.

TERRE ET ESPACE

• Utilisent une énergie renouvelable (vent, soleil ou air). • N’émettent aucun GES ni aucun polluant atmosphérique.

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te 6.8

Activités 6.8 1

Ordonnez les transformations d’énergie impliquées dans le fonctionnement d’une éolienne. Pour ce faire, complétez le schéma ci-dessous à l’aide de la liste de mots fournie. Énergie cinétique de la génératrice

2

Énergie électrique (électricité)

Énergie cinétique du vent

Énergie cinétique des pales

Pour plusieurs foyers québécois, la plus grande dépense énergétique est le chauffage. Si une famille souhaite investir dans un système d’appoint pour chauffer sa maison, laquelle des solutions suivantes représenterait la meilleure option ? Justifiez votre réponse. a ) Des panneaux à cellules photovoltaïques

b ) Des panneaux solaires thermiques

Justification :

3

Votre oncle déménage en Gaspésie, une région située en bordure de mer et exposée aux vents. Il désire rendre sa nouvelle demeure plus écologique en matière de chauffage. a ) Cochez le système qui répond le mieux à ses besoins. b ) Cochez les avantages et les désavantages de ce système. Système

Avantages et désavantages du système

Éolienne

Utilise une énergie renouvelable.

Panneaux solaires thermiques

N’émet aucun GES ni aucun polluant atmosphérique.

Panneaux à cellules photovoltaïques

Rendement qui dépend de facteurs météorologiques (vent ou rayonnement solaire). Structure imposante et bruyante (source de pollution visuelle et sonore) Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint.

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

275

Répondez aux questions 4 et 5 à l’aide du tableau ci-dessous et de la carte des régions administratives du Québec. Le potentiel éolien techniquement exploitable au Québec pour chacune des régions administratives (2005) Région administrative

Puissance potentielle annuelle ( 109 kWh)

Région administrative

Puissance potentielle annuelle ( 109 kWh)

01 Bas-Saint-Laurent

46,8

10 Nord-du-Québec

10 919,4

02 Saguenay–LacSaint-Jean

118,5

11 Gaspésie−Îlesde-la-Madeleine

51,7 18,4

03 Capitale-Nationale (Québec)

4,7

12 Chaudière-Appalaches

04 Mauricie

3,7

13 Laval

0,0

05 Estrie

5,2

14 Lanaudière

0,2

06 Montréal

0,0

15 Laurentides

0,7

07 Outaouais

0,2

16 Montérégie

11,7

08 Abitibi-Témiscamingue

2,1

17 Centre-du-Québec

09 Côte-Nord

1 078,4

Total pour le Québec

5,6 12 267,3

Source : Étude réalisée pour le ministère des Ressources naturelles et de la Faune du Québec, juin 2005.

4

a ) Quelles sont les trois régions du Québec qui présentent le meilleur potentiel quant à la production annuelle d’électricité provenant d’éoliennes ?

Les régions administratives du Québec

b ) Nommez deux raisons qui peuvent expliquer le potentiel éolien de ces trois régions.

c ) Nommez une autre région du Québec où il pourrait être judicieux de produire de l’électricité à l’aide d’éoliennes. Justifiez votre réponse.

276

TERRE ET ESPACE

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te 6.8

La majorité des parcs éoliens sont implantés en Gaspésie et dans le Bas-Saint-Laurent. Aucun parc éolien n’a été développé dans la région administrative 10 Nord-du-Québec bien qu’elle dispose de près de 90 % du potentiel éolien techniquement exploitable du Québec. Par ailleurs, on y a construit plusieurs centrales hydroélectriques. Quelles raisons peuvent justifier cette situation ? Cochez toutes les bonnes réponses.

5

a ) Au Québec, l’hydroélectricité est un mode de production plus performant que l’éolienne. b ) L’électricité produite par les éoliennes ne peut pas être transportée sur de grandes distances. c ) L’hydroélectricité est un mode de production qui, tout comme l’éolienne, n’émet aucun gaz à effet de serre. d ) La construction d’un parc éolien aurait nécessité des investissements trop importants : construction de routes, de réseaux de transport de l’électricité sur de grandes distances, etc. La thermopompe (voir la photo ci-dessous) est un appareil électrique pouvant chasser la chaleur de l’air vers l’extérieur afin de climatiser une habitation en été et, inversement, transférer la chaleur de l’air de l’extérieur vers l’intérieur en hiver. Toutefois, durant les grands froids d’hiver, elle doit être couplée à un autre système, tel le chauffage au mazout, au gaz ou à l’électricité, afin de répondre aux besoins de chauffage.

6

Nommez un avantage et un désavantage de ce système de chauffage sur le plan environnemental.

Avantage :

Désavantage :

Un modèle de thermopompe.

CONSOLIDATION DU ChApITre 6 1

Parmi les facteurs suivants, entourez ceux qui influent sur l’insolation. a ) La présence de nombreux nuages

d ) Le type de sol

b ) La température de l’eau

e ) La saison

c ) La position géographique sur Terre

f ) L’heure de la journée

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

277

2

Complétez le tableau suivant. a ) Dans la deuxième colonne, pour chaque surface représentée, indiquez si le rayonnement solaire est absorbé ou réfléchi. Cochez la case appropriée. b ) Dans la dernière colonne, nommez le facteur responsable de l’absorption ou de la réflexion du rayonnement solaire.

Surface

Rayonnement solaire Absorbé

Réfléchi

Facteur responsable de l’absorption ou de la réflexion

De la neige

Une piste ou une route asphaltée

Des maisons recouvertes de chaux

Des panneaux solaires à cellules photovoltaïques

3

278

Nommez trois éléments qui distinguent le passage d’un front chaud de celui d’un front froid.

TERRE ET ESPACE

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4

Voici le calendrier lunaire du mois de février 2033. Lundi

PL

Mardi

Mercredi

Jeudi

Vendredi

Samedi

Dimanche

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

Légende : PL = Pleine Lune

a ) Combien de marées, hautes et basses, y aura-t-il le 14 février ?

b ) Quel phénomène lunaire particulier aura lieu à cette même date ? c ) Qu’est-ce que cela signifie en ce qui a trait aux marées ?

d ) Qu’est-ce qui explique ce phénomène ? e ) À quelles dates approximatives y aura-t-il des marées de morte-eau ? 5

Pour illustrer la circulation atmosphérique, une enseignante de science prend un contenant fermé hermétiquement dans lequel elle insère de la fumée. En plaçant un carton noir derrière ce contenant, les élèves sont en mesure d’en visualiser le contenu (voir l’illustration ci‑contre). Par quel moyen l’enseignante pourrait-elle faire en sorte que la fumée circule rapidement à l’intérieur du contenant ?

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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère

279

6

Nommez trois éléments communs au cyclone et à l’anticyclone. •





7

Pourquoi l’effet de serre naturel est-il nécessaire ? a ) Afin de maintenir un équilibre des températures favorable à la vie telle qu’elle existe présentement. b ) Afin de réchauffer les régions polaires et de leur permettre d’avoir un été agréable. c ) Afin de conserver toute la chaleur émise par le Soleil au niveau de la surface terrestre. d ) Pour envoyer les gaz à effet de serre produits par l’activité humaine vers l’espace.

8

STE Peut-on affirmer que l’effet de serre renforcé est le résultat d’une contamination de l’air ? Justifiez votre réponse.

9

Lequel des graphiques suivants montre la façon dont la concentration des GES influe sur l’effet de serre ? c) Effet de serre

Effet de serre

a)

Concentration des GES

Effet de serre

d) Effet de serre

b)

Concentration des GES

280

Concentration des GES

TERRE ET ESPACE

Concentration des GES

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10

Le schéma ci-dessous met en relation plusieurs concepts étudiés dans le chapitre 6. Complétez-le à l’aide de la liste de mots fournie.

• enfé

• nuel

• les éissins de GES

• le ven (i)

• l’uilisin de essues énegéiques enuvelbles

• l’ugenin de l nenin de eins GES STE

• le ynneen slie

• le éuffeen liique

• l busin de busibles fssiles

• le dégel du egélisl

• l fne des glies e des bnquises

• les séeesses e les inndins

L’effet de serre

• l’énegie du ynneen slie qui ese if dns l'se

est produit par

qui peuvent être réduites par

est causé par provenant principalement de

entraîne comme qui entraîne

qui crée

et

qui provoque entre autres

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Chapitre 6 L’ESpacE Et L’atmoSphèrE

281

11

Les systèmes technologiques suivants exploitent différentes ressources énergétiques. Qu’ont-ils en commun quant à leur fonctionnement et à leurs avantages ou désavantages ? a ) Les panneaux solaires à cellules voltaïques et les panneaux solaires thermiques (outre le fait qu’ils sont des panneaux).

b ) Les thermopompes et les éoliennes.

c ) Les panneaux solaires thermiques et les thermopompes.

d ) Les éoliennes et les panneaux solaires à cellules photovoltaïques ?

12

Le tableau ci-dessous présente les ressources énergétiques de l’atmosphère. Complètez-le. Système technologique

Énergie renouvelable utilisée

Avantages

Désavantages

Éolienne

Panneaux solaires à cellules photovoltaïques

Panneaux solaires thermiques

Thermopompe

282

TERRE ET ESPACE

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chapitre

7

LA LITHOSPHÈRE ET L’HYDROSPHÈRE

Dans ce chapitre, vous ferez un survol des différentes composantes de la litho­ sphère. Vous découvrirez notamment les impacts de l’activité humaine sur ces composantes et comprendrez mieux certains enjeux environnementaux actuels tels que la contamination et l’épuisement des sols, et la déforestation. Vous explorerez aussi les caractéristiques de l’hydrosphère et les principes qui expliquent sa circulation à l’échelle des océans. De plus, vous verrez comment certaines substances, issues de la pollution humaine, peuvent se mélanger à l’eau et en changer la composition, au point de perturber l’équilibre de certains milieux par sa contamination.

SOMMAIRE

Rappel  284 7.1 La lithosphère  285 7.2 L’hydrosphère  303

RAPPEL

La lithosphère La lithosphère est la couche externe solide de la Terre formée de la croûte terrestre et de la partie supérieure du manteau.

Océan

Continent Croûte terrestre

Lithosphère

Manteau

Les roches sont des assemblages de minéraux qui forment la croûte terrestre. Il existe trois principaux types de roches : • ignées (roche mère) : formées à la suite du refroidissement et de la cristallisation du magma.

La lithosphère. Roche

• sédimentaires : formées par l’accumulation de sédiments et de matière organique.

Minéraux Mica

• métamorphiques : formées à la suite d’une exposition à de hautes températures et pressions. Feldspath

Les minéraux se distinguent par leurs propriétés caractéristiques : éclat, dureté, couleur, couleur du trait, magnétisme, réaction à l’acide (effervescence), masse volumique, forme cristalline et clivage.

L’hydrosphère

Granite Quartz

Une roche, le granite, composée de trois minéraux.

L’hydrosphère correspond à l’ensemble de l’eau présente sur Terre sous les trois formes de la matière : solide, liquide ou gazeuse. La Terre est couverte à 71 % d’eau : 97,2 % de celle-ci est salée et le reste, 2,8 %, est de l’eau douce. Au total, 99,3 % de l’eau douce est inaccessible, car elle est prisonnière des glaciers, parfois aussi des eaux souterraines, ou se trouve sous forme de vapeur. La vapeur d’eau permet une interaction entre l’hydrosphère et l’atmosphère : • elle protège, en partie, les êtres vivants des effets néfastes des rayons ultraviolets ayant traversé l’atmosphère. • elle contribue à maintenir les températures terrestres relativement stables. Eau douce 28 mL Eau salée 972 mL

A Portion d’eau douce par rapport à la quantité d’eau totale.

Moins de 1% de l’eau douce est accessible.

21,50 mL 6,30 mL 0,17 mL 0,01 mL 0,01 mL

Glaciers Eaux souterraines Êtres vivants Eau de surface Atmosphère

B Portion d’eau douce disponible par rapport à la

quantité totale d’eau douce. La répartition de l’eau dans l’hydrosphère.

284

TERRE ET ESPACE

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TE 7.1

7.1 La lithosphère

Minéral : radium

Dans les sections suivantes, vous verrez que la lithosphère offre de nombreuses ressources minérales et énergétiques à l’humain.

7.1.1

Minéral : polonium

Les minéraux

Un minéal est une substance naturelle formée d’un élément ou d’un composé chimique qui entre dans la composition des roches et des sols. Un mineai est une roche extraite de la lithosphère. Cette roche contient une quantité suffisante de minéraux utiles, ce qui en justifie l’exploitation (voir la figure 1). L’exploitation des minéraux implique un grand nombre de transformations, depuis leur extraction jusqu’au produit fini, par exemple des bijoux en or ou des pièces en coltan pour téléphones mobiles. Souvent, ce processus a des conséquences néfastes sur l’environnement (voir le tableau 1). TABLEAU 1

Minerai : pechblende

Figue 1 Un mineai de ecblende (ou uanite) extait du sol afin d’en etie les minéaux, soit le olonium et le adium.

Des exemples d’impacts de l’exploitation minière sur l’environnement

Étapes du processus d’exploitation minière

Impacts environnementaux

Construction des routes d’accès aux sites d’exploitation.

Déplacement de populations animales et destruction de la flore environnante.

Exploitation des sites à ciel ouvert

Exploitation forestière, coupes à blanc et brûlage de la végétation de surface.

Extraction des minéraux par : • broyage ; • procédés chimiques.

• Libération de poussières volatiles dont le potentiel contaminant de l’air, du sol et de l’eau est plus grand que celui du minerai extrait sous sa forme originale. • Drainage des résidus toxiques dus à l’extraction de minerais par des substances chimiques (cyanure, acide sulfurique) et à leur réaction au contact de l’air ou de l’eau.

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Mai (1867-1934)  Pi (1859-1906) Cui

À la fin u 19 icl, Pi  Mai Cui ’inén à la aiacivié. Afin ’n il l’uanium, il npnnn  b   affin un gan quanié ’un minai applé « pcbln », qui cnin  l’x ’uanium. C faian, l cupl écuv ux nuvaux élémn cnnu an la pcbln : l plnium, mai uu, l aium, un élémn xêmmn aiacif. Il fau cpnan ai 1000 nn  pcbln pu bni min ’un gamm  aium !

7.1.2

Les horizons du sol

Des phénomènes naturels provoquent l’érosion et l’altération de la roche mère. Des fragments de roches se mêlent ainsi aux végétaux et aux animaux en décomposition et s’accumulent en couches superposées pour former les horizons du sol. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

ChApITrE 7 LA LIthosPhère et L’hydrosPhère

285

Les horizons du sol sont les différentes couches du sol qui se différencient par leur épaisseur et leur composition. Chacun des horizons du sol a un rôle important dans les écosystèmes qu’il supporte (voir la figure 2). Horizons

Composition et rôles O Couche superficielle (en surface) • Surtout constituée d’humus, matière végétale en décomposition. • Riche en éléments nutritifs. Rôles : • Décompose les débris végétaux et animaux, grâce aux décomposeurs, à l’humidité et à la température du sol. • Enrichit le sol en filtrant l’eau de pluie qui entraîne une partie des nutriments vers l’horizon suivant A . • Permet la germination de végétaux, grâce aux éléments nutritifs présents.

O

A

B

C

R

A Terre arable (ou cultivable) • Terre fertile (mélange d’humus et de minéraux). • Sol altérable en raison de l’érosion due au ruissellement, au vent et au gel. Rôles : • Assure la croissance des végétaux (haute teneur en nutriments et aération assurée par les vers, insectes et petits rongeurs). • Neutralise les précipitations acides (bonne capacité tampon grâce aux fines particules minérales qu’elle contient). B Sous-sol • Contient très peu d’humus. • Principalement composé de minéraux. • Plus compact et solide que les horizons supérieurs. Rôles : • Supporte les racines d’arbres ; fournit les minéraux nécessaires à leur croissance. • Permet l’écoulement de l’eau vers les horizons inférieurs. C Roche mère fragmentée • Ne contient aucune matière organique. • Propice à l’exploitation minière. Rôle : • Supporte les horizons supérieurs. R Roche mère altérée • Constituée de roc. Rôle : • Supporte les horizons supérieurs.

Figure 2

Les horizons du sol, leur composition et leurs rôles.

7.1.3

Le pergélisol

Dans certaines régions nordiques, ou situées en altitude, la température passe rarement au-dessus de 0 ºC et une partie du sol conserve une température égale ou inférieure à 0 ºC durant une longue période. L’été y étant souvent très court, le sol reste gelé en profondeur. Le pergélisol est présent dans une vaste partie du Grand Nord canadien. Le pergélisol est la partie du sol considérée comme gelée en permanence pendant au moins deux années consécutives. 286

TERRE ET ESPACE

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te 7.1

Le réchauffement climatique actuel menace le pergélisol. Cela entraîne de nombreuses conséquences, dont : • la libération de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) atmosphériques, deux puissants gaz à effet de serre produits par l’action des microorganismes ; • des glissements de terrains provoqués par les sols plus meubles ; • l’instabilité des bâtiments et des routes causée par l’instabilité des sols (voir la figure 3) ; • la fonte de la banquise et, par conséquent, la disparition du lieu de reproduction de certaines espèces animales et la diminution de la nourriture disponible ; • des inondations.

Fgu 3 L’ffssmn d bâmns s un ds conséquncs du dégl du gélsol.

Activités 7.1.1 à 7.1.3 1

Lequel des énoncés suivants est vrai en ce qui concerne le minerai ? a ) Toutes les roches de la lithosphère sont des minerais. b ) Le minerai est un composant de la roche. c ) On exploite le minerai uniquement pour en tirer des minéraux métalliques tels que l’or ou le zinc. d ) Un minerai est une roche qui contient une quantité appréciable de minéraux utiles et dont l’exploitation est rentable.

2

À quel terme correspond chacun des énoncés suivants ? Inscrivez, dans chaque case, le numéro du terme approprié. 1) Minéral

2) Minerai

3) Roche

a ) Amalgame de différents minéraux formé sous l’effet de la chaleur et de la pression. b ) Élément du tableau périodique. c ) Gravier utilisé comme fondation dans la construction de routes. d ) Roche extraite du sol pour en tirer de l’or. e ) Exploitation de gisements de sel par les Mines Seleine aux Îles-de-la-Madeleine. 3

Indiquez les horizons du sol impliqués dans chacune des activités suivantes. Activités

Horizons du sol

a ) Construction de pilotis pour soutenir un pont. b ) Racler les feuilles mortes à l’automne. c ) Exploitation minière à 1,9 km de profondeur. d ) Planter des fleurs dans un jardin.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

287

4

Quelles seraient les conséquences d’un déversement acide dans une région où le sol est sableux et où l’agriculture ne peut être pratiquée ? Entourez l’énoncé approprié a ) Le déversement serait neutralisé par les habitants locaux qui étendraient un produit basique au sol pour compenser l’absence de la couche superficielle et de la terre arable. b ) Le déversement ne créerait aucun dommage, puisque l’acide n’a aucun impact sur le sol. c ) L’absence de la couche superficielle et de la terre arable, toutes deux riches en matières organiques et minéraux, ne permet pas de neutraliser le déversement d’une telle substance. d ) Le déversement pourrait être neutralisé malgré l’absence de la couche superficielle, car les minéraux du sol sableux, vu leur capacité tampon, ont la possibilité de contrecarrer les impacts de l’acide.

5

Le réchauffement climatique crée plusieurs bouleversements dans toutes les régions du globe, particulièrement dans les régions nordiques. Lequel des phénomènes suivants n’est pas directement lié au dégel du pergélisol ? a ) L'augmentation du niveau de la mer causée par la fonte des glaciers. b ) L'effondrement de routes construites pour accéder à la baie d’Hudson. c ) L'émergence de bactéries et de virus capables de vivre des centaines d’années en dormance et responsables de maladies. d ) La production accentuée de méthane et de dioxyde de carbone, liés au métabolisme de micro­ organismes présents dans le sol.

6

Lequel des énoncés suivants décrit un impact réel du dégel du pergélisol sur les horizons O et A du sol ? a ) L’apparition d’espèces végétales qui croissent habituellement dans les régions plus tempérées. b ) L’augmentation de l’albédo étant donné le couvert de neige plus important (surface réfléchissante). c ) Une diminution de la température de ces horizons, vu le couvert de neige plus important. d ) Une meilleure capacité d’absorption de l’eau, car l’épaississement de ces horizons augmente la quantité d’humus et de terreaux qu'ils renferment.

7

Le maire d’une petite communauté du Nunavut, au nord du Canada, propose un plan d’action en réaction au dégel du pergélisol, conséquence directe du réchauffement climatique. Ces changements bouleversent la vie économique du village. Cochez les éléments dont le maire devrait tenir compte dans son budget de la prochaine année pour atténuer les répercussions liées à ce dégel. a ) L’achat de masques à gaz pour protéger la population des émissions importantes de gaz à effet de serre. b ) La vérification régulière de la stabilité des infrastructures, car les glissements ou les affaissements de terrain seront de plus en plus fréquents. c ) La construction d’une nouvelle route d’accès résistant aux variations des températures sans s’affaisser. d ) L’aménagement d’un jardin communautaire (culture de fruits et de légumes). e ) L’aménagement d’une plage propice à la baignade vu le climat plus chaud. f ) Le remplacement de conduites souterraines présentant des fissures dues au gel et au dégel.

288

TERRE ET ESPACE

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te 7.1

7.1.4

La contamination des sols

STE

Notre mode de vie est en grande partie responsable de la pollution de l’environnement. Cette pollution génère des résidus toxiques dont les sols ne peuvent pas disposer de façon naturelle. La conmnon du sol se produit lorsque la concentration d’une subs­ tance toxique dans le sol est supérieure à la normale. Une fois infiltrés dans le sol, les contaminants sont entraînés par les eaux de pluie vers les cours d’eau et la nappe phréatique. Ils peuvent alors être absorbés par les végétaux, se répandre dans les chaînes alimentaires et contaminer l’ensemble des organismes, y compris les êtres humains. Le tableau 2 présente quelques exemples de contamination des sols. TABLEAU 2

Des exemples de contamination des sols

Types de contaminants

Sources

Contaminants

Impacts sur l’environnement

Organiques

• Industrie agro­ alimentaire • Industrie pétrolière

• Pesticides, insecticides, engrais, déjections, lisier • Hydrocarbures (pétrole)

• Contamination des cours d’eau, des lacs et de la nappe phréatique • Contamination de la faune et de la flore • Eutrophisation des plans d’eau

Inorganiques

• Sites d’enfouisse­ ment de déchets • Industrie minière • Industrie chimique

Acides (ou pluies acides), métaux lourds tels que : plomb (Pb), mercure (Hg), zinc (Zn), cadmium (Cd), nickel (Ni), arsenic (As)

• Contamination des cours d’eau, des lacs et de la nappe phréatique • Contamination de la faune et de la flore

Radioactifs

• Industrie nucléaire • Armes nucléaires (ogives nucléaires, sous­marins nucléaires)

Déchets nucléaires (substances radioactives)

En cas d’accident nucléaire : possibilité de malformations, mutations généti­ ques et cancers

La capacité tampon des sols Les acides sont des contaminants importants. Ils proviennent de sources naturelles, par exemple les éruptions volcaniques, ou de sources anthro­ piques (activités humaines), par exemple la transformation de certains minéraux et le ruissellement des eaux des sites d’enfouissement ou des centrales au charbon. Ces dernières libèrent les oxydes de soufre à l’origine des pluies acides. Ils peuvent être en partie neutralisés par le sol, qui a la capacité de résister aux variations du pH. La ccé mon ds sols est la capacité qu’ont certains sols à résister, à divers degrés, à des variations du pH. La capacité tampon dépend du type de sol. Elle comporte des avantages et des désavantages, comme le montre le tableau 3 à la page suivante.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

289

TABLEAU 3

Les types de sol en fonction de leur capacité tampon

Type de sol

Capacité tampon

Avantages et désavantages

Limoneux (riche en matière organique)

Bonne

Avantages • Permet de meilleurs échanges de nutriments. • Accroît la quantité de bactéries et la diversité des vers de terre qui effectueront une meilleure décomposition de la matière organique qui enrichit naturellement les sols.

Sableux

Faible

Désavantages • Lessivage d’ions potentiellement toxiques (Al3+, Zn2+, B3+, etc.) pour les végétaux et susceptibles de contaminer la nappe phréatique. • Mauvaise absorption de l’eau par les végétaux. • Prolifération de bactéries et de champignons qui entrent en compétition pour les éléments nutritifs des cultures.

La biodégradation des polluants Certaines activités humaines peuvent entraîner le rejet de polluants dans l’environnement. Le domaine des biotechnologies a donc développé des procédés pour remédier aux dommages causés par divers contaminants. Ces procédés font appel à la biodégradation. La biodégradation est un processus naturel qui met à profit le rôle des décomposeurs. En se nourrissant de déchets organiques ou de minéraux, ceux-ci produisent de la matière inorganique non dommageable pour l’environnement. Deux procédés de biodégradation sont principalement utilisés par l’industrie de la décontamination : la biorestauration et la phytoremédiation.

La biorestauration Ce procédé consiste à utiliser des microorganismes pour décontaminer un site. Plusieurs bactéries et champignons peuvent vivre dans des conditions extrêmes, consommer, puis détruire des substances inusitées, souvent toxiques pour l’environnement (voir la figure 4).

Substances dégradées par des décomposeurs (bactéries, champignons)

Hydrocarbures Solvants Plastiques

Figure 4

Produits de la décomposition

CO2 + H2O ou différentes molécules moins toxiques pour l’environnement

Des exemples de substances décomposables à l’aide du procédé de biorestauration.

Lorsque les bactéries ne sont pas présentes naturellement en quantité suffisante pour décontaminer un site de façon efficace et rapide, les scientifiques ont recours à la biostimulation ou à la bioaugmentation. 290

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tE 7.1

Par la biostimulation, on cherche à favoriser la croissance des bactéries et leur activité métabolique en ajoutant au milieu les éléments nécessaires : subs tances nutritives et dioxygène. La multiplication des bactéries est aussi facilitée par le brassage du sol qui permet un apport supplémentaire en dioxygène, par une humidification ou par un ajout d’engrais approprié (voir la figure 5). La bioaugmentation permet quant à elle un apport supplémentaire de microorganismes sur le terrain, lesquels sont utilisés spécifiquement pour la décontamination d’un polluant donné.

Fgue 5 L bosmulon. De l’engrais préalablement mélangé à l’eau est répandu sur le site. Du dioxygène est incorporé à la solution grâce à la puissance des jets d’eau.

La phytoremédiation Les végétaux peuvent eux aussi servir à décontaminer un site. Ils absorbent les contaminants présents dans le sol pour les stocker dans leurs feuilles, leurs tiges et leurs racines. Certains microorganismes bénécient ainsi d’un milieu riche en carbone à proximité des racines de ces végétaux. En retour, ils favorisent leur croissance en apportant des nutriments essentiels aux végétaux après les avoir métabolisés. Par leur croissance, les racines contribuent à stimuler l’activité des microorganismes responsables de la biorestauration. Elles empêchent aussi certains métaux lourds et le mercure de contaminer les horizons inférieurs du sol ainsi que la nappe phréatique. Parmi les plantes les plus utilisées, on trouve des fougères, le chou, la citrouille, le tournesol, et certains arbres comme le peuplier et le saule (voir la figure 6). Bien entendu, les végétaux utilisés dans la phytoremédiation deviennent impropres à la consommation. Ils doivent être traités, après leur récolte, afin de disposer des substances contaminantes qu’ils contiennent.

A

B

Fgue 6 Exemle de végéux ulsés dns l yoemédon. A D unl. B Un ul (Salix viminalis).

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ChapitrE 7 La Lithosphère et L’hyDrosphère

291

Activités 7.1.4 1

STE

Vos voisins souhaitent planter un arbre pour souligner la naissance de leur premier enfant. Ils croient cependant que le sol trop acide de leur propriété empêchera l’arbre de grandir. Lesquelles des options suivantes leur permettraient de remédier à la situation ? a ) Ajouter de la terre riche en humus et en minéraux pour maximiser la capacité tampon du sol. b ) Faire un test avec un indicateur ou du papier pH. c ) Avoir recours à la phytoremédiation. d ) Ajouter de l’eau pour garder le milieu constamment humide. e ) Ajouter de la chaux, une base, capable de neutraliser l’acidité du sol.

2

Reliez l’objet représenté dans chaque activité au contaminant qu’il produirait à la suite de son enfouissement dans une décharge. Puis, reliez le contaminant à son action sur l’environnement. Activité

Contaminant 1) Métaux lourds dans

Action du contaminant i)

Contamination du sol par des métaux lourds et toxiques, et potentiellement de la nappe phréatique.

2) Plastique

ii)

Contamination de la nappe phréatique par un hydrocarbure.

3) Huile souillée

iii) Contamination du sol avec des déchets non biodégradables pouvant libérer des composés toxiques et atteindre la nappe phréatique.

les circuits imprimés et la pile

a ) Utiliser un téléphone cellulaire.

b ) Vidanger l’huile d’une voiture.

c ) Emballer les emplettes à l’épicerie.

292

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te 7.1

Lisez le texte suivant et répondez ensuite aux questions 3, 4 et 5.

D élv éudn l mécnqu umbl ’ffn à m n qu l âc lé à lu fuu mé. L b umbl ugé qu’l uln dn lu cu qu n né dn un cnnn, à l’xéu. Mluumn, c dn l fu l’cd cnnu dn l b. C fâcu un ’ du u l n d dux écl. L ccéqu du l vnn l dux éblmn n dnné c-du. • École LeSieur : l l vnn l’écl  fl (c n mnéux, déb végéux, c.) • École Fatima : l l vnn l’écl  blux. 3

La fuite d’acide sur le sol avoisinant les deux écoles contaminera-t-elle les deux sites ? Entourez la réponse dont l’explication est appropriée. a ) Oui, car l’acide qui s’écoule sur le sol vient modifier l’équilibre de l’écosystème local. b ) Oui, mais celui de l’école Fatima le sera davantage, car son sol est sableux. c ) Non, car l’acide est trop vieux et n’a plus aucun effet sur le sol qui est naturellement acide. d ) Non, car l’acide qui s’écoule sur le sol ne sera pas absorbé par ce dernier.

4

Compte tenu du type de sol avoisinant chaque école, lequel subira un moins grand impact à la suite de l’écoulement acide qui s’est produit ? a ) Le sol avoisinant l’école LeSieur, où poussent des végétaux pouvant servir à sa décontamination au moyen de la phytoremédiation. b ) Le sol avoisinant l’école Fatima qui, contrairement à l’école LeSieur, est situé près d’un cours d’eau où peut s’écouler l’acide après avoir ruisselé dans un sol sableux. c ) Le sol avoisinant l’école LeSieur, dont la terre est riche en humus et en minéraux et qui, par conséquent, possède une meilleure capacité tampon pour répondre aux variations de pH. d ) Le sol avoisinant l’école Fatima, dont la nature sableuse permet de récupérer plus facilement les contaminants par procédés physicochimiques (filtration).

5

Si une fuite de mazout (un composé dérivé du pétrole) contaminait le sol avoisinant les deux écoles, quel procédé de biodégradation des polluants permettrait de décontaminer efficacement et rapidement chacun de ces sites ? Justifiez votre réponse. B iorestauration

P hytoremédiation

J ustification :

6

Non loin de chez vous, un champ jadis contaminé par des métaux lourds est cultivé depuis un an. Des choux y poussent en abondance. Un ami arrive chez vous et vous dit : « Regarde-moi ce chou ! Je l’ai cueilli dans un champ, pas loin… Il me semble parfait pour ma fameuse soupe aux choux ! » Selon vous, ce chou est-il comestible ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hyDrosphère

293

7

La pire catastrophe nucléaire répertoriée a eu lieu à Tchernobyl, en Ukraine, le 26 juin 1986 : un réacteur nucléaire a explosé. L’explosion et la concentration de matières radioactives dans l’atmosphère ont entraîné la mort de centaines de milliers de personnes. En avril 2011, un nouvel accident nucléaire est survenu au Japon. Certains ont qualifié cet accident de « catastrophe comparable à celle de Tchernobyl ».

12 avril 2011

L’accident de Fukushima classé au même niveau que Tchernobyl L’Agence japonaise de sûreté nucléaire a élevé, mardi 12 avril 2011, l’accident nucléaire de la centrale de Fukushima-1 au niveau maximum de 7 sur l’échelle des événements nucléaires et radiologiques (INES), le plaçant au même degré de gravité que la catastrophe de Tchernobyl. Elle a toutefois précisé que le niveau des émissions radioactives enregistré depuis le début de l’accident nucléaire n’équivalait qu’à 10 % de celui mesuré en 1986 après la catastrophe de la centrale située en Ukraine. « Nous n’avons pas déploré les mêmes irradiations de personnes. Il y a eu des rejets à Fukushima de vapeurs et de fumées, mais pas de même ampleur ni de même nature qu’à Tchernobyl », a mis en exergue un porteparole de l’Agence [...].

Preuve de la gravité de la situation, des traces de strontium, un élément hautement radioactif produit par la fission nucléaire, ont été trouvées pour la pre mière fois dans les sols et dans des plantes près de la centrale.

Source : Le Monde.fr, 12 avril 2011 (page consultée le 13 mars 2012). L’article complet est accessible à l’adresse : http://www.lemonde.fr/japon/article/2011/04/12/tokyo-eleve-au-niveau-7-l-accident-nucleaire-dans-la-centrale-de-fukushima_1506185_1492975.html

Des éléments radioactifs, tels le césium 137 (Cs-137) et l’iode 131 (I-131), ont été relâchés dans l’environnement à la suite de l’accident nucléaire de Fukushima. Ceux-ci présentent un réel danger pour la santé : problèmes de glande thyroïde, développement de cancer à long terme, etc. Sachant que le césium 137 met environ 30 ans pour perdre la moitié de sa radioactivité, la biorestauration est-elle envisageable pour décontaminer le site de Fukushima ? Entourez la réponse dont l’explication est appropriée. a ) Non, car les bactéries ne peuvent pas se multiplier en terrain inondé, après le passage d’un tsunami. b ) Non, car les bactéries sont beaucoup trop petites ; il en faudrait un nombre astronomique pour parvenir à éliminer le césium 137 présent dans le sol. c ) Oui, bien que la demi-vie du césium 137 soit de 30 ans, il existe des bactéries pouvant débarrasser le sol de cet élément radioactif. d ) Oui, mais puisque la demi-vie du césium 137 est de 30 ans, il faudra attendre de nombreuses années avant d’obtenir des résultats.

294

TERRE ET ESPACE

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te 7.1

7.1.5

L’épuisement des sols

STE

L’activité humaine a parfois des impacts négatifs sur les sols. L’éusmn ds sols se traduit par une perte d’éléments nutritifs, ce qui en diminue la fertilité. Divers facteurs permettent d’expliquer comment certaines activités agricoles, forestières et minières contribuent à l’épuisement des sols (voir le tableau 4). TABLEAU 4

Les principaux facteurs causant l’épuisement des sols

Facteurs causant l’épuisement des sols

Exemples d’activités

Impacts sur le sol

Érosion

Déforestation (coupes à blanc)

• Elle prive le sol de la couverture végétale (racines, humus) qui favorise sa porosité et limite le ruissellement. • Les sols déboisés subissent une érosion plus importante, ce qui entraîne une perte de minéraux et de matières organiques.

Dégradation physique

Utilisation de machinerie lourde

• Les machines entraînent le compactage du sol, ce qui diminue l’aération de ce dernier et l’absorption de l’eau, et nuit au développement des végétaux.

Urbanisation

• Elle entraîne la disparition des sols, due à l’étalement urbain. • Elle entraîne la coupe massive d’arbres qui soutiennent le sol avec leurs racines et le protègent de l’érosion.

Agriculture intensive et monoculture

• Elles empêchent le sol de se régénérer en sollicitant constamment les mêmes minéraux, rendant ceux-ci de plus en plus rares. • L’appauvrissement du sol rend les cultures plus difficiles et entraîne alors l’utilisation massive d’engrais.

Contamination chimique (déversements de produits toxiques, accidents écologiques, etc.)

• Elle lessive le sol de certains minéraux. • Les minéraux demeurant en place deviennent inutilisables par les végétaux.

Dégradation chimique

Activités 7.1.5 1

STE

Parmi les activités suivantes, lesquelles contribuent à l’épuisement des sols ? Cochez toutes les bonnes réponses. a ) Le transfert de l’agriculture traditionnelle vers l’agriculture biologique. b ) La rotation des cultures dans les bacs d’un jardin communautaire. c ) L’ajout de nouvelles pistes de ski dans une station vouée à cette activité. d ) Le reboisement d’une zone sinistrée. e ) La perte du chargement d’un camion-citerne (mazout).

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

295

2

Pour chaque illustration, nommez : a ) l’activité responsable de l’épuisement du sol ; b ) l’impact de cette activité sur le sol.

3

a)

a)

a)

b)

b)

b)

Flairant la bonne affaire, des investisseurs étrangers ont acheté, depuis une dizaine d’années, des terres dans la plaine du Saint-Laurent, en Montérégie, afin d’y faire pousser du canola. Aujourd’hui, ces investisseurs sont inquiets. Depuis cinq ans, ils voient les récoltes baisser de façon significative, soit d’environ 35 %. a ) Peut-on affirmer que les sols des terres de ces investisseurs sont épuisés ?

b ) Donnez deux conseils aux propriétaires de ces terres pour que la prochaine saison des récoltes soit plus fructueuse.

4

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions à la page suivante.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

La déforestation La croissance mondiale entraîne souvent des coupes massives d’arbres afin d’obtenir les terres agricoles nécessaires, entre autres, aux plantations de céréales destinées à l’alimentation. Or, le bois étant coupé à un rythme supérieur au reboisement, on assiste à la déforestation de vastes territoires dont les impacts sur l’environnement sont importants : habitats détruits ou grandement modifiés, survie menacée et extinction progressive de certaines espèces. Ces coupes à blanc mènent lentement à la désertification et à l’appauvrissement des sols (voir le tableau 4, à la page 295).

296

TERRE ET ESPACE

Des solutions ? L’agroécologie, qui allie l’agriculture, la protection et la régénération de l’environnement, semble une approche efficace. Ses techniques incluent : le contrôle biologique (lutte contre les maladies par des prédateurs naturels), l’agroforesterie (arbres et cultures en un site), le stockage naturel de l’eau, l’utilisation de fumier biologique et le mélange culture-bétail. En matière de reboisement et d’agroforesterie, une règle s’impose : inclure une variété d’espèces.

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te 7.1

Gâc à c dvé, l’n d’un mld u d’un  cbln un c écfqu n’mêc  l u végéux d u mlgé l nu n d lu é. D lu, l uc  l mnéux ué du l vn ln l végéux, c qu n évn l’éumn. C dvé végél  u dv d c nml, cén un mlu lu équlbé  éln à l’n d’élémn nubl ’qun à un d c

én.

a ) Pourquoi les coupes à blanc mènent-elles lentement à la désertification des territoires ? Entourez l’énoncé approprié. 1) Elles rendent le paysage désertique, vu l’absence de végétation résultant des coupes à blanc. 2) Elles transforment le relief, qui prend la forme de dunes sablonneuses et de vallées non propices à l’agriculture. 3) Elles mettent à nu les sols, ce qui en accroît l’érosion, puis le ruissellement tout en diminuant la rétention des minéraux et des nutriments nécessaires à la croissance des végétaux. 4) Elles exposent les sols à l’érosion, ce qui favorise l’arrivée de nouvelles bactéries pathogènes et nuisibles pour la régénération des espèces végétales et la survie des espèces animales. b ) Au Québec, des feux ravagent chaque année des milliers d’hectares de forêt. À l’été 2011, 299 incendies de forêt ont détruit une superficie de 2 500 hectares. L’épinette noire est une espèce souvent utilisée pour le reboisement. Cochez les désavantages associés au reboisement à l’aide d’une seule espèce d’arbres sur un territoire. 1) Risques élevés de ravage causé par les parasites ou les maladies. 2) Diminution de l’attrait visuel vu l’uniformité du paysage ainsi créé. 3) Présence d’une forte odeur de sapinage. 4) Diminution de la biodiversité du nouvel habitat créé par une seule espèce d’arbres et attrait d’un nombre restreint d’espèces animales pour celui-ci. 5) Compactage du sol vu l’utilisation de machinerie lourde utile à la plantation des épinettes. 6) Épuisement des sols vu l’unique espèce végétale présente. c ) Comment l’agroécologie contribue-t-elle à minimiser l’épuisement des sols ? 1) Elle prône l’utilisation de fertilisants et d’insecticides afin de faire pousser plus rapidement les végétaux dans le but d’alterner les cultures. 2) Elle interdit l’élevage de bétail afin de limiter le compactage du sol en plus de réduire les émissions de gaz à effet de serre. 3) Elle préconise le drainage des terres afin d’éviter le ruissellement et, conséquemment, le lessivage des minéraux et l’érosion des sols. 4) Elle préconise l’alternance de diverses formes de cultures, l’utilisation de fertilisants et de prédateurs naturels par le jumelage culture-bétail.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hyDrosphère

297

7.1.6

Les ressources énergétiques de la lithosphère

La lithosphère comprend de nombreuses ressources énergétiques qui peuvent être regroupées en quatre catégories : les énergies fossiles, la biomasse, l’énergie nucléaire et la géothermie. Les ressources énergétiques de la lithosphère correspondent aux énergies provenant du sol qui sont exploitées, transformées et utilisées grâce à divers procédés technologiques.

Les énergies fossiles Ce type d’énergie est obtenu par la combustion de combustibles fossiles, dont le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Comme ces combustibles prennent des millions d’années à se former, ils sont considérés comme non renouvelables. Les combustibles fossiles permettent de répondre à environ 80 % des besoins énergétiques mondiaux actuels. Au début des années 2010, la production d’électricité à partir des centrales thermiques au charbon était le mode de production d’électricité le plus répandu dans le monde. La figure 7 décrit le principe de fonctionnement des centrales qui utilisent les combustibles fossiles pour produire de l’électricité.

Gaz de combustion Génératrice

Cheminée Chaudière

Turbine à vapeur

3

Réserve d’eau froide

4

4 Les pales de la turbine sont actionnées en rotation par la force de la vapeur d’eau.

1

Arrivée d’air

Brûleurs

Pompe

Arrivée du combustible

Figure 7

298

2 La chaleur produite chauffe l’eau de la chaudière et la transforme en vapeur. 3 La vapeur est conduite à pression élevée vers la turbine.

5

2

1 Le combustible brûlé dans la chambre à combustion dégage une importante quantité de chaleur. Les gaz de combustion sont évacués par une cheminée.

Circuit de refroidissement

5 La turbine entraîne la génératrice dans un mouvement de rotation afin de produire l’électricité. La vapeur ensuite refroidie retourne dans la chaudière sous forme liquide. L’eau ainsi obtenue peut être chauffée de nouveau.

Le fonctionnement d’une centrale thermique.

TERRE ET ESPACE

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te 7.1

L’exploitation des énergies fossiles présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 5). Elle a un impact négatif sur l’environnement. TABLEAU 5

Les avantages et les désavantages des énergies fossiles Avantages

• Faibles coûts de construction des centrales thermiques. • Peuvent être construites un peu partout. • Faibles coûts d’entretien.

Désavantages • Énergie non renouvelable. • Production de CO2 (gaz à effet de serre). • Émissions de NOx, de SO2 et de SO3, responsables des pluies acides. • Contamination des sols et de l’eau par l’exploitation et le transport des combustibles.

La biomasse La biomasse est l’ensemble de la matière organique qui compose tous les êtres vivants et leurs résidus. Utilisée depuis des milliers d’années, l’énergie de la biomasse provient du bois, du maïs et d’autres matières végétales, des déchets d’origine animale ou alimentaire ainsi que des détritus trouvés dans les décharges municipales. Divers procédés appliqués dans des centrales de biomasse permettent de convertir la biomasse en énergie sous forme : • de chaleur, utilisée pour chauffer et produire de l’électricité ; • de combustibles gazeux, dont le méthane, utilisé entre autres pour alimenter des chaudières destinées au chauffage de grands immeubles ; • de combustibles liquides, tel l’alcool (éthanol), surtout utilisé comme additif à l’essence. L’exploitation de la biomasse présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 6). TABLEAU 6

Les avantages et les désavantages de la biomasse Avantages

Désavantages

• Énergie renouvelable, à condition que sa régénération soit égale ou inférieure à sa consommation. • Vastes ressources de biomasse au Canada. • Énergie indépendante des facteurs météorologiques. • Énergie stockable. • Économie des ressources non renouvelables comme le pétrole.

• Production de CO2 et de CH4, d'importants GES, due à l’utilisation d’engrais, de machines agricoles, de moyens de transport et de systèmes de traitement. • Érosion et disparition de la couche superficielle et de la terre arable causées par l’utilisation des résidus de récolte comme combustible. • Contamination de l’air résultant de la combustion de la biomasse. • Pression accrue sur l’environnement causée par l’utilisation d’espaces destinés à la production de la biomasse et par une consommation d’eau importante.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

299

L’énergie nucléaire L’énergie nucléaire est obtenue principalement par la fission de l’uranium. La fission nucléaire est un processus par lequel on brise le noyau des atomes afin de produire une très grande quantité de chaleur (voir la figure 8).

Vapeur d’eau Chaudière

1 La fission de noyaux d’uranium dans le réacteur dégage une importante quantité de chaleur.

Turbine à vapeur

2 La chaleur produite chauffe l’eau de la chaudière et la transforme en vapeur.

3

2

3 La vapeur est conduite à pression élevée vers la turbine.

5

4

4 Les pales de la turbine sont actionnées en rotation par la force de la vapeur d’eau.

1

Pompe Réacteur

Figure 8

Réserve d’eau froide Génératrice

5 La turbine entraîne la génératrice dans un mouvement de rotation afin de produire l’électricité.

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire.

L’exploitation de l’énergie nucléaire présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 7). TABLEAU 7

Les avantages et les désavantages de l’énergie nucléaire Avantages

Désavantages

• Excellent rendement. • Technologie fiable. • N’émet aucun gaz à effet de serre.

• Énergie non renouvelable. • Génère des déchets radioactifs. • Risques d’incidents nucléaires entraînant la dissémination de rejets radioactifs dans l’atmosphère et, par conséquent, une contamination à long terme de l’air et du sol. • À court et à moyen terme : brûlures et malformations génétiques chez les personnes exposées aux radiations.

La géothermie Dans les profondeurs de la Terre se trouvent des roches qui contiennent une grande quantité d’énergie thermique. Cette chaleur, une fois amenée à la surface, peut soit produire de l’électricité, soit chauffer directement des bâtiments (voir la figure 9, à la page suivante). L’exploitation de l’énergie géothermique est plus courante dans les régions où les roches chaudes se trouvent près de la surface du sol, comme dans les régions volcaniques ou encore dans les régions situées à la rencontre de plaques tectoniques, où l’activité volcanique est présente.

300

TERRE ET ESPACE

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te 7.1

Électricité

Chauffage 1

2

1

80˚

1 Des tuyaux transportent un liquide caloporteur (mélange eau-antigel) vers les sous-sols. 2 Le liquide caloporteur se réchauffe et remonte à la surface pour transmettre cette chaleur à une pompe thermique, à un système de circulation d’air ou encore à un ensemble turbine-génératrice afin de produire l’électricité.

2

180˚

Fgu 9

L nc d fonconnmn d’un cnl géomqu.

L’exploitation de la géothermie a peu d’impact négatif sur l’environnement. Cette forme d’énergie présente de nombreux avantages : • Elle ne dépend pas des facteurs météorologiques. • Elle utilise une ressource renouvelable. • Elle permet d’économiser les ressources non renouvelables comme le pétrole. • Elle n’émet aucun gaz à effet de serre.

Activités 7.1.6 1

L’Agence internationale de l’énergie prévoit que d’ici 2025, la consommation mondiale des ressources énergétiques fossiles sera de loin supérieure à celle des énergies renouvelables. Quelles seront les conséquences possibles de l’augmentation de la consommation mondiale de ce type d’énergie ? a ) Une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. b ) Une augmentation de la biomasse. c ) Une augmentation des précipitations acides. d ) Une augmentation des températures moyennes due à l’accentuation de l’effet de serre renforcé. e ) La construction de nouvelles centrales nucléaires.

2

En 2009, l’Agence internationale de l’énergie atomique prévoyait qu’entre 2006 et 2030, la demande mondiale d’électricité augmenterait de 80 %, nécessitant la construction de nombreux réacteurs nucléaires. Sur le plan environnemental, en quoi est-il avantageux que des pays émergents tels la Chine et l’Inde se tournent vers la production d’électricité provenant du nucléaire ? Entourez l’énoncé approprié. a) Le Canada, premier producteur mondial d’uranium, peut tirer profit de la vente de ce minerai à ces pays. b) Ce mode de production d’électricité produit peu de gaz à effet de serre. c) L’utilisation de l’énergie nucléaire permet de réduire l’exploitation d’autres ressources non renouvelables telles le charbon et le pétrole. d) Ce mode de production d’électricité est le plus fiable et sans risque pour ces populations très nombreuses.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

301

Observez bien le diagramme à bandes suivant, puis répondez aux questions 3 et 4. La comparaison des émissions de GES entre l’automobile à essence et l’automobile électrique lors de leur fabrication et de leur utilisation (2015) Auto à essence

Auto électrique

350

Fabrication Utilisation Fabrication et utilisation

Émissions de GES (g de CO2/km)

300

250

200

150

100

50

0 Pétrole

Carburant diesel

Charbon

Gaz naturel

Géothermie

Solaire

Éoliennes

HydroNucléaire électricité

Ressources énergétiques utilisées pour recharger la pile de l’automobile électrique Source des données : http://www.ucsusa.org/sites/default/files/attach/2015/11/Cleaner-Cars-from-Cradle-to-Grave-full-report.pdf

3

4

302

Parmi les ressources énergétiques suivantes, utilisées pour recharger la pile de l’automobile électrique, lesquelles permettent de réduire les émissions de GES occasionnées par la fabrication et l’utilisation de ce véhicule ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) C arburant diesel

4) G az naturel

7) N ucléaire

2) Charbon

5) H ydroélectricité

8) S olaire

3) Éoliennes

6) G éothermie

L’utilisation de l’automobile électrique produit-elle moins de gaz à effet de serre (GES) que l’utilisation de l’automobile à essence ? Justifiez votre réponse.

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te 7.2

5

On utilise divers systèmes technologiques pour transformer l’énergie en électricité. Les composantes qui figurent dans le tableau ci-dessous sont des exemples de systèmes technologiques utilisés dans une centrale thermique. Expliquez le rôle de chacune de ces composantes dans le processus de production d’électricité. Composante

Rôle

Combustible fossile

Turbine

Génératrice

6

Pour produire de l’électricité, quel est l’avantage d’utiliser : a ) l’énergie nucléaire plutôt que celle provenant des centrales thermiques ?

b ) l’énergie de la biomasse plutôt que celle provenant des centrales thermiques au charbon ?

c ) l’énergie géothermique plutôt que celle de la biomasse ?

7.2 L’hydrosphère Dans les sections suivantes, vous explorerez les différents aspects de l’hydrosphère, cette importante ressource énergétique renouvelable. Sur les continents, les précipitations s’écoulent en fonction du relief et des caractéristiques du sol. C’est ainsi que l’eau s’accumule et circule à l’échelle de vastes territoires. Sous l’effet de la gravité, l’eau s’écoule du haut (en amont) vers le bas (en aval) et selon la dénivellation du terrain. Ce ruissellement définit des lignes imaginaires qui relient les points les plus hauts des reliefs (voir la figure 10, à la page suivante). Les lignes délimitant ces territoires se nomment « lignes de crête » ou « lignes de partage des eaux ». Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

303

7.2.1

Les bassins versants

Un bassin versant est une partie du territoire, délimitée par des lignes de crête, qui draine les précipitations vers une rivière, les eaux souterraines ou un réseau de cours d’eau.

Ligne de crête

Figure 10 Le schéma d’un bassin versant. L’eau des précipitations ruisselle vers des bassins versants différents selon qu’elle tombe d’un côté ou de l’autre de la ligne de crête. Le ruissellement entraîne de fines particules, des matières organiques provenant de la surface des sols et des substances dissoutes.

En général, les petits bassins versants font partie de bassins plus grands. Par exemple, le bassin versant de la rivière Saguenay, qui draine les eaux du lac Saint-Jean et de nombreuses rivières, fait partie du bassin versant du fleuve Saint-Laurent, puisque la rivière Saguenay se jette dans le fleuve. Certaines activités humaines ont des effets importants sur les bassins versants (voir le tableau 8). TABLEAU 8

Des exemples d’impacts des activités humaines sur les bassins versants

Activités humaines

304

Impacts sur les bassins versants

Déforestation

• Augmentation de l’écoulement des eaux de surface causant une érosion importante du sol. • Envasement de cours d’eau. • Glissements de terrain. • Inondations.

Agriculture et élevage

• Modification de l’équilibre des écosystèmes et contamination des eaux souterraines due à l’utilisation d’engrais et à l’irrigation.

Exploitation minière

• Contamination des eaux souterraines due au lessivage de produits toxiques résiduels générés par le traitement des minerais.

Urbanisation

• Modification des écosystèmes et des habitats due à l’altération du débit des sources s’écoulant vers le bassin. • Détournement de l’écoulement des cours d’eau (à l’aide de réservoirs, par exemple) menant parfois à leur assèchement.

TERRE ET ESPACE

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te 7.2

7.2.2

La salinité

Composition ionique des sels

La salinité est un des facteurs qui différencient l’eau de mer de l’eau douce (voir la figure 11). La slné correspond à la quantité de sels minéraux dissous dans un volume déterminé de liquide. Plus la salinité de l’eau est élevée, plus la masse volumique de l’eau est grande et, inversement, moins la salinité est élevée, moins la masse volumique de l’eau est grande. Ainsi, en raison de la quantité de sels minéraux contenus dans les océans, l’eau de mer a une masse volumique plus élevée (1,025 g /mL) que celle de l’eau douce (un peu moins de 1 g /mL). Un même corps flottera donc plus facilement s’il est plongé dans l’eau salée que s’il est plongé dans l’eau douce. L’eau saumâtre, quant à elle, est un mélange d’eau douce et d’eau salée. On trouve des eaux saumâtres là où l’eau douce des continents atteint les océans, à l’embouchure des fleuves, dans les estuaires ou les deltas par exemple. Comme elle est salée, l’eau de mer n’est pas potable, c’est-à-dire qu’on ne peut pas la boire. La principale source d’eau potable est l’eau douce (voir la rubrique Problématique environnementale à la page 308). L’eau est dite « potable » seulement lorsqu’elle répond à certains critères qui font l’objet de contrôles et d’analyses. Par ailleurs, la plus grande partie des réserves d’eau douce de la planète se trouve sous forme de neige ou de glace.

Sodium (Na+) Chlorures (Cl−) Magnésium (Mg2+) Sulfates (SO 42−) Calcium (Ca2+) Potassium (K+) Autres ions

Eau 96,5 %

30,6 % 55,0 % 3,7 % 7,7 % 1,2 % 1,1 % 0,7 %

Sels 3,5 %

Une petite partie des sels de l’eau de mer provient de l’eau douce des bassins versants fluviaux qui se déverse dans les océans. Ces sels proviennent de l’érosion des roches de la lithosphère par les eaux de ruissellement et les eaux souterraines. La plus grande partie des sels provient de l’activité volcanique et des sources sous-marines situées le long des dorsales océaniques.

Fgu 11 L comoson d l’u d m.

Activités 7.2.1 et 7.2.2 1

Pour chacune des illustrations ci-dessous, répondez aux questions suivantes. a ) Tracez, à l’aide d’un pointillé, les lignes de crête qui délimitent chacun des bassins versants illustrés. b ) Tracez, à l’aide de flèches, le sens d’écoulement des eaux dans chacun des bassins versants illustrés.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

305

Faites les activités 2 et 3 à l’aide de la carte suivante. L’Est du Canada

2

a ) Un objet flottant, qui ressemble à une bouteille de plastique, est à la dérive près de Gatineau. Cet objet peut-il être porté par le courant jusqu’à Trois-Rivières ? Justifiez votre réponse.

b ) Cochez la meilleure des trois explications suivantes qui aiderait votre ami à comprendre les conséquences de l’augmentation démographique des villes de Gatineau et de Trois-Rivières sur la vie des habitants de Matane. 1) Les réserves d’eau potable de Gatineau et de Trois-Rivières s’épuisent de plus en plus rapidement, rendant l’écoulement des eaux vers Matane passablement dépourvu en eau potable. 2) Davantage de contaminants sont transportés vers Matane étant donné que cette ville partage le même bassin versant que Gatineau et Trois-Rivières. 3) Les besoins grandissants des villes de Gatineau et de Trois-Rivières ont pour conséquences de diminuer l’apport du fleuve en eau douce et de faire augmenter la salinité de l’eau à Matane. c ) Quelles activités liées à l’augmentation démographique des villes de Gatineau et de Trois-Rivières ont un impact environnemental sur le territoire où est située Matane ? Cochez les énoncés appropriés. 1) L’augmentation démographique entraîne la déforestation de ces territoires pour la construction de routes et de maisons et, ultimement, une plus grande érosion facilitant le passage (par ruissellement) de contaminants dans le bassin versant que partage Matane avec ces villes. 2) Le Festival de montgolfières de Gatineau et le Grand Prix automobile de Trois-Rivières privent la ville de Matane de touristes potentiels. 3) L’augmentation démographique augmente la quantité de déchets produits et entreposés dans les décharges municipales d’où peuvent s’écouler des produits toxiques susceptibles de se déverser dans le bassin versant que Matane partage avec ces villes. 4) L’augmentation des besoins alimentaires de ces deux villes risque de diminuer les stocks de poissons et de crustacés, mettant en péril la survie de l’industrie de la pêche à Matane.

306

TERRE ET ESPACE

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te 7.2

3

Au cours d’une visite à Tadoussac, tout près de l’embouchure de la rivière Saguenay, vous observez que l’eau a une couleur brunâtre là où elle se jette dans le fleuve Saint-Laurent. Vous apprenez que, dernièrement, des pluies très abondantes sont tombées pendant de nombreux jours sur toute la région du Saguenay–Lac-Saint-Jean. Parmi les événements suivants, cochez celui qui s’est produit à l’embouchure de la rivière Saguenay pour que l’eau ait cette couleur. a ) Une usine a déversé une substance toxique brunâtre à l’embouchure de la rivière et les conséquences, la couleur brunâtre entre autres, sont observables jusqu’à Tadoussac. b ) Des pluies acides ont provoqué une réaction chimique avec l’eau des cours d’eau, faisant passer sa couleur bleue à une couleur brunâtre. c ) Les pluies abondantes sur la région se sont écoulées dans le bassin versant de la rivière Saguenay qui se jette dans le fleuve à Tadoussac, entraînant, par ruissellement, de fines particules et des matières organiques, qui ont donné une couleur brunâtre à l’eau. d ) Un bateau, qui s’est échoué à cet endroit, a déversé le contenu de sa cargaison de couleur brunâtre (du pétrole, par exemple).

4

Cochez la principale raison pour laquelle les alpinistes ne transportent pas d’eau en bouteille pendant leur ascension de l’Everest. a ) L’eau gèle pendant l’ascension. b ) La neige présente sur l’Everest sert de réserve d’eau douce qui est potable une fois bouillie. c ) Les bouteilles représentent un poids supplémentaire beaucoup trop important. d ) L’espace dans le sac à dos est insuffisant pour transporter des réserves d’eau embouteillée.

5

Terminez le rapport de laboratoire suivant.

Masse de l’œuf : 61,7 g Volume de l’œuf : 56 cm3 Masse volumique de l’eau douce ( ) : 1,1 g /cm3

Eau douce

Eau salée

a ) Quelle est la masse volumique de l’œuf ? Laissez des traces de votre démarche.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

307

6

b)

Pourquoi l’eau salée a-t-elle une masse volumique supérieure à celle de l’eau douce ? Justifiez votre réponse.

c)

Quelle doit être la valeur minimale de la masse volumique de l’eau salée pour que l’œuf flotte ?

Lisez ce texte. Répondez ensuite aux questions a et b , à la page suivante.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’eau potable Près des trois quarts de la Terre sont recouverts d’eau. Or, 97 % de cette eau est salée et moins de 3 % est de l’eau douce, source d’eau potable. De plus, moins de 1 % de cette eau douce est accessible ; elle provient des cours d’eau et des nappes souterraines. Le reste est prisonnier des glaciers, des banquises et des neiges éternelles. Ainsi, l’eau potable est une ressource relativement rare. À l’heure actuelle, deux principaux enjeux concernant les réserves d’eau potable sur la planète sont au cœur des préoccupations. Premièrement, bien que l’eau potable soit un bien précieux, les humains en consomment énormément. Par exemple, l’agriculture utilise près de 70 % de toute l’eau douce consommée mondialement pour l’irrigation des cultures. Or, les engrais utilisés par les agriculteurs sont des polluants qui, par ruissellement et lessivage, finissent par atteindre les cours d’eau. D’autres secteurs d’activité sont aussi de grands consommateurs d’eau douce. On estime que l’industrie en consomme environ 20 %. Au Canada, pas moins de 23 000 substances et produits chimiques sont utilisés dans la production des biens de consommation et dans les procédés industriels. Ainsi, un grand nombre de ces substances se retrouvent ultimement dans les cours d’eau et les nappes souterraines.

308

TERRE ET ESPACE

Deuxièmement, tous les peuples n’ont pas un accès égal à l’eau potable. Les Nations Unies estiment que, d’ici 2050, au moins une personne sur quatre pourrait subir des pénuries d’eau chroniques ou fréquentes. La restauration des écosystèmes liés à l’eau est prioritaire, mais, d’ici 2030, d’autres mesures d’assainissement doivent être mises en place : réduction de la pollution, recyclage des eaux usées, désalinisation, utilisation rationnelle de l’eau. La conservation des zones humides est nécessaire, car, 30,8 % de l’approvisionnement mondial en eau douce provient des eaux souterraines. Or, depuis le siècle dernier, 50 % des zones humides mondiales ont disparu…

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te 7.2

a ) Quelle est la conséquence commune à la déforestation et à la surexploitation de l’eau potable (voir la rubrique Problématique environnementale aux pages 296 et 308) ? 1) Les deux ressources touchées, pourtant abondantes au Québec, risquent de s’épuiser rapidement. 2) Dans les deux cas, la problématique est liée à la contamination des réserves d’eau douce souterraines. 3) Les deux ressources sont surexploitées dans les pays riches seulement. b ) Parmi les mesures énumérées ci-dessous, cochez celles qui peuvent être prises pour préserver les réserves d’eau potable ou augmenter l’accès à l’eau potable. 1) Consommer des fruits et légumes cultivés sans l’utilisation d’engrais. 2) Construire de nouvelles installations d’épuration dans les régions où les réserves d’eau et l’accès à l’eau potable sont précaires. 3) Exploiter des usines de dessalement de l’eau de mer pour produire de l’eau potable. 4) Réutiliser les biens matériels pour réduire la quantité de déchets qui contaminent les réserves d’eau souterraines une fois enfouis. 5) Utiliser des compteurs d’eau pour inciter les citoyens à réduire leur consommation d’eau potable.

7.2.3

La circulation océanique

L’eau des océans est en mouvement continu. Le mouvement d’une masse d’eau dans une direction donnée est appelé « courant marin ». La cculon océnqu correspond à l’ensemble des courants circulant dans les océans de la planète. Il existe deux types de courants marins : les courants de surface et les courants de profondeur, ou de densité.

Les courants de surface Les vents qui soufflent à la surface des océans sont principalement responsables des courants de surface. Ces courants sont aussi soumis à une force créée par la rotation de la Terre (effet de Coriolis).

Les courants de profondeur Les courants de profondeur sont causés par une différence de salinité et de température de l’eau des océans. D’une part, l’eau salée, en raison de sa masse volumique élevée, a tendance à se diriger vers les fonds marins, en dessous de l’eau douce qui provient des grands fleuves et de la fonte des glaces des régions polaires. D’autre part, lorsque la température de l’eau refroidit (l’atmosphère absorbe une partie de sa chaleur), son volume diminue, ce qui augmente la masse volumique de l’eau. Ainsi, l’eau froide se dirige vers les fonds marins et l’eau chaude, vers la surface. Il s’agit d’un mouvement de convection.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

309

La circulation thermohaline Les courants de surface et les courants de profondeur forment ensemble la circulation thermohaline. Un des effets de ce phénomène de convection est de permettre à l’eau froide, plus dense, de descendre dans les fonds marins et à l’eau plus chaude de remonter en surface (voir la figure 12).

Golfe du Mexique

Gulf Stream

OCÉAN ATLANTIQUE

OCÉAN INDIEN

Mer des Caraïbes

OCÉAN PACIFIQUE

Courants chauds de surface Courants froids et salés de profondeur

Figure 12

FLASH

La circulation thermohaline.

SCIENCE

Un iceberg est un énorme bloc de glace qui s’est détaché d’un glacier. C’est pourquoi il est constitué d’eau douce. Étant donné les densités respectives de la glace pure (920 kg/m3) et de l’eau de mer (1025 kg/m3), environ 10 % du volume d’un iceberg est immergé. Les spécialistes sont aujourd’hui en mesure de prévoir les mouvements des icebergs. D’ailleurs, ceux-ci représentent une moins grande menace depuis la mise sur pied d’une patrouille internationale des glaces, à la suite du naufrage du Titanic en avril 1912.

310

TERRE ET ESPACE

La circulation thermohaline, en combinant les courants chauds et les courants froids, répartit la chaleur entre les océans. Cela a pour effet de réduire les écarts de température entre les pôles et l’équateur, donc de réguler le climat à la surface de la Terre. Portion de la boucle thermohaline, le Gulf Stream est l’un des courants les plus importants de la planète (voir la figure 12). Il transporte l’eau chaude de la mer des Caraïbes et du golfe du Mexique, remonte vers le nord en longeant la côte américaine, puis se dirige vers l’Europe. De façon générale, on considère que ce courant océanique contribue en partie à réchauffer le climat des parties nord et ouest de l’Europe.

7.2.4

Les glaciers et les banquises

Une partie de l’hydrosphère existe sous forme de neige ou de glaces, qui se trouvent dans les régions polaires et en altitude. Un glacier est une masse formée de glace (eau douce solide) provenant de l’accumulation et de l’entassement de neige à la surface d’un continent. Une banquise est amas de glaces flottantes (formées principalement d’eau salée solide) à la surface des océans polaires.

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te 7.2

Le réchauffement climatique a pour effet de provoquer la fonte des glaciers et de constamment réduire la superficie des banquises. Ses impacts sur de nombreuses espèces, dont la nôtre, sont nombreux. Par exemple : • L’augmentation du niveau des mers due à l’apport de la fonte des glaciers en eau douce provoquerait : – la disparition des villes côtières ou construites sous le niveau de la mer, comme La Nouvelle-Orléans, aux États-Unis ; – des inondations menant parfois à la création de nouvelles voies navigables, à la diminution de la surface réfléchissante de la Terre (albédo) et aux déplacements de populations humaines. • La perturbation de la circulation thermohaline due à la modification de la salinité de l’eau et de sa densité provoquerait : – la perturbation du climat de nombreuses régions ; – le déplacement ou la disparition d’espèces dépossédées de leur site de reproduction ou de leurs sources d’alimentation.

Activités 7.2.3 et 7.2.4 1

La circulation océanique est caractérisée par deux types de courants : les courants de surface et les courants de profondeur. Le tableau ci-dessous présente quatre facteurs qui influent sur la circulation océanique. 1

2

3

4

Rotation de la Terre.

Variation de la température de l’eau.

Variation de la salinité de l’eau.

Vents dominants.

Quels sont les facteurs qui influent particulièrement sur les courants de surface ? a ) 1 et 2 2

b ) 1 et 4

c ) 2 et 3

d ) 2 et 4

a) Selon la figure 12, à la page précédente, la portion de la boucle thermohaline nommée « Gulf Stream » est-elle un courant de surface ou un courant de profondeur ?

b ) Quel territoire bénéficie de l’apport en chaleur du Gulf Stream : la côte est du continent nordaméricain ou les portions nord et nord-ouest de l’Europe ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

311

3

En vacances dans les Prairies canadiennes, Sabrina envoie une carte postale à son bon ami Jim. En regardant la photo de la carte postale, ce dernier constate que de drôles de bus des neiges sont garés sur la glace, en montagne… Selon vous, ces bus sont-ils sur une banquise, comme le croit Sabrina, ou sur un glacier ? Justifiez votre réponse.

a! t r e b l Belle A

4

Salut Jim! Voici une photo de notre voyage au parc national Jasper. Nous nous sommes rendus sur la banquise avec ces drôles de bus des neiges… À bientôt! Sabrina

Jim L’Espérance 123 La rue Laville, QC, J1G 1N0

La circulation thermohaline dépend à la fois des variations de température et des variations de la salinité. Cochez la ou les bonnes réponses aux questions suivantes. a ) Quel élément est principalement responsable des variations de température de l’eau ? 1) L’eau des fleuves qui se jettent dans les océans. 2) La pollution de l’air. 3) Les échanges de chaleur avec l’atmosphère. 4) L’augmentation de la salinité de l’eau due à la fonte des glaciers et des banquises. b ) Quels éléments sont responsables des variations de la salinité ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) L’eau des fleuves qui se jettent dans les océans. 2) La pollution de l’air. 3) Les précipitations (pluie et neige) et la fonte des glaces. 4) La fonte des glaciers. c ) Compte tenu de la progression du réchauffement climatique, la fonte de nombreux glaciers se poursuivra au cours des prochaines années. Quel sera l’impact de cette fonte sur la circulation thermohaline ? 1) Il n’y aura pas d’impact puisque les glaciers sont situés sur le continent. 2) L’eau des océans se refroidira puisque les glaciers sont situés dans les régions nordiques. 3) Le niveau des océans augmentera. 4) La salinité de l’eau se modifiera vu l’apport de cette fonte en eau douce.

312

TERRE ET ESPACE

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te 7.2

7.2.5

La contamination de l’hydrosphère

STE

De nombreuses substances sont susceptibles de compromettre la qualité de l’eau. Ces polluants peuvent gagner l’hydrosphère de différentes façons. La conmnon d l’ydosè survient lorsque les propriétés et la composition de cette dernière sont changées par diverses substances au point de perturber l’équilibre du milieu. La contamination de l’hydrosphère est causée par des polluants physiques, chimiques et biologiques. Tous ces types de contaminants perturbent les écosystèmes (voir le tableau 9). TABLEAU 9

Les principaux contaminants de l’hydrosphère

Types de contaminants

Physiques

Sources

Contaminants

• Industries • Commerces • Décharges (dépotoirs)

• Sacs de plastique • Débris insolubles

• Les animaux marins les ingèrent, ce qui leur cause des blessures, parfois la mort.

• Centrales nucléaires

• Eau chaude résiduelle

• Elle réchauffe les cours d’eau situés à proximité des centrales. Cela provoque un déséquilibre de l’écosystème présent, soit une diminution du dioxygène menant, par exemple, à l’eutrophisation.

• Pluies acides

• Acide nitrique (HNO3) • Acide sulfurique (H2SO4)

• Ils acidifient les cours d’eau. • Ils détruisent la flore.

• Industries agroalimentaires

• Engrais

• Ils apportent un surplus de nitrates (NO31−) responsables de l’eutrophisation des cours d’eau.

• Industries • Ménages

• Produits nettoyants

• Ils apportent un surplus de phosphates (PO43−) responsables de l’eutrophisation des cours d’eau.

• Industrie minière • Industrie métallurgique

• Métaux lourds (mercure (Hg), plomb (Pb), etc.)

• Ils s’accumulent dans la chaîne alimentaire, ce qui entraîne divers troubles du système nerveux, des mutations et des cancers.

• Industrie pétrolière

• Hydrocarbures (pétrole)

• Leur déversement peut provoquer des marées noires entraînant la destruction d’écosystèmes côtiers et marins.

• Industrie agroalimentaire (élevage)

• Déjections animales

• Égouts

• Matières fécales

• Leurs éléments nutritifs favorisent l’eutrophisation des plans d’eau. • Elles provoquent des problèmes digestifs et des maladies parasitaires lorsque l’eau qu’elles contaminent est ingérée.

Chimiques

Biologiques

Impacts environnementaux

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

313

L’eutrophisation L’eutrophisation est un processus par lequel un plan d’eau subit une diminution significative de dioxygène à cause d’un apport important en éléments nutritifs comme l’azote et le phosphore. Dans un plan d’eau équilibré, tel un lac, les eaux sont claires et bien oxygénées, les algues sont peu nombreuses et il y a beaucoup d’espèces animales (poissons, crustacés, etc.). Les signes d’eutrophisation sont la prolifération de plantes et d’algues, et l’accumulation de matières organiques mortes, qui privent les eaux de lumière. L’eutrophisation est un phénomène naturel qui se déroule généralement sur de très longues périodes, mais l’activité humaine peut contribuer à l’accélérer. En effet, certaines substances comme les engrais et certains nettoyants contribuent à l’eutrophisation par leur apport en nitrates ou en phosphates. Le déversement d’eaux usées et le ruissellement des eaux provenant des terres agricoles participent notamment à ce phénomène. Le processus d’eutrophisation accéléré d’un plan d’eau se produit en plusieurs étapes, présentées à la figure 13.

Étape1 • Le ruissellement enrichit le plan d’eau en phosphore et en azote. • Les organismes photosynthétiques (phytoplancton, algues, plantes aquatiques, etc.) se multiplient plus rapidement qu’ils ne sont consommés. • Ils bloquent ainsi la lumière aux végétaux situés en profondeur et entraînent leur mort.

Étape 2 • Les végétaux morts se déposent au fond de l’eau. • Ils sont ensuite décomposés par des microorganismes qui en libèrent les nutriments (azote et phosphore). • Les microorganismes décomposeurs prolifèrent vu l’abondance de nourriture. • Cette abondance de nourriture entraîne une diminu­ tion en dioxygène (O2), nécessaire à la survie des microorganismes décomposeurs.

Étape 3 • La raréfaction du dioxygène dans le plan d’eau pro­ voque la disparition progressive de certaines espèces animales (poissons, crustacés, insectes, etc.). • Ultimement, le plan d’eau n’est plus qu’un terrain recouvert d’une épaisse couche de boue riche en nutriments où pousse une végétation adaptée (sphaignes, quenouilles, canneberges, etc.).

Figure 13

314

L’eutrophisation accélérée d’un plan d’eau.

TERRE ET ESPACE

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te 7.2

En résumé, tout apport supplémentaire de nutriments, particulièrement les nutriments riches en azote et en phosphore, favorise le développement des organismes photosynthétiques (phytoplancton, algues, plantes aquatiques, etc.) et amorce ainsi l’eutrophisation. Une température oscillant entre 15 et 25 °C et un milieu stagnant, moins bien oxygéné, contribuent également à l’eutrophisation. Lorsque certaines conditions sont réunies, un milieu aquatique comme un lac peut être transformé progressivement en tourbière (zone humide).

7.2.6

Le traitement des eaux usées

STE

Les eaux usées sont des eaux destinées à être rejetées après leur utilisation. Ces eaux ne peuvent toutefois pas être rejetées sans avoir d’abord subi une série de traitements qui les rendent sans risque pour l’environnement. Le mn ds ux usés est un processus visant à décontaminer des eaux qui sont rejetées après leur utilisation domestique ou industrielle. En milieu urbain, les résidences sont généralement reliées à un réseau d’égouts destiné à acheminer les eaux usées vers une usine de traitement. Le traitement des eaux usées comprend plusieurs procédés qu’il est possible de regrouper en trois grandes étapes. Celles-ci sont présentées à la figure 14. Arrivée des eaux usées

Étape 1 Le traitement physicochimique ou primaire

1 2 3

1 Le dégrillage : les eaux usées passent à travers un grillage qui retient les plus gros débris (feuilles, sacs de plastique, tissus, etc.). 2 Le dessablage : les eaux cheminent ensuite dans un grand bassin de sédimentation où les particules plus lourdes (sable, gravier, roches) se déposent au fond et sont ainsi facilement retirées. 3 Le déshuilage : à la surface de la partie liquide, les huiles et les graisses forment une mousse blanche flottante qui sera enlevée à l’aide d’un racloir.

4

Vers le traitement biologique Boues primaires

Fgu 14

4 On ajoute aux eaux restantes des substances chimiques capables d’agglomérer les plus petites particules afin qu’elles se déposent au fond plus facilement. Elles forment alors un lit de boues primaires.

À la fin de cette étape, les eaux usées doivent être débarrassées de leurs matières organiques par le traitement biologique (étape 2).

L mn ds ux usés.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

315

Arrivée des eaux après le traitement primaire

Étape 2 Le traitement biologique ou secondaire

5

5 Les eaux usées arrivent dans une cuve où elles sont mélangées avec des microorganismes et une grande quantité d’air. Ainsi, le milieu est propice à la digestion des matières organiques en suspension par les microorganismes qui les éliminent des eaux en les décomposant. 6

Boues secondaires

Vers le traitement complémentaire

Retour des eaux usées dans l’environnement

6 Les particules solides formées par l’action des microorganismes ou celles qui sont excédentaires passent dans une seconde cuve où elles sont digérées par d’autres microorganismes, avant de se retrouver dans le fond de cette cuve pour former les boues secondaires.

À la fin de cette étape, 75 à 95 % de la matière organique est éliminée des eaux usées qui peuvent maintenant être rejetées dans le réseau hydrographique ou subir d’autres traitements complémentaires (étape 3).

Étape 3 Le traitement complémentaire ou la désinfection 7 Les eaux usées qui se retrouvent ici sont celles qui ne peuvent pas rejoindre immédiatement un milieu sensible. Elles doivent donc subir des traitements chimiques qui servent à en éliminer les substances potentiellement nocives pour un tel milieu. Ces procédés incluent la déphosphatation, la filtration et la désinfection. La désinfection a recours à des procédés qui utilisent des composés chlorés, de l’ozone ou des rayons UV.

Figure 14

Le traitement des eaux usées (suite).

Activités 7.2.5 et 7.2.6 1

STE

Complétez chacune des fiches de la page suivante. a ) Nommez le contaminant de l’eau mis en évidence. b ) Indiquez le type de polluant (physique, chimique ou biologique) auquel appartient ce contaminant. c ) Décrivez un impact environnemental que ce contaminant peut avoir.

316

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te 7.2

Fiche 1 Contaminant : Type de polluant : Impact environnemental :

Fiche 2 Contaminant : Type de polluant : Impact environnemental :

Fiche 3 Contaminant : Type de polluant : Impact environnemental :

Fiche 4 Contaminant :

Type de polluant : Impact environnemental :

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317

2

Monsieur Alou se présente à l’animalerie avec une photo de son aquarium (voir ci-contre). Au moment où il a pris cette photo, la température de l’eau de l’aquarium était de 23 °C. Monsieur Alou explique à l’employé que lorsqu’il a acheté son aquarium, il a aussi acheté un petit appareil qui filtrait et oxygénait l’eau. Pour chaque question, cochez la ou les cases appropriées. a ) Le commis de l’animalerie indique à monsieur Alou des signes apparents d’eutrophisation dans son aquarium. Quels sont-ils ?

L’aquarium de monsieur Alou.

1) La prolifération des algues. 2) L’eau est trouble (manque de lumière). 3) La présence de microorganismes décomposeurs. 4) Une couche de boue au fond du plan d’eau. 5) La présence de végétation adaptée. 6) L’assèchement du plan d’eau. b ) Parmi les facteurs responsables de l’eutrophisation suivants, lesquels s’appliqueraient à la situation de l’aquarium de monsieur Alou ? 1) L’ajout d’engrais riches en nitrates (NO31−). 2) Un déversement de produits nettoyants riches en phosphates (PO43−). 3) La présence importante de déjections. 4) Un surplus de nutriments provenant de la décomposition réalisée par les décomposeurs. 5) Une température élevée favorisant la prolifération de microorganismes. 6) L’ajout de pesticides. c ) Si monsieur Alou ne rectifie pas la situation de son aquarium, que risque-t-il de se produire ? 1) Les algues continueront à se développer et à vivre harmonieusement dans l’aquarium. 2) Les poissons se multiplieront, entreront en compétition avec les algues et reprendront le contrôle des ressources (lumière et nourriture). 3) Les algues finiront par manquer de lumière et de dioxygène, puis mourront. 4) Le filtreur cessera de fonctionner et l’aquarium se salira davantage. 3

À la suite des recommandations du commis de l’animalerie, Monsieur Alou traite l’eau de son aquarium. Pour chacun des points suivants, indiquez de quel type de traitement il s’agit : physicochimique, biologique ou complémentaire. a ) Installer un stérilisateur UV pour aquarium détruisant les algues en suspension. b ) Décanter la couche boueuse au fond de l’aquarium. c ) Traiter l’eau avec une substance conçue pour lutter contre la prolifération des algues dans un aquarium.

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4

Dans le journal local, vous remarquez l’avis public ci-contre.

AVIS PUBLIC

Qu’est-ce que les administrateurs de la ville cherchent à éviter avec ce nouveau règlement ? Justifiez votre réponse.

En vertu du nouveau règlement municipal de la Ville de Lac-aux-Oies, il est dorénavant interdit aux résidents habitant aux abords du lac de faire usage des produits suivants :

✴ Produits nettoyants contenant des phosphates ✴ Engrais ✴ Fertilisants

5

Certaines résidences construites en milieu rural ne sont pas reliées à un système d’égouts. Afin d’évacuer leurs eaux usées, leurs propriétaires utilisent une fosse septique (voir l’illustration ci-contre). Le fonctionnement d’une fosse septique reprend, de façon simplifiée, celui d’une usine d’épuration (voir l’illustration ci-dessous). Observez cette illustration, puis répondez aux questions suivantes.

Fosse septique

Plateau bactérien

Évent (air)

Tampons de visite (regards)

Arrivée des eaux usées

Drainage vers le plateau bactérien (sol avec présence de décomposeurs)

Flottants (matières organiques) Boues (matières inorganiques) 1re cuve

2e cuve

Matières minérales (matières inorganiques)

a ) Classez les étapes décrites du traitement des eaux (de 1 à 5) dans les cases de gauche. b) Pour chacune, indiquez s’il s’agit d’un traitement physicochimique (P) ou biologique (B). Étape A ) La matière organique qui reste en suspension dans la vers la 2e cuve.

1re

Traitement

cuve se déplace

B ) La matière inorganique et une partie de la matière organique se déposent au fond de la 1re cuve, se séparant ainsi du reste des eaux usées. Cette boue sera pompée par une firme spécialisée qui en disposera de façon sécuritaire. C ) Ceux-ci vont se nourrir de la matière organique et la décomposer (en nutriments tels l’azote et le phosphore). D ) Comme dans une usine de traitement des eaux usées, les matières organiques et inorganiques arrivent par un tuyau dans la 1re cuve de sédimentation de la fosse. E ) La matière organique qui flotte se déplace de la 1re cuve vers la 2e cuve et se dirige vers le plateau bactérien, un sol riche en microorganismes décomposeurs.

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319

7.2.7

Les ressources énergétiques de l’hydrosphère

Essentielle à la vie, l’eau permet aussi de produire de l’électricité. Actuellement, on utilise deux modes de production d’électricité à partir de l’hydrosphère : l’énergie hydroélectrique et l’énergie marémotrice. Les ressources énergétiques de l’hydrosphère correspondent à l’ensemble des caractéristiques de l’eau qui sont mises à profit, grâce à divers procédés technologiques, dans le but d’en tirer de l’énergie électrique.

L’énergie hydroélectrique Ce mode de production d’électricité exploite l’énergie cinétique de l’eau. On trouve deux types de centrales hydroélectriques : les centrales à réservoir et les centrales au fil de l’eau. Dans les centrales à réservoir, d’immenses barrages permettent d’accumuler l’eau et de former des réservoirs afin de créer une chute d’eau assez puissante pour produire une grande force mécanique. Dans les centrales au fil de l’eau, on utilise directement le courant pour produire l’électricité. La création de grands réservoirs n’y est donc pas nécessaire. Toutefois, dans les deux cas, le processus de production d’électricité est sensiblement le même (voir la figure 15).

Ligne à haute tension

Génératrice Bâche en spirale

3

Stator Rotor

Barrage Réservoir d’eau

Turbine

Déversoir Conduite forcée

Roue de turbine

1 2

Canal d’évacuation de l’eau L’eau est évacuée vers le cours d’eau

Figure 15

1 L’eau est amenée dans une conduite forcée, ce qui permet au courant d’atteindre une grande vitesse. 2 Au bout de cette conduite, une roue de turbine est actionnée (rotation) par le mouvement de l’eau. 3 Le mouvement de la turbine entraîne celui de la génératrice à laquelle elle est reliée. Grâce aux systèmes d’aimants qu’elle renferme et à son mouvement rotatif rapide, la génératrice produit de l’électricité.

Une vue en coupe d’un barrage hydroélectrique.

Aujourd’hui, près de 95 % de l’électricité produite au Québec est de source hydroélectrique. Or, malgré l’utilisation d’une ressource renouvelable, l’énergie hydroélectrique a des conséquences sur l’environnement. En effet, bien que le fonctionnement des centrales hydroélectriques ne produise pas de gaz à effet de serre, on ne peut en dire autant de leur construction. Cependant, celle-ci en produit beaucoup moins que l’exploitation du gaz naturel et du charbon. De plus, la majeure partie de ces gaz est produite dans les premières années suivant la construction d’un barrage, la situation revenant à la normale après environ 10 ans. 320

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te 7.2

L’exploitation des centrales hydroélectriques présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 10). TABLEAU 10

Les avantages et les désavantages des centrales hydroélectriques Avantages

Désavantages

• N'émettent aucun gaz à effet de serre. • Excellent rendement. • Technologie fiable.

• Inondation de vastes territoires perturbant l’écosystème en place. • Pollution au mercure en raison de l’activité de bactéries à la suite de l’inondation. • Contamination de la chaîne alimentaire par le mercure que les organismes aquatiques absorbent.

L’énergie marémotrice L’énergie marémotrice, une énergie renouvelable, met à profit l’énergie cinétique produite par les marées océaniques et les courants marins. Cette énergie est encore très peu exploitée. Les recherches actuelles sont orientées vers le perfectionnement de systèmes technologiques capables de tirer un maximum d’électricité soit du mouvement des vagues, soit des courants marins, qui sont moins influencés par les conditions météorologiques. Outre les centrales marémotrices qui exploitent l’énergie des marées, l’hydrolienne, une technologie qui fait appel au même principe que l’éolienne, représenterait une avenue intéressante. En effet, l’eau peut générer une puissance encore plus grande que celle produite par le vent (voir la figure 16). Balise

1 Les pales de l’hydrolienne sont d’abord actionnées par les courants marins. 2 Cette énergie cinétique est transformée en énergie électrique grâce à la génératrice à laquelle les pales sont reliées.

Tour rotative

Génératrice

Câble de collecte du courant

2 1

Pale

Fgu 16

L scém d’un ydolnn. Ce système technologique exploite l’énergie des courants marins.

L’exploitation des centrales marémotrices et des hydroliennes présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 11, à la page suivante). Elle a un impact négatif sur l’environnement. Certains désavantages freinent actuellement son exploitation à plus grande échelle. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

321

TABLEAU 11

Les avantages et les désavantages des centrales marémotrices et des hydroliennes Avantages

• N’émettent aucun gaz à effet de serre. • Économie des ressources non renouvelables. • Pour les centrales marémotrices, possibilité de prévoir l’heure des marées et de maximiser ainsi la production d’électricité.

Désavantages • • • • •

Envasement (enfoncement dans la boue). Modification des écosystèmes des littoraux. Coût d’exploitation élevé. Faible rendement. Respect nécessaire de certaines conditions particulières pour produire une quantité appréciable d’électricité :

– installation des hydroliennes dans des cours d’eau ayant un fort débit ou dans les océans, au large des côtes ;

– centrales marémotrices exigeant un marnage (différence entre marée haute et marée basse) minimal de 5 m.

Activités 7.2.7 1

Quel est l’avantage d’utiliser une centrale hydroélectrique au fil de l’eau plutôt qu’une hydrolienne ? Entourez l’énoncé approprié. a ) Le barrage d’une centrale hydroélectrique est plus simple à installer que les hélices de l’hydrolienne. b ) Une centrale hydroélectrique ne présente aucun désavantage, alors qu’une hydrolienne peut créer une perturbation de l’écosystème et un envasement. c ) Une centrale hydroélectrique possède un meilleur rendement et une technologie plus fiable que la seconde. d ) Il n’y a aucun avantage à utiliser l’une plus que l’autre.

2

Voici différents types de centrales d’énergie. Hydroélectrique à réservoir

Hydrolienne

Marémotrice

Hydroélectrique au fil de l’eau

Bien que ces centrales produisent toutes de l’électricité à partir du mouvement de l’eau, elles ne présentent pas toutes les mêmes avantages ni les mêmes désavantages. Toutefois, quel avantage partagent-elles sur le plan environnemental ?

3

Vous rédigez un rapport sur l’exploitation et la maximisation du potentiel hydroélectrique des rivières. Quelles sont vos réponses aux deux questions suivantes ? a ) Quel est l’avantage de construire un barrage au fil de l’eau plutôt qu’une hydrolienne ?

b ) Pourquoi ne recommandez-vous pas la construction de centrales marémotrices ?

322

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te 7.2

Durant les journées portes ouvertes de votre école, vous et votre coéquipier décidez de présenter le principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique. Vous faites une démonstration à l’aide du montage ci-dessous.

4

Conduite forcée Tube de plastique dans lequel l’eau est versée Tube de plastique permettant d’évacuer l’eau dans un seau de récupération

Turbine Aimants permanents

Fil électrique

Ampoule

Électro-aimant (bobine de fil électrique avec un noyau en acier servant de génératrice)

Reliez chacune des structures de la centrale, dans la colonne de gauche, à la transformation d’énergie correspondante, dans la colonne de droite. a ) Conduite forcée

1) Transforme l’énergie cinétique en énergie électrique.

b ) Turbine

2) Transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.

c ) Génératrice

3) Transforme l’énergie potentielle de l’eau en énergie cinétique avec sa chute.

d ) Ampoule

4) Transforme l’énergie cinétique de l’eau (chute) en énergie cinétique (rotation) des pales.

CONSOLIDATION DU ChApITre 7 1

Nommez deux éléments communs aux horizons O et A du sol.

2

Nommez un rôle commun aux deux premiers horizons du sol (O et A).

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

323

3

STE Lisez le texte qui suit. Puis, répondez à chaque question en cochant la case appropriée.

L’épuisement des combustibles fossiles Actuellement, les réserves de combustibles fossiles s’épuisent rapidement. Pour remédier à ce problème, on développe des technologies qui exploitent les énergies renouvelables, comme l’éolienne, les panneaux solaires ou la pompe géothermique. Toutefois, les compagnies pétrolières continuent de chercher de nouvelles sources de pétrole. C’est dans ce but, entre autres, qu’elles explorent des régions comme les Territoires du Nord-Ouest et le Nunavut, malgré la présence du pergélisol à ces endroits.

Des technologies qui exploitent des énergies renouvelables.

a ) Si un déversement de pétrole survenait dans les Territoires du Nord-Ouest ou au Nunavut, le sol serait-il contaminé ? 1) Non, car la neige au sol absorberait le contaminant. 2) Non, car le pétrole gèlerait au contact du sol et pourrait aisément être retiré. 3) Oui, car le pergélisol dégèle en surface l’été et pourrait alors absorber le pétrole et être contaminé. 4) Oui, car le dégel du pergélisol dû à l’effet de serre renforcé permettrait au pétrole de ruisseler en profondeur. b ) Dans l’éventualité où un tel déversement contaminerait le sol dans ces régions, quel moyen, parmi les suivants, permettrait d’y remédier ? 1) Déplacer les populations afin qu’elles ne soient pas en contact avec la région contaminée. 2) Effectuer la phytoremédiation en plantant des végétaux en mesure d’absorber le contaminant au fil de leur croissance. 3) Effectuer un test de pH afin de déterminer l’acidité du sol. 4) Effectuer la biorestauration en mettant en place les conditions optimales à la multiplication de bactéries pouvant digérer les polluants. c ) Un tel déversement présenterait-il un risque de contamination de l’hydrosphère ? 1) Oui, car le pétrole étant liquide, il pourrait s’écouler directement dans l’eau ou ruisseler du sol pour ensuite contaminer l’hydrosphère. 2) Oui, car une fois déversé sur le pergélisol, le pétrole s’infiltrerait dans les horizons plus en profondeur pour ultimement contaminer les réserves souterraines. 3) Non, car le pétrole étant peu soluble dans l’eau, il s’étalerait à la surface de l’eau et s’enlèverait facilement sans causer de dommages. 4) Non, car le pétrole figerait au contact des glaciers et de la banquise, et s’enlèverait facilement sans causer de dommages.

324

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4

STE Dans une zone de préservation d’un parc national, des panneaux de signalisation informent les visiteurs qu’ils doivent demeurer dans les sentiers balisés lorsqu’ils font de la randonnée. Or, ces dernières années, de plus en plus de randonneurs n’ont pas respecté cette règle. C’est pourquoi cette zone du parc a été fermée. L’affiche ci-contre explique aux visiteurs cette décision.

AFIN D E PROT ÉGER LE SOL DE CE SECTE UR, L’ACCÈ S EN ES T INTERD IT POU R UNE DURÉE INDÉTE RMINÉ E.

Cochez la raison pour laquelle cette affiche a été posée. a ) Les visiteurs ont jeté trop de déchets et les sentiers doivent être fermés pour subir un grand nettoyage. b ) Les autorités du parc veulent planter des végétaux afin de décontaminer le sol à l’aide de la phytoremédiation. Cependant, elles doivent effectuer des tests afin de déterminer la meilleure espèce végétale pour y parvenir. c ) Les pas des visiteurs ont compacté le sol hors des sentiers, ce qui a causé une diminution de son aération, empêché l’écoulement normal de l’eau et nui à la croissance des végétaux. d ) Les autorités du parc ont décidé de condamner cette partie du parc. 5

Reliez chaque ressource énergétique au moyen technologique approprié pour produire de l’électricité. Ressource énergétique

6

Moyen technologique

a ) Combustible fossile

1) Centrale géothermique

b ) Courant marin

2) Centrale nucléaire

c ) Substance radioactive

3) Centrale thermique

d ) Chaleur des profondeurs du sol

4) Hydrolienne

e ) Énergie potentielle et cinétique de l’eau

5) Centrale hydroélectrique

Les scientifiques s’entendent pour dire que le réchauffement du climat est un phénomène planétaire dont les effets sont particulièrement visibles dans les régions arctiques. a ) Le dégel du pergélisol contribue-t-il à l’effet de serre ? Expliquez votre réponse.

b ) La fonte des glaciers affecte-t-elle le niveau des mers ? Expliquez votre réponse.

c ) La production d’électricité à partir des énergies fossiles contribue-t-elle à l’effet de serre ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

325

d ) La fonte des glaciers a-t-elle un impact sur les premiers horizons (A et O) du sol ? Expliquez votre réponse.

7

Observez bien la carte, puis répondez aux questions suivantes. La distribution de l’eau douce, saumâtre et salée dans le Saint-Laurent et ses bassins versants

Caractéristiques de l’eau Douce (salinité inférieure à 1 g/L) Saumâtre (salinité de 3 à 15 g/L) Salée (salinité d’environ 35 g/L)

a ) La ville de Baie-Saint-Paul est située dans une portion du fleuve Saint-Laurent où l’eau est saumâtre, comme le montre la carte. Dans l’éventualité où la municipalité de Baie-Saint-Paul serait à la recherche de nouvelles sources d’eau potable, devrait-elle envisager le fleuve comme source potentielle d’alimentation ? Justifiez votre réponse.

b ) À votre avis, comment peut-on expliquer que l’eau ne soit ni douce ni salée, mais bien saumâtre dans cette région ? Justifiez votre réponse.

c ) Parmi les villes énumérées ci-dessous, entourez celles qui font partie du bassin versant du même cours d’eau, autre que le fleuve Saint-Laurent.

326

1) Pointe-du-Lac

3) Trois-Rivières

5) Matane

2) Saguenay

4) Alma

6) Québec

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8

9

10

La circulation océanique comprend deux types de courants : les courants de surface et les courants de profondeur. Quels sont les éléments qui différencient ces deux types de courants ? Cochez les cases appropriées. a ) La salinité

d ) La quantité de contaminants

b ) La température

e ) La densité (masse volumique)

c ) Le pH

f ) La vitesse de déplacement de l’eau

STE Peut-on affirmer que l’eutrophisation est une forme de contamination ? Justifiez votre réponse.

Le réchauffement climatique accélère la fonte des glaciers et des banquises. Si cette tendance se maintient, l’hydrosphère risque d’en être grandement touchée. Reliez chaque élément dans la colonne de gauche à sa conséquence dans la colonne de droite. a ) Bassins versants

1) Possibilités d’inondations et de pertes de territoires dans les régions côtières.

b ) Réserves d’eau potable

2) Plus grande possibilité de production occasionnée par un débit d’eau important.

c ) Surfaces habitables

d ) Production d’électricité à partir de l’eau

e ) Circulation thermohaline

f ) Contamination de l’hydrosphère STE

g ) Eutrophisation des plans d’eau STE

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3) Augmentation du volume d’eau liquide. 4) Hausse du niveau des cours d’eau et de leur débit entraînant une perturbation des écosystèmes locaux. 5) Difficulté ou impossibilité pour certaines masses d’eau de descendre vers le fond, en raison de la modification de la salinité et, conséquemment, de la densité causée par l’apport d’eau douce. 6) Processus ralenti ou retardé causé par un apport important en eau douce oxygénée. 7) Diminution de la contamination occasionnée par un apport important d’eau, mais augmentation de la contamination si les sols lessivés sont contaminés.

Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère

327

11

Qu’ont en commun les modes de production d’électricité suivants (outre le fait de produire de l’électricité) ? a ) Les énergies fossiles et la biomasse ?

b ) L’énergie hydroélectrique, la géothermie et l’énergie marémotrice ?

c ) L’énergie éolienne et l’hydrolienne ?

d ) La géothermie, les énergies fossiles et la biomasse ?

12

Voici une liste de différents systèmes de production d’électricité. 1) Centrale hydroélectrique à réservoir

3) Centrale nucléaire

5) Hydrolienne

2) Biomasse

4) Géothermie

6) Centrale thermique

Parmi ces systèmes, quels sont ceux dont le fonctionnement ne contribue pas à l’effet de serre renforcé ? a ) 1, 2, 3, 5 13

b ) 1, 2, 4, 5

c ) 2, 3, 4, 5

d ) 1, 3, 4, 5

Le type de ressource énergétique alimentant chacun des systèmes de production d’électricité suivant est-il renouvelable ou non renouvelable ? Cochez les cases appropriées. Système

Type de ressource énergétique Renouvelable

Non renouvelable

a ) Centrale nucléaire b ) Centrale biomasse c ) Hydrolienne d ) Centrale hydroélectrique e ) Centrale géothermique f ) Centrale thermique

328

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chapitre

8

LA BIOSPHÈRE

Une multitude d’éléments chimiques sont à la base de la vie sur Terre. Pensons à l’oxygène, au carbone, à l’azote et au phosphore : ces éléments chimiques se transforment sous différentes formes grâce aux cycles biogéochimiques. La biosphère, quant à elle, se caractérise par une grande diversité d’organismes vivants. Chacun d’eux se développe dans un milieu qui présente des conditions climatiques particulières. Ces régions de la Terre, dont la flore, la faune et le climat leur sont propres, se nomment « biomes ». Dans ce chapitre, vous constaterez l’importance des cycles biogéochimiques du carbone, de l’azote et du phosphore. Vous verrez également quelques-uns des biomes terrestres et aquatiques, ainsi que les différents facteurs qui influent sur leur distribution sur Terre.

SOMMAIRE 8.1 Le cycle du carbone



330

8.2 Le cycle de l’azote 334 8.3 Le cycle du phosphore

STE  338

8.4 Les biomes terrestres  341 8.5 Les biomes aquatiques 345 8.6 Les facteurs inuençant

la distribution des biomes  348

8.1 Le cycle du carbone Le carbone (C) est un élément chimique présent partout sur la planète. Il est essentiel à la vie, car il est à la base des molécules qui forment les cellules. Le cycle du carbone comprend tous les échanges de carbone entre la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère. Ce cycle touche différents aspects de la biosphère. Sa portion biochimique participe à la vie des organismes. Sa portion géochimique est liée aux sols et à la façon dont le carbone y circule. C’est pourquoi le cycle du carbone est un cycle biogéochimique. La figure 1 représente l’ensemble des processus de transformation du cycle du carbone. Gaz carbonique (CO2)

Atmosphère

1 1

3

6

3 2

Végétaux terrestres

Animaux

2

Phytoplancton Hydrosphère

4

Zooplancton

5

Faune aquatique

Lithosphère

Sédiments Nappe de pétrole

Figure 1

5

Le cycle du carbone.

8.1.1

La portion biochimique

La portion biochimique du cycle du carbone est liée aux interactions entre le carbone et les organismes, et comporte plusieurs processus de transformation. Ces processus sont représentés par les flèches bleues sur la figure 1 et sont décrits dans l’encadré ci-dessous. Les échanges de la portion biochimique du cycle du carbone 1

L’absorption du carbone atmosphérique (dioxyde de carbone, CO2)

• Absorption du CO2 atmosphérique par les végétaux terrestres (plantes) et aquatiques (algues et phytoplancton) au moyen de la photosynthèse. • Transformation chimique du CO2 par ces mêmes organismes pour assurer leur croissance et leur reproduction. 2

L’absorption, par les consommateurs, du carbone contenu dans la matière organique (carbone organique)

• Les herbivores l’absorbent en mangeant des végétaux. • Les carnivores l’absorbent en consommant de la viande contenant déjà du carbone.

330

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TE 8.1

Les échanges de la portion biochimique du cycle du carbone (suite) 3

L’émission du carbone dans l’atmosphère (CO2 et méthane, CH4)

• Rejet de CO2 dans l’atmosphère par la respiration, laquelle transforme une partie du carbone absorbé par les organismes vivants (cette portion du cycle peut ainsi recommencer). • Rejet de CH4 dans l’environnement par les déchets que produisent les organismes vivants (une partie de ce carbone retourne à la lithosphère et prend maintenant part à la portion géochimique du cycle).

8.1.2

La portion géochimique

La portion géochimique du cycle du carbone est liée aux processus de formation de certaines roches, comme les calcaires et les schistes argileux. Ces processus sont représentés par les flèches orange sur la figure 1 de la page précédente et sont décrits ci-dessous.

Les échanges de la portion géochimique du cycle du carbone 4

La formation de dépôts calcaires (ou carbonate de calcium, CaCO3)

• Dépôts de calcaire provenant du carbone présent dans les squelettes et les coquilles des organismes marins morts (coraux, mollusques, etc.). • Sédimentation des dépôts calcaires menant à la formation de roches carbonatées. 5

La formation de roches combustibles

• Transformation des roches carbonatées en combustibles fossiles (ex. : hydrocarbures), sous l’effet de la température et de la pression. • Retour à la surface d’une partie des roches carbonatées par le mouvement des plaques tectoniques. 6

Les émissions atmosphériques provenant de combustibles

• Recyclage, par la tectonique des plaques, d’une partie du carbone des roches carbonatées (fusion dans le magma de subduction) – ce carbone retourne dans l’atmosphère lors d’éruptions volcaniques. • Émissions d’importants gaz à effet de serre (GES) provenant de l’extraction et du raffinage de combustibles fossiles (CH4), de la combustion de ceux-ci et des incendies de forêt (CO2).

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Dvid T. Suzuki (1936 - )

Pfssu éméit tité, Dvid Suzuki pssd un nmmé intntinl cquis p 30 nnés d tvil à tit d ccu t vulgistu scintifiqu. À l têt d l fndtin qui pt sn nm, il cntinu d’êt ctif pu l cus d l’nvinnmnt, pticulimnt n c qui  tit ux cngmnts climtiqus : « Nus svns qu, pu ggn l till du climt, l mju pti ds ésvs d pétl, d cn t d gz dit dmu dns l sl. Invsti dns ls éngis fssils, c’st sutni lu xtctin t finnc l dstuctin iévsil du climt. » L’Univsité McGill cntinunt d’ncug cs ptiqus, mnsiu Suzuki, imité p d’uts diplômés,  ndu à ctt institutin l diplôm qu’ll lui vit décné.

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ChApITrE 8 La bIoSPhère

331

Activités 8.1 1

Reliez chacune des transformations chimiques impliquant du carbone au phénomène correspondant. Transformations chimiques impliquant du carbone

2

a)

6 CO2 + 6 H2O + énergie (dioxyde de carbone et eau)

b)

4 C6H11O5 + 25 O2 (papier et dioxygène)

c)

C6H12O6 + 6 O2 (glucose et dioxygène)



6 CO2 + 6 H2O + énergie (dioxyde de carbone et eau)

d)

C6H12O6 + 3 H2O (glucose et eau)



3 CH4 + HCO31− + 3 H+ (méthane et acide)



C6H12O6 + 6 O2 (glucose et dioxygène)

→ 24 CO2 + 22 H2O + énergie (dioxyde de carbone et vapeur d’eau)

1) Respiration

2) Photosynthèse

3) Digestion

4) Combustion

En vous reportant à la question 1, lequel des phénomènes présents dans le cycle du carbone ne contribue pas à renforcer l’effet de serre ? a ) Respiration

3

Phénomène

b ) Photosynthèse

c ) Digestion

d ) Combustion

Le réchauffement climatique amène plusieurs bouleversements dans l’ensemble de la biosphère. L’un d’eux est le dégel du pergélisol, comme nous l’avons vu au chapitre 7. Comment le cycle du carbone est-il affecté par le dégel du pergélisol ? a ) Le sol étant encore suffisamment gelé, aucun sédiment ne peut se détacher pour ruisseler et aller former des roches carbonatées. b ) Les bactéries devenues actives au dégel émettent une quantité de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4), augmentant ainsi la présence de ces deux gaz dans l’atmosphère. c ) Le mouvement du sol fragilisé risque de faire remonter à la surface des roches contenant du carbone. d ) Désormais, les végétaux sont plus nombreux à pousser, ce qui favorise la photosynthèse et, conséquemment, une diminution du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2).

4

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions de la page suivante. Le 12 décembre 2015. Après des pourparlers intenses, les 195 pays réunis à Paris acceptent un accord « historique » sur la réduction des émissions des GES, au terme de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, la COP21. L’objectif est de maintenir la hausse des températures « bien en deçà de 2 degrés » par rapport à l’ère préindustrielle, et même d’essayer de rester sous la barre de 1,5 degré. C’est la première fois que tous les pays s’entendent sur cet enjeu. En effet, depuis plus de 20 ans, l’ONU tente de les convaincre de se concerter pour réduire leurs émissions et ainsi freiner le réchauffement de la planète. Adapté de : Radio-Canada.ca, Un accord historique sur le climat est adopté à Paris : http://ici.radio-canada. ca/nouvelle/754913/accord-final-climat-conference-paris

332

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te 8.1

a ) Quel phénomène impliquant un processus de transformation du cycle du carbone est directement lié à la fois aux hausses des températures et aux émissions de GES mentionnées dans ce texte ? 1) La destruction de la couche d’ozone

3) L’effet de serre renforcé

2) L’effet de serre naturel

4) La formation des pluies acides

b ) Quel processus de transformation du cycle du carbone peut bénéficier de cet accord ? Référezvous à la figure 1, aux pages 330 et 331.

5

Reliez chacune des situations illustrées au processus de transformation du cycle du carbone sur lequel elle a un impact. Situation

Processus de transformation du cycle du carbone

a) 1) L’émission de carbone dans l’atmosphère (CO2 et méthane, CH4)

b) 2) Les émissions atmosphériques provenant de combustibles fossiles

c) 3) La formation de roches combustibles (combustibles fossiles)

d) 4) La formation de dépôts calcaires (ou carbonate de calcium, CaCO3)

e) 5) L’absorption, par les consommateurs, du carbone contenu dans la matière organique

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Chapitre 8 La biosphère

333

6

Parmi les activités suivantes, lesquelles participent directement au cycle du carbone ? a ) Courir un marathon.

d ) Prendre l’avion.

b ) Utiliser un ventilateur électrique.

e ) Produire de l’électricité à partir d’une centrale nucléaire.

c ) Détruire une forêt par une coupe rase (à blanc). 7

g ) Produire de l’électricité à partir d’énergies fossiles. h ) Un lapin qui grignote une feuille de laitue.

f ) Combustion du bois à la suite d'incendies de forêt.

i ) Un vire-vent qui tourne sous l’effet d’une brise.

Comparez les deux diagrammes suivants sur la répartition de la consommation mondiale d’énergie en 2003 et en 2013. Répondez ensuite à la question.

0% 0% 6%

2003 1% 0%

0% 1%

6%

4%

2013 1% 0%

7%

37 %

33 % 30 %

26 % Énergies fossiles = 87 % 24 %

Énergies fossiles = 87 % 24 %

Pétrole Gas naturel Charbon Énergie nucléaire Hydroélectricité Éoliennes Énergie solaire Géothermie et biomasse Autres

Source des données : http://euanmearns.com/global-energy-trends-bp-statistical-review-2014/

Lequel des énoncés suivants décrit le mieux la situation des émissions de gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère entre 2003 et 2013 et leurs impacts sur l’effet de serre renforcé ? a ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée aux énergies fossiles a occupé le premier rang, tout en demeurant stable, ce qui a entraîné d’importantes émissions de CO2 dans l’atmosphère, un des principaux GES, et contribué à l’effet de serre renforcé. b ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée à l’hydroélectricité a augmenté, ce qui a entraîné d’importantes émissions de CO2 dans l’atmosphère, un des principaux GES, et grandement contribué à l’effet de serre renforcé. c ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée au nucléaire a diminué significativement, ce qui a grandement contribué à réduire les émissions de CO2, un des principaux GES, et permis d’atténuer l’effet de serre renforcé. d ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée au pétrole a diminué significativement, ce qui a grandement contribué à réduire les émissions de CO2, un des principaux GES, et permis d’atténuer l’effet de serre renforcé.

8.2 Le cycle de l’azote L’azote est un constituant des molécules qui sont à la base de la vie, tels les protéines et l’ADN. Il se trouve principalement sous forme gazeuse, le diazote (N2), qui compose 78 % de l’air que nous respirons. Comme la plupart des organismes ne peuvent utiliser le diazote gazeux directement, il doit être transformé, d’où la circulation de l’azote dans le sol, l’eau et l’air. 334

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te 8.2

Le cycl d l’zo comprend tous les échanges d’azote entre la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère. Les processus de transformation illustrés à la figure 2 se produisent autant en milieu terrestre qu’en milieu aquatique. Azote atmosphérique (N2) Végétaux

Assimilation 1

Bactéries fixatrices d’azote dans les racines des plantes légumineuses

Bactéries dénitrifiantes 3

Nitrates (NO3−) Nitrites (NO2−) 1

Décomposeurs (champignons, bactéries)

Ammoniac (NH 3) Ammonium (NH4+)

1

Nourriture

2

2

2

Lessivage

Bactéries nitrifiantes

1

1 1

Ammoniac (NH3) Ammonium (NH4+)

Déchets Nitrates (NO3−) Nitrites (NO2−)

Végétaux aquatiques

2

Bactéries nitrifiantes

2

1

Assimilation

Bactéries fixatrices d’azote

Fgu 2

Cyanobactéries

Plantes en décomposition et déchets organiques

L cycl d l’zo n mlux s  ququ.

Les échanges du cycle de l’azote 1

La fixation de l’azote (transformation du N2 en NH3 et NH4+, assimilés par les organismes)

• En présence de dioxygène (O2) dans le sol et dans l’eau, certaines bactéries fixent l’azote atmosphérique (N2) pour le transformer en ammoniac (NH3) et en ammonium (NH4+). – Sur terre, la fixation se fait grâce aux bactéries vivant en symbiose dans les racines des plantes légumineuses. – Dans l’eau, la fixation se fait par les cyanobactéries.

• La décomposition d’excréments et de déchets organiques produit, elle aussi, du NH3 (toxique pour les poissons). Sur terre comme dans l’eau, la décomposition se fait par les décomposeurs (bactéries et champignons). • Le N2 atmosphérique peut être transformé en nitrates (NO3−) par les décharges électriques des orages. 2

L ncon (nsfomon d NH3  NH4+ ou fom ds ns (NO3−) ssmlbls  ls ognsms)

• En présence de O2 dans le sol et dans l’eau, des bactéries transforment successivement les NH3 et les NH4+ en nitrites (NO2−), toxiques pour les poissons, puis en nitrates (NO3−). • Les végétaux assimilent ces nitrates pour produire leur ADN et les protéines utiles à leur croissance. L’utilisation d’engrais dans l’industrie agricole augmente la quantité de nitrates dans le sol. Les surplus sont ensuite lessivés vers l’hydrosphère. • Les consommateurs s’alimentant de ces végétaux ont ainsi accès à l’azote dont ils ont besoin. 3

L déncon (nsfomon ds NO3− n zo gzux (N2))

• Les NO3− non assimilés par les végétaux sont transformés par d’autres bactéries (dénitrifiantes) en azote gazeux (N2) qui retourne dans l’atmosphère.

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CHapitre 8 La biosphère

335

Activités 8.2 1

Les situations suivantes témoignent d'une perturbation dans le cycle de l'azote. Reliez chacune d’elles au processus de transformation du cycle de l’azote qu’elle touche initialement avant de perturber le reste du cycle. Situation

2

Processus de transformation touché

a ) Un surplus d’azote dans le sol sous forme de nitrates

1) La nitrification en milieu terrestre

b ) La diminution du taux de croissance de plants de haricots poussant dans un sol rendu pauvre en nutriments

2) La nitrification en milieu aquatique

c ) La mort de végétaux aquatiques par manque de nutriments

3) La dénitrification

Les phénomènes suivants sont observés dans le champ de monsieur Séguin. Reliez chacun d’eux à l’impact qu’il aura sur le cycle de l’azote. Phénomène observé

a ) Présence importante de champignons dans le champ

b ) Plantation massive du champ avec des plants de haricots (légumineuses)

c ) Présence dans le champ d’une couche de fumier tout au long de la saison

3

Impact sur le cycle de l’azote

1) Une augmentation de la fixation de l’azote atmosphérique 2) Un surplus d’azote organique (nitrates) dont une partie sera assimilée dans le sol (fixation), une autre retournée dans l’atmosphère (dénitrification) et une dernière lessivée vers l’hydrosphère. 3) Une augmentation de la transformation de l’azote sous forme organique à partir de matière en décomposition

Vos voisins décident de faire du compostage. Pour ce faire, ils se procurent un composteur et un guide d’utilisation à la quincaillerie du coin. Vous êtes commis à cette quincaillerie et vous devez répondre à leurs questions.

Gui de d’utili satio du co mposteu n r 1. Placer le co mposteur dans un endroit ombrag é. 2. Y déposer tous les déchet s domestiques or ganiques : épluchures de fruits et de légumes, coqu illes d’œuf, restes de viand e ou de poisson, thé, ca fé, mouchoirs en papier, etc. 3. Brasser le co mpost de temps à autre.

a ) Quel lien majeur y a-t-il entre le compostage et le cycle de l’azote ? 1) Dans les deux cas, la présence de terre est essentielle aux processus de transformation.

2) Le compostage transforme la matière organique et rend l’azote accessible aux végétaux. Ce processus de transformation propre au cycle de l’azote se nomme la nitrification. 3) Dans les deux cas, ils vont produire des déchets. 4) Dans les deux cas, aucun apport en oxygène n’est nécessaire.

336

TERRE ET ESPACE

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te 8.2

b ) Pour quelle raison est-il important de suivre le troisième conseil du guide d’utilisation du composteur ? 1) Pour éviter les mauvaises odeurs. 2) Pour favoriser la croissance de végétaux à l’intérieur du bac. 3) Pour y faire pénétrer plus d’oxygène et permettre ainsi aux bactéries de décomposer la matière organique. 4) Pour aider les microorganismes à se multiplier. c ) Pourquoi un compost est-il fait uniquement de déchets organiques (légumes, fruits, coquilles d’œuf, arêtes de poissons, etc.) ?

4

5

Laquelle des situations suivantes, ayant cours dans une ferme, a le moins d’impact sur le cycle de l’azote ? a ) L’épandage d’engrais et de compost sur les terres agricoles.

c ) L’utilisation de l’électricité pour éclairer les bâtiments.

b ) L’utilisation de machinerie lourde qui compacte le sol.

d) L’utilisation de gicleurs pour arroser les champs.

Les rives d’un lac ou d’une rivière sont essentielles au maintien de l’équilibre des écosystèmes avoisinants. Voici quelques-unes de leurs fonctions. Stabilisation du niveau de l’eau • Retient et évapore une partie des eaux de pluie ou de la fonte des neiges. • Diminue les risques d’inondation.

1

Filtration d’éléments polluants • Retient une partie des engrais, des pesticides et des sédiments présents dans les eaux de ruissellement. • Prévient le vieillissement prématuré des plans d’eau causé par une trop grande concentration de nutriments (nitrates, phosphates, etc.).

2

1

Protection contre l’érosion • Maintient la stabilité des rives. • Conserve les lieux de fraie en diminuant leur ensablement. • Prévient les glissements de terrain.

3

2 3

4

Habitat pour la faune • Offre de la nourriture et un abri aux animaux (plan d’eau). • Offre à l’humain un contact privilégié avec la nature (observation des animaux, pêche, chasse).

4

Parmi les fonctions décrites, laquelle participe au cycle de l’azote ?

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Chapitre 8 La biosphère

337

8.3 Le cycle

du phosphore

STE

Élément essentiel à la survie de nombreux organismes, le phosphore (P) circule principalement sous la forme de phosphates. Le cycle du phosphore comprend tous les échanges de phosphore entre la lithosphère et l’hydrosphère. Le cycle du phosphore ne comprend pas d’échanges avec l’atmosphère, contrairement à ceux du carbone et de l’azote. La figure 3 illustre les processus de transformation qui s’opèrent dans le cycle du phosphore.

Pluie en le m

Formations rocheuses

t

el iss

Ru

1

Végétaux

2

2

2

Phytoplancton 3

Phosphates dans le sol Animaux

4

Hydrosphère

Lessivage 4

Lithosphère

Sédimentation = formation de roches

Décomposeurs

Figure 3

Zooplancton

Phosphates en solution

1

3

3

2

Le cycle du phosphore.

Les échanges du cycle du phosphore 1

L’érosion et le transport du phosphore (P), trouvé essentiellement dans les roches

• L’érosion des roches par la pluie et le vent libère le P. • Le P ruisselle vers l’hydrosphère, où il est lessivé à travers le sol sous forme de phosphates (PO43−). 2

L’absorption par les organismes

• Les PO43− dissous dans le sol sont absorbés par les végétaux terrestres et aquatiques (synthèse de leur ADN). • Les herbivores ingèrent les végétaux et ont ainsi accès au P (constituant de leurs os, de leur coquille et de leur ADN). • Les omnivores, par leur alimentation, absorbent à leur tour le P (constituant des dents, du système squelettique et de leur ADN). 3

La décomposition des déchets

• Les PO43− absorbés par les organismes retournent dans la lithosphère : 338

TERRE ET ESPACE

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tE 8.3

– à travers les déchets et les excréments des consommateurs terrestres et aquatiques ; – par la décomposition de cadavres et de végétaux terrestres et aquatiques. 4

La sédimentation et l’alimentation du phytoplancton

• Les PO43− provenant des déjections animales, des cadavres et des décomposeurs sont lessivés et transportés jusqu’aux océans. – Une partie des PO43− est absorbée par le phytoplancton (algue) qui sera à son tour ingéré par les consommateurs des niveaux supérieurs, dont le zooplancton. – Une autre partie, dissoute, se retrouve au fond des mers, se mélange aux sédiments pour former, après des millions d’années, de nouvelles roches. Ultimement, ces dernières remontent à la surface par les mouvements tectoniques.

FLASH

SCIENCE

Savez-vus que lsque vus fates le ménage, vus ajutez alement du se dans l’envnnement à cause des savns et des détegents que vus utlsez ? En effet, luseus duts nettyants cntennent ence aujud’u des sates qu snt à l’gne de la lféatn des cyanactées (algues leues), txques u l’ête uman et esnsales de l’eutsatn de luseus lans d’eau au Quéec. Ce énmne envnnemental ts éccuant a entaîné l’adtn de ls u le cnte. Ans, au Canada et aux États-Uns, deus 2010, les savns de tutes stes ne euvent as cnten lus de 0,5 % de leu ds en sates, et ce, afn de tége l’envnnement.

Activités 8.3 1

2

STE

Parmi les situations suivantes, laquelle n’affecte aucunement le cycle du phosphore ? a ) Déboisement d’un terrain.

c ) Un lièvre se nourrissant de laitue.

b ) Épandage de fumier.

d ) Un accident nucléaire.

Reliez chaque activité au processus de transformation du cycle du phosphore sur lequel elle a un impact. Activité

Processus de transformation du cycle du phosphore

a ) Faire la lessive.

1) L’absorption par les organismes

b ) Faire une coupe à blanc à l’aide de machinerie lourde.

2) L’alimentation du phytoplancton

c ) Partager un bon repas au restaurant. d ) Une usine de traitement des eaux usées qui rejette de grandes quantités de phosphore s’accumulant au fond de l’eau.

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3) La sédimentation 4) L’érosion et le transport

CHApItrE 8 LA bioSphèrE

339

3

Au cours d’un laboratoire en classe, vous assistez à une situation plutôt farfelue. Afin de favoriser la croissance de plants de haricots, un élève propose de les arroser avec la boisson gazeuse ci-contre. Se pourrait-il qu’il ait raison ? Justifiez votre réponse.

Ingrédients : Eau gazéifiée, glucose-fructose et/ou sucre, colorant caramel, acide phosphorique, caféine, acide citrique, arôme.

4

Après avoir lu l’encadré Flash science de la page précédente, prenez connaissance de l’information suivante.

Les ingrédients qui figurent sur les étiquettes des produits vendus au Canada sont présentés en ordre décroissant, selon la quantité de chaque ingrédient se trouvant dans le produit. Ainsi, l’ingrédient qui se trouve en plus grande quantité apparaît en tête de liste.

Vous devez acheter du détergent pour le lave-vaisselle. Les trois marques ci-dessus s’offrent à vous. a ) À l’aide de vos connaissances sur le cycle du phosphore, déterminez laquelle de ces marques de détergent représente le meilleur choix d’un point de vue écologique. Justifiez votre réponse.

b ) L’utilisation de détergents contenant des phosphates interfère avec quel processus de transformation du cycle du phosphore ? 1) La décomposition des déchets, car les phosphates sont rejetés dans l’environnement. 2) L’alimentation du phytoplancton, car les phosphates sont habituellement rejetés par les systèmes d’égout vers les plans d’eau, où les algues pourront s’en nourrir. 3) La sédimentation, puisque les phosphates ayant lessivé les sols se retrouvent au fond des plans d’eau, où ils s’entassent pour la formation de nouvelles roches. 4) L’absorption par les organismes, car les phosphates se retrouvent dans le sol, où ils contribuent à faire pousser les végétaux qui les utilisent pour leur croissance et qui, à leur tour, seront mangés par les consommateurs des niveaux supérieurs.

340

TERRE ET ESPACE

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te 8.4

5

Dans un jardin, on a aménagé un bassin d’eau (voir la photo ci-contre). Un système d’alimentation fait couler de l’eau sur les pierres d’une petite cascade qui irrigue le sol d’une plate-bande. Sur cette plate-bande, de magnifiques plantes verdissent. Le fond du bassin est en terre et des nénuphars y plongent leurs racines. Afin de retracer la circulation du phosphore dans ce jardin, complétez le tableau ci-dessous à partir de la liste de mots et des consignes suivantes. a ) Dans la deuxième colonne, indiquez le numéro qui correspond à l’étape du processus de transformation du cycle du phosphore à laquelle est associé chacun des éléments nommés dans la première colonne. b ) Dans la troisième colonne, indiquez le numéro qui décrit le mieux le processus de transformation du phosphore de ce jardin d’eau. 1) Sédimentation et alimentation du phytoplancton

6) Les décomposeurs désintègrent la matière organique morte afin d’en libérer le phosphore pour d’autres organismes.

2) Les roches libèrent le phosphore sous l’action de l’eau.

7) La plante absorbe le phosphore nécessaire à sa croissance.

3) Décomposition des déchets

8) La terre, qui sert de support aux végétaux, absorbe le phosphore dissous.

4) Absorption par les organismes 5) Érosion et transport

Étape du processus de Description transformation du phosphore

Élément du jardin L’eau circulant entre les pierres de la cascade La terre au fond du bassin Un plant de nénuphar enraciné dans la terre au fond du bassin Des champignons et des bactéries dans le sol du jardin

8.4 Les biomes

terrestres Les caractéristiques des biomes terrestres dépendent principalement de la température qui y règne et des précipitations qu’ils reçoivent. Ce sont ces facteurs qui déterminent les végétaux qui peuvent y croître et, conséquemment, les animaux qui peuvent y vivre. Un bom s est une grande région continentale caractérisée par son climat, sa flore et sa faune. Plusieurs biomes terrestres sont présents sur Terre (voir la figure 4). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Toundra Taïga Forêt tempérée Prairie tempérée

Fgu 4

Savane tropicale Désert Forêt tropicale humide

L dsbuon ds dfféns boms ss.

Chapitre 8 La biosphère

341

Le tableau 1 présente les principales caractéristiques des biomes terrestres. TABLEAU 1

Les principales caractéristiques des biomes terrestres

Biome

342

Climat

Flore

Toundra

• Températures arctiques, peu de précipitations

• Herbes, mousses, lichens et arbustes rabougris

• Faune adaptée au froid : lemmings, renards arctiques • Animaux migrateurs

• Rocailleux, pergélisol

Taïga

• Hivers longs, froids et enneigés • Étés courts et assez chauds

• Forêt boréale : conifères, arbustes rabougris, mousses et lichens

• Faune diversifiée : écureuils, orignaux, renards, ours noirs, lynx, lièvres, etc.

• Acide, mince et pauvre en nutriments

Forêt tempérée

• Hivers assez doux et humides, étés assez chauds • Précipitations abondantes

• Plantes herbacées, fougères, arbustes et arbres (forêt de feuillus)

• Faune diversifiée : ours noirs, ratons laveurs, lièvres, merles, etc.

• Riche en éléments nutritifs en raison de la matière organique au sol

Prairie tempérée

• Hivers longs et froids, étés assez chauds marqués par des périodes de sécheresse

• Vaste étendue d’herbages • Plusieurs plantes à fleurs • Très peu d’arbres et d’arbustes vu le manque de précipitations

• Grands herbivores : bisons, antilopes, cerfs, etc.

• Terre arable brune, riche en humus, en azote et en bases, aérée, peu lessivée, forte concentration de calcium

Désert

• Précipitations très rares • Températures contrastées entre le jour et la nuit

• Végétation rare et rabougrie avec peu de feuillage ou avec des épines, et munie de longues racines pouvant puiser l’eau et les minéraux en profondeur

• Faune adaptée aux conditions désertiques : insectes, serpents, lézards, coyotes, etc.

• Pauvre en nutriments, aride, sablonneux, certains sols salés et alcalins

Forêt tropicale humide

• Températures moyennes entre 20 et 34 °C • Pas de saison sèche • Pluies abondantes toute l’année

• Très diversifiée et dense, plusieurs spécimens de très grande taille : herbacées grimpantes, lianes, palmiers, etc.

• Très diversifiée : amphibiens (diverses grenouilles), reptiles, oiseaux, mammifères (ex. : paresseux à deux doigts, singes, orangs-outangs)

• Acide, riche en fer et en aluminium, pauvre en nutriments essentiels (carbone et phosphore), car lessivé par les abondantes précipitations, donc peu ou pas d’humus en surface

Savane tropicale (aussi appelée « forêt tropicale sèche »)

• Températures moyennes entre 20 et 34 °C • Alternance entre saison sèche (hiver) et saison des pluies (été)

• Très diversifiée : feuillus qui perdent leur feuillage en saison sèche (acacias), herbacées, arbustes, plantes grasses (cactus) avec réserves d’eau, etc. • Taille des végétaux dépassant rarement 20 m

• Grands mammifères : tigres, léopards, jaguars, paresseux, loups à crinière, rhinocéros de Java, espèces migratrices

• Pauvre en nutriments, mais se régénère à la suite d’incendies, grâce à la cendre, riche en substances nutritives.

TERRE ET ESPACE

Faune

Type de sol

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te 8.4

Activités 8.4 1

Observez les photos suivantes. a ) Sous chacune d’elles, inscrivez le numéro correspondant au biome terrestre approprié. 1

Désert

3

Prairie tempérée

5

Toundra

2

Forêt tempérée

4

Taïga

6

Forêt tropicale humide

b ) Pour chacune des photos, nommez deux caractéristiques qui vous ont permis d’identifier le biome. Biome

Caractéristiques visibles sur la photo

1 D ésert

2 F orêt tempérée

3 P rairie tempérée

4 Taïga

5 Toundra

6 F orêt tropicale

humide

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Chapitre 8 La biosphère

343

2

À l’aide de vos connaissances sur les biomes terrestres, choisissez l'énoncé qui explique pourquoi l’Himalaya se trouve dans la taïga, alors que cette chaîne de montagnes, qui compte les plus hauts sommets de la Terre, est bordée de prairies tempérées au nord et de la forêt tropicale humide au sud. a ) La taïga (forêt boréale) est une zone de transition entre les prairies tempérées et la forêt tropicale humide dans cette région. b ) La fonte des glaciers, de plus en plus importante, érode le sol, laissant peu de nutriments pour la croissance des végétaux propres à la forêt tropicale humide. Ce faisant, seuls des arbustes rabougris et des conifères peuvent désormais y pousser. c ) En très haute altitude, où les températures moyennes sont très froides et les sols enneigés, seule la végétation propre à la taïga peut y croître. À mesure qu’on descend en altitude, la végétation change (prairies et forêt tropicale humide) en fonction du réchauffement des températures. d ) Les importantes précipitations acides (neige) ont rendu les sols plus pauvres en nutriments, laissant place à une végétation moins luxuriante et moins abondante que celle de la forêt tropicale humide ou des prairies tempérées.

3

Lisez la fiche informative suivante. Répondez ensuite à la question. Le dragon barbu Le dragon barbu est un reptile docile, qui se laisse approcher facilement. Il est possible de répondre à ses besoins vitaux lorsqu’il est en captivité et, contrairement à plusieurs de ses congénères, il ne craint pas l’être humain.

Région

Australie, zones arides ou semi-arides

Température tolérée

Jour : entre 28 et 48 °C Nuit : 22 °C

Humidité requise

Faible (40 %)

Sol requis

Sable fin ou éclats de bois

Accessoires nécessaires et nutriments importants pour la vie en captivité

Vivarium, cloche chauffante, plaque ou roche chauffante, nombreuses cachettes, thermomètre, vitamines, suppléments de calcium

Selon les informations de cette fiche, dans quel type de biome terrestre le dragon barbu vit-il ? Justifiez votre réponse à l’aide de trois arguments.

344

TERRE ET ESPACE

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te 8.5

8.5 Les biomes

aquatiques Les biomes aquatiques occupent une importante superficie de la Terre, celle-ci étant recouverte à plus de 70 % d’eau (voir la figure 5). On divise habituellement ces biomes en deux catégories : les biomes marins et les biomes d’eau douce. Ces deux types de biome se distinguent par leur salinité. Un bom ququ est une étendue d’eau douce ou d’eau salée caractérisée par sa flore et sa faune.

Biomes dulcicoles Lacs Cours d’eau, deltas et estuaires Biomes marins Récifs de corail Zone abyssale Zone néritique

Fgu 5

8.5.1

L dsbuon ds ncux boms ququs.

Les biomes marins

Les biomes marins se trouvent dans les océans et les mers. Le tableau 2, ci-dessous et à la page suivante, donne une description de quelques-uns des biomes présents dans ces vastes étendues d’eau. TABLEAU 2

Biome

Les principales caractéristiques de quelques biomes marins Caractéristiques générales

Flore

Faune

La zone néritique (moins de 200 m de profondeur)

• Surface éclairée par la lumière et réchauffée par le Soleil • Située près des côtes • Zone de pêche importante

• Phytoplancton • Herbes marines

• Invertébrés (crabes, homards, calmars) • Poissons (harengs, sardines, morues) • Oiseaux marins • Mammifères

La zone abyssale (à partir de 2000 m de profondeur)

• Températures autour de 4 °C • Obscurité totale • Fond recouvert de boue et de sédiments • Recouvre 80 % de la superficie des fonds marins

• Algues et herbes marines • Photosynthèse remplacée par la chimiosynthèse, assurée par des bactéries primitives

• Microorganismes et invertébrés adaptés aux conditions extrêmes (pression élevée, températures froides) • Poissons de fond (ex. : raie)

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Chapitre 8 La biosphère

345

TABLEAU 2

Les principales caractéristiques de quelques biomes marins (suite)

Biome

Caractéristiques générales

Flore

Faune

Les récifs de corail* (moins de 30 m de profondeur)

• Situés dans les eaux chaudes, peu profondes et oxygénées • Le squelette externe des coraux est fait de calcaire (CaCO3) sensible aux variations de pH (acide) causées par le réchauffement climatique et la pollution atmosphérique (CO2).

Très diversifiée : mollusques, nombreuses espèces de poissons (ex. : poisson-clown), cétacés, pieuvres, calmars

Très diversifiée : étoiles de mer, éponges, anémones

* Les coraux sont des invertébrés. Ils ont une bouche centrale. Leurs tentacules vivent en symbiose avec une algue microscopique.

8.5.2

Les biomes d’eau douce

Aussi appelés les « biomes dulcicoles », les biomes d’eau douce regroupent les lacs, les cours d’eau, les terres humides, ainsi que certains estuaires et deltas (dont la salinité est peu élevée). Le tableau 3 présente les principales caractéristiques des biomes d’eau douce et certains des organismes typiques qu’on y trouve. TABLEAU 3

Les principales caractéristiques des biomes d’eau douce

Biome

346

Caractéristiques générales

Flore

Le lac

• Étendue d’eau relativement calme bordée par des végétaux (arbres et arbustes) • Soumis aux brassages saisonniers des eaux de surface et de profondeur qui distribuent les nutriments et l’oxygène aux organismes

• Phytoplancton, algues, plantes aquatiques diverses (nénuphars, quenouilles, joncs, etc.)

Le cours d’eau

• Ruisseau, rivière ou fleuve, habituellement bordé d’herbages, de plantes et d’arbres • Voie d’écoulement des eaux de surface ayant un débit plus ou moins rapide en fonction du volume d’eau drainé et du relief

• Croissance de grands • Décomposeurs, plancton, poisvégétaux limitée par le sons (achigan, truite, saumon) courant • Là où l’eau est plus calme, • Mousses, herbages et faune semblable à celle des algues réussissent habilacs : amphibiens, reptiles et tuellement à s’implanter oiseaux. dans ces milieux.

La terre humide

• Eau stagnante comprenant les marais, les marécages et les tourbières • Zone de transition entre un biome terrestre et un biome aquatique, milieu très riche en nutriments, d’où les diversités végétale et animale

• Végétaux vivant dans • De nombreuses espèces un sol saturé d’eau : animales y sont attirées tels la mousses, sphaignes, tortue, la salamandre, le rat herbages, algues et musqué, le canard, le grand quelques plantes héron, etc. (quenouilles, thuyas, etc.)

L’estuaire et le delta

• Caractérisés par une eau saumâtre (mélange d’eau douce et d’eau salée), marquant la transition avec les biomes marins

• Phytoplancton, algues et plantes sont aptes à y pousser selon le taux de salinité qu’ils peuvent tolérer.

TERRE ET ESPACE

Faune • Décomposeurs, plancton, poissons (truite, achigan, perchaude, brochet, etc.), amphibiens (grenouille, crapaud, salamandre, etc.), reptiles (couleuvre, tortue), oiseaux (canard, martinpêcheur, etc.)

• Éponges, capelans, bélugas et rorquals • Nombreux oiseaux telles la bernache, quelques espèces de canard, l’oie des neiges, etc. • Décomposeurs (champignons, bactéries) ainsi que divers crustacés : crevettes, moules et escargots

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te 8.5

Activités 8.5 1

Observez les photos suivantes. a ) Sous chacune d’elles, inscrivez le numéro correspondant au biome aquatique approprié. 1

Terre humide (marécage)

3

Lac

5

Océan ou mer

2

Zone néritique

4

Récif de corail (corallien)

6

Cours d’eau (rivière)

b ) Pour chacune des photos ci-dessus : • •

Indiquez, dans la deuxième colonne, le type de biome aquatique illustré. Nommez, dans la troisième colonne, deux caractéristiques qui vous ont permis d’identifier ce biome. Biome

Type de biome aquatique

Caractéristiques visibles sur la photo

1 Terre humide (marécage)

2 Z one néritique

3 L ac 4 R écif de corail (corallien) 5 Océan ou mer

6 C ours d’eau (rivière)

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Chapitre 8 La biosphère

347

2

Vous songez à vous procurer un aquarium et à l’aménager. Vous hésitez entre recréer un milieu tropical, qui rappelle les splendeurs de l’océan, et recréer un milieu plus commun, tel un étang, où vivront seulement des poissons rouges et quelques végétaux. Quel est le principal facteur que vous devez considérer afin de recréer l’un ou l’autre de ces milieux ? Justifiez votre réponse. Au besoin, consultez la figure 5 à la page 345.

8.6 Les facteurs influençant

la distribution des biomes De nombreux facteurs influent sur la distribution des biomes sur la Terre. Par exemple, la latitude a une incidence sur le nombre d’heures d’ensoleillement. Ainsi, les organismes qui ont besoin de soleil pour effectuer la photosynthèse, ou simplement se réchauffer, sont davantage présents dans les régions où cette énergie est omniprésente. La profondeur de l’eau a aussi un effet sur la quantité d’énergie solaire disponible. Elle a donc une influence sur les espèces présentes dans un milieu aquatique donné. Les espèces vivant à proximité des fonds marins sont adaptées pour vivre dans l’obscurité et dans un milieu plus froid, alors que les espèces qui se retrouvent plus près de la surface sont adaptées pour vivre là où il y a plus de lumière. Le tableau 4 présente des exemples de facteurs qui ont une influence sur la distribution des biomes sur la Terre. TABLEAU 4

Des exemples de facteurs qui influent sur la distribution des biomes

Facteurs qui influent sur la distribution des biomes terrestres • • • • •

Latitude Altitude Précipitations Vents Type de sol

Facteurs qui influent sur la distribution des biomes aquatiques • • • •

Salinité de l’eau Profondeur de l’eau Force et sens du courant Quantité de dioxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) nécessaire à la respiration ou à la photosynthèse

• Nourriture • Insolation (ensoleillement, lumière) • Température

348

TERRE ET ESPACE

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te 8.6

Activité 8.6 1

À l’aide du tableau 4 (voir la page précédente), complétez le tableau suivant en nommant le facteur qui influe sur la présence de chaque espèce dans le ou les biomes illustrés.

Espèce et biome(s)

Facteur qui influe sur la présence de cette espèce dans ce ou ces biomes

L’ours polaire vit dans la toundra, entre autres, grâce à son épais pelage.

Le thé du Labrador pousse dans certaines tourbières acides, trouvées dans la taïga et dans la toundra.

Le phytoplancton se trouve dans les eaux de surface des cours d’eau, des rivières et des océans.

Des lynx et des lièvres vivent dans la forêt boréale.

Des thuyas géants croissent le long de la côte ouest de l'île de Vancouver, où l’atmosphère est chargée d’humidité pendant de longues périodes de l’année.

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Chapitre 8 La biosphère

349

CONSOLIDATION DU ChApITre 8 1

STE À partir de l’illustration cicontre, déterminez les étapes qui sont communes aux cycles du carbone, de l’azote et du phosphore. Entourez le choix de réponse approprié.

1

a ) 1 et 2 b ) 3 et 4

4 6

c ) 2 et 5 d ) 3 et 5 3 2

5

2

STE Observez la photo ci-contre. Parmi les activités qui y sont représentées, lesquelles participent à la fois au cycle de l’azote, au cycle du carbone et au cycle du phosphore ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Le tracteur qui roule sur le sol. b ) Le fermier qui respire l’air frais. c ) Les arbres qui croissent. d ) Les vaches qui font leurs besoins sur le sol.

3

Les activités suivantes sont reliées au cycle du carbone. Lesquelles contribuent à l’intensification de l’effet de serre renforcé ? Entourez le choix de réponse approprié. 1) Une croissance démographique mondiale importante. 2) Le reboisement d’anciennes zones industrielles sur la Côte-Nord. 3) La mort de bélugas dans le fleuve Saint-Laurent à la suite d’un déversement d’hydrocarbures. 4) Une production accrue d’électricité à l’aide de centrales thermiques aux États-Unis. 5) La reconstitution d’une partie de la couche d’ozone (filtre les rayons ultraviolets), conséquence de l’interdiction d’utilisation des CFC (chlorofluorocarbones). 6) L'augmentation de l’élevage bovin dans les pays en voie de développement.

a ) 1, 3, 4

350

TERRE ET ESPACE

b ) 1, 4, 6

c ) 2, 4, 6

d ) 2, 3, 5

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4

À l’aide de la liste de mots suivante, complétez le tableau comparatif des cycles du carbone et de l’azote en y inscrivant les numéros correspondant à vos choix. Il peut y avoir plus d’une réponse par case. 1) Industries (combustion)

8) Décomposition de déchets organiques (organismes aquatiques morts, défécation)

2) Assimilation par les végétaux

9) Êtres vivants (respiration)

3) Décomposition de squelettes et de coquillages 4) Bactéries fixatrices

10) Alimentation du phytoplancton et autres végétaux aquatiques

5) Sédimentation

11) Bactéries dénitrifiantes

6) Assimilation par les végétaux et herbivores aquatiques

13) Décomposition d’organismes morts

7) Végétaux (photosynthèse)

14) Alimentation par les herbivores et omnivores

12) Formation de roches carbonatées

Transformations dans le cycle du carbone (C)

Tranformations dans le cycle de l’azote (N)

Émissions de CO2

Absorption de CO2

Émissions de N2

Absorption de N2

Rejet de carbone

Absorption de carbone

Émissions de produits azotés

Absorption de produits azotés

Rejet de carbone

Absorption de carbone

Émissions de produits azotés

Absorption de produits azotés

Atmosphère

Lithosphère

Hydrosphère

5

Classez chacun des processus de transformation suivants dans le cycle où il se produit : le cycle du carbone, le cycle de l’azote ou le cycle du phosphore. 1) Combustion de combustibles fossiles 2) Dénitrification par les bactéries dénitrifiantes 3) Sédimentation d’organismes morts

5) Photosynthèse par les organismes photosynthétiques 6) Nitrification par les bactéries nitrifiantes 7) Érosion des roches et transport

4) Fixation par les cyanobactéries

Cycle du carbone

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Cycle de l’azote

Cycle du phosphore

STE

Chapitre 8 La biosphère

351

6

À l’aide de la liste de mots et des photos suivantes, complétez le tableau en utilisant les lettres ou les numéros correspondant à vos choix. 1) Prairie tempérée

4) Divers herbages et plusieurs plantes

2) Biome marin (océan)

5) Algues et phytoplancton

3) Forêt tempérée

6) Feuillus, arbustes et fougères

A

B

C

Biome

Nom Flore Faune

7

Nommez un élément commun aux biomes suivants. a ) La toundra et la taïga

b ) Les cours d’eau et les lacs

c ) Le désert et la toundra

d ) Les mers et les cours d’eau

352

TERRE ET ESPACE

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SOMMAIRE

univers

vivant

CHAPITRE 9 L’écologie



CHAPITRE 10 La génétique

354

STE  380

chapitre

9

L’ÉCOLOGIE

L’écologie se penche sur les interactions entre les êtres vivants, sur les interactions entre ces êtres et leur environnement, et sur les conséquences de ces interactions. Dans ce chapitre, vous verrez comment chaque organisme occupe une place dans la chaîne alimentaire. Vous verrez aussi qu’il peut se reproduire et servir de nourriture ou d’abri à d’autres organismes au cours de sa vie. De plus, comme tous les autres êtres vivants, il est soumis aux conséquences des interactions avec son milieu.

SOMMAIRE

Rappel  355 9.1 L’organisation des vivants  355 9.2 Les interactions  361 9.3 L’écotoxicologie STE  373 9.4 L’empreinte écologique STE  375

RAPPEL

L’spè

L’habitat

Un espèce rroup ds individus dont ls aratristiqus physiqus sont nralmnt smblabls. Ils doivnt pouvoir s rproduir ntr ux t lurs dsndants sont viabls t fonds.

L’habitat st un miliu où ls onditions sont adquats pour omblr ls bsoins ds individus d’un spè qui y vivnt. On drit un habitat d’après plusiurs faturs, notammnt sa situation oraphiqu, sa faun, sa flor, son limat ainsi qu la natur du sol t d l’au.

La population Un population st form d l’nsmbl ds individus d’un mêm spè prsnts sur un trritoir donn à un rtain momnt. La taille d’une population orrspond au nombr d’individus qui la omposnt. Il xist divrss mthods d alul slon l typ d population : • l ompta dirt (pour ds individus pu nombrux ou sdntairs) ; • l ompta indirt (bas sur l nombr d nids ou d trrirs, par xmpl) ; • l’hantillonna (n divisant un trritoir n parlls) ; • la aptur-raptur d’individus marqus.

La nih oloiqu La niche écologique d’un spè st l’nsmbl ds onditions t ds rssours (lmnts vivants t non vivants) nssairs au maintin d tt spè.

L’ous ol  l oqu occun l mêm b, ms on ds ncs écologqus dfféns (égm lmn, éod d’cvés, c.).

9.1 L’organisation

des vivants Certaines espèces nous semblent inutiles, mais chaque être vivant a sa place parmi les organismes qui peuplent la Terre. Les sections suivantes présentent la manière dont l’ensemble de ces êtres vivants sont organisés.

9.1.1

Les populations

Les différentes espèces se regroupent en populations. Une population se caractérise entre autres par sa taille (voir la section Rappel ci-dessus), sa densité et sa distribution.

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Chapitre 9 L’écOLOgIe

355

La densité d’une population La densité d’une population est le nombre d’individus par unité d’aire (individus/km2) ou de volume d’eau (individus/L). On calcule la densité d’une population à l’aide de l’équation suivante : Densité de la population =

Nombre d’individus de la population Aire du lieu occupé par la population

Par exemple, si un territoire de 180 km2 compte 5 000 écureuils, le calcul de la densité de cette population est le suivant : EXEMPLE

Densité de la population =

5 000 écureuils 180

km2



28 écureuils km2

La taille et la densité d’une population augmentent en fonction de la natalité et de l’immigration ; elles diminuent selon la mortalité et l’émigration.

La distribution d’une population La distribution d’une population, quant à elle, est la façon dont les individus se répartissent sur un territoire. Le tableau 1 présente les trois principaux modes de distribution. Le mode le plus courant est celui de la distribution en agrégats à cause du comportement social des animaux et des ressources souvent concentrées. TABLEAU 1

Les trois principaux modes de distribution d’une population sur un territoire

La distribution en agrégats (en groupes)

La distribution aléatoire (au hasard)

9.1.2

La distribution uniforme (répartition régulière)

Les communautés

L’écologie ne se concentre pas seulement sur les populations, elle étudie aussi les communautés. Une communauté est l’ensemble des populations (animales et végétales) qui vivent sur un même territoire (voir la figure 2 à la page suivante).

356

UNIVERS VIVANT

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UV 9.1

Une des caractéristiques d’une communauté est sa biodiversité. La bodvsé (ou la diversité spécifique) correspond à la diversité des espèces qui composent une communauté. La biodiversité se mesure à l’aide des facteurs suivants (voir la figure 1) : • la richesse spécifique, qui correspond au nombre total d’espèces dans une communauté ; • l’abondance relative, qui désigne le pourcentage d’individus d’une même espèce par rapport au nombre total d’individus de la communauté.

A

B

Fgu 1 Dux bodvsés dfféns. A Un forêt tropal prsnt un rand bodvrst : la rhss spfqu st lv (plusurs spès) t l’abondan rlatv st qulbr (nvron un mêm pournta d haqu spè). B Un sapnèr prsnt un fabl bo dvrst. On y trouv pu d’spès d’arbrs ; la rhss spfqu st don fabl. D plus, l sapn tant l’spè prsnt n plus rand nombr, l’abondan rlatv n’st pas qulbr.

9.1.3

Les écosystèmes

L’écologie consiste aussi en l’étude des écosystèmes. Un écosysèm est l’ensemble des organismes vivants d’une communauté qui interagissent entre eux et avec des composants non vivants présents sur le même territoire. Un écosystème comporte différents niveaux écologiques : l’individu, la population, la communauté et l’écosystème (voir la figure 2).

Individu

Fgu 2

Population

Communauté

Écosystème

Ls nvux écologqus.

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Chapitre 9 L’écOLOgie

357

Activités 9.1 1

Quelle est la différence entre la taille et la densité d’une population ?

2

a ) Trois voisins possèdent chacun un terrain de dimension différente. Sur chaque terrain, une espèce de fleurs a poussé. Complétez ce tableau en tenant compte des données fournies. Population (nombre de fleurs) Terrain 1 Terrain 2

90

Terrain 3

600

Aire (m2)

Densité de population (fleurs/m2)

15

4

60

Aléatoire En agrégats

1,5

Uniforme

b ) Comment la densité de population de deux des trois terrains peut-elle être identique si l’aire des terrains est différente ?

c ) Les propriétaires des terrains 2 et 3 arrachent tous les deux les plants de fleurs sur la moitié de leur terrain. Ils s’aperçoivent alors que la densité des plants de fleurs restants est différente sur chaque terrain. Expliquez pourquoi il en est ainsi.

3

Quel est le mode de distribution des fous de Bassan sur cette plage ? a ) En agrégats b ) Aléatoire c ) Uniforme

358

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UV 9.1

4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Tous les individus d’un même territoire sont nécessairement de la même espèce.

b ) Le mode de distribution de deux populations d’espèces différentes est nécessairement différent.

c ) À elles seules, plusieurs populations forment un écosystème.

d ) On peut calculer la densité d’une population terrestre, mais pas celle d’une population aquatique.

e ) Une communauté regroupe plusieurs populations.

5

Sachant que les coraux sont des organismes ultra-sensibles aux changements et qu’ils peuvent en mourir, quel serait l’impact d’un tourisme marin intensif sur la biodiversité d’une communauté de coraux ?

6

Une communauté peut présenter une biodiversité plus ou moins grande. Quels sont les indices : a ) d’une faible biodiversité dans une communauté ?

b ) d’une grande biodiversité dans une communauté ?

7

Laquelle des communautés suivantes, composées des espèces A, B et C, possède la plus grande biodiversité ? a ) A : 33 % ; B : 27 % ; C : 40 % b ) A : 20 % ; B : 20 % ; C : 60 % c ) A : 8 % ; B : 80 % ; C : 12 % d ) A : 27 % ; B : 20 % ; C : 53 %

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Chapitre 9 L’écoLogie

359

8

Vous allez à l’animalerie acheter un vivarium et deux lézards. Que devez-vous y ajouter pour reproduire un écosystème ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Un troisième lézard b ) Des composants non vivants (sable, roches et eau) c ) Des insectes pour nourrir les lézards d ) Un deuxième vivarium

9

L’aquarium représenté ci-contre est-il un exemple : a ) d’espèce ? b ) de population ? c ) de communauté ? d ) d’écosystème ?

10

Reliez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé correspondant de la colonne de droite. a ) Écosystème

b ) Population

c ) Communauté

360

1) Ensemble des éléments vivants d’une communauté et des éléments non vivants de ce milieu. 2) Plusieurs populations qui vivent ensemble. 3) Groupe d’organismes vivants de la même espèce.

11

Sur un territoire de 5 km2, on a recensé 410 écureuils roux. Quelle est la densité de cette population ?

12

Une ferme d’élevage de truites possède 20 kL de bassins. Chaque truite produite a une masse d’environ 200 g. Sachant que la densité de la population dans les bassins est maintenue à 12 kg/kL, combien y a-t-il de truites dans cette ferme d’élevage ?

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UV 9.2

9.2 Les interactions Les interactions entre les individus d’une population, d’une communauté et d’un écosystème créent diverses dynamiques et sont à l’origine des transformations de la matière et de l’énergie.

9.2.1

La dynamique des populations

Au fil du temps, on observe dans tous les milieux de nombreuses variations parmi les populations qui y vivent. Un certain nombre de facteurs peuvent influer sur cette dynamique des populations, entre autres le cycle biologique d’une espèce, la croissance d’une population et la capacité limite d’un milieu.

Le cycle biologique d’une espèce Chaque individu naît et grandit. Certains êtres vivants se reproduisent et tous meurent un jour. Les différents stades de la vie constituent ce que l’on nomme le cycl bologqu. Le cycle biologique varie grandement d’une espèce à l’autre. Certaines espèces comme le maringouin ont un cycle très court (voir la figure 3). Cela influence la croissance d’une population.

Adulte

Pupe (ou nymphe)

Oeufs

Larve

Fgu 3 L cycl bologqu du mngoun.

La croissance d’une population Le nombre d’individus d’une population varie au cours du temps (voir la figure 4). Plusieurs facteurs, comme les naissances, les décès, l’immigration et l’émigration, influent sur ces variations. Le bilan des variations détermine le type de croissance de la population, ainsi que le montrent le tableau 2 et la figure 4. TABLEAU 2

Le calcul des différents types de croissance d’une

population Calcul

Type de croissance d’une population

Naissances + immigrants > décès + émigrants

Croissance positive

Naissances + immigrants = décès + émigrants

Croissance nulle (population stable)

Naissances + immigrants < décès + émigrants

Croissance négative (décroissance)

Fgu 4 Ls cycls d cossnc d’un oulon, uss lés cycls bologqus d’un oulon.

Par exemple, le cycle biologique très court du maringouin favorise des naissances nombreuses et rapprochées qui amènent une croissance rapide de la population. Cependant, la durée de vie de cet insecte étant courte, la mortalité est importante. La croissance est donc nulle.

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Chapitre 9 L’écoLogie

361

La capacité limite du milieu Le nombre d’individus dans une population varie également en fonction de la capacité limite du milieu, c’est-à-dire du nombre maximal d’individus qu’il peut supporter. Ce nombre augmente tant qu’il y a des ressources pour répondre aux besoins des populations du milieu. Lorsque la capacité limite est dépassée, il en résulte un manque de nourriture, ou parfois d’espace, qui entraîne une décroissance de la population. Par exemple, si la nourriture est abondante sur un territoire donné, la croissance de la population est positive. Quand un prédateur y immigre, attiré par les nombreuses proies, la croissance devient nulle, puis négative. Enfin, lorsque le prédateur émigre à cause du manque de nourriture, la croissance de cette population redevient positive (voir la figure 4, à la page 361).

9.2.2

La dynamique des communautés

Les populations formant une communauté sont en constante interaction entre elles (voir un exemple d’interaction à la figure 5). L’ensemble des interactions entre des populations d’espèces différentes se nomme la dynamique des communautés. Figure 5 Les puces, cachées dans le pelage, se nourrissent du sang du chien. TABLEAU 3

Le tableau 3 présente les principales interactions entre des individus de différentes populations d’une communauté.

Les types d’interactions entre individus appartenant à des populations différentes

Interactions avantageuses pour l’un et nuisibles pour l’autre

Interactions avantageuses pour l’un et neutres pour l’autre

Interactions avantageuses pour l’un et l’autre

Prédation Un individu tue et dévore un individu d’une autre espèce.

Commensalisme Un individu profite d’un autre sans lui nuire ni lui être utile.

Mutualisme Les deux individus retirent des bénéfices de leur coopération.

Exemple : Le lynx (prédateur) se nourrit de lièvres (proies).

Exemple : Les mouettes (commensaux) mangent les restes de nourriture laissés par les humains.

Exemple : Les abeilles butinent le nectar et le pollen des fleurs pour se nourrir et assurent en même temps la pollinisation.

Parasitisme Un individu se nourrit, se développe aux dépens d’un autre et l’agresse, habituellement sans le tuer. Exemple : Une tique (parasite) se fixe sur un chien (hôte) entre autres pour se nourrir de son sang. Compétition Des espèces se disputent une ou plusieurs ressources du milieu. Exemple : Dans le désert, les différentes plantes (compétiteurs) rivalisent pour disposer d’eau.

362

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UV 9.2

Activités 9.2.1 et 9.2.2 1

Comment le cycle biologique influe-t-il sur la croissance de la population ?

2

La laitue, une plante annuelle, meurt à l’automne après avoir donné beaucoup de graines qui germeront au printemps. Le fraisier, une plante vivace, ne donne des fruits que dans sa deuxième année de vie. Expliquez en quoi diffèrent les cycles biologiques de ces deux espèces.

3

Dans les énoncés suivants, nommez le facteur qui fait varier le nombre d’individus d’une population et dites à quel type de croissance on a affaire. a ) Chaque année, des millions de monarques quittent nos régions et vont passer l’hiver dans les forêts du Mexique.

b ) Dans certaines villes, les chats errants sont stérilisés, puis relâchés près du lieu de leur capture.

c ) Malgré l’arrachage des pissenlits, les graines de cette plante, emportées par le vent, viennent constamment recoloniser le terrain.

d ) Au Québec, un nombre limité de permis pour chasser la chevrette (la femelle du chevreuil) sont émis. Or, des chasseurs malhonnêtes tuent des chevrettes sans détenir ce permis.

4

Les guppys, poissons tropicaux, se reproduisent rapidement et en abondance, et leur durée de vie est d’environ deux ans. Si on place quatre guppys dans un aquarium, la population augmentera pendant six mois. Par la suite, on observera une croissance nulle. Donnez une explication de ce phénomène.

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Chapitre 9 L’écoLogie

363

5

Deux populations de petits herbivores, des lièvres et des marmottes, vivent en communauté dans un champ de trèfle, où ils trouvent leur nourriture. Une population de prédateurs s’installe tout près et se met à les chasser. a ) De quel type sont les interactions entre les marmottes et les lièvres ?

b ) Quel est l’effet de la profusion d’herbivores sur la population de prédateurs ?

c ) Si le prédateur a une préférence marquée pour les lièvres, quel effet cela aura-t-il sur la population de marmottes ?

6

Dans le tableau suivant, notez les différents types d’interactions qui sont décrits. Description

Interaction

a ) Les pucerons sucent la sève des bourgeons des plantes. b ) Les oiseaux mangent les fruits des arbres, mais rejettent les noyaux, qu’ils répandent un peu partout. c ) Les chouettes et les éperviers chassent tous deux les petits rongeurs. d ) La fixation de l’azote par les bactéries permet aux légumes du potager de profiter de ces éléments. e ) Le poisson-pilote accompagne les requins, trouvant en même temps une protection et sa nourriture dans les restes des repas de ces derniers. f ) Les coccinelles et leurs larves se nourrissent des pucerons. g ) Les jeunes arbres des sous-bois ont besoin de lumière. Lorsque les plus grands font trop d’ombre aux plus petits, ces derniers ne survivent pas. 7

Parmi les interactions décrites dans le tableau de la question précédente, indiquez laquelle ou lesquelles sont avantageuses : a ) pour les deux espèces concernées ?

b ) pour l’une, mais nuisibles pour l’autre ?

c ) pour l’une et neutres pour l’autre ?

364

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UV 9.2

9.2.3

La dynamique des écosystèmes

Dans un écosystème, les interactions entre les vivants et leur milieu créent une dynamique.

Les relations trophiques Les relations prédateurs-proies sont essentielles à la survie de toutes les espèces d’un écosystème. On les appelle « relations trophiques » et on les représente sous la forme d’une chaîne alimentaire (voir la figure 6). Les lons oqus sont les relations alimentaires qui s’établissent entre les différents êtres vivants d’un écosystème.

Producteur

Consommateur primaire

Consommateurs secondaires

Consommateur tertiaire

signifie « est mangé par »

Fgu 6

Ls lons oqus ésnés  un cîn lmn.

La place occupée par un individu dans une chaîne alimentaire constitue son niveau trophique. Dans les écosystèmes, les organismes appartiennent à l’un des niveaux trophiques suivants : • Les producteurs : ce sont les végétaux. On les qualifie d’« organismes autotrophes », car ils produisent eux-mêmes leur nourriture. • Les consommateurs : ce sont des organismes hétérotrophes (qui se nourrissent d’autres organismes vivants). Les consommateurs primaires sont des herbivores qui se nourrissent de producteurs. Les consommateurs secondaires se nourrissent d’herbivores. Les autres consommateurs sont tous considérés comme des consommateurs tertiaires (voir la figure 6). • Les décomposeurs : ce sont des organismes détritivores. Ils se nourrissent de matières organiques mortes et les décomposent en nutriments. Les champignons, les vers de terre et les bactéries appartiennent à ce groupe d’organismes.

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Chapitre 9 L’écoLogie

365

Les facteurs écologiques Les facteurs écologiques regroupent les relations et les influences que peuvent avoir entre eux les différents composants d’un écosystème. On compte : • les facteurs biotiques, qui déterminent les relations entre organismes vivants dont les relations trophiques sont un exemple ; • les facteurs abiotiques, constitués, par exemple, du climat, des nutriments du sol et de la salinité de l’eau.

Les perturbations Si tous les facteurs écologiques sont en équilibre, un écosystème peut se maintenir très longtemps. Mais il y a constamment des perturbations qui agissent sur lui. Une perturbation est un dérangement ou une altération se produisant à l’intérieur d’un écosystème. Les perturbations peuvent être rapides et très dévastatrices ou très lentes et peu visibles. Par exemple, l’utilisation depuis de nombreuses années de produits détersifs contenant des phosphates a entraîné une prolifération des cyanobactéries dans les cours d’eau (voir la figure 7). Figure 7 Un lac pollué par des cyanobactéries (algues bleues).

On classe généralement les perturbations en fonction de leur origine, comme le montre le tableau 4. TABLEAU 4

Les types de perturbations

Types de perturbations

Origine

Perturbations naturelles

Feu de forêt, inondation, éruption volcanique, épidémie de grippe, etc.

Perturbations humaines

Déforestation, pollution, chasse intensive, monoculture, etc.

Activités 9.2.3 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La prédation fait partie des facteurs écologiques.

b ) La compétition est un facteur abiotique.

c ) Un végétarien est un consommateur primaire.

366

UNIVERS VIVANT

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UV 9.2

2

Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème nocturne suivant. signifie « est mangé par »

a ) Identifiez le ou les : 1) producteurs :

5) consommateurs tertiaires :

2) décomposeurs :

6) organismes autotrophes :

3) consommateurs primaires :

7) organismes hétérotrophes :

4) consommateurs secondaires :

b ) Quel effet la disparition des grenouilles aurait-elle sur ce réseau trophique ?

c ) Quels effets l’introduction d’un prédateur du raton laveur auraient-ils sur ce réseau trophique ?

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Chapitre 9 L’écoLogie

367

3

Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème suivant.

signifie « est mangé par »

a ) Complétez le tableau suivant. Niveaux trophiques

Organismes

Facteurs biotiques

Se nourrissent de feuilles mortes. Herbe

Consommateurs

Se nourrit de criquets, de pissenlits, d’herbe, de trèfles et de vers de terre. Criquet Renard

b ) La composition du sol et le climat de cet écosystème correspondent à quel type de facteurs écologiques ? Des facteurs biotiques

Des facteurs abiotiques

c ) Lequel des niveaux trophiques a un effet direct sur la composition du sol ? Expliquez votre réponse.

d ) Si les marmottes disparaissaient de cet écosystème, quelles seraient les conséquences sur la croissance de la population des vers de terre ?

368

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UV 9.2

e ) À quel type de perturbation aurait-on affaire si la disparition des marmottes était due : 1) à un pesticide ?

4

2) à un virus ?

Reliez chacune des situations dans la colonne de gauche au type d’interaction dans la colonne de droite. a ) Un poisson-clown qui s’abrite au sein d’une anémone et qui peut servir de leurre pour attirer des proies vers l’anémone.

2) Compétition

b ) Des mauvaises herbes qui envahissent lentement la pelouse devant la maison. c ) Des puces dans le pelage d’un chat. 5

1) Parasitisme

3) Mutualisme

Référez-vous à l’illustration du réseau trophique ci-dessous pour répondre à la question suivante et à celle de la page suivante. signifie « est mangé par » 1

1

2

2

a ) Repérez les deux types d’interaction présents dans ce réseau trophique. Puis, à l’aide des flèches numérotées 1 et 2, précisez les relations que représente chaque type d’interaction. Type d’interaction 1

Relations représentées R elation :

R elation :

2

R elation :

R elation :

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Chapitre 9 L’écoLogie

369

b ) Si l’arbre ne produit pas de fruits cette année-là, quelle population illustrée subira une augmentation ou une diminution ?

Les transformations de la matière et de l’énergie 9.2.4

Dans un écosystème, les interactions entre les vivants et leur milieu sont à l’origine des différentes transformations.

La productivité primaire Dans un écosystème, on voit continuellement croître de la nouvelle végétation. D’où peut bien provenir cette « nouvelle matière » ? La productivité primaire est la quantité de matière organique produite par les végétaux d’un écosystème lors de la photosynthèse. La croissance des végétaux dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, un milieu riche en nutriments, humide et ensoleillé (facteurs abiotiques) est favorable à la productivité primaire. Par contre, une décroissance de la population d’abeilles nuit à la pollinisation des arbres fruitiers (facteur biotique).

Le flux de la matière Les végétaux utilisent les nutriments disponibles dans le sol pour croître. Ils les réintroduisent ainsi dans la chaîne alimentaire. Le flux de la matière correspond au cycle des éléments chimiques de la matière dans un écosystème. Les végétaux sont mangés par certains animaux, et ceux-ci seront ensuite mangés par d’autres animaux. À chaque étape de ce processus, une partie de la matière organique est décomposée, puis transformée en nutriments. Ces derniers demeurent dans le sol jusqu’à ce qu’un végétal les utilise pour assurer son développement (voir la figure 8). Nourriture

Le recyclage chimique

Nutriments

Figure 8 Le flux de la matière ( ) constitue un cycle dont le recyclage chimique ( ) fait partie.

370

UNIVERS VIVANT

Le recyclage chimique est le phénomène naturel au cours duquel la matière organique est décomposée, puis transformée en nutriments (matière inorganique) qui seront à nouveau disponibles dans le sol (voir la flèche orange dans la figure 8).

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UV 9.2

Le flux de l’énergie Les végétaux convertissent l’énergie lumineuse du Soleil en énergie chimique emmagasinée dans les liaisons entre les atomes. Le flux d l’éng est un transfert d’une partie de l’énergie entre les différents composants vivants d’un écosystème.

Consommateur tertiaire

Prt d’nr sus frm d halur

Les vers, les champignons ainsi qu’un certain nombre de microorganismes sont des décomposeurs. Pour se nourrir, ces derniers décomposent la matière organique présente dans les végétaux et les animaux morts, ce qui crée des nutriments dans le sol. Ces nutriments peuvent s’accumuler sous forme de roches que l’érosion du sol rendra disponibles à nouveau.

Consommateurs secon daires

Consom mateur s pr imair es Produc teurs

Dans un écosystème, l’énergie n’est pas recyclée, contrairement à la matière. De plus, elle n’est pas entièrement transmise d’un niveau trophique à un autre. Elle se perd, sous forme de chaleur, entre Fgu 9 L flux d l’éng dns un cîn lmn. chacun des niveaux trophiques d’une chaîne alimentaire. Cette perte s’accroît à chaque niveau trophique, puisque seulement 5 % à 20 % de l’énergie est transférée au niveau suivant. Par exemple, la croissance d’un requin nécessite, à masse égale, plus d’énergie que celle des algues, parce qu’elle implique un plus grand nombre de niveaux trophiques (voir la figure 9).

Activités 9.2.4 1

Nommez deux facteurs qui ont un effet positif sur la croissance des végétaux (producteurs primaires).

2

La croissance des végétaux influe-t-elle sur la productivité primaire ? Justifiez votre réponse.

3

Expliquez comment la longueur d’une chaîne alimentaire peut influer sur le flux de l’énergie.

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Chapitre 9 L’écoLogie

371

4

Complétez le schéma ci-dessous à l’aide des mots suivants. Végétaux

Animaux

Décomposeurs

Nutriments

Flux de la matière

Matière organique

Productivité primaire Recyclage chimique

5

Observez les deux photos suivantes. Dans lequel de ces écosystèmes la productivité primaire est-elle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.

1

6

7

372

2

Quels organismes sont les principaux responsables du recyclage chimique ? a ) Les producteurs

c ) Les décomposeurs

b ) Les consommateurs

d ) Toutes ces réponses

Quelle est la différence entre le flux de la matière et le flux de l’énergie dans un écosystème ?

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UV 9.3

8

Quel serait l’effet de la disparition des décomposeurs d’un écosystème sur : a ) la productivité primaire ?

b ) le flux de la matière ?

c ) le flux de l’énergie ?

9.3 L’écotoxicologie

STE

Les activités humaines perturbent les écosystèmes, entre autres à cause des nombreuses substances toxiques rejetées dans l’environnement. L’écooxicologi étudie les polluants qui contaminent un écosystème ainsi que les organismes qui le composent.

9.3.1

Les contaminants

La présence d’un contaminant ou la hausse de sa concentration peuvent déséquilibrer l’écosystème en perturbant les relations des êtres vivants entre eux et avec leur milieu. Un conminn est une substance qui altère les propriétés physiques, chimiques ou biologiques d’un organisme ou d’un écosystème. Certains contaminants se dégradent naturellement dans l’environnement, alors que d’autres se répandent dans l’air, l’eau et le sol avant de pénétrer dans les organismes. Il y a bioccumulion quand un organisme absorbe un contaminant plus vite qu’il ne l’élimine. Le contaminant est alors plus concentré dans les tissus de l’organisme que dans l’environnement ambiant. Il y a plusieurs types de bioaccumulations, dont la bioconcentration et la bioamplification. La bioconcnion est l’accumulation d’un contaminant dans un organisme par contact direct avec le milieu environnant (comme en respirant l’air ou en nageant dans l’eau). La biomlificion est l’accumulation d’un contaminant dans les tissus des organismes vivants lors de l’ingestion de proies contaminées à chaque niveau d’une chaîne alimentaire (voir la figure 10). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

Niveaux de contamination

Figu 10 Il y  bioccumulion  biomlificion losqu’n s nouissn consmmn d ois conminés, un individu concn l conminn dns ss issus. Cl xliqu ouquoi un ognism qui s ouv n fin d cîn limni ésn l concnion l lus élvé n conminns (ici l’ous oli).

ChapItre 9 L’écoLogie

373

9.3.2

Le seuil de toxicité

La toxicité d’un contaminant varie en fonction du contaminant, de sa concentration, du type de milieu dans lequel il est rejeté, de l’organisme qui y est exposé et de la durée de l’exposition. Le seuil de toxicité aide à évaluer l’effet d’un contaminant sur les organismes d’un écosystème. Le seuil de toxicité est la concentration minimale (en ppm) au-delà de laquelle un contaminant produit un effet néfaste sur un organisme.

Activités 9.3

STE

1

Pourquoi un polluant risque-t-il de déséquilibrer l’écosystème dans lequel il est introduit ?

2

On détermine que la chair des poissons contient une plus grande concentration en fer que l’eau du lac qu’ils absorbent et dans lequel ils ont été pêchés. Quel genre de phénomène observe-t-on ici ? a ) Bioamplification

3

b ) Bioconcentration

c ) Concentration

Au cours d’un repas, une personne consomme en grande quantité un aliment contaminé. a ) Y a-t-il bioconcentration ? Justifiez votre réponse.

b ) Y a-t-il nécessairement bioaccumulation chez cette personne ?

4

Un organisme a un seuil de toxicité très bas à l’égard d’un polluant. Que cela signifie-t-il ?

5

Comme vous savez que la bioamplification du mercure affecte la chaîne alimentaire marine, vous déconseillez à un ami de manger trop de thon et de saumon (poissons prédateurs). Il vous demande de lui expliquer pourquoi. Que lui répondrez-vous ?

6

Un lynx absorbe des pesticides en mangeant des lièvres qui se nourrissent de végétaux contaminés. La santé des lièvres est touchée, mais pas celle du lynx. a ) Comment appelle-t-on ce type particulier d’absorption de contaminants par le lynx ?

374

UNIVERS VIVANT

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UV 9.4

b ) Qu’est-ce qui pourrait expliquer le fait que les contaminants ont des effets différents sur les deux espèces ?

9.4 L’empreinte

écologique

STE

L’être humain, comme tout autre être vivant, a des besoins. Chaque jour, il utilise une partie des ressources de la Terre pour se nourrir, s’habiller, se loger, se déplacer, etc. Ces ressources sont réparties sur une surface évaluée au moyen de l’empreinte écologique. L’emeine écologique est une estimation du nombre d’hectares (1 ha = 10 000 m2) de surfaces terrestre et aquatique dont a besoin une personne pour maintenir son mode de vie. Le calcul de l’empreinte écologique se fait à l’aide de l’équation suivante : Empreinte écologique

=

Surfaces* habitées +

Surfaces* utilisées pour produire des biens et services

Surfaces* utilisées pour + éliminer les déchets

FLASH

SCIENCE

Au Canada, l’mprnt clqu mynn st d 6,43 hctars par prsnn, st 2,4 fs plus qu la mynn mndal. S tus ls humans cnsm­ mant cmm nus, nus aurns bsn d trs planèts Trr t dm pur cmblr ns bsns.

*Le mot « surfaces » désigne ici les surfaces terrestre et aquatique.

La capacité biologique de la Terre correspond à la surface totale que l’humain peut exploiter pour subvenir à ses besoins. La surface exploitable est vaste, mais l’exploitation intensive des ressources due au fort accroissement de la population humaine risque de la diminuer.

Activités 9.4 1

STE

Chaque année, on détermine la date à laquelle la consommation des ressources mondiales dépassera la quantité de ressources naturelles fournies par la planète en un an. On se base sur la consommation moyenne de ressources naturelles dans chaque pays du monde pour estimer cette date. En 1987, la date du dépassement fut fixée au 19 décembre ; en 1995, au 21 novembre ; en 2006, au 9 octobre et en 2017, au 3 septembre. Que peut-on conclure de l’avancement de ces dates dans le calendrier d’année en année ?

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CHApItrE 9 L’éCoLogie

375

2

Une famille de paysans indiens est composée de cinq personnes. Ensemble, ils cultivent un champ de maïs de 1,2 hectare (ha), un champ d’arachides de 1 ha, une bananeraie de 1,3 ha et un potager de 0,1 ha. De plus, ils ont une maison entourée d’une cour de 0,2 ha. Au bout de leur terre, ils possèdent un dépotoir de 0,2 ha. Ils vont aussi pêcher et s’approvisionner en eau dans une portion de ruisseau qui mesure 0,6 ha. Enfin, ils possèdent 4 chèvres qui font partie du troupeau de 20 chèvres du village. Les chèvres broutent dans un champ commun de 12 ha. Quelle est l’empreinte écologique de chacun des membres de cette famille ? Laissez des traces de votre démarche.

3

Examinez l’illustration ci-dessous. Remplissez ensuite le tableau qui la suit en distinguant les habitudes qui contribuent à augmenter l’empreinte écologique de cette famille de celles qui contribuent à la diminuer.

Habitudes qui augmentent l’empreinte écologique

376

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Habitudes qui diminuent l’empreinte écologique

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CONSOLIDATION DU ChApITre 9 1

Placez chacun des niveaux d’organisation suivants par ordre croissant du nombre d’individus. A. Communauté

2

B. Individu

C. Écosystème

D. Population

Répondez aux questions à partir de la situation décrite ci-dessous. Une biologiste étudie une population de truites grises dans un lac contenant environ 3 km3 d’eau. Elle observe que ces poissons vivent groupés dans la partie fraîche et profonde, laquelle ne représente qu’environ la moitié du volume total du lac. Ensuite, elle évalue que le lac contient environ 386 truites grises. a ) Quelle est la densité de la population de truites grises (en individus par km3 d’eau) dans l’ensemble du lac ?

b ) La biologiste remarque, à chaque prise, qu’aucune autre espèce que la truite grise ne se trouve dans ses filets. Que peut-elle conclure quant à la biodiversité de la communauté de poissons dans ce lac ?

3

Les loups vivent en meutes. Quel est le mode de distribution des loups sur ce territoire ?

4

Parmi les termes soulignés, dans les situations suivantes, lequel pouvez-vous associer à une croissance positive d’une population ? a ) Un prédateur dont le nombre de proies possibles augmente. b ) Un hôte dont les parasites augmentent. c ) Un animal qui a maintenant un nouveau compétiteur. d ) Une espèce mutualiste dont l’hôte vient de mourir.

5

Sur quels phénomènes, parmi les suivants, les relations trophiques ont-elles un impact ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) La productivité primaire

d ) Le flux de l’énergie

b ) Le flux de la matière

e ) Toutes ces réponses

c ) Le recyclage chimique

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Chapitre 9 L’écoLogie

377

6

Lisez la situation ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent. Un champ renferme plusieurs espèces qui interagissent entre elles. Ainsi, les sauterelles et les chenilles se nourrissent de végétaux, les oiseaux et les grenouilles mangent les sauterelles et les chenilles, et le renard chasse les oiseaux et les grenouilles. a ) Dans l’encadré suivant, faites une représentation du réseau trophique décrit ci-dessus en utilisant des flèches qui signifient « est mangé par ». Indiquez sous le nom de chaque espèce à quel niveau trophique elle appartient.

b ) À quel type de facteur écologique les relations établies entre les espèces qui forment ce réseau correspondent-elles ? Un facteur biotique

Un facteur abiotique

c ) Si la population de sauterelles se multiplie à l’excès, comment la capacité limite de ce champ influera-t-elle sur cette population ?

d ) Donnez un exemple de prédation entre deux espèces.

e ) Un épandage de pesticides affecte la population de sauterelles du champ et la fait diminuer de moitié. 1) De quel genre de perturbation s’agit-il ? 2) Expliquez les effets de cette perturbation sur le réseau trophique : I) quant à la taille de chacune des populations :

II) quant aux types d’interactions :

378

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7

La réduction de la consommation de viande et l’augmentation de la consommation d’aliments provenant de la culture maraîchère biologique locale sont de plus en plus des sujets d’actualité. Que répondez-vous à quelqu’un qui vous demande de lui expliquer les avantages d’un tel changement des habitudes du point de vue : a ) du flux de l’énergie ?

b)

8

STE

STE

de l’écotoxicologie ?

Lisez le texte ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

Des montagnes de déchets électroniques Chaque anne, des mllns de tnnes de dchets d’qupement lectrnque snt prdutes dans le mnde. De nmbreux apparels ssus des nuvelles technles, (rdnateurs, tlphnes prtables, tablettes lectrnques, etc.), ben qu’encre utlsables, snt drs vers les stes d’enfussement ù ls cntamnent les sls et les nappes phratques. En effet, ces apparels renferment des mtaux danereux cmme le plmb et le tantale qu nt des cnsquences nfastes sur la sant et l’envrnnement. a) La contamination des organismes vivants présents sur ces sites provient-elle d’une bioconcentration ou d’une bioaccumulation ? Expliquez votre réponse.

b ) Nommez deux solutions qui permettraient de réduire l’empreinte écologique liée à la consommation grandissante d’appareils technologiques.

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Chapitre 9 L’éCoLogiE

379

chapitre

10

LA GÉNÉTIQUE

La génétique étudie les phénomènes à l’origine de la diversité des êtres vivants. Ces phénomènes expliquent les ressemblances ou les différences entre les parents et leurs descendants, entre les individus d’une même espèce ou encore entre les espèces. Dans ce chapitre, vous découvrirez comment l’information génétique est emmagasinée dans les cellules d’un organisme, copiée en vue de la reproduction cellulaire et utilisée par cet organisme. Vous apprendrez aussi comment la nature et l’être humain modifient parfois cette information.

STE

SOMMAIRE

Rappel  381 10.1 Les mécanismes de l’ADN STE  382 10.2 L’hérédité STE  387 10.3 Les croisements STE  394 10.4 Le clonage STE  398

RAPPEL

Ls caracrsus du vvan On dsnu ls êrs vvans d la maèr non vvan par un nsmbl d caracrsus u’ls possèdn, don : • l’oransaon n clluls

• la foncon d rproducon

• ls chans avc l mlu

• la crossanc

• l dvloppmn  la rparaon ds clluls • la racon aux smul

L’ADN, ls chromosoms  ls èns L’ADN (acd dsoxyrbonuclu) s un lonu molcul don la form condns s’appll chromosome. Prsns dans l noyau d ous ls clluls du corps, ls molculs d’ADN connnn l cod nu à la bas d la rproducon, d la crossanc, du dvloppmn  d la rparaon ds clluls d’un oransm. Un gène s un ron du chromosom don la foncon s d ransmr ls caracèrs hrdars. La var ds èns prsns chz ls ndvdus d’un mêm spèc xplu la diversité génétique.

• l’adapaon

Noyau

Gène

Chromosome Chromosome Double hélice

Cellule

Une représentation de la double hélice d’un chromosome.

La dvson cllular Lors d la rplcaon d l’ADN, chacun ds chromosoms s ddoubl n dux molculs d’ADN dnus, aachs nsmbl, u on la form d’un x. L’un ds dux mcansms suvans s produ nsu : • la mitose, u prm la formaon d nouvlls clluls (c’s almn ans u s fa la rproducon asxu) ; • la méiose, u assur la formaon ds clluls rproducrcs (u prmn la rproducon sxu). A

B

Mitose Réplication de l’ADN

Séparation des chromosomes

Paire de chromosomes répliqués

Méiose Paire de chromosomes répliqués

Réplication de l’ADN Accolement des chromosomes et enjambement

Séparation de la paire de chromosomes Séparation des cellules

Séparation des chromatides

Gamètes A La mitose assure la croissance et la réparation des tissus. B La méiose permet de former quatre cellules reproductrices (gamètes) différentes les unes des autres et possédant la moitié de l’information génétique de la cellule initiale.

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Chapitre 10 LA géNétiqUe

381

10.1 Les mécanismes

de l’ADN

STE

La molécule d’ADN contient toute l’information requise pour fabriquer les protéines nécessaires au bon fonctionnement de l’organisme.

10.1.1

La structure de l’ADN

L’ADN est constitué de deux brins formant une double hélice. Chaque brin est constitué de segments appelés « nucléotides ». Ceux-ci sont composés d’une base azotée, d’un groupement phosphate et d’un sucre (le désoxyribose). Les bases azotées présentes dans l’ADN sont l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Comme les deux brins sont complémentaires, un nucléotide contenant de l’adénine est toujours lié à un nucléotide de l’autre brin contenant de la thymine (A-T ou T-A) ; de même, un nucléotide contenant de la cytosine est toujours lié à un nucléotide de l’autre brin contenant de la guanine (C-G ou G-C). Ces paires de nucléotides se répètent tout le long de la chaîne d’ADN, formant ainsi les deux brins de la double hélice (voir la figure 1).

Chromosome

Légende des bases azotées Cytosine (C) Guanine (G) Adénine (A) Thymine (T)

Nucléotide Groupe phosphate Sucre Double hélice Base azotée

C

Figure 1

382

T

G

T

C

G

T

C

A

G

C

A

G

La double hélice de l’ADN provenant d’un chromosome et les trois composantes du nucléotide.

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UV 10.1

10.1.2

La synthèse des protéines

Une partie de l’information comprise dans l’ADN est utilisée lors de la fabrication de protéines dans la cellule. Le corps doit en effet constamment synthétiser de nouvelles protéines pour assurer son bon fonctionnement. Par exemple, l’hémoglobine est une protéine qui fixe l’oxygène dans les globules rouges et permet son transport grâce à la circulation sanguine. La synès ds roéns est la fabrication des protéines à partir de l’information contenue dans l’ADN. Elle comporte deux étapes : • la transcription, effectuée à l’intérieur du noyau de la cellule ; • la traduction, qui se déroule à l’extérieur du noyau de la cellule, plus particulièrement au niveau des ribosomes.

La transcription Les molécules d’ADN ne peuvent pas sortir du noyau à cause de leur trop grande taille. La cellule fabrique des messagers qui transporteront chacun, à l’extérieur du noyau, une copie d’une partie de l’information génétique. La fabrication d’un messager, qu’on appelle l’ARNm (acide ribonucléique messager), se nomme « transcription » (voir la figure 2). Au cours de la formation de l’ARNm, seul un court segment d’un des deux brins de l’ADN est transcrit, puis acheminé hors du noyau vers les ribosomes. L’ARNm contient les bases azotées complémentaires du brin d’ADN transcrit, sauf pour la thymine (T), qui est remplacée par l’uracile (U). L’ARNm diffère aussi de l’ADN par le fait qu’il est composé d’un seul brin et que le sucre dans les nucléotides est un ribose.

Brin d’ADN

Noyau

U U

U

Légende des bases azotées Cytosine (C) Guanine (G) Adénine (A) Thymine (T) Uracile (U)

Fgur 2

U

ARNm

L’ARNm s l rodu d la ranscron d’un sgmn d’un ds dux brns d’un molécul d’ADN.

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ChApitRe 10 La génétique

383

La traduction La traduction se produit à l’extérieur du noyau, dans les ribosomes. À cette étape, l’information transcrite en ARNm est utilisée par un ribosome pour fabriquer une chaîne d’acides aminés afin de former une protéine. Un second type d’ARN, l’ARN de transfert (ARNt), capture des acides aminés en suspension dans la cellule et les amène au ribosome. Ce dernier attache chaque acide aminé à la suite du précédent selon les instructions portées par l’ARNm (voir la figure 3). Acides aminés

Protéine

Noyau

Ribosome Ribosome

Figure 3 En vue de la synthèse d’une protéine, le ribosome utilise les informations portées par l’ARNm pour assembler dans le bon ordre les acides aminés (qui sont transportés par les ARNt).

FLASH

SCIENCE

ARNt

U

U

U

U U U U

U

U

U

U

ARNm

Les mutations

Il arrive que l’ADN d’un individu soit mal copié (au cours de la réplication) ou soit modifié sous l’effet d’agents extérieurs nommés agents mutagènes: il s’agit alors d’une mutation. Par exemple, les produits chimiques, les rayons UV ou les rayons gamma qui pénètrent la peau peuvent traverser les cellules, entrer en contact avec les molécules d’ADN et les modifier. Certaines mutations peuvent être mortelles si les cellules ayant de l’ADN endommagé se multiplient, comme c’est le cas des cellules cancéreuses. Parfois, les cellules parviennent à corriger ces mutations néfastes. Il arrive aussi que des mutations contribuent à l’évolution des espèces.

Activités 10.1 1

STE

Complétez le tableau suivant qui porte sur les étapes de la synthèse des protéines. Étape

Lieux dans la cellule

Description

Transcription

Formation d’une chaîne d’acides aminés à l’aide de l’information contenue sur l’ARNm

384

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UV 10.1

2

Placez les mots suivants aux endroits appropriés sur l’illustration. Adénine

Base azotée Nucléotide

Brin d’ADN Phosphate

Cytosine Sucre

C G

T

G

C G

3

Qui suis-je ? a ) Je suis formé dans le noyau de la cellule à partir d’un court segment d’un des deux brins de l’ADN :

b ) Je suis le lieu où les chaînes d’acides aminés sont élaborées :

c ) Je suis le sucre qui relie une base azotée au phosphate dans l’ARNm :

d ) Je me lie uniquement à la cytosine :

e ) Je suis une base azotée qui se trouve seulement dans l’ARNm :

4

f ) Nous sommes constamment synthétisées, afin que le corps fonctionne bien :

g ) Je suis une base azotée qui se trouve seulement dans l’ADN :

h ) Nous sommes les trois composantes du nucléotide :

i ) Je transporte depuis le noyau jusqu’aux ribosomes une partie de l’information contenue dans l’ADN :

j ) Je suis une modification de l’information contenue dans l’ADN :

Une mutation est une modification de l’information contenue dans l’ADN. À quoi est-elle due ?

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Chapitre 10 La génétique

385

5

Examinez le segment de brin ci-dessous et dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Justifiez vos réponses.

G

A

T

T

A

C

A

A

G

a ) Ce segment compte quatre nucléotides.

b ) Ce segment pourrait faire partie de l’ARNm.

c ) Ce segment se trouve nécessairement dans le noyau d’une cellule.

d ) Le sucre associé à chacune de ces bases azotées est un ribose.

e ) Un ribosome pourrait utiliser cette séquence telle quelle pour fabriquer des chaînes d’acides aminés.

6

7

Inscrivez, dans les cases vides, la séquence des bases azotées du second brin de la molécule d’ADN.

Quelle serait la séquence des bases azotées d’un ARNm produit à partir du brin d’ADN suivant ? Inscrivez-la dans les cases vides.

UNIVERS VIVANT

A

T

T

A

C

A

A

G

C

T

A

A

T

G

T

T

C

ARNm

Brin d’ADN

386

G

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UV 10.2

8

Répondez aux questions suivantes au sujet de la synthèse des protéines. a ) Dans quel ordre les différentes étapes de la synthèse d’une protéine se produisent-elles ? Ajoutez les numéros 1 à 4 dans les cases appropriées. 1) Lors de la traduction, des ARNt amènent les acides aminés appropriés au ribosome. 2) La transcription d’un segment de l’un des deux brins de l’ADN sous forme d’ARNm a lieu dans le noyau de la cellule. 3) La chaîne d’acides aminés ainsi formée par le ribosome permet la fabrication d’une protéine. 4) L’ARNm quitte le noyau et va s’attacher à un ribosome. b ) La synthèse des protéines joue un rôle important dans l’organisme. Pourquoi ?

9

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) L'ARNt intervient au moment de la transcription.

b ) L'uracile ne fait pas partie de l'ADN.

c ) Les mutations n'ont que des effets néfastes.

10.2 L’hérédité

STE

Les individus d’une même famille possèdent habituellement un certain nombre de caractères semblables. Un ccè est une propriété héréditaire observable chez un individu. C’est l’hérédité qui fait que des individus ayant les mêmes parents ont des traits similaires (voir la figure 4). L’éédé est la transmission des caractères des parents à leurs descendants.

Fgu 4 L fom du vsg, l coulu d l u, l coulu ds cvux ou l fom  l coulu ds yux son ous ds ccès ééds.

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Chapitre 10 La génétique

387

10.2.1

Les chromosomes et les gènes

Les chromosomes se situent dans le noyau des cellules (voir le Rappel, à la page 381). Ces petits bâtonnets, formés d’une molécule d’ADN liée à des protéines, contiennent l’information génétique. Sur chaque chromosome, on retrouve plusieurs gènes (voir la figure 5). Un gène désigne une portion de chromosome qui porte le code permettant la synthèse d’une ou de plusieurs protéines et qui permet à un caractère héréditaire de s’exprimer.

10.2.2 Gène de la couleur des yeux

Allèle de la couleur des yeux bleus

Chromosome reçu du père

Allèle de la couleur des yeux bruns

Chromosome reçu de la mère

Figure 5 Les deux allèles pour un caractère donné sont localisés au même endroit sur les deux chromosomes de la paire.

Les allèles

Gregor Mendel, considéré comme « le père de la génétique », a expliqué qu’un caractère pouvait s’exprimer de plus d’une façon à cause de la présence des allèles. Un allèle est une des formes que peut prendre un gène. Pour chacun de nos gènes, on possède deux allè les, l’un sur le chromosome provenant de notre père, et l’autre sur le chromosome provenant de notre mère. Ces deux allèles peuvent être différents ou identiques (dans la figure 5, les allèles d’un même gène sont différents). La plupart du temps, lorsque les deux allèles sont différents, l’un masque l’expression de l’autre. Dans les autres cas, si les deux allèles s’expriment, il y a alors codominance.

L’allèle dominant est celui qui s’exprime dès qu’il est présent. L’allèle récessif, quant à lui, est masqué si on le retrouve en présence d’un allèle dominant et s’exprime si on le retrouve en double (voir la figure 6). Allèle brun et allèle brun

Allèle brun et allèle bleu

Allèle bleu et allèle bleu

L’allèle dominant s’exprime (individu homozygote dominant).

L’allèle dominant s’exprime (individu hétérozygote).

L’allèle récessif s’exprime (individu homozygote récessif).

Figure 6 Pour le gène de la couleur des yeux, la couleur brune prédomine sur la couleur bleue. Dès qu’une personne possède l’allèle de la couleur brune, cet allèle dominant s’exprime : elle aura donc les yeux bruns.

388

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UV 10.2

Les individus homozygotes et hétérozygotes Un individu est dit omozygo pour un caractère s’il porte deux allèles identiques du gène. S’il porte deux allèles différents, il est dit ééo­ zygo pour ce caractère. Par exemple, un individu qui possède deux allèles bruns pour le gène de la couleur des yeux aura les yeux bruns et sera homozygote dominant, alors qu’un individu porteur de deux allèles bleus aura les yeux bleus et sera homozygote récessif. Quant à l’individu qui possède un allèle brun et un allèle bleu pour le gène de la couleur des yeux, il aura les yeux bruns et sera hétérozygote (voir la figure 6).

Le génotype et le phénotype Chez un individu, on fait la distinction entre le génotype et le phénotype. Le génoy représente la paire d’allèles dont est doté un individu, pour un gène donné. Le énoy, quant à lui, est l’expression observable d’un gène chez un individu. Au cours de ses expériences sur des plants de pois, Gregor Mendel a déterminé que, pour chaque caractère, il existe deux types d’individus : ceux de lignée pure (homozygotes) dont les allèles sont identiques pour un gène donné, et les hybrides (hétérozygotes) dont les allèles sont différents pour un même gène. Un même phénotype peut parfois correspondre à deux génotypes différents. Ainsi, comme le montre le tableau 1, une fleur violette (phénotype) peut posséder un génotype VV (homozygote dominant) ou Vv (hétérozygote). Par convention, on désigne un allèle dominant par une lettre majuscule et un allèle récessif par une lettre minuscule. Ici on a donc « V » pour l’allèle fleur violette et « v » pour l’allèle fleur blanche. TABLEAU 1

Les génotypes et les phénotypes possibles pour le gène de la couleur des fleurs des plants de pois Génotypes

Phénotypes

VV (Homozygote dominant)

Fleur violette Vv (Hétérozygote)

Fleur violette vv (Homozygote récessif)

Fleur blanche

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Chapitre 10 La génétique

389

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Gregor Johann Mendel (1822-1884)

Gregor Mendel, moine autrichien également connu comme le fondateur de la génétique moderne, entra au monastère de Brno en 1843. Passionné de botanique, il effectua des expériences sur les pois dans les jardins du monastère. Les résultats qu’il obtint posèrent les bases des lois de l’hérédité. Ces lois furent confirmées au cours du 20e siècle par la découverte des gènes et des chromosomes.

Activités 10.2 1

STE

Pour chacune des définitions suivantes, indiquez le terme désigné. Certaines définitions désignent le même terme. a ) Portion d’un chromosome qui commande l’expression d’un caractère précis :

i ) Transmission des caractères d’une génération à la suivante :

b ) Variantes possibles d’un gène codant pour un caractère :

j ) Propriété héréditaire observable qui est transmise aux enfants par les parents :

c ) La combinaison de deux allèles d’un même gène :

k ) Individu qui possède deux allèles différents pour un caractère donné :

d ) Petit bâtonnet sur lequel sont localisés les gènes :

l ) Allèle qui, dans l’expression du caractère, peut être masqué par un autre allèle :

e ) Individu qui possède deux allèles identiques pour un caractère donné :

m ) Un individu de lignée pure :

f ) Allèle qui s’exprime toujours dès qu’il est présent :

n ) Terme qui, en génétique, a le même sens que « hétérozygote » :

o ) La couleur rousse du plumage d’une poule : g ) Allèle représenté par une lettre majuscule lors de l’écriture d’un génotype : p ) Allèle qui doit apparaître en double dans un génotype afin de pouvoir s'exprimer : h ) Expression observable d’un gène à la suite de la combinaison de deux allèles :

390

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UV 10.2

2

Une amie trouve difficiles certaines notions de génétique et vous demande de l’aider. Que lui direz-vous pour lui faire comprendre : a ) la différence entre un chromosome et un gène ?

b ) la différence entre un gène et un allèle ? Donnez un exemple pour chacun des deux termes.

3

Identifiez les éléments pointés dans l’illustration suivante.

4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Il y a plusieurs gènes sur un chromosome.

b ) On retrouve les deux allèles d’un gène sur un même chromosome.

c ) Un chromosome est constitué d’une molécule d’ADN liée à des protéines.

d ) Un caractère est toujours l’expression de deux allèles dominants.

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Chapitre 10 La génétique

391

e ) Si un individu est homozygote pour un caractère donné, les deux allèles associés à ce caractère sont nécessairement identiques.

f ) L’hérédité est présente uniquement chez les êtres humains.

g ) Un individu aux yeux bruns est nécessairement homozygote pour ce caractère.

h ) La forme des ongles, des orteils et des cicatrices sont des caractères héréditaires.

5

Indiquez, à l’aide d’un crochet, si chacun des énoncés suivants correspond à un génotype, à un phénotype ou aux deux. Énoncé

Génotype

Phénotype

a ) Geneviève est plus grande que sa sœur. b ) Une mère a transmis l’allèle de l’hémophilie à ses enfants hémophiles. c ) Antoine a les cheveux roux, comme son père. d ) Les chatons d’une même portée n’ont pas la même couleur. e ) Le groupe sanguin d’un enfant est déterminé par les deux allèles reçus de ses parents. f ) Une poire est hybride pour plusieurs caractères.

6

7

392

Chez les mouches drosophiles, l’allèle « ailes miniatures » (m) est récessif par rapport à l’allèle « ailes normales » (M). De plus, l’allèle « yeux rouges » (r) est récessif par rapport à l’allèle « yeux normaux » (R). Quel est le phénotype d’une mouche drosophile hétérozygote pour ces deux caractères ? a ) Ailes miniatures et yeux rouges

c ) Ailes et yeux normaux

b ) Ailes normales et yeux rouges

d ) Ailes miniatures et yeux normaux

La couleur brune ou bleue des yeux est déterminée par l’allèle B (brun) et par l’allèle b (bleu). Si Mireille a les yeux bleus, quels sont les génotypes possibles de son père et de sa mère ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) bb et bb

c ) Bb et bb

b ) bb et BB

d ) Bb et Bb

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UV 10.2

8

Voici quatre paires de chromosomes appartenant à deux enfants, Marie et Camille. Les chromo­ somes A contiennent le gène de la couleur des yeux et les chromosomes B contiennent le gène de la couleur des cheveux. A

B

A

Marie

B

Camille

Si on sait que Camille a les cheveux bruns : a ) Lequel des deux enfants est homozygote pour le gène de la couleur des yeux ?

b ) Les allèles qui déterminent la couleur des cheveux de Marie sont­ils différents de ceux de Camille ? Justifiez votre réponse.

c ) Quelle est la couleur des yeux de Marie ? d ) Quelle est la couleur des yeux de Camille ? e ) Quelle est la couleur des yeux exprimée par l’allèle récessif ? f ) Marie est­elle homozygote dominante ou récessive pour la couleur des cheveux ?

g ) Marie et Camille pourraient­elles être sœurs ? Justifiez votre réponse.

h ) Si Marie a des enfants, ces derniers pourraient­ils être blonds aux yeux bleus ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 10 La génétique

393

10.3 Les croisements Vv × Vv

Dans la nature, bon nombre d’espèces se reproduisent de façon sexuée. Ce mode de reproduction fait appel à la méiose (voir le Rappel, à la page 381), qui permet de produire, par division d’une cellule, quatre gamètes, possédant chacun la moitié des chromosomes de la cellule initiale.

Gamètes mâles

Gamètes femelles

V

v

La première cellule d’un nouvel individu sera formée par la rencontre d’un gamète mâle et d’un gamète femelle. C’est ce que l’on appelle « la fécondation » ; elle produit un nouvel individu qui possède la moitié du bagage génétique de chacun de ses parents.

V VV

Vv

Un croisement est le résultat de la combinaison d’un gamète mâle et d’un gamète femelle.

v Vv

vv

Figure 7 L’échiquier de Punnett d’un croisement entre deux hybrides indique que : • 1/4 des descendants seront homozygotes dominants (VV) ; • 1/2 seront hétérozygotes (Vv) ; • 1/4 seront homozygotes récessifs (vv).

10.3.1

L’échiquier de croisement

Pour connaître les résultats possibles d’un croisement, on peut utiliser un échiquier de croisement, aussi appelé « échiquier de Punnett ». Il s’agit d’un tableau qui indique les résultats possibles d’un croisement et de leurs probabilités. Par exemple, si on croise les gamètes de deux fleurs violettes hétérozygotes (Vv), on obtient 75 % de fleurs violettes (ayant soit un génotype VV ou Vv) et 25 % de fleurs blanches (ayant toutes un génotype vv) (voir la figure 7).

JjLl × JjLl

Gamètes mâles JL

Jl

jL

jl

JJLL

JJLl

JjLL

JjLl

JJLl

JJll

JjLl

Jjll

JjLL

JjLl

jjLL

jjLl

JjLl

Jjll

jjLl

jjll

JL

Gamètes femelles

STE

L’échiquier de Punnett permet aussi de prédire les résultats d’un croisement qui implique deux ou plusieurs caractères. Lorsqu’on fait un échiquier, il faut se rappeler que chaque gamète contient la moitié de l’information génétique du parent, donc la moitié de ses allèles. Les descendants issus de l’union de deux gamètes auront ainsi le même nombre d’allèles que les parents (voir la figure 8).

Jl

jL

Résultats possibles

jl

Figure 8 L’échiquier de Punnett d’un croisement entre deux pois hétérozygotes pour deux caractères : la couleur (jaune [J] ou verte [j]) et la texture (lisse [L] ou ridée [l]).

394

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UV 10.3

Activités 10.3

STE

1

Quelle est la différence entre un individu hétérozygote et un individu homozygote pour un caractère donné du point de vue des allèles du gène ?

2

Répondez aux questions après avoir pris connaissance de la situation suivante.

Dx sors,  fmll blch   mâl or, prods  prmèr ro d r sors. O s  l’llèl rss l colr d pol blc s rcssf pr rppor à cl  r l colr d pol or   l mâl s homozyo por c è. a ) Complétez l’échiquier de Punnett ci-contre pour le croisement de ces deux souris.

×

b ) Justifiez les allèles que vous avez inscrits dans les cercles de l’échiquier pour désigner les gamètes des parents. Gamètes femelles

Gamètes mâles

c ) Indiquez la fraction de souris noires et la fraction de souris blanches qui seront issues de ce croisement. Expliquez votre réponse.

d ) Entourez les énoncés qui sont vrais parmi les suivants. 1) Les souris de la première génération ont toutes le poil noir, car elles ont chacune reçu un allèle N qui domine sur l’allèle n. 2) Le mâle et deux des souris de la première génération ont le même phénotype (le poil noir). La femelle et deux des souris de la première génération ont le même phénotype (le poil blanc). 3) Le mâle et toutes les souris de la première génération ont le même phénotype (le poil noir). Seule la femelle a un phénotype différent (le poil blanc). 4) Les deux parents ont le même génotype. 5) La femelle, de poil blanc, a un génotype composé de deux allèles récessifs (nn) et le mâle, de poil noir, a un génotype composé de deux allèles dominants (NN). 6) Si un croisement est effectué entre deux souris de la première génération, il y aura des souris blanches en deuxième génération.

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Chapitre 10 La génétique

395

e ) Les deux parents sont-ils de lignée pure ? Justifiez votre réponse.

f ) Dites si l’énoncé suivant est vrai ou faux. Justifiez votre réponse. Toutes les souris de la première génération ont le même génotype et sont hétérozygotes.

g ) Étant donné les phénotypes des souris de la première génération, le mâle de couleur noire aurait-il pu être hétérozygote ? Justifiez votre réponse.

3

Parmi les trois enfants issus de mêmes parents biologiques, deux ont les yeux bruns et un a les yeux bleus. a ) Tracez l’échiquier de Punnett pour illustrer les croisements de cette situation. b ) Expliquez comment cette situation est possible. Explications :

4

396

En croisant deux plants de pois lisses et jaunes (deux caractères dominants), environ 12,5 % des pois obtenus ont le génotype jjLl. Quel est le génotype des deux plants parents ? Justifiez votre réponse à l’aide de l’échiquier de Punnett.

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UV 10.3

5

On croise un rat noir et une rate albinos (dont les poils et les yeux sont dépourvus de pigmentation). On obtient six rats noirs et quatre rats blancs. Quel est le génotype des parents ? a ) Nn et nn

6

b ) A, B, O ou AB

c ) B ou O

d ) A ou O

b ) 25 %

c ) 50 %

d ) 100 %

Quelles sont les chances pour un homme aux yeux bleus et une femme hétérozygote aux yeux bruns d'avoir deux enfants aux yeux bleus ? a ) 25 %

9

d ) NN et Nn

Quelles sont les chances pour un homme de groupe sanguin A hétérozygote et une femme de groupe sanguin AB d’avoir un enfant de groupe sanguin A ? a) 0%

8

c ) Nn et Nn

Le troisième enfant d’une mère de groupe sanguin A et d’un père de groupe sanguin B est de groupe sanguin O. Quels sont les phénotypes possibles des deux autres enfants du couple ? a ) A, B ou O

7

b ) NN et nn

b ) 50 %

c ) 75 %

d ) 100 %

En croisant une fleur rouge et une fleur blanche, on obtient une fleur rose. a ) Si on croise deux de ces fleurs roses, quelles sont les chances d’obtenir une fleur rose ? 1) 0 %

2) 25 %

3) 50 %

4) 75 %

b ) Peut-on dire que la couleur rose est un exemple de codominance ? Justifiez votre réponse.

c ) Si on obtient 25 % de fleurs blanches, quels étaient les génotypes des deux fleurs croisées ? 1) RR et Rr 10

11

2) RR et rr

3) Rr et Rr

4) rr et Rr

Pour ce qui est des tomates, l’allèle « fruit rouge » (R) domine l’allèle « fruit jaune » (r) et l’allèle « tige pourpre » (P) domine l’allèle « tige verte » (p). Si on sème 64 graines et qu’on obtient 4 plants avec des fruits jaunes et des tiges vertes, quels sont les génotypes des parents ? a ) RRpp et RRpp

c ) RRPP et rrpp

b ) RrPP et RRpp

d ) RrPp et RrPp

En ce qui concerne la reproduction des drosophiles, les mouches mâles fécondent des mouches femelles. Ces dernières pondent ensuite des œufs. a ) Ces mouches se reproduisent-elles par croisement ? Justifiez votre réponse.

b ) Si on croise deux individus aux ailes normales de lignée pure pour ce caractère, quelle proportion des drosophiles obtenues aura aussi des ailes normales ? 1) 25 %

2) 50 %

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3) 75 %

4) 100 %

Chapitre 10 La génétique

397

10.4 Le clonage

STE

La reproduction est essentielle à la survie d’une espèce. Sans elle, aucun nouvel individu ne serait créé, ce qui entraînerait l’extinction de l’espèce. La reproduction d’un organisme peut être sexuée, mais elle peut aussi se faire de façon asexuée, notamment par clonage. Le clonage est un mode de reproduction qui consiste à créer une copie identique d’un organisme, d’un tissu ou d’une cellule. Il existe deux types de clonage : le clonage naturel et le clonage artificiel.

10.4.1 Stolon

Le clonage naturel

Dans la nature, certains organismes se multiplient par reproduction asexuée (sans avoir recours à des gamètes). On parle alors de clonage naturel. Le clonage naturel est la production, sans intervention technologique, d’un organisme génétiquement identique à celui dont il est issu.

Figure 9 Le Chlorophytum, communément appelé « plante araignée », se reproduit à l’aide de stolons (tiges spécialisées dans la reproduction) au bout desquels croît un clone de la plante mère.

FLASH

Dans un clonage naturel, les descendants sont des copies identiques du parent ; ils ont donc le même ADN que celui-ci. Les bactéries se reproduisent de cette manière (par mitose), tout comme les cellules de notre corps dans le processus de croissance et de réparation des tissus. Il en va de même pour certaines plantes (voir la figure 9).

SCIENCE

Les jumeaux monozygotes, communément appelés « jumeaux identiques », résultent d’un clonage naturel. Chacun est le clone non pas de ses parents, mais de l’autre jumeau. Après la fécondation, le zygote en développement se divise en deux petits amas de cellules identiques. Ces deux amas de cellules se développent ensuite pour devenir des embryons, puis des fœtus identiques. On peut donc dire que ces jumeaux sont des clones naturels.

10.4.2

Le clonage artificiel

Le clonage artificiel est une biotechnologie qui permet à l’humain de reproduire un organisme (ou une partie de celui-ci) en conservant le bagage génétique intact. Le clonage artificiel permet de reproduire une cellule, un tissu ou même un organisme dont les caractéristiques sont recherchées, par exemple la production d’un lait de qualité ou la résistance aux maladies chez les végétaux et les animaux (voir la figure 10, à la page suivante). Il est à noter toutefois que cette méthode diffère selon ce qui est reproduit.

398

UNIVERS VIVANT

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UV 10.4 10.1

Les manipulations génétiques

Vache donneuse d’ovocyte (ovule non fécondé)

Depuis longtemps, l’humain sélec­ tionne les plantes et les animaux les plus productifs ou les mieux adaptés à leur environnement en vue de la culture et de l’élevage. Grâce aux manipulations géné­ tiques, il est maintenant possible d’introduire ou de changer des gènes d’un organisme en labora­ toire. Il n’est donc plus nécessaire d’attendre que ces modifications se produisent naturellement.

Vache à cloner

Prélèvement d’une cellule

Prélèvement d’un ovocyte

Noyau (et son ADN) retiré de l’ovocyte

Ainsi, on peut maintenant créer rapidement des plantes plus riches en nutriments ou plus résis­ tantes au gel. On produit égale­ ment des organes et des tissus qui sont compatibles avec un plus grand nombre d’individus et donc qui risquent moins d’être rejetés à la suite d’une greffe.

Ovocyte dépourvu de noyau

Injection du noyau dans l’ovocyte, puis croissance en milieu de culture jusqu’à la formation de l’embryon

Implantation dans l’utérus d’une vache porteuse

Les avantages et les désavantages du clonage 10.4.3

Naissance d’une vache génétiquement identique à la vache à cloner

Le clonage, tant naturel qu’artifi­ ciel, comporte des avantages et des désavantages (voir le tableau 2).

Fgu 10 On odu un clon n njcn l noyu d’un cllul d l vc à clon dns un ovocy énucléé (duqul on  é l noyu) ou nsu mln l nouvl mbyon dns un vc ous. TABLEAU 2

Quelques avantages et désavantages du clonage Avantages

• Un seul individu nécessaire lors de la reproduction asexuée (certains végétaux, par exemple, n’ont pas besoin d’insectes polinisateurs pour assurer leur reproduction). • Réparation des tissus et croissance de l’individu. • Conservation du même bagage génétique (par exemple, clonage d’une plante dont les fruits sont plus sucrés).

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Désavantages • Perte de la diversité génétique (par exemple, si tous les individus d’une population sont identiques et qu’ils sont affectés par une maladie, la survie de leur espèce risque d’être menacée à long terme). • Absence de croisements génétiques qui permettent de faire apparaître ou disparaître certains caractères.

Chapitre 10 La génétique

399

Activités 10.4 1

STE

Indiquez, à l’aide d’un crochet, si chacun des énoncés suivants correspond au clonage naturel ou au clonage artificiel. Clonage naturel

Énoncé

Clonage artificiel

a ) Des jumeaux dits « identiques ». b ) Permet de contrôler le fait que certains caractères disparaissent ou apparaissent lors de la reproduction sexuée. c ) Un fraisier qui se reproduit par stolons. d ) Permet, à l’aide de procédés biotechnologiques, de reproduire un organisme en laissant son bagage génétique intact. e ) Mode de reproduction des bactéries. f ) Clonage d’une vache qui produit une très grande quantité de lait.

2

Si le clonage naturel était le seul mode de reproduction d’une espèce, quelles conséquences cela entraînerait-il ?

3

Le père de votre amie désire se lancer dans la production agricole. Il hésite entre récolter les graines de ses plants puis les semer ou faire du bouturage, c’est-à-dire planter une partie d’une plante pour en obtenir une nouvelle. a ) Il veut savoir quelle est la principale différence entre les deux modes de reproduction de la plante. Expliquez-le-lui.

b ) Pour l’aider, décrivez-lui les avantages et les désavantages des deux méthodes de reproduction en remplissant le tableau suivant. Méthode de reproduction

400

UNIVERS VIVANT

Avantages

Désavantages

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UV 10.4 10.1

4

Le clonage artificiel pourrait être utile en médecine. Donnez un exemple d’application qui concerne les banques de sang.

5

Lisez le texte qui suit. Répondez ensuite aux questions.

Ls orgsms gm modfs (OGM) so ds orgsms do l mrl g   modf pr l’êr hm f d lr cofrr ls crcrss sohs. Prm ls crls gm modfs clvs jord’h, o comp l mïs, l coo, l rz, l col  l brv scrèr. Crs so m rsss à ds scs o à ds vrs  ls mç. D’rs so olrs à  hrbcd ss êr oxs por ls mx o ls hms. À cor rm, l clr d cs OGM prm x grclrs d rdr lr lso d’sccds  d’hrbcds. Cpd, por crs d cs OGM, l xs  rs lv d rsfr d gè modf à d’rs pls. C’s l cs d col gm modf, olr à  hrbcd. So poll p fcodr ds pls d col o gm modfs voss o d’r pls pprs. O s rrov doc  prsc d pls rsss  dsrbls. Prdoxlm, lors cs cs d rssc pprss, ls grclrs dov lsr d’rs hrbcds por ls lmr. a ) Les OGM sont-ils une forme de clonage naturel ou artificiel ? b ) Dans le tableau suivant, énumérez un avantage immédiat des OGM et un désavantage possible sur le plan environnemental. Avantage

Désavantage

CONSOLIDATION DU CHAPITRE 10 1

STE

Laquelle des bases azotées suivantes ne fait pas partie de la structure de la molécule d’ADN ? a ) La thymine

d ) La cytosine

b ) L’uracile

e ) L’adénine

c ) La guanine 2

Lequel des phénomènes suivants n’a pas lieu à l’intérieur du noyau de la cellule ? a ) La transcription

c ) La production d'ARNm

b ) La traduction

d ) La réplication des chromosomes

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Chapitre 10 La Génétique

401

3

Le schéma suivant met en relation les concepts de génétique étudiés au chapitre 10. Complétez-le à l’aide de la liste de mots. Liste de mots • des chromosomes • • • • • •

homozygote ADN le génotype clonage naturel la mitose nouveaux individus

• • • • • • • •

la méiose la synthèse des protéines la transcription mutations les gènes récessifs hétérozygote l’ARNt

• • • • • • •

la traduction dominants le phénotype croisements l’ARNm les allèles des gamètes mâles ou femelles

dont les différentes formes appelées

sur lesquels se situent

Le noyau cellulaire

contient

qui permet la division des cellules lors de qui sont formés d’

qui permet la reproduction sexuée à l'aide des gamètes produits lors de

dont l’information est utilisée pour

qui peut être modifié lors de

402

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c’est-à-dire dont le caractère s’exprime dès qu’un allèle est présent peuvent être soit c’est-à-dire dont le caractère peut être masqué s’il est en présence de l’allèle dominant qui constituent si les allèles sont identiques

d’un individu qui sera soit si les allèles sont différents qui permet d’expliquer

qui correspond à l’expression observable du gène donnent lieu à de qui est une forme de

qui, combinés, lors de

qui produit

pour former de

qui comporte deux étapes :

à l’aide de

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Chapitre 10 La génétique

403

4

Répondez aux questions après avoir pris connaissance de la situation suivante. La couleur brune (B) des cheveux domine la couleur blonde (b), et les cheveux frisés (F) dominent les cheveux raides (f). Un couple, dont l’homme et la femme sont tous les deux hétérozygotes pour ces deux caractères, attend son premier enfant. a ) Déterminez les résultats possibles de ce croisement à deux caractères.

b ) Quelle est la probabilité : 1) qu’ils aient un enfant aux cheveux bruns et raides ? 2) que leur enfant soit de lignée pure pour les deux caractères ? c ) Au total, combien de phénotypes différents sont possibles ? Décrivez chacun d’eux.

d ) Combien de génotypes différents pourraient donner des cheveux bruns et frisés ? Indiquez lesquels.

e ) Peut-on dire que l’enfant à naître sera un clone de ses parents ? Justifiez votre réponse.

5

404

On croise deux souris noires issues de la première génération de parents homozygotes. Le mâle est blanc (caractère récessif). Expliquez pourquoi des souris noires de lignée pure ainsi que des souris blanches de lignée pure apparaissent dans la deuxième génération.

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SOMMAIRE CHAPITRE 11 Le langage des lignes, les matériaux

UNIVERS

et la fabrication  406 CHAPITRE 12 L’ingénierie mécanique  442 CHAPITRE 13 L’ingénierie électrique  475

technologique

chapitre

11

LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

La fabrication d’un objet technique comporte généralement trois phases : les deux premières, la conception et le façonnage, sont vues dans ce chapitre. Elles sont habituellement suivies par la phase d’assemblage et de finition. La première section de ce chapitre traite de la conception, qui inclut entre autres la réalisation de dessins techniques permettant de se représenter l’objet à fabriquer. La deuxième section s’intéresse au choix des matériaux, qui fait aussi partie de la conception de l’objet. Enfin, la troisième section étudie diverses techniques de façonnage d’un objet.

SOMMAIRE

Rappel  407 11.1 Le langage des lignes STE  408 11.2 Les matériaux  414 11.3 La fabrication STE

 427

RAPPEL

Le dessin technique

STE

Une pojcon xonoméqu est un dessin en perspective (créant une impression de volume et de relief) sans point de fuite.

visuelles } Lignes parallèles entre elles

Un scl dssné n pojcon xonoméqu.

Une pojcon oogonl à vus mulpls est un dessin sur lequel figurent plus d’une vue d’un objet. A

B

Vue de dessus

Vue de gauche

Vue de face

Vue de droite

Vue arrière

Pou éls un pojcon oogonl à vus mulpls : Vue de dessous A On imagine que l’objet est placé dans un cube transparent (« cube de projection »). B Les projections orthogonales de l’objet sur chacune des faces du cube correspondent aux six « vues » de l’objet. La vue qui donne le plus d’informations sur l’objet est désignée « vue de face ».

Les matériaux Quelques types de matériaux et leurs propriétés Types de matériaux

Quelques propriétés

Les métaux Matériaux extraits d’un minerai.

• Excellente conductibilité électrique • Excellente conductibilité thermique

Les alliages Mélanges homogènes d’un matériau métallique avec une autre substance, métallique ou non.

On crée des alliages dans le but d’améliorer les propriétés physiques de leurs constituants. Exemple : l’acier, un alliage de fer et de carbone, a une plus grande dureté que le fer.

Les bois Matériaux organiques provenant de la coupe et de la transformation des arbres.

• Dureté • Élasticité • Résilience

Les bois modifiés Matériaux faits de bois (en morceaux, en lamelles, en feuilles ou résidus de coupe) mélangés à d’autres substances (colle, plastiques, agents de conservation, etc.).

Les bois modifiés ont des propriétés plus uniformes et moins variables que celles des bois massifs (contrairement à ceux-ci, ils ont les mêmes propriétés mécaniques dans toutes les directions). Exemples : contreplaqué, panneaux d’agglomérés.

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• Faible fragilité • Faible conductibilité électrique • Faible conductibilité thermique

ChaPitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

407

11.1 Le langage

des lignes

Vue de dessus Objet

STE

Quand on conçoit un objet technique, on trace habituellement des dessins pour le représenter visuellement de façon précise.

11.1.1

Le dessin technique

Avant toute étape de fabrication d’un objet, on se sert du dessin technique pour valider les solutions technologiques envisagées. À cet effet, le dessin d’ensemble est essentiel. Un dessin d’ensemble permet de se représenter la totalité de l’objet, à l’échelle et sans déformation. Vue de face

Vue de droite

Figure 1 Un coupe-pizza est placé dans un cube de projection, ce qui permet de voir ses six vues.

6

Poignée

1

Bois dur

∅ 24 × 115

5

Virole

1

Acier doux

Flanc ∅ 24 Épaisseur 0,75

4

Garde

1

Acier doux

8 × 55 Épaisseur 0,75

3

Chape

1

Acier doux

10 × 112 Épaisseur 1,5

2

Rivet

1

Acier doux

∅4 Longueur 4

1

Molette

1

Acier dur

∅ 65 Épaisseur 0,5

Nbre

Matériau

Dimensions

Repère

Figure 2

408

On peut tracer un dessin d’ensemble en utilisant une projection orthogonale à vues multiples. Pour ce faire, on doit mettre le nombre minimal de vues pour que les lecteurs aient toute l’information nécessaire sur l’objet. Généralement, deux ou trois vues suffisent. Lorsque trois vues sont nécessaires, on dispose en L la vue de dessus, la vue de face et la vue de droite (voir les figures 1 et 2).

Désignation

COUPE-PIZZA

Dessiné par : Échelle 1: 2

Un dessin d’ensemble d’un coupe-pizza.

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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UT 11.1

Dans certaines situations, comme lorsqu’on doit monter un objet vendu en pièces détachées, il est utile de se représenter individuellement chacune des pièces pour visualiser la façon dont elles s’assemblent. Pour ce faire, on utilise une vue éclatée (voir la figure 3). Une vue éclatée est une représentation qui dissocie les différentes pièces composant l’objet technique. 3 2 1 Repère

Fgue 3 Une vue éclatée d’un coue-zza. Ce dessin est réalisé à partir d’une projection axonométrique.

FLASH

TECHNO

Chape Rivet Molette Désignation

6 5 4 Repère

Poignée Virole Garde Désignation

La conception assistée par ordinateur

De nos jours, au lieu de tracer des dessins techniques sur papier, on les réalise avec des ordinateurs. Des dessins virtuels des objets à concevoir peuvent être manipulés à volonté par les concepteurs. Par exemple, ils peuvent aisément les faire pivoter ou en remplacer une partie sans avoir à recommencer au complet. Tout le processus de fabrication de l’objet peut être simulé par ordinateur. On peut même simuler le comportement des objets dans leur contexte d’utilisation et connaître les effets qu’auront sur eux les différentes contraintes auxquelles ils seront soumis. C’est pourquoi on ne parle plus seulement de dessin assisté par ordinateur (DAO) mais bien de conception assistée par ordinateur (CAO). Toutefois, les personnes qui utilisent ces logiciels (CAO ou DAO) doivent préalablement apprendre les bases du dessin technique à l’aide des instruments classiques !

Activités 11.1.1 1

Une automoble dessnée à l’ade d’un odnateu.

STE

Lequel des énoncés suivants propose une façon correcte d’assembler les pièces du coupe-pizza illustré à la figure 3 ci-dessus ? 1. Fixer la virole à la poignée.

4. Insérer la molette.

2. Fixer le rivet à la chape.

5. Placer la garde devant la virole et enfoncer la chape.

3. Glisser la chape dans la garde, puis dans le trou commun à la virole et à la poignée. a ) 1, 2, 4, 3

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b ) 1, 5, 6, 2

6. Placer la molette devant la chape. c ) 1, 2, 5, 4

CHApiTrE 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

409

2

Dans chacun des cas ci-dessous, cochez le type de dessin le plus approprié : une vue éclatée (VÉ) ou une projection orthogonale à vues multiples (POVM) ? Justifiez chacune de vos réponses. VÉ

POVM

a ) Une entreprise fabrique des meubles prêts-à-monter. Dans le manuel d’instruction, on veut mettre, en plus des consignes, un dessin destiné à aider les acheteurs à assembler leur meuble.

b ) Une entreprise aimerait fournir aux acheteurs de ses scies mécaniques un dessin qui leur permettrait d’identifier les pièces éventuellement défectueuses afin de les commander.

c ) Un designer veut fournir à une machiniste les instructions pour la fabrication des caissons des armoires d’une cuisine.

3

410

Les projections orthogonales à vues multiples sont entre autres utiles pour prévoir les problèmes qui pourraient survenir pendant le montage ou l’installation d’un objet. Observez le dessin ci-dessous et relevez le problème qui surviendrait si on tentait d’installer ce porte-serviette mural en le vissant au mur.

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Ut 11.1

4

Les dessins techniques peuvent mettre en évidence des problèmes d’encombrement. En effet, puisqu’ils indiquent les dimensions du produit fini, ils permettent de savoir si l’objet aura la taille requise pour remplir ses fonctions. Un problème d’encombrement peut aussi être présent à l’intérieur même d’un objet. Ainsi, la taille d’une pièce particulière peut être mal adaptée à sa fonction, la pièce étant trop grosse ou trop petite pour être intégrée à l’objet.

Comptoir Tabouret

Observez le dessin ci-contre et décelez-y un problème d’encombrement.

5

Les dessins techniques permettent de repérer des problèmes d’interférence. Ceuxci se produisent quand une pièce entrave le mouvement d’une autre.

Modèle 1

Observez attentivement les dessins ci-contre, qui présentent deux modèles de paires de ciseaux. L’un des modèles serait fonctionnel s’il était fabriqué, mais l’autre révèle un problème d’interférence. Quel est le modèle problématique ? Expliquez votre réponse.

Vue de face

Vue de dessus

Modèle 2

Vue de face

Vue de dessus

6

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. a ) Un dessin en vue éclatée est réalisé à partir d’une projection axonométrique. b ) Pour réaliser un dessin en vue éclatée, il faut imaginer un cube de projection autour de l’objet.

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

411

11.1.2

Les tolérances dimensionnelles

Les personnes qui fabriquent les pièces d’un objet technique doivent faire en sorte que les dimensions réelles correspondent le mieux possible aux cotes indiquées sur les dessins techniques. Cependant, il est difficile de respecter rigoureusement toutes les cotes. C’est pour cela que l’on définit parfois des « tolérances dimensionnelles ». La tolérance dimensionnelle correspond aux limites entre lesquelles la dimension d’une pièce peut varier sans compromettre le fonctionnement de l’objet (voir la figure 4). A

B

mm 15 ± 2 A La tolérance est indiquée avec la cote sur le dessin de la pièce. Les valeurs sont en millimètres.

Figure 4

B Le dessin technique A indique que le goujon doit mesurer (15 ± 2) mm de longueur. Cela signifie que ce goujon doit mesurer entre 13 mm et 17 mm. Ici, le goujon qui a été fabriqué mesure 16,5 mm. Il peut donc être utilisé.

On fabrique un goujon en tenant compte de la tolérance sur sa longueur.

La connaissance des tolérances dimensionnelles des pièces d’un objet fabriqué permet de remplacer celles qui sont abîmées par de nouvelles pièces similaires, mais pas nécessairement identiques. C’est ce que l’on appelle le « principe d’interchangeabilité des pièces ».

FLASH

TECHNO

Des tolérances adaptées aux besoins

Dans certains cas, un léger écart par rapport aux cotes n’a pas d’effet négatif sur l’objet. Il faut en tenir compte, car les coûts de fabrication augmentent lorsque les tolérances diminuent. Il faut donc éviter de fixer des tolérances trop basses. Toutefois, dans d’autres cas, un écart du même ordre de grandeur nuira au fonctionnement de l’objet. Pour la construction de la Station spatiale internationale, par exemple, certaines tolérances dimensionnelles étaient de l’ordre du centième de millimètre seulement ! En effet, dans un projet de ce type, les dimensions des pièces doivent être extrêmement précises pour que les critères de sécurité soient respectés. La Station spatiale internationale.

412

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Ut 11.1

Activités 11.1.2 1

STE

Quelle est la dimension maximale acceptable pour le façonnage d’une pièce de : a ) (123 ± 1) mm b ) (11,3 ± 0,4) mm c ) (10,5 ± 0,1) cm

2

Associez chacun des dessins techniques de la colonne de gauche avec le ou les cylindres de la colonne de droite qui respectent la tolérance déterminée. a)

1)

Ø 40 ± 2

b)

Diamètre du cylindre : 41 mm

2)

Ø 39 ± 1

c)

3)

Ø 45 ± 3

3

Diamètre du cylindre : 42 mm

Diamètre du cylindre : 38 mm

Dans une usine où l’on produit des charnières pour les portes, un designer conçoit un nouveau modèle. Sur ses dessins, il indique que le diamètre de l’œil de la charnière sera de (9,0 ± 0,1) mm, et que le diamètre du gond sera de (8,9 ± 0,1) mm. Si vous étiez responsable de ce designer, quel commentaire lui feriez-vous ?

Gond Œil

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

413

11.2 Les matériaux L’étude des matériaux débute par un survol des principaux types de contrainte.

11.2.1

Les contraintes

Une contrainte est l’effet qu’une force extérieure exerce sur un matériau et qui tend à le déformer. On doit connaître les contraintes que subira une pièce pour choisir le matériau à utiliser pour la fabrication de cette pièce (voir le tableau 1). TABLEAU 1

Les principaux types de contrainte

Type de contrainte

414

Exemple

La traction Contrainte mécanique qui tend à étirer une pièce.

Le câble subit une contrainte de traction puisqu’il est soumis à deux forces de tension de sens opposés qui tendent à l’étirer.

La compression Contrainte mécanique qui tend à comprimer (ou à écraser) une pièce.

Les chandelles subissent une contrainte de compression puisqu’elles sont soumises à deux forces de compression de sens opposés qui tendent à les comprimer.

La torsion Contrainte mécanique qui tend à tordre une pièce.

La serviette subit une contrainte de torsion puisqu’elle est soumise à deux forces qui produisent des mouvements de rotation de sens opposés.

Le cisaillement Contrainte mécanique qui tend à cisailler une pièce.

La feuille de métal subit une contrainte de cisaillement. En effet, elle subit deux forces parallèles de sens opposés, qui sont légèrement décalées l’une par rapport à l’autre et qui tendent à la découper.

La flexion Contrainte mécanique qui tend à courber une pièce.

La balançoire à bascule et le plongeoir subissent une contrainte de flexion puisqu’ils sont soumis à des forces qui tendent à les courber.

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Ut 11.2

Activités 11.2.1 1

À l’aide des mots de la liste ci-dessous, indiquez la contrainte que subit chacun des objets en gras dans le tableau. Cisaillement

Compression

Flexion

Situation

Torsion

Traction Contrainte

a ) Une mécanicienne pousse sur le manche d’une clé à molette pour serrer un écrou. b ) Un homme est debout sur un paillasson. c ) Une personne ouvre un pot de cornichons en faisant tourner le couvercle. d ) Un cuisinier coupe des feuilles de laitue pour faire une salade. e ) Une dame s’assoit sur une chaise à quatre pieds. f ) La tige d’un boulon est serrée au moyen d’une clé à molette. g ) Un homme fort tire un wagon de train au moyen d’une corde. h ) Les parois d’un sous-marin doivent résister à l’immense pression de l’eau. i ) La travée d’un pont est soutenue par des piliers à ses deux extrémités.

2

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à l’écraser, on dit qu’il est soumis à une contrainte de compression.

b ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à le découper, on dit qu’il est soumis à une contrainte de traction.

c ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à le courber, on dit qu’il est soumis à une contrainte de torsion.

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

415

3

À quel type de contrainte les éléments suivants sont-ils soumis ? a ) Ces étagères murales

b ) Le moyeu du rotor d’un hélicoptère Rotor

4

Le bois massif résiste mieux aux contraintes de compression lorsqu’elles s’exercent parallèlement à son grain que lorsqu’elles s’exercent perpendiculairement à celui-ci. Sachant cela, parmi les deux blocs illustrés ci-dessous, entourez celui qui sera le plus résistant à la compression.

a)

5

Moyeu

b)

L’illustration ci-dessous montre un appareil de musculation utilisé par un homme pour faire des exercices d’extension des genoux. a ) Sur l’illustration, entourez en rouge l’une des parties de l’appareil qui subit une contrainte de traction et dessinez le symbole normalisé approprié. b ) Sur l’illustration, entourez en bleu l’une des parties de l’appareil qui subit une contrainte de compression et dessinez le symbole normalisé approprié. c ) À quel type de contrainte les jambes de l’homme sont-elles soumises ?

416

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Ut 11.2

11.2.2

Les propriétés des matériaux

Les oéés mécnqus ds méux indiquent comment un matériau réagit aux contraintes qu’il subit. Le tableau 2 décrit sept des principales propriétés mécaniques des matériaux, mais il en existe plusieurs autres. TABLEAU 2

Les principales propriétés mécaniques des matériaux

Propriété mécanique

Exemple

La dureté Capacité d’un matériau à résister à la pénétration et à la déformation.

La lame d’une scie doit être plus dure que les matériaux qu’elle coupe pour pouvoir les pénétrer.

La rigidité Capacité d’un matériau à garder sa forme lorsqu’il est soumis à des contraintes.

La rigidité du carbure de tungstène en fait un bon matériau pour la fabrication de crampons ou de la pointe de bâtons de marche.

L’élasticité Capacité d’un matériau à se déformer sous l’effet d’une contrainte et à reprendre sa forme lorsque la contrainte cesse.

Les ressorts d’un matelas doivent être élastiques et reprendre leur forme lorsque l’on cesse de les comprimer.

La ductilité Capacité d’un matériau à se déformer de manière irréversible sans se rompre lorsqu’il est soumis à de fortes contraintes. En particulier, capacité de se laisser étirer facilement.

Puisque l’on peut en faire des fils, le laiton est ductile.

La malléabilité Sous-propriété de la ductilité. Capacité d’un matériau à s’aplatir de manière irréversible sans se rompre lorsqu’il est soumis à des contraintes de compression.

Puisque l’on peut en fabriquer des feuilles, l’or est malléable.

La fragilité Capacité d’un matériau de se casser avant de se déformer significativement lorsqu’il est soumis à une contrainte.

Le verre est fragile puisqu’il se casse sans déformation préalable.

La résilience Capacité d’un matériau à résister aux chocs et à reprendre sa forme après une déformation. La résilience est en quelque sorte l’inverse de la fragilité.

Le polymère dont est fait cet étui pour téléphone doit être résilient pour protéger l’appareil des chocs.

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

417

Les matériaux ont aussi d’autres propriétés que leurs propriétés mécaniques. On peut, par exemple, caractériser les matériaux en fonction de : • leur conductibilité électrique (capacité à laisser passer le courant) ; • leur conductibilité thermique (capacité à transmettre la chaleur) ; • leur légèreté (faiblesse de leur masse volumique) ; • leur neutralité chimique (résistance aux agents chimiques) ; • leur résistance à la corrosion ; • leur résistance à la chaleur.

FLASH

TECHNO

Le découpage au jet d’eau

Pour découper un matériau, on emploie habituellement un autre matériau plus dur. Ainsi, on se sert souvent des pointes de diamant pour effectuer des coupes dans des matériaux très durs. Cependant, on peut également découper des matériaux d’une grande dureté en utilisant de l’eau ! Comment ? En projetant un jet d’eau à haute pression et à haute vitesse sur le matériau. On arrive de cette façon à reproduire très rapidement le travail que fait lentement l’érosion dans la nature. Le découpage au jet d’eau permet de façonner plusieurs matériaux, comme les plastiques, l’aluminium, l’acier et les caoutchoucs.

Activités 11.2.2 1

À partir de la liste de propriétés mécaniques ci-dessous, complétez chacune des phrases suivantes. (Chaque propriété n’apparaît qu’une fois.) Ductilité

Dureté

a ) La

Élasticité

Fragilité

Malléabilité

Résilience

Rigidité

de l’aluminium permet d’en faire des contenants minces.

b ) La du polypropylène fait de celui-ci un bon matériau pour la fabrication des pare-chocs d’automobile. c ) La du quartz est l’une des propriétés pour lesquelles on l’utilise comme cristal vibrant dans des montres. En effet, lorsqu’il vibre, le quartz subit des contraintes, mais ne se déforme presque pas. Moins un matériau se déforme en vibrant, moins il dissipe d’énergie, ce qui est avantageux. d ) À cause de la construction. e ) La

de l’acier, on s’en sert souvent pour façonner des outils de du cuivre permet de l’utiliser pour fabriquer des fils électriques.

f ) La grande du nylon et de certains aciers spéciaux fait en sorte qu’on les emploie souvent pour fabriquer de petits ressorts. g ) Le fait que la céramique se casse plus facilement que l’acier est dû à sa plus grande .

418

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 11.2

2

Pour connaître les propriétés d’un nouveau matériau, une ingénieure décide de conduire une série de tests sur des pièces faites de ce matériau. Pour chacun des tests décrits ci-dessous, dites quelle propriété est testée. a)

b)

L’ingénieure attache chacune des extrémités d’une pièce à un mors. La pièce est ensuite étirée. Puis l’ingénieure mesure la déformation obtenue et note la force qui a été nécessaire pour produire cette déformation.

3

c)

L’ingénieure met une pièce dans un appareil. La pièce est ensuite frappée avec une pointe de diamant, un matériau très dur. Puis l’ingénieure mesure la profondeur de l’empreinte laissée par la pointe sur la pièce.

L’ingénieure place une pièce entre deux plaques qui la compriment. Elle mesure ensuite la déformation obtenue et note la force qui a été nécessaire pour produire cette déformation.

L’image ci-contre montre une jante de roue d’automobile. Quelle propriété doit-on principalement rechercher pour cette pièce ? Justifiez votre réponse. a ) La dureté

b ) L’élasticité

c ) La résilience

d ) La fragilité

Justification :

4

5

Quelles sont les propriétés mécaniques recherchées dans le matériau utilisé pour la mèche d’une perceuse ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Ductilité

d ) Fragilité

g ) Légèreté

b ) Dureté

e ) Rigidité

h ) Résistance à la chaleur

c ) Élasticité

f ) Conductibilité électrique

Parmi les deux matériaux suivants, lequel semble un meilleur choix pour la confection d’une pièce de monnaie ? a ) Un alliage ductile et élastique b ) Un alliage dur et résistant à la corrosion c ) Un métal malléable et léger

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

419

11.2.3

Les céramiques, les plastiques et les matériaux composites

En 3e secondaire, vous avez étudié quelques matériaux : les métaux et les alliages, les bois et les bois modifiés (voir le Rappel, p. 407). Le tableau 3 présente les propriétés de trois autres types de matériaux. TABLEAU 3

Les propriétés des céramiques, des plastiques et des matériaux composites Types de matériaux

Les céramiques • Matériaux solides produits à partir de substances minérales inorganiques comme le sable et l’argile. Exemples : porcelaine, verre, ciment, plâtre

Les matières plastiques • Matériaux organiques de synthèse, formés de macromolécules appelées « polymères ». • Comprend les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les thermodurcissables • Matières plastiques qui restent dures et qui gardent leur forme même lorsqu’elles sont chauffées. • Non recyclables. Exemples : mélamine, certains polyesters Les thermoplastiques • Matières plastiques qui, si on les chauffe, ramollissent de façon qu’on puisse les mouler ou les remodeler. • Recyclables. Exemples : polychlorure de vinyle (PVC), polystyrène, nylon Les matériaux composites • Combinaisons hétérogènes de matériaux qui en améliorent les propriétés. • Constitués d’une matrice (« squelette » du matériau) dans laquelle sont insérées des fibres de renfort. Exemples : béton armé, agglomérés de bois, plastique renforcé de fibres de carbone

420

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

Propriétés • • • • • • • •

Dureté très élevée Fragilité Rigidité très élevée Résilience faible Neutralité chimique Conductibilité électrique faible Conductibilité thermique faible Résistance à la chaleur très élevée • Résistance à la corrosion • Conductibilité électrique nulle • Conductibilité thermique faible • Légèreté

• • • • •

Dureté Résilience Rigidité Résistance à la chaleur Résistance à la corrosion

• • • •

Élasticité Résilience Neutralité chimique Résistance à la corrosion

• Les propriétés des matériaux composites varient énormément de l’un à l’autre. Par exemple, l’association d’une matrice de plastique peu rigide mais résiliente à des fibres de verre peu résilientes mais rigides permet d’obtenir un matériau rigide et résilient.

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UT 11.2

COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE

Leo H. Baekeland (1863-1944)

Les premiers plastiques ont été fabriqués au 19e siècle grâce à la transformation chimique de polymères naturels comme le caoutchouc et la cellulose. La première matière plastique entièrement synthétique, la bakélite, a été élaborée en 1907 par le chimiste américain d’origine belge Leo Baekeland. La bakélite est un plastique thermodurcissable : elle durcit de façon permanente après chauffage et moulage. Comme elle est un bon isolant thermique et électrique, on l’a rapidement et largement utilisée pour fabriquer des boîtiers de radio et de téléphone ainsi que divers ustensiles de cuisine.

Activités 11.2.3 1

Quelles sont les propriétés de l’alumine ? Lisez le texte suivant, puis cochez toutes les cases appropriées.

L’alumine L’alumine est un matériau de la famille des céramiques qui a de nombreux usages. On l’utilise notamment pour fabriquer certaines pièces de fours industriels, des instruments de laboratoire et des implants dentaires. Sa conductibilité thermique est plus élevée que celle de la plupart des céramiques, qui sont généralement de mauvais conducteurs de chaleur. À part cette caractéristique particulière, les autres propriétés de l’alumine sont assez typiques de la famille des céramiques.

2

Conductibilité électrique

Élasticité

Résistance à la chaleur

Conductibilité thermique

Neutralité chimique

Résistance à la corrosion

Dureté

Résilience

Rigidité

Quelles sont les propriétés des polyimides thermodurcissables ? Lisez le texte suivant, puis cochez toutes les cases appropriées.

Les polyimides thermodurcissables Les polyimides thermodurcissables ont des applications variées. On les utilise comme isolants électriques, entre autres comme support à des circuits imprimés. Ils sont assez peu réactifs chimiquement. En raison de leur élasticité supérieure à celle de la plupart des thermodurcissables, on s’en sert aussi pour recouvrir des tubes et des cathéters (tubes à usage médical). Conductibilité électrique

Élasticité

Résistance à la chaleur

Conductibilité thermique

Neutralité chimique

Résistance à la corrosion

Dureté

Résilience

Rigidité

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ChApITrE 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

421

3

On souhaite fabriquer les deux éléments présentés ci-dessous, pour lesquels on cherche des matériaux appropriés. Dans chaque cas, cochez, dans la colonne de gauche, les cases correspondant aux propriétés que devra posséder le matériau choisi. Puis, dans la colonne de droite, cochez le type de matériau qui conviendrait le mieux. a ) Le revêtement intérieur d’un four industriel. Propriétés recherchées

Type de matériau choisi

Dureté

Résistance à la chaleur

Céramique

Élasticité

Résistance à la corrosion

Thermodurcissable

Résilience

Rigidité

Thermoplastique

b ) Un dos d’âne amovible (structure que l’on fixe à la chaussée pour créer une bosse, dans le but de forcer les véhicules à ralentir). Propriétés recherchées

4

Type de matériau choisi

Dureté

Résistance à la chaleur

Céramique

Élasticité

Résistance à la corrosion

Thermodurcissable

Résilience

Rigidité

Thermoplastique

Lisez le texte suivant, puis répondez aux questions.

Le béton Le béton est dur, mais relativement fragile. Il résiste très bien aux contraintes de compression, mais plutôt mal aux contraintes de traction. Le béton armé (voir la photo ci-contre), quant à lui, est un matériau fait d’une structure d’acier recouverte de béton.

a ) À quel type de matériau le béton armé appartient-il ? 1) Les alliages

3) Les matières plastiques

2) Les céramiques

4) Les matériaux composites

b ) Parmi les énoncés suivants, un seul est vrai. Lequel ? 1) Le béton armé supporte beaucoup mieux les contraintes de traction et de flexion que le béton ordinaire. 2) Le béton armé est moins sujet à la corrosion que le béton ordinaire. 3) Le béton armé peut être moulé, alors que le béton ordinaire ne peut pas l’être.

422

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 11.2

5

Une entreprise de design spécialisée dans les emballages a trois clients.

Client A

Client B

Client C

Produit : Cosmétique, 30 mL

Produit : Tartinade sucrée, 350 mL

Produit : Confiture de luxe, 230 mL

« Nous souhaitons que nos clientes et nos clients puissent emporter notre produit partout avec eux. L’emballage devra être rigide, avec un côté transparent et un côté opaque. »

« Nous recherchons un emballage qui sera pratique pour toute la famille. Il doit pouvoir être pressé pour faire sortir la tartinade. De plus, nous souhaitons que l’emballage soit recyclable. »

« Nos confitures sont des créations gastronomiques préparées de façon artisanale. Nous souhaitons un emballage transparent qui le reflète et met en valeur les ingrédients biologiques locaux utilisés. »

Pour satisfaire ces trois clients, l’entreprise étudie cinq matériaux.

Verre

Aluminium

Polystyrène (PS)

Le verre peut être complètement transparent, ou coloré. Il possède une très grande neutralité chimique, qui lui confère de grandes qualités pour la conservation des aliments. Il est dur, mais fragile et lourd.

L’aluminium est un métal très léger et incassable. Les emballages produits sont flexibles, mais peu résilients. Les techniques de façonnage utilisables limitent les formes que peuvent avoir les contenants, et ceux-ci sont difficilement refermables.

Les PS sont des thermoplastiques qui peuvent être aussi transparents que le verre. On peut cependant les rendre opaques ou les colorer de n’importe quelle couleur. Ils sont durs et beaucoup moins résilients que les autres thermoplastiques.

Polyéthylène basse densité (PEBD)

Polyéthylène haute densité (PEHD)

Les PEBD sont des thermoplastiques. Ils ont une résilience plus élevée que les PEHD. Ils peuvent être translucides ou opaques. Ils sont assez peu rigides, mais très résilients.

Les PEHD sont des thermoplastiques. Ils sont très similaires aux PEBD, mais leur densité est plus grande. Ils sont plus durs, plus rigides et plus opaques que les PEBD.

Lequel de ces matériaux conviendrait le mieux pour chacun des clients ? (Un même matériau peut être sélectionné plus d’une fois.) a ) Le client A b ) Le client B c ) Le client C

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

423

11.2.4

La dégradation des matériaux et les procédés de protection

La dégradation d’un matériau correspond à la modification de ses propriétés par son environnement. On peut retarder ou empêcher la dégradation des matériaux en utilisant des procédés de protection (voir le tableau 4). TABLEAU 4

La dégradation et la protection des matériaux Les métaux et les alliages

Causes de la dégradation • Oxydation causant la corrosion (qu’on appelle « rouille » dans le cas des alliages ferreux).

Électrodes sacrificielles

Procédés de protection • Les recouvrir d’un revêtement dit « passif » (peinture, vernis, graisse, émail, etc.) qui les isole de l’environnement. • Les recouvrir d’une couche d’un métal qui résiste mieux à la corrosion, comme le zinc. Un métal ou un alliage recouvert de zinc est dit « galvanisé » • Les associer à un métal qui leur offre une protection électrochimique. Le zinc, le magnésium et l’aluminium peuvent protéger l’acier et le fer. Comme ces métaux s’oxydent plus facilement, l’oxygène réagit d’abord avec eux plutôt que de dégrader l’acier ou le fer.

Des électrodes de zinc offrent une protection électrochimique à la coque d’un navire. Les petites pièces de zinc fixées sur l’acier « se sacrifient » en s’oxydant en premier, d’où leur nom d’« électrodes sacrificielles ».

Les bois Causes de la dégradation • Infestation par des insectes, des champignons ou des microorganismes. • Taux d’humidité élevé qui fait gonfler le bois jusqu’à ce qu’il devienne poreux ou se fissure. Procédés de protection • Les peindre, les vernir ou les teindre (revêtement passif). • Les traiter à l’aide d’un enduit protecteur (souvent une solution basique contenant du cuivre). • Les chauffer à haute température.

Le bois traité avec une solution de cuivre a une teinte verdâtre.

Les céramiques Causes de la dégradation • Action de certains acides ou bases fortes ; • Choc thermique (variation brusque de température).

Les céramiques sont beaucoup plus souvent cassées qu’elles ne sont abîmées par l’usure.

Procédés de protection • Les céramiques sont très durables, mais fragiles : il n’y a pas de procédé pour les protéger des chocs. Les matières plastiques Causes de la dégradation • Exposition à un rayonnement ultraviolet (UV), comme celui émis par le soleil ; • Pénétration par des liquides ; • Oxydation. Procédés de protection • Leur ajouter, pendant la fabrication, des pigments qui absorbent les rayons UV et des antioxydants. • Les recouvrir d’un revêtement imperméable.

424

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

Le plastique de ce bac s’est dégradé.

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Ut 11.2

TABLEAU 4

La dégradation et la protection des matériaux (suite) Les matériaux composites

Causes de la dégradation • Déformation de la matrice ou des fibres de renfort. • Diminution de l’adhérence entre la matrice et les fibres de renfort. Procédés de protection • Utiliser des matériaux de qualité qui adhèrent fortement ensemble. La qualité d’un matériau composite a un effet sur sa durabilité.

Activités 11.2.4 1

Un mécanicien vaporise de l’huile sur une automobile. Lesquels des énoncés suivants sont vrais concernant le rôle de l’huile ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) L’huile procure un revêtement passif à la carrosserie de l’automobile. b ) L’huile procure une protection électrochimique aux alliages de la carrosserie. c ) L’huile galvanise les alliages de la carrosserie. d ) L’huile isole les alliages de la carrosserie de l’environnement. e ) L’huile protège les alliages de la carrosserie des dommages causés par les rayons UV. f ) L’huile protège les alliages de la carrosserie de la corrosion. g ) L’huile protège les alliages de la carrosserie des dommages causés par des variations trop brusques de température.

2

À la fin de l’été, un père demande à son fils de peindre la clôture qu’il vient d’installer. Le fils suggère de remettre cette tâche au printemps. Cela mécontente le père. a ) Le père a-t-il raison d’insister ? 1) Oui, plus tôt la clôture sera repeinte, moins elle se dégradera. 2) Non, le bois ne risque pas de se dégrader pendant l’automne et l’hiver, car il ne fait pas suffisamment chaud. 3) Non, une clôture neuve ne risque pas de se dégrader durant sa première année. b ) Pourquoi la peinture serait-elle un moyen de protection ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) La peinture protège le bois de la corrosion. 2) La peinture protège le bois de l’humidité. 3) La peinture protège le bois des insectes et des microorganismes. c ) Le fils estime qu’une clôture en bois traité n’a pas besoin d’être peinte. A-t-il raison ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

425

11.2.5

Les traitements thermiques

STE

Les traitements thermiques sont des moyens utilisés pour modifier les propriétés des matériaux en leur faisant subir un chauffage et un refroidissement. Certains traitements thermiques peuvent être effectués sur le bois, le verre ou d’autres céramiques. Toutefois, c’est sur les alliages (comme l’acier) que les traitements thermiques sont le plus fréquents. Les principaux traitements thermiques appliqués aux alliages sont présentés dans le tableau 5. TABLEAU 5

Les trois principaux types de traitements thermiques des alliages La trempe

Le revenu

Refroidissement rapide d’un alliage après l’avoir chauffé. • Durcit l’alliage, mais le rend plus fragile.

Chauffage d’un alliage trempé à une température précise (inférieure aux températures utilisées pour la trempe). • Rend l’alliage un peu plus ductile.

Activités 11.2.5 1

Le recuit Chauffage d’un alliage, suivi par son lent refroidissement. • Redonne ses propriétés mécaniques originales à un alliage qui a subi un autre traitement thermique ou qui a été altéré (par une soudure, par exemple).

STE

Lisez le texte suivant, puis répondez aux questions.

La fabrication des katanas Les katanas sont les sabres d’acier des samouraïs japonais. Les artisans qui fabriquaient ces sabres utilisaient une technique très raffinée. À une certaine étape du processus de fabrication, le katana était chauffé jusqu’à ce qu’il devienne rouge, puis rapidement refroidi dans un bassin d’eau froide. On répétait ce procédé plusieurs douzaines de fois afin d’en augmenter les effets. a ) Comment se nomme le procédé dont il est question dans le texte ? 1) Trempe

2) Revenu

3) Recuit

b ) Quel est le but du procédé décrit dans le texte ? 1) Rendre le sabre plus dur. 2) Rendre le sabre plus résilient. 3) Rendre le sabre plus ductile. 4) Réparer les erreurs survenues lors de la fabrication du sabre.

426

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Ut Ut11.3 5.1

11.3 La fabrication

STE

La phase de conception d’un objet technique est suivie par celle du façonnage des différentes pièces qui constituent l’objet.

11.3.1

Le mesurage et le traçage

Selon les techniques qui seront utilisées pour façonner une pièce, le mesurage et le traçage (ou le marquage) peuvent être utiles. Le msug  l çg consistent à dessiner, en dimensions réelles, le contour d’une pièce (ou à marquer les endroits à percer, par exemple). Un traçage adéquat permet l’économie de matériaux (voir la figure 5). Les outils utilisés pour le traçage varient en fonction du matériau (voir la figure 6).

A

Traçage incorrect

B

Traçage correct

Les gabarits sont des dispositifs qui permettent d’effectuer, par exemple, du sciage, du découpage ou du perçage sur plusieurs pièces sans avoir à répéter les mesures et le traçage (voir la figure 7). Matériau à marquer : Bois Outils : Crayon à mine ou compas porte-mine

A

Fgu 5 Un èc ccul do ê découé dns un lnc. A L’accès difficile compliquera le découpage et la chute de bois restante sera difficile à réutiliser. B Le découpage sera aisé et le gaspillage de matériau sera très limité.

Matériau à marquer : Métal Outils : Pointe à tracer, compas à pointes sèches, pointeau et marteau Le traçage est fait avec des lignes gravées. Pour rendre ces lignes plus visibles, on couvre au préalable la surface d’une teinture bleue. Les marques enlèvent la teinture et révèlent le métal en dessous.

B

Matériau à marquer : Plastique Outils : Feutre, stylo, pointeau Les plaques de plastique sont souvent recouvertes d’un papier protecteur pour éviter les égratignures. Lorsque c’est possible, le traçage doit être fait sur ce papier. Il peut alors se faire avec un crayon à mine ordinaire.

C

Fgu 6

Qulqus ouls uls u çg.

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Fgu 7 C gb m d c un o d’mo u bon ndo.

Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

427

Le traçage doit être ajusté en fonction des techniques de façonnage et des outils utilisés. Par exemple, lorsque le matériau doit être scié : • si on utilise une scie circulaire portative, un traçage doit être fait. Il faut tenir compte de l’épaisseur de la lame utilisée : les pièces tracées ne doivent donc pas se toucher, comme sur la figure 6A. • si on utilise une scie circulaire sur banc munie d’un guide et d’une règle, un traçage n’est pas nécessaire. Il faut cependant considérer l’épaisseur de la lame de la scie en faisant les coupes. Les techniques de façonnage par déformation de matériau ne nécessitent habituellement pas de traçage. Le traçage est une pratique artisanale. L’utilisation de machines à commandes numériques permet de produire sans traçage des pièces de qualité constante, à grande vitesse.

11.3.2

Le façonnage

Le tableau 6 présente quelques techniques de façonnage courantes. TABLEAU 6

Quelques techniques de façonnage courantes Techniques de façonnage par enlèvement de matériau

Perçage (bois, métaux et alliages, plastiques, céramiques) Action de percer un trou dans une pièce. Le foret doit être plus dur que le matériau à percer. Un matériau plus dur doit généralement être percé avec un foret qui a un angle de coupe plus grand.

Foret A

Une perceuse.

B

Des forets. A Angle de coupe faible. B Grand angle de coupe.

Sciage (bois, métaux et alliages, plastiques, céramiques)

Tournage (bois, métaux et alliages, plastiques)

Action qui consiste à couper un matériau à l’aide d’une scie (à ruban, à métaux, circulaire, etc.). Les lames des scies à métaux sont faites de matériaux plus durs et ont une denture plus fine que les scies à bois.

Action qui sert à façonner une pièce à l’aide d’un tour : on enlève de la matière avec un outil coupant, tandis que le matériau tourne sur lui-même à grande vitesse. La pièce obtenue présente une symétrie cylindrique.

Une scie à bois.

Tour

Ciseau

Une scie à métaux. Un tour à bois.

428

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Ut 11.3

TABLEAU 6

Quelques techniques de façonnage courantes (suite) Techniques de façonnage par enlèvement de matériau (suite)

Taraudage (métaux et alliages, certains plastiques rigides)

Filetage (métaux et alliages, certains plastiques rigides)

Opération utilisée pour créer des filets à l’intérieur d’un trou, afin de pouvoir y insérer une tige présentant des filets correspondants, obtenus à la suite d’une opération de filetage. Le taraudage doit être précédé d’une opération de perçage.

Opération utilisée pour créer des filets autour d’une tige.

Filière

Tourne-à-gauche

Porte-filière

Taraud

Filière

Taraud

Étau

Étau

Un udus.

Un flus.

Techniques de façonnage par déformation de matériau Laminage (métaux et alliages, thermoplastiques, céramiques)

Pliage (métaux et alliages, certains plastiques incassables)

Opération qui consiste à aplatir un matériau en le faisant passer entre deux cylindres pour obtenir des feuilles.

Action qui consiste à rabattre une partie d’une feuille selon un angle déterminé.

Plieuse

Pièce pliée

Un lmno.

Un plus.

Extrusion (ou filage) (métaux et alliages, thermoplastiques)

Cintrage (métaux et alliages)

Procédé qui consiste à pousser un matériau ductile dans une filière pour lui donner une forme allongée (ex. : fil) ou profilée (ex. : pièce ayant une section constante et une forme déterminée, comme une poutre).

Action qui consiste à donner une forme courbe à une tige, un tube ou une barre. Cintreuse

Pièce cintrée

Pècs xudés.

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Un cnus.

ChaPitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

429

TABLEAU 6

Quelques techniques de façonnage courantes (suite) Techniques de façonnage par déformation de matériau (suite)

Moulage (métaux et alliages, plastiques, céramiques) Action qui consiste à couler ou à injecter dans un moule un matériau ramolli ou rendu liquide par chauffage, pour qu’il en prenne la forme en durcissant. Le moulage permet d’obtenir des pièces pleines ou creuses. Pour obtenir des pièces creuses, il existe différentes techniques de moulage, dont : • le moulage par injection-soufflage (plastiques, céramiques). On souffle de l’air dans le moule après y avoir fait entrer le matériau liquide. Le matériau se colle alors aux parois du moule, puis en prend la forme en durcissant. • le moulage par pressage (céramiques). Un poinçon presse le matériau liquide contre les parois. • le rotomoulage (plastiques). On fait tourner le moule à grande vitesse, de sorte que le matériau liquide colle aux parois par effet centrifuge.

Un moule pour l’injection-soufflage.

Thermoformage (thermoplastiques)

Emboutissage (métaux et alliages)

Technique qui consiste à ramollir une plaque de thermoplastique par chauffage, puis à la presser par succion sur un moule pour qu’elle en prenne la forme.

Action qui consiste à donner un relief tridimensionnel à une plaque mince en la pressant sur une matrice.

Un moule de blocs Lego®. injection

soufflage

Matrice

Un moulage obtenu par thermoformage.

L’emboutissage de baignoires.

11.3.3

Presse (structure grise)

Poinçon

L’inspection

Après une ou plusieurs opérations de façonnage, il faut procéder à l’inspection de la pièce. L’inspection peut se faire par mesure directe : on vérifie si les dimensions de la pièce respectent les cotations, selon les tolérances indiquées. L’outil à utiliser pour la mesure directe dépend de la tolérance (voir la figure 8 et l’outil 3 à la page suivante).

A

B

C

Figure 8 Des instruments utilisés pour l’inspection d’une pièce. A Une règle ou un ruban à mesurer sont utiles lorsque la tolérance dépasse 1 mm. Un pied à coulisse, analogique B ou numérique C , est utile lorsque la tolérance est inférieure à 1 mm.

430

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UT 11.3

OUTIL 3

Utiliser un pied à coulisse

STE

Quand il faut mesurer avec une grande précision une ou plusieurs des dimensions d’un objet, par exemple lorsque les tolérances dimensionnelles sont faibles, on doit se servir d’un pied à coulisse (voir la figure 9). Règle (partie fixe)

Vernier (partie coulissante) Vis de fixation Becs extérieurs Objet à mesurer A

Objet à mesurer Becs intérieurs

Sonde de profondeur

B

Objet à mesurer

C

Fgu 9 L’utlston d’un d à coulss. Msu : A La distance entre deux des faces externes d’un objet. B La distance entre deux des faces internes d’un objet creux. C La hauteur d’un objet ou la profondeur d’un trou.

Voici la marche à suivre pour prendre des mesures à l’aide d’un pied à coulisse. 1. S’assurer que le pied à coulisse indique bien « 0 » quand les becs qu’on emploiera (selon la mesure à effectuer) sont bien fermés, sans être serrés. Si c’est nécessaire, calibrer le pied à coulisse. 2. Faire glisser les becs ou la sonde contre l’objet à mesurer. 3. Serrer la vis de fixation pour empêcher le vernier de se déplacer pendant la lecture. 4. Sur la règle, lire la graduation alignée avec le « 0 » du vernier. Cette valeur correspond à la mesure en centimètres et en millimètres. Ensuite, déterminer la ligne du vernier qui est la mieux alignée avec l’un ou l’autre des traits de la règle. Cette mesure correspond à la deuxième décimale de la mesure en centimètres (voir la figure 10). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.

2,4

+

0,07 = 2,47 cm

Fgu 10 L lctu d’un msu su un d à coulss.

ChapiTre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

431

Activités 11.3 1

STE

En équipe, vous devez façonner quatre pièces de bois rectangulaires aux dimensions suivantes : Deux pièces de 60 mm par 160 mm Une pièce de 100 mm par 120 mm Une pièce de 120 mm par 180 mm Vous disposez des deux planches de bois illustrées ci-dessous. Elles sont bien équarries : les faces en sont lisses, droites et perpendiculaires. Votre coéquipier s’occupera des trois premières pièces et vous ferez la quatrième. Avant qu’il ne scie ses pièces, vous vérifiez le traçage effectué (voir ci-dessous). Vous constatez qu’il est incorrect.

20 mm a ) Identifiez deux problèmes que présente le traçage de votre coéquipier. 1.

2.

b ) Dans l’encadré ci-dessous, faites, à l’échelle, un traçage correct des quatre pièces.

20 mm

432

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Ut Ut11.3 5.1

c ) Sur du bois réel, quels outils utiliseriez-vous pour faire le traçage réalisé en b ?

2

1) Une règle

4) Un crayon à mine

2) Un pied à coulisse

5) Un feutre

3) Un pointeau

6) Un compas porte-mine

Pour chacun des forets d’acier illustrés, dites si vous l’utiliseriez plutôt pour percer du béton ou du bois. a)

3

7) Du bleu à marquer (teinture bleue)

b)

Sur quels types de matériaux les techniques de façonnage suivantes peuvent-elle être employées ? Cochez toutes les cases appropriées pour chacune de ces techniques.

Bois

Métaux et alliages

Plastiques

Céramiques

a ) Cintrage b ) Emboutissage c ) Moulage d ) Perçage e ) Sciage f ) Thermoformage

4

Quelle technique de façonnage a été utilisée dans chacun des cas suivants ? a ) Un emballage de yogourt en thermoplastique

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b ) Des filaments d’ABS (utilisés dans une imprimante 3D)

Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

433

5

Complétez les encadrés de la figure ci-dessous en inscrivant les procédés énumérés dans la liste suivante. (Vous devez inscrire certains procédés plus d’une fois.) Filetage

Moulage

Perçage

Taraudage

Tournage

La fabrication de quelques pièces d’une planche à roulettes

Fabriquer des boulons à partir de tiges métalliques et des écrous à partir de tôles épaisses : Boulons

Écrous

• Coupage

• Poinçonnage et emboutissage





Fabriquer la planche à partir de placages de bois et la mettre en forme :

• Pressage • Perçage • Sciage

Créer des trous dans le rehausseur :



Créer des filets sur la tige de façon à pouvoir y visser des écrous pour retenir les roues :

Fabriquer le bloc-essieu en aluminium :



• Fabriquer les roues en façonnant d’abord un tube de polyuréthane, puis en y créant la forme des flancs et de la bande de roulement :

• •

434

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 11.3

6

Associez chacune des situations décrites dans la colonne de gauche à l’instrument approprié, dans la colonne de droite. a ) Une ébéniste vérifie la hauteur du pied de table qu’elle vient de tourner.

1) Ruban à mesurer

b ) Un technicien vérifie le diamètre de la tête d’un boulon choisi au hasard dans le dernier lot produit à l’usine où il travaille. 7

2) Pied à coulisse

Dans chacun des cas suivants, inscrivez la mesure prise par le pied à coulisse. a)

c)

Mesure : b)

Mesure : d)

Mesure :

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Mesure :

Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

435

CONSOLIDATION DU ChApITre 11 1

STE Entourez la ou les lettres correspondant aux énoncés qui complètent correctement la phrase suivante. Une vue éclatée est utile pour… a ) connaître le nom ou le numéro de commande d’une pièce à remplacer. b ) donner les directives d’assemblage d’un objet en pièces détachées. c ) indiquer les cotes utiles à la fabrication d’un objet. d ) montrer la totalité des pièces composant un objet. e ) montrer l’objet sous tous les angles.

2

STE

L’illustration de gauche montre une vue isométrique d’une encoignure (étagère de coin).

a ) Sur le quadrillé ci-dessous, complétez le dessin en traçant la vue de droite, à l’échelle.

ENCOIGNURE (étagère de coin)

Vue de dessus

Vue de face

Vue de droite

Note : La tablette centrale et celle du bas sont fixées aux pattes par 6 vis. La tablette du dessus est collée aux pattes.

436

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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b ) À quel type de dessin technique correspond la représentation que vous avez complétée dans votre réponse à la question a ?

c ) Comment se nomme le dessin technique ci-contre ? Cochez la bonne réponse. 1) Une vue de face 2 ) Une projection isométrique 3 ) Une vue éclatée 4 ) Un cube de projection 5 ) Une projection orthogonale à vues multiples

d ) Le dessin ci-dessus est incomplet. Quelles pièces manque-t-il ? 3

STE

Quelles sont les limites acceptables pour la dimension de chacune des pièces suivantes ?

a ) La longueur de l’axe du rotor d’un petit moteur électrique doit mesurer, d’après les spécifications données, (34,1 ± 0,3) mm. L a longueur de l’axe doit se situer entre

mm et

mm.

b ) Le diamètre du piston d’un moteur doit mesurer, d’après les spécifications données, (52,4 ± 0,2) mm. Le diamètre du piston doit se situer entre 4

mm et

mm.

STE Une tige d’acier creuse doit avoir une longueur de (328 ± 2) mm. À l’occasion d’un contrôle de qualité, une technicienne mesure une tige choisie au hasard et obtient 323 mm. La dimension de cette tige est-elle acceptable ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

437

5

Quel type de contrainte s’exerce principalement sur les objets suivants ? a ) La semelle de béton des fondations c ) La tige de métal verticale qui soutient d’un bâtiment une enseigne suspendue

Mur Semelle

b ) L’arbre qui soutient les pales d’un ventilateur

6

Le tableau suivant comprend de l’information au sujet de divers matériaux. Prenez connaissance de ces renseignements, puis répondez aux questions de la page suivante. Matériau

438

d ) Les dents des roues dentées d’un engrenage

Information

Matériau

Information

Acier inoxydable trempé

Dureté élevée Ductilité relativement faible Résistance à la corrosion Conductibilité électrique

Polycarbonate (Lexan®)

Grande transparence Légèreté Durabilité

Aluminium

Légèreté Excellentes ductilité et malléabilité Résistance à la corrosion Conductibilité électrique

Verre borosilicaté (Pyrex®)

Résistance à la chaleur Fragilité Transparence Durabilité

Bois de chêne

Dureté Résilience Coût élevé Sensibilité à l’humidité

Polyéthylène

Légèreté Durabilité Malléabilité Coût faible

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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a ) Le tableau ci-dessous présente différentes pièces que l’on souhaite fabriquer. • Dans la deuxième colonne, énumérez les propriétés que doit avoir le matériau qui servira

à fabriquer chaque pièce. • Dans la troisième colonne, nommez le matériau que vous utiliseriez pour fabriquer chaque

pièce. (Choisissez parmi les matériaux que l’on décrit dans le tableau précédent.) Pièce à fabriquer

Propriétés recherchées pour le matériau

Matériau choisi

Lames de ciseaux de couture

Bac coloré d’une jardinière suspendue

Pare-brise d’une voiture pour poupée

Plat de cuisson transparent pour le four

b)

STE Quelles propriétés de l’acier inoxydable trempé sont augmentées par le fait qu’il a été trempé ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) Dureté

3) Légèreté

5) Résistance à la chaleur

2) Fragilité

4) Résilience

6) Résistance à la corrosion

c ) En général, les aciers s’oxydent relativement facilement. Pour rendre un acier « inoxydable », on lui allie du chrome et, très souvent, du nickel. Quand il y a du chrome dans l’alliage, en présence d’agents oxydants, le chrome s’oxyde d’abord, et il se forme une couche d’oxyde de chrome à la surface de l’acier. Quel effet cela a-t-il sur l’acier ? 1) Cela rend l’acier plus dur, mais un peu plus ductile. 2) Cela protège l’acier de la dégradation par oxydation. 7

Une personne inspecte la piscine d’une maison qu’elle envisage d’acheter. a ) Elle remarque que les pieds de l’échelle sont rouillés. Qu’aurait-on pu faire pour éviter cette rouille ?

b ) La personne constate que le bois de la terrasse de la piscine, dont la peinture est défraîchie, commence à se fendre. Qu’aurait-on pu faire pour éviter cette dégradation ?

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

439

8

440

STE

Quelle technique de façonnage a été utilisée dans chacun des cas suivants ?

a ) Donner une forme courbe à ce tuyau de métal.

e ) Fabriquer une cornière d’angle à partir d’un morceau de tôle trouée.

b ) Transformer une plaque de métal en un plat de service.

f ) Façonner le corps d’un séchoir à cheveux avec du polypropylène.

c ) Façonner une bouteille de verre.

g ) Fabriquer des tôles à partir d’acier.

d ) Façonner des barreaux de chaise à partir de pièces de bois.

h ) Façonner un arrosoir.

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9

i ) Façonner un gobelet de plastique jetable.

k) Donner forme au panneau du dessous du châssis d’une voiture à partir d’une plaque de métal.

j ) Créer des filets à l’intérieur d’un écrou.

l ) Façonner un emballage à bulles.

STE À quoi l’inspection par mesure directe est-elle utile ? a ) Elle permet d’économiser des matériaux. b ) Elle permet de choisir des procédés de mise en forme appropriés. c ) Elle permet de repérer les défauts de fabrication.

10

STE Vous êtes technicienne ou technicien en génie industriel et vous devez vérifier si la taille d’une tige métallique est conforme aux tolérances dimensionnelles précisées par l’ingénieur responsable du projet. La cotation est de (30,0 ± 0,2) mm. Pour mesurer la tige, quel instrument de mesure utiliserez-vous ? a ) Une règle

11

b ) Un pied à coulisse

STE Associez chacune des actions de la colonne de gauche à l’outil ou aux outils appropriés, dans la colonne de droite. a ) Marquer l’emplacement d’un trou à percer sur une plaque de métal.

1) Pointe à tracer et règle

b ) Tracer un arc de cercle sur une planche de bois.

2) Pointeau et marteau

c ) Tracer un arc de cercle sur une plaque de métal.

3) Compas à pointe sèche

d ) Tracer un trait sur une plaque de métal.

4) Compas porte-mine

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Chapitre 11 LE LANGAGE DES LIGNES, LES MATÉRIAUX ET LA FABRICATION

441

chapitre

12

L’INGÉNIERIE MÉCANIQUE

L’ingénierie mécanique, aussi appelée « génie mécanique » s’intéresse à la conception et à la fabrication des objets techniques. Les ingénieurs mécaniciens analysent les mouvements des différentes pièces qui composent les objets techniques. Pour vous initier au génie mécanique, vous étudierez dans ce chapitre les liaisons et les guidages, ainsi que les systèmes de transformation et de transmission du mouvement.

SOMMAIRE

Rappel  443 12.1 Les caractéristiques des liaisons  444 12.2 Les degrés de liberté STE  445 12.3 La fonction de guidage  449 12.4 L’adhérence et le frottement STE

 450

12.5 Les systèmes de transmission du mouvement  454 12.6 Les systèmes de transformation

du mouvement  461

RAPPEL

Ls fotos us La foncon d lson est assurée par un organe qui lie ensemble les pièces d’un objet technique. La foncon d gudg est assurée par un organe qui dirige le mouvement d’une pièce mobile. Quelques exemples de liaison et de guidage Liaison-guidage Une pièce d’un objet peut être à la fois un organe de liaison et un organe de guidage.

Liaison sans guidage

Deux pièces peuvent être maintenues ensemble et guidées sans organe de liaison ni de guidage, au moyen de leur forme complémentaire.

La liaison et le guidage sont intimement liés, mais la liaison n’implique pas forcément le guidage.

Vis

Rivet Rainures sur le chambranle de la porte

L v d’un css-nos.

L nnu coulssn d’un o-fnê  ls nus du cmbnl.

Un vs ln l d d’un scbu (ou d’un cs) à s cnu.

Ls systès d tssso t d tsfoto du ouvt Un sysèm d nsmsson du mouvmn est un ensemble d’organes dont la fonction est de transmettre un mouvement d’une pièce à une autre, sans modifier la nature de ce mouvement. Un sysèm d nsfomon du mouvmn est un ensemble d’organes dont la fonction est de convertir un mouvement de translation en un mouvement de rotation, ou inversement. • Ds s dux typs d systès, o touv u organe menant (moteur) t u organe mené (récepteur), u sot pfos ls u oy d’u organe intermédiaire. • U systè d tssso ou d tsfoto du ouvt st réversible s l’o t put dv l’o . Transmission du mouvement Organe mené

Le système à courroie et à poulies ci-contre sert à mettre en mouvement le ventilateur au-dessus du moteur.

Organe menant

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Transformation du mouvement Organe menant (pignon)

Le système à pignon et crémaillère illustré ci-contre sert à faire la mise au point d’un microscope. Organe mené (crémaillère)

Chapitre 12 L’ingénierie mécaniqUe

443

12.1 Les caractéristiques

des liaisons Quand un objet technique compte plusieurs pièces, celles-ci doivent être liées entre elles. Chaque liaison comporte quatre des huit caractéristiques présentées au tableau 1. TABLEAU 1

Les caractéristiques des liaisons Caractéristiques

Directe Une liaison est directe lorsque les pièces tiennent ensemble sans l’intermédiaire d’un organe de liaison. Les pièces liées doivent avoir des formes complémentaires. ou Indirecte Une liaison est indirecte lorsque les pièces ont besoin d’un ou de plusieurs organes de liaison pour tenir ensemble.

Démontable Une liaison est démontable lorsqu’on peut séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison.

Exemples La liaison entre le culot de l’ampoule et le réceptacle de son socle est directe.

La liaison entre la plaque métallique et le panneau de bois est indirecte : les organes de liaison sont les vis. La liaison entre deux pièces d’un cassetête est démontable.

ou Indémontable Une liaison est indémontable lorsqu’on ne peut pas séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison. Rigide Une liaison est rigide lorsque l’organe de liaison est rigide ou lorsque, en l’absence d’organe de liaison, la surface des pièces liées est rigide. Élastique

ou

Une liaison est élastique lorsque la surface des pièces liées est déformable ou lorsque l’organe de liaison est déformable. Lors du fonctionnement de l’objet, cela assure un mouvement de rappel (retour à la position initiale) des pièces liées.

444

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

La liaison entre une chaussure et sa semelle est indémontable.

Les liaisons entre les différentes parties de cette bibliothèque sont rigides.

La liaison entre les deux branches d’une pince à linge est élastique.

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UT 12.2

TABLEAU 1

Les caractéristiques des liaisons (suite) Caractéristiques

Exemples La liaison entre le manche et la tige du tournevis est complète.

Complète Une liaison est complète lorsque les pièces ne peuvent pas bouger indépendamment, le mouvement d’une pièce entraînant celui de l’autre. ou

La liaison entre les deux branches d’un fer à défriser est partielle.

Partielle Une liaison est partielle lorsque l’une des pièces liées peut bouger indépendamment de l’autre.

12.2 Les degrés

de liberté

Y RY TY

STE

Une pièce qui n’est liée à aucune autre pièce peut être déplacée dans tous les sens et de tous les côtés. Toutefois, les liaisons réduisent les possibilités de mouvements indépendants des pièces liées. Néanmoins, lorsque la liaison est partielle, les pièces conservent certaines possibilités de mouvements indépendants les unes par rapport aux autres.

TX TZ RX

Z

FLASH

TECHNO

RZ

Fgue 1

Les sx degés de lbeté. Y

Les degés de lbeté correspondent aux mouvements indépendants possibles pour une pièce dans un objet technique. Il peut y avoir, au maximum, six degrés de liberté. Une pièce qui n’est liée à aucune autre possède six degrés de liberté (voir la figure 1). Elle peut se déplacer en translation (T) selon chacun des trois axes orthogonaux (x, y, z), et en rotation (R) autour de chacun de ces trois axes. Les liaisons réduisent le nombre de degrés de liberté. La figure 2 montre les degrés de liberté du pêne d’un verrou.

X

RX X

Z

TX

Fgue 2 Le êne du veou ossède deux degés de lbeté a aot à la laque su laquelle l est fxé : tanslaton le long de l’axe des x, et otaton autou de l’axe des x.

Ds ps sphs

Tds  l’dst toobl tvll d pls  pls  dvloppt d vots toos, cll d p s’ff à tt  pot ds ps… sphs ! Cs ps t l’vt d pvot ds tots ls dctos. L vot pot doc lss ltlt. Cl fcltt l sttot t pttt d coto ds obstcls ss ch bst d dcto. Cpdt, ls ps sphs  pot ps êt ls à l vot p ds ssx. O td l possblt d’ lvtto t pttt  lso otl vc l vot. C typ d lso, djà tls po cts ts, st co à l’tt d cocpt  c   tt x os d vots.

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CHApiTrE 12 L’ingénierie méCanique

445

Activités 12.1 et 12.2 1

Identifiez, s’il y a lieu, l’organe de liaison dans les liaisons suivantes. a ) La liaison entre les différentes pages du cahier que vous êtes en train de lire.

b ) La liaison entre la tête et le corps d’une flûte traversière.

Tête

c ) La liaison entre la base métallique de la poignée de la poêle à frire et cette poêle.

2

Corps

d ) La liaison entre un ordinateur et la fiche du fil d’une paire d’écouteurs.

La photo ci-contre illustre une poinçonneuse. a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre les deux branches de la poinçonneuse, en justifiant vos réponses.

b)

446

STE Combien de degrés de liberté les branches possèdent-elles l’une par rapport à l’autre ? Justifiez votre réponse.

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Ut 12.2

3

La figure ci-dessous illustre une vue d’ensemble d’une perceuse sensitive, ainsi qu’une vue éclatée d’une partie de sa base.

Support de table Anneau en C Pignon Vis sans fin Bague Vis d’assemblage

Table

Couvercle Vis de blocage Colonne

Manivelle Poignée de manivelle Vis à épaulement Crémaillère

a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre la poignée de la manivelle et la manivelle.

b)

1) Directe

Indirecte

3) Rigide

Élastique

2) Démontable

Indémontable

4) Complète

Partielle

STE Combien de degrés de liberté la poignée de la manivelle possède-t-elle par rapport à la manivelle : 1) en translation ?

2) en rotation ?

c ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre le couvercle et le support de la table.

d)

1) Directe

Indirecte

3) Rigide

Élastique

2) Démontable

Indémontable

4) Complète

Partielle

STE

Combien de degrés de liberté le couvercle possède-t-il par rapport au support de la table :

1) en translation ?

2) en rotation ?

e ) Parmi les pièces suivantes, laquelle ou lesquelles ont une fonction de liaison ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) La vis sans fin f)

STE

2) Les vis d’assemblage

STE

4) La vis à épaulement

Combien de degrés de liberté la manivelle possède-t-elle par rapport à la table :

1) en translation ? g)

3) La vis de blocage

2) en rotation ?

Combien de degrés de liberté la table possède-t-elle par rapport à la colonne :

1) en translation ?

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2) en rotation ?

Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

447

4

Vous fabriquez un nichoir pour oiseaux semblable à celui cicontre. Vous voulez que votre cabane soit durable. À cet effet, vous souhaitez avoir accès à l’intérieur de la cabane, par le toit, pour pouvoir la nettoyer chaque automne. Le toit consiste en une seule pièce rectangulaire. La forme de la cabane est telle que le toit sera légèrement en pente. Parmi les organes de liaison de la colonne de gauche, choisissez les deux options qui seraient appropriées pour joindre le toit et les murs. Puis, associez chacun des organes sélectionnés à la caractéristique de la colonne de droite qui motive ce choix. Organe de liaison

Caractéristique de la liaison

Je choisis...

parce que la liaison obtenue sera... 1) Complète

a ) Des clous

2) Partielle b ) Des vis

3) Démontable

c ) De la colle

4) Indémontable

d ) Des charnières (fixées à la cabane et au toit par des vis)

5) Rigide 6) Élastique

5

Pourquoi est-il approprié que la liaison entre le châssis d’une automobile et ses roues soit élastique ? (Indice : L’organe de liaison entre le châssis et la roue est appelé « ressort » et fait partie d'un ensemble de pièces appelé « suspension ».)

6

STE Dans chacun des cas suivants, quels sont les degrés de liberté de l’écran de l’ordinateur ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Un écran d’ordinateur portable conventionnel.

b ) Un écran d’ordinateur portable tactile rotatif. y

y

z

448

x

x

z

1) T X

3) T Y

5) TZ

1) T X

3) T Y

5) TZ

2) RX

4) RY

6) RZ

2) RX

4) RY

6) RZ

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Ut 12.3

12.3 La fonction

de guidage À l’intérieur d’un objet technique, les pièces ne se déplacent pas de n’importe quelle façon. La foncon d gudg est la fonction assurée par un organe (ou un groupe d’organes) qui dirige le mouvement d’une ou de plusieurs pièces mobiles. Selon le type de mouvement des pièces mobiles, on distingue trois types de guidage. Ceux-ci sont présentés dans le tableau 2. TABLEAU 2

Les trois types de guidage Type de guidage

Exemple

Guidage en translation Permet de contrôler le mouvement en ligne droite de l’organe guidé.

Le vernier du pied à coulisse est guidé en translation le long de la règle parce que sa forme est complémentaire à celle de la règle.

Guidage en rotation Permet de diriger le mouvement circulaire de l’organe guidé. (Le guidage en rotation est souvent effectué par des éléments cylindriques qui s'emboîtent, comme un arbre et un moyeu, par exemple.)

Les charnières qui lient l’écran d’un ordinateur portable à la base de l’ordinateur assurent la fonction de guidage en rotation de l’écran lorsqu’on le rabat.

Charnières

Guidage hélicoïdal Permet d’assurer un mouvement hélicoïdal, c’est-à-dire une combinaison d’un mouvement de rotation autour d’un axe et d’un mouvement de translation le long de ce même axe. (En général, les organes de guidage hélicoïdal sont des pièces filetées.)

Les filets qui se trouvent à l’intérieur du corps du robinet assurent le guidage hélicoïdal de la tige à laquelle sont liées la poignée et la soupape.

Un organe de guidage oblige la ou les pièces qu’il contrôle à n’effectuer qu’un seul type de mouvement. Donc, s’il y a plus d’un mouvement possible pour un organe guidé, c’est qu’il y a plus d’un dispositif de guidage.

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

449

12.4 L’adhérence

et le frottement

STE

Quand deux pièces sont mises en contact, et que l’on exerce sur l’une d’elles une force qui tend à la faire glisser sur l’autre, une force de frottement se met en action. Le frottement est une force qui s’oppose au glissement d’une surface sur une autre. L’adhérence est un frottement suffisamment important pour empêcher le glissement d’une surface sur une autre. Même lorsque le frottement ne crée pas d’adhérence, il entraîne des pertes d’énergie. Pour cette raison, le frottement peut ralentir ou finir par arrêter le mouvement, si ce mouvement n’est pas entretenu. Le frottement entraîne également l’usure des pièces en contact. Le frottement et l’adhérence sont parfois nuisibles, mais, dans certaines circonstances, ils sont souhaitables (voir les figures 3 et 4).

Disque

Plaquette de frein

Figure 3 Le frottement entre les plaquettes de frein d’une voiture et les disques attachés aux roues doit être le plus grand possible.

FLASH

TECHNO

Figure 4 L’adhérence entre les pneus et la chaussée doit être la plus grande possible, à la fois pour permettre la propulsion et pour empêcher le dérapage.

Le roulement à billes

Le frottement associé à une rotation est moins grand que celui associé à un glissement. Ainsi, pour limiter un frottement indésirable, on peut, par exemple, intégrer un roulement à billes à un mécanisme. Un tel roulement transforme le glissement en une rotation. Sur les planches à roulettes, le roulement à billes est utilisé pour réduire le frottement entre les essieux et les roulettes.

450

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Ut 12.4

La grandeur du frottement ou de l’adhérence entre deux surfaces dépend de quatre facteurs, présentés au tableau 3. TABLEAU 3

Les facteurs qui influent sur le frottement et l’adhérence entre deux surfaces Facteur

Exemple pour l’adhérence entre un pneu et la chaussée

Nature des matériaux mis en contact

L’adhérence entre un pneu de caoutchouc et la glace ou la neige est plus faible que celle entre le même pneu et une chaussée asphaltée sèche.

Température

Les écuries chauffent les pneus des voitures et des motos de course avant le départ parce que cela augmente l’adhérence entre les pneus et la chaussée.

État des surfaces mises en contact

Un pneu usé adhère moins bien à la chaussée qu’un pneu neuf.

Force perpendiculaire (force normale) exercée par une surface sur l’autre

Les pneus d’un camion chargé ont une meilleure adhérence à la chaussée que ceux d’une moto : le camion est plus lourd, il exerce donc une force plus grande sur le sol.

Le frottement dépend de la nature des matériaux et de l’état des surfaces en contact, ce qui explique l’utilisation de lubrifiants. En effet, les lubrifiants permettent de limiter le frottement lorsque celui-ci est indésirable.

Activités 12.3 et 12.4 1

Observez ces trois objets. Puis, répondez aux questions.

1

2

3

a ) Lequel ou lesquels de ces trois objets possèdent au moins un organe de guidage ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) La bouteille de liquide correcteur

2) Les ciseaux

3) Le portemine

b ) Pour le ou les objets que vous avez nommés dans la réponse à la question a, identifiez l’organe ou un des organes de guidage.

c ) Pour le ou les organes de guidage que vous avez identifiés dans la réponse à la question b, dites quel est le type de guidage (guidage en translation, guidage en rotation ou guidage hélicoïdal).

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

451

2

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

Simple et efficace 3

Lorsqu’on veut abaisser le siège d’un vélo stationnaire comme celui de la figure ci-contre, on tourne d’abord la molette (1) qui se trouve dans le cylindre fileté (2) du support de la selle (3). Le tube de la selle (4) devient alors mobile, et on peut abaisser la selle à notre guise.

4

En fait, lorsqu’on déplace la molette, on retire une tige qui tenait le tube de la selle en place. Ce tube est percé de différents trous. Lorsque la tige de la molette est insérée dans l’un d’eux, le tube ne peut plus bouger, mais, lorsqu’on retire la tige, cela permet au tube d’effectuer un mouvement de translation à la verticale. 1

2

Lorsque la hauteur du siège convient, on ajuste la tige de la molette pour qu’elle coïncide avec le trou le plus proche, parmi ceux dont est percé le tube. On resserre ensuite la molette, pour enfoncer la tige dans le trou choisi et fixer la position verticale du siège. a ) Quels sont les deux organes qui ont une fonction de guidage lorsqu’on abaisse la selle ? 1) La tige filetée de la molette

3) Le cylindre vertical du support de la selle

2) Le cylindre fileté du support de la selle

4) Le tube de la selle

b ) Quelle est la forme de guidage assurée par chacun des organes que vous avez identifiés en a ? •



c ) Pourquoi les concepteurs du vélo ont-ils fait en sorte que le mouvement de la molette soit hélicoïdal, plutôt que de simplement laisser aux utilisateurs la possibilité de tirer (en translation) sur la tige qui tient le support de la selle en place ?

d ) Le support de la selle et le tube de la selle ont une forme cylindrique, sur ce vélo. Pourraient-ils avoir une forme rectangulaire ? 1) Oui. Cela aurait l’avantage d’empêcher le mouvement de rotation du tube de la selle, quand on le glisse dans le support. Les trous percés dans le tube seraient toujours vis-à-vis de ceux percés dans le support. Il serait donc plus facile d’ajuster la hauteur de la selle. 2) Non, le mouvement de translation deviendrait impossible.

452

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Ut 12.4

3

La photo ci-dessous montre un patin à roues alignées. Pour répondre aux questions a à d , entourez la bonne réponse. a ) Parmi les pièces indiquées sur l’illustration, laquelle joue le rôle d’organe de guidage ? 1) Le frein de talon 2) Le bloc-essieu 3) L’essieu 4) La roue b ) Quelle pièce est guidée par l’organe de guidage que vous avez identifié à la question a ? 1) Le frein de talon 2) Le bloc-essieu 3) L’essieu Frein de talon

4) La roue

Bloc-essieu

Essieu Roue

c ) Quel type de guidage est effectué par l’organe que vous avez identifié à la question a ? 1) En translation

2) En rotation

3) Hélicoïdal

d ) Quelle particularité de l’organe de guidage lui permet d’offrir ce type de guidage ?

e)

1) Il a une forme cylindrique.

3) Il est fait en métal.

2) Il est muni de filets.

4) Il est fait en plastique.

STE Associez chacun des énoncés de la colonne de gauche à son explication, dans la colonne de droite. 1) Le frein de talon est fait de caoutchouc parce que cela le rend plus efficace que s’il était fait d’acier.

i)

2) Le freinage est plus efficace si le patineur appuie fermement le frein au sol.

iii) Le frottement dépend de l’état des surfaces mises en contact.

3) Le freinage est plus efficace par temps chaud. f)

Le frottement dépend de la nature des matériaux mis en contact.

ii) Le frottement dépend de la température.

iv) Le frottement dépend de la force perpendiculaire exercée par une surface sur l’autre.

STE Quelles actions peuvent améliorer le fonctionnement du patin ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) Lubrifier les bandes de roulement des roues. 2) Lubrifier les jonctions entre les essieux et les roues. 3) Faire en sorte que la liaison entre les essieux et les roues soit de type hélicoïdal plutôt que de type pivot. 4) Munir les roues de roulements à billes.

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

453

12.5 Les systèmes

de transmission du mouvement TABLEAU 4

Les principaux types de systèmes de transmission du mouvement* Roues de friction • Système réversible • Mouvement des roues en sens inverse • En l’absence de glissement, vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle à son diamètre (D) :

Avantages

Désavantage

• Pièces simples • Mouvement sans à-coup (en l’absence de glissement)

• Glissement quasi inévitable : à utiliser seulement si les forces appliquées et les accélérations sont faibles.

Engrenages • Système réversible • Mouvement des roues en sens inverse • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle au nombre (N) de ses dents :

Avantage

Désavantages

• Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes ; mouvement précis

• Lubrification souvent nécessaire • Pièces plus complexes et coûteuses que des roues de friction • Fonctionnement bruyant (surtout en manque de lubrifiant) Courroie et poulies • Système réversible • Mouvement des roues :

Courroie crantée

– dans le même sens si elles sont du même côté de la courroie – en sens inverse si elles sont de part et d'autre de la courroie • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle à son diamètre (D) (comme dans un système à roues de friction) :

454

Avantages

Désavantage

• Union de deux composantes pouvant être éloignées (Elles peuvent ne pas avoir des axes de rotation parallèles, si la courroie est utilisée en torsion.) • Mouvement sans à-coup (quand il n’y a pas de glissement)

• Risque de glissement : à utiliser seulement si les forces appliquées et les accélérations sont faibles. Munir les poulies de gorges ou utiliser une courroie crantée (voir l'image de droite) limite le glissement.

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Ut 12.5

Les principaux types de systèmes de transmission du mouvement (suite)*

TABLEAU 4

Chaîne et roues dentées • Système réversible • Mouvement des roues :

– dans le même sens si elles sont du même côté de la chaîne – en sens inverse si elles sont de côtés opposés de la chaîne • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle au nombre (N) de ses dents (comme dans un engrenage) :

Avantages

Désavantages

• Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes ; mouvement précis • Union de deux composantes pouvant être éloignées

• Lubrification souvent nécessaire • Pièces plus complexes et coûteuses qu’un système à courroie et poulies • Fonctionnement bruyant

Roue dentée et vis sans fin • Système non réversible

– La vis sans fin est l’organe menant. La roue dentée est l’organe mené. • Axes de rotation de la vis et de la roue perpendiculaires. • Diminution de la vitesse de rotation (V ) de la roue (par rapport à celle de la vis) proportionnelle au nombre (N ) de dents de la roue :

Avantages

Désavantages

• Production d’une grande force avec un effort moindre • Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes • Ajustement précis (Un tour de vis entraîne une rotation de la roue de l’angle correspondant à une seule dent.)

• Pièces plus complexes et coûteuses que des roues de friction • Usure assez rapide

* Dans ce tableau, « vitesse de rotation » renvoie à la vitesse en unité d’angle par unité de temps (ex. : tours/min).

Dans un mécanisme qui compte plusieurs roues, on peut calculer la vitesse de n’importe quelle roue à partir de celle de n’importe quelle autre, sans se préoccuper des roues qui les séparent (voir la figure 5).

3

2 2

4 1

4 3

1

A U systè à ouo t ut pouls.

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Fgu 5 Dns cs dux sysèms, on suos qu l ou 1 s l ou mnn. S on cc,  xml, l vss d l ou 3, qu’on consdè los comm l ou mné, on u uls ls équons d vss du blu 4 sns s éoccu ds ous 2  4.

B U  à ut ous dts.

Chapitre 12 L’ingénierie mécaniqUe

455

L’exemple suivant montre comment utiliser l’une des équations qui permettent d’établir la vitesse des composantes dans un système de transmission du mouvement. EXEMPLE

Une roue dentée qui compte 24 dents entraîne une deuxième roue, qui en compte 16, au moyen d’une chaîne mesurant 0,90 m. À quelle vitesse la roue menante doit-elle tourner pour que la roue menée effectue 18 tours par minute ?

Données :

Calcul :

Vroue menée 5 18 tours/min

À partir de l’équation

N roue menante 5 24

Vroue menée Vroue menante

N roue menée 5 16

isoler la valeur de Vroue menante :

Vroue menante 5 ?

Vroue menante

La longueur de la chaîne est sans importance.

5

Vroue menée Vroue menante 5

5

N roue menante N roue menée

,

N roue menée Vroue menante N roue menée N roue menante 5

16 24

 Vroue menée

 18 tours/min

5 12 tours/min La roue menante doit tourner à une vitesse de 12 tours/min.

Activités 12.5 1

Sur chacune des illustrations ci-dessous : a ) identifiez le sens de la rotation des roues ou des poulies partout où leur sens n’est pas indiqué ; b ) tracez un X sur la roue qui tourne le plus lentement. 1)

456

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2)

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Ut 12.5

2

Pourquoi utilise-t-on des engrenages dans les mécanismes d’horlogerie plutôt que des roues de friction ?

3

L’illustration ci-dessous représente le mécanisme d’un batteur électrique.

Moteur

Fouet

a ) Quel type de système de transmission du mouvement transmet la rotation du moteur aux fouets ?

b ) Dans l’encadré vide qui se trouve à droite de l’illustration, faites un schéma technique du système que vous avez identifié dans votre réponse à la question a. Faites votre schéma à l’aide des symboles normalisés. c ) Identifiez l’organe menant dans ce système.

d ) Y a-t-il un organe intermédiaire dans ce système ? e ) Ce système est-il réversible ?

Oui

Oui

Non

Non

f ) Que se passera-t-il si quelqu’un force directement sur les batteurs pour les faire tourner manuellement ? Justifiez votre réponse.

g ) Les fouets tournent-ils dans le même sens ou en sens inverse lorsque le batteur est en marche ? 1) Dans le même sens

2) En sens inverse

h ) Complétez le texte suivant en entourant la proposition appropriée dans chacune des boîtes. Les fouets tournent beaucoup à la même vitesse que

moins – plus

vite que le moteur. En effet, ceux-ci tournent

la vis sans fin – les roues dentées , alors que le moteur actionne

la vis sans fin – les roues dentées .

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

457

4

Une roue de 20 cm de diamètre en fait tourner une autre de 10 cm de diamètre, au moyen d’une courroie. Si la roue menante tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue menée tourne-t-elle ?

5

Dans le mécanisme illustré ci-contre, les roues B et C partagent le même axe et les dimensions des roues sont les suivantes. La roue A mesure 10 cm.

La roue C mesure 20 cm.

La roue B mesure 30 cm.

La roue D mesure 40 cm.

A

B

C

D

Parmi les énoncés suivants, entourez tous ceux qui sont vrais. a ) La roue B tourne trois fois plus lentement que la roue A. b ) La roue C tourne trois fois plus lentement que la roue A. c ) La roue D tourne deux fois plus lentement que la roue C. d ) La roue D tourne six fois plus lentement que la roue A. 6

458

Une roue d’engrenage qui compte 10 dents fait tourner deux autres roues ; l’une de 20 dents et l’autre de 40 dents. Si la roue menante tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue qui compte 40 dents tourne-t-elle ?

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Ut 12.5

7

À quelle vitesse une vis sans fin doit-elle tourner pour que la roue dentée de 24 dents à laquelle elle est liée fasse 2 tours chaque seconde ?

8

Sur un vélo, le mouvement des pédales est transmis aux roues par un système à chaîne et roues dentées. La roue menante est le plateau, alors que la roue menée est le pignon. Un vélo peut être doté de plus d’un plateau et de plus d’un pignon. Le cycliste peut alors choisir les roues dentées qu’il souhaite utiliser selon les circonstances, en faisant passer la chaîne d’une roue dentée à une autre.

Chaîne (organe intermédiaire)

Pignon (organe mené)

Plateau (organe menant)

a ) Quel organe du système à chaîne et roues dentées tourne à la même vitesse que les roues du vélo ? 1) Le plateau

2) Le pignon

3) Aucun des deux.

b ) Quel organe du système à chaîne et roues dentées tourne à la même vitesse que le pédalier ? 1) Le plateau

2) Le pignon

3) Aucun des deux.

c ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes et qu’il conserve cette cadence. Comment la vitesse du vélo sera-t-elle modifiée si ce cycliste fait passer la chaîne d’un plateau à un autre qui compte deux fois plus de dents ? 1) Le vélo avancera deux fois moins vite.

3) Le vélo avancera deux fois plus vite.

2) La vitesse du vélo ne changera pas.

4) Il est impossible de le savoir.

d ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes et qu’il conserve cette cadence. Comment la vitesse du vélo sera-t-elle modifiée si le cycliste fait passer la chaîne d’un pignon à un autre qui compte deux fois plus de dents ? 1) Le vélo avancera deux fois moins vite.

3) Le vélo avancera deux fois plus vite.

2) La vitesse du vélo ne changera pas.

4) Il est impossible de le savoir.

e ) Dans les vélos, pourquoi utilise-t-on un système à chaîne et roues dentées plutôt qu’un système à courroie et poulies ?

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

459

9

10

Vous décidez de fabriquer un engrenage à partir de vieilles roues dentées que vous avez récupérées dans différents appareils défectueux. Parmi les roues récupérées, illustrées ci-contre (à l’échelle), lesquelles pouvez-vous utiliser ensemble ? Reliez par un trait les paires de roues compatibles.

a)

1)

b)

2)

c)

3)

Un treuil est un appareil de levage qui enroule un câble, de façon à soulever une charge. Certains treuils ont un mécanisme à engrenage. D’autres ont un mécanisme à vis sans fin et roue dentée. 1)

2)

a ) Associez chacun des modèles de treuils de la colonne de gauche à sa caractéristique, dans la colonne de droite. 1) Mécanisme à engrenage

i)

L’enroulement du câble se fait très lentement.

2) Mécanisme à vis sans fin et roue dentée

ii) Le treuil doit être équipé d’un système de blocage indépendant, sans quoi le câble pourrait se désenrouler dès qu’on cesse de faire tourner la manivelle.

b ) Pourquoi ne pourrait-on pas fabriquer un treuil calqué sur un modèle de treuil à engrenage, mais en utilisant des roues de friction plutôt que des roues dentées ?

460

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Ut 12.6

12.6 Les systèmes

de transformation du mouvement TABLEAU 5

Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement Pignon et crémaillère • Transformations

Pignon

– Rotation vers translation (Le pignon mène la crémaillère.)

– Translation vers rotation (La crémaillère mène le pignon.) • Système réversible • Un pignon est une roue dentée. • Une crémaillère est une tige dentée.

Crémaillère

Avantages

Désavantages

• Pas de glissement • Production d’une grande force avec un effort moindre

• Amplitude du mouvement limitée par la dimension de la crémaillère • Lubrification souvent nécessaire pour limiter l’usure des dents

Vis et écrou • Transformation

– Rotation vers translation • Système non réversible Certains systèmes à vis et à écrou ne servent qu’à établir un guidage hélicoïdal. Cependant, on peut utiliser un système à vis et à écrou pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Pour cela, l’organe mené doit être guidé en translation (par des glissières dans le bâti), afin d’en empêcher la rotation.

• Si on empêche l’écrou de tourner, la rotation de la vis est transformée en une translation de l’écrou. Écrou

Vis

• Si on empêche la vis de tourner, la rotation de l’écrou est transformée en une translation de la vis. Vis

Avantages

Désavantages

• Ajustement précis : un tour de l’organe menant entraîne une translation de l’organe mené sur la distance correspondant à un seul filet. (Cette distance est appelée « pas ».) • Production d’une grande force avec un effort moindre

• Frottement important • Mouvement lent

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Écrou

Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

461

Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement (suite)

TABLEAU 5

Bielle et manivelle • Transformations

– Rotation vers translation (La manivelle mène la bielle.) – Translation vers rotation (La bielle mène la manivelle.) • Système réversible • La manivelle est la pièce en rotation. • La bielle est une tige rigide dont une des extrémités est liée à la manivelle et l’autre est liée à une pièce qui effectue une translation alternative (va-et-vient). Cette pièce peut être un piston ou un coulisseau, par exemple.

Piston Bielle Manivelle

Avantages

Désavantage

• Mouvement pouvant être très rapide • Mouvement fluide

• Si le système comporte un piston ou un coulisseau, la lubrification est nécessaire. Manivelle et coulisse

• Transformations

– Rotation vers translation (La manivelle mène la coulisse.) – Translation vers rotation (La coulisse mène la manivelle.) • Système réversible • La manivelle est la pièce en rotation (continue ou alternative). • La coulisse est une pièce rainurée. Coulisseau

Coulisse Manivelle

Manivelle Coulisse

462

Avantage

Désavantage

• Mouvement fluide

• Lubrification souvent nécessaire.

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Ut 12.6

TABLEAU 5

Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement (suite) Came et tige guidée

• Transformation

– Rotation vers translation (La came est l’organe menant.) • Système non réversible • La came est une pièce rotative (ronde, ovale, ovoïde ou autre) qui a pour fonction de pousser une autre pièce. • La tige guidée effectue un mouvement de translation alternatif (va-et-vient) qui dépend de la forme de la came et de la position de son axe de rotation.

Tige

Came

STE • Une excentrique est une came ronde dont l’axe de rotation est décentré par rapport à sa circonférence.

Tige

Excentrique

Avantage

Désavantage

• Possibilité de produire des séquences de translation variées en utilisant des cames de formes complexes.

• Nécessité d’un mécanisme de rappel (ressort)

Activités 12.6 1

Dans un mécanisme à came et à levier, l’organe menant est une came en rotation continue. L’organe mené est un levier qui est guidé en rotation par un axe. Au fil du mouvement de la came, le levier pivote dans un sens, puis dans l’autre. Un mécanisme à came et à levier est-il un système de transformation du mouvement ? Justifiez votre réponse. Oui

Non

Justification :

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

463

2

La figure ci-contre illustre le mécanisme d’un tube de déodorant. a ) Quel type de système de transformation du mouvement retrouve-t-on dans ce tube ?

b ) Quel est l’organe menant dans le système illustré ?

c ) Quel est l’organe mené dans le système illustré ?

d ) Ce système est réversible. Vrai ou faux ? Vrai

Faux

e ) Une personne tourne la molette pour faire monter le déodorant. dans le tube. Que se passera-t-il si elle tourne ensuite la molette en sens inverse ? Justifiez votre réponse. Molette

f ) De quelle distance le déodorant se déplace-t-il quand la molette a fait un tour ? 1) Une distance correspondant à la circonférence de la molette. 2) Une distance correspondant au rayon de la molette. 3) Une distance correspondant au pas de la vis. g ) Nommez deux avantages de l’utilisation de ce système de transformation du mouvement dans la conception d’un tube de déodorant.

3

Vous concevez un objet dans lequel vous devez inclure un mécanisme qui transformera un mouvement de translation alternative en un mouvement de rotation continue. Lequel ou lesquels des systèmes suivants pourriez-vous employer ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Un système à pignon et crémaillère b ) Un système à vis et écrou c ) Un système à bielle et manivelle d ) Un système à manivelle et coulisse e ) Un système à came et tige guidée

464

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Ut 12.6

4

La figure ci-contre illustre un tire-bouchon.

Poignée

a ) Quel type de système de transformation du mouvement retrouve-t-on dans le mécanisme de ce tire-bouchon ?

b ) Sur la figure, entourez, pointez et identifiez par leur nom les différentes parties de ce système de transformation du mouvement. (Ces pièces ne font pas partie de celles qui sont déjà pointées et identifiées sur la figure.) c ) Un tire-bouchon est placé dans la même position que celui qui est illustré ci-contre. Une personne appuie sur la poignée du tire-bouchon, et la vis est enfoncée dans un bouchon en la faisant tourner pour lui imprimer un mouvement hélicoïdal.

Leviers

Vis Corps

1) Qu’arrive-t-il aux leviers (bras) du tire-bouchon ?

2) En quoi y a-t-il transformation du mouvement dans la situation décrite à la question c ?

3) Selon la situation décrite à la question c, quel est l’organe menant et quel est l’organe mené dans le système de transformation du mouvement ?

d ) Les leviers d’un tire-bouchon sont initialement en position relevée, c’est-à-dire qu’ils pointent vers le haut. Une personne appuie sur les leviers de façon à les faire pivoter autour des rivets qui les fixent au corps du tire-bouchon. 1) Expliquez ce qui se produit ensuite. Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes ci-dessous. La crémaillère, la vis et la poignée du tire-bouchon subissent de façon solidaire un mouvement de rotation – translation verticale vers le haut. Si la vis est enfoncée dans un bouchon, celui-ci est entraîné en rotation – translation avec la vis. Le mouvement de rotation – translation des leviers est transformé en un mouvement de rotation – translation de l’ensemble poignée-crémaillère-vis (et du bouchon, si on est en train de déboucher une bouteille). 2) Selon la situation décrite à la question d, quel est l’organe menant et quel est l’organe mené dans le système de transformation du mouvement ?

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

465

5

La figure ci-dessous illustre le fonctionnement d’un moteur à quatre temps. Admission

Compression Ressorts Soupape d'admission

Combustion

Échappement B

Soupape d'échappement Cylindre

A

a ) Sur la figure ci-dessus, identifiez les pièces qui ne sont pas nommées. b ) Les pièces ci-contre forment un système de transformation du mouvement. 1) Inscrivez le numéro correspondant à la pièce dont il est question dans chacun des énoncés suivants.

1 2

i) Organe menant ii) Organe guidé en translation

3

iii) Pièce en rotation continue A

2) Ce système est-il réversible ? 3) Pourquoi la pièce 1 doit-elle être lubrifiée ?

c ) Les pièces ci-contre forment un système de transformation du mouvement. 1

1) De quel type de système de transformation du mouvement s’agit-il ?

2

2) Inscrivez le numéro correspondant à la pièce dont il est question dans chacun des énoncés suivants. i) Organe menant 3

ii) Organe mené B

iii) Pièce en rotation continue iv) Pièce en translation alternative 3) Ce système est-il réversible ?

466

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Ut 12.6

d ) Quelle est l’utilité des ressorts dans ce moteur ?

3)

1 tour de came

Temps

4)

Position de la tige

2)

1 tour de came

f)

Temps

1 tour de came

Temps

1 tour de came

Temps

STE Associez chacune des cames illustrées ci-dessous au graphique de la question e qui lui correspond. Sous chaque came, inscrivez le chiffre correspondant au bon graphique. 1)

g)

Position de la tige

1)

Quel graphique illustre correctement le mouvement des soupapes en fonction du temps ?

Position de la tige

STE Position de la tige

e)

STE

2)

3)

Parmi les cames 1, 2 et 3 illustrées à la question f ci-dessus, laquelle est une excentrique ?

La came

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

467

6

Un cric sert à soulever une voiture pour faire un changement de pneu. Il existe différents modèles de cric. Certains sont munis d’un système à pignon et à crémaillère, mais la plupart sont munis d’un système à vis et à écrou, comme le modèle illustré ci-dessous.

Manivelle Écrou Vis

a ) Quel est le principal avantage d'utiliser un cric pour soulever une voiture ?

b ) Nommez un avantage que le système à vis et à écrou présente par rapport à un système à pignon et à crémaillère dans la conception d’un cric de voiture.

c ) Associez chacun des éléments du système à vis et à écrou du cric de la colonne de gauche, à son rôle dans la colonne de droite. 1) Écrou

i)

Organe menant

2) Vis

ii) Organe mené

d ) Lorsqu’on actionne le cric, la vitesse de soulèvement de la voiture est-elle plus grande ou plus petite que la vitesse linéaire à laquelle la manivelle est tournée ? 1) Plus grande 2) Plus petite e ) Comment pourrait-on augmenter la vitesse de soulèvement de la voiture, sans changer le rythme auquel la manivelle est tournée ? . 1) En lubrifiant l’écrou. 2) En utilisant une manivelle plus longue. 3) En diminuant le pas de la vis et de l’écrou. 4) En augmentant le pas de la vis et de l’écrou. Note : Augmenter la vitesse de soulèvement de la voiture impliquera de devoir appliquer une plus grande force sur la manivelle.

468

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CONSOLIDATION DU ChApITre 12 1

L’illustration suivante est une représentation simplifiée d’une portion du mécanisme d’une machine à coudre.

Roue D

Tige de l’aiguille

Moteur

Roue C Roue A

Roue B

Sur cette illustration, seuls les mouvements de deux pièces ont été indiqués, mais plusieurs autres pièces sont en mouvement. Par exemple, le moteur produit un mouvement de rotation. L’aiguille, elle, est en mouvement de translation alternatif vertical (va-et-vient vertical) qui l’enfonce dans le tissu et l’en retire. a ) À partir de la liste de groupes de mots suivante, complétez les énoncés ci-dessous. plus lentement

à la même vitesse

plus vite

1) La roue A tourne

que le moteur.

2) La roue B tourne

que la roue A.

3) La roue C tourne

que la roue B.

4) La roue D tourne

que la roue C.

b ) Lequel des énoncés suivants est vrai ? 1) La roue D tourne dans le même sens que la roue A. 2) La roue D tourne en sens inverse par rapport à la roue A.

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

469

c ) Pourquoi la courroie qui relie les roues C et D est-elle crantée ?

d ) Pourquoi les concepteurs de la machine à coudre ont-ils choisi d’utiliser des systèmes à courroie et poulies plutôt que des systèmes à chaîne et roues dentées ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) Parce que c’est moins bruyant. 2) Parce que l’organe de transmission est moins sujet à la rupture. 3) Parce qu’il y a moins de risques de glissement. 4) Parce que la lubrification n’est pas nécessaire. 5) Parce que c’est moins coûteux. 6) Parce que c’est plus léger (le moteur requiert moins de puissance pour tourner). e ) La portion du mécanisme de la machine à coudre illustrée à la page précédente inclut un système de transformation du mouvement. 1) De quel type de système s’agit-il ? 2) Sur le schéma de la page précédente, pointez les composantes de ce système et indiquez leur nom. f)

STE

Combien la roue A possède-t-elle de degrés de liberté :

1) en rotation ? g)

STE

2) en translation ?

Combien l’aiguille possède-t-elle de degrés de liberté :

1) en rotation ?

2) en translation ?

Les questions suivantes portent sur les six pièces identifiées sur l’illustration ci-contre. h ) Que pourrait-on faire pour réduire l’amplitude du mouvement de l’aiguille ? Entourez toutes les bonnes réponses.

Pièce 6 Pièce 5

1) Ralentir le moteur.

Pièce 4

2) Augmenter la vitesse du moteur.

Pièce 3

3) Diminuer la longueur de la pièce 2.

Pièce 2

4) Augmenter la longueur de la pièce 2.

Pièce 1

5) Diminuer la longueur de la pièce 3. 6) Augmenter la longueur de la pièce 3. 7) Diminuer la longueur de la pièce 4.

Aiguille

8) Augmenter la longueur de la pièce 4.

i ) Quelles pièces assurent le guidage de la pièce 2 ? La pièce

470

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

et la pièce

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2

En faisant du rangement dans votre chambre, vous redécouvrez les blocs de construction avec lesquels vous vous amusiez quand vous étiez enfant. Grâce à vos nouvelles connaissances, vous ne regardez plus ce jouet avec les yeux d’un enfant, mais plutôt avec ceux d’un technologue. La figure ci-dessous représente un enclos que vous aviez construit à l’aide de blocs de construction.

Crémaillère

Manivelle à croisillons Axe

Goupille de blocage Pignon

a ) Complétez le texte suivant en entourant la proposition appropriée dans chacune des boîtes. L’enclos-jouet contient un système de L’organe menant est

transmission – transformation

du mouvement.

la crémaillère – le pignon , qui est en rotation – translation . L’or-

gane mené est la crémaillère – le pignon , qui est en rotation – translation . b ) Comment pourrait-on augmenter l’amplitude du mouvement de la porte ? 1) En grossissant le pignon. 2) En augmentant la hauteur de la crémaillère et de la porte. 3) En déplaçant le pignon (et l’axe) vers le haut. c ) Le pignon ne compte que quatre bras. Pourquoi ? 1) Parce qu’il ne servirait à rien que le pignon ait plus de bras. Le nombre de bras est adapté à la distance entre les dents de la crémaillère. 2) Seulement parce que c’était moins cher ainsi. Si le pignon avait plus de bras, on pourrait, sans changer la crémaillère, ajuster de façon plus fine la hauteur de la porte. 3) Parce que si le pignon avait plus de bras, la porte monterait trop rapidement. 4) Parce que si le pignon avait plus de bras, la porte monterait trop lentement.

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Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

471

d ) Complétez le tableau ci-dessous afin d’analyser les fonctions des différentes pièces qui assurent le fonctionnement de la porte de l'enclos-jouet. Pièce

Fonction

Manivelle à croisillons

Axe de la manivelle à croisillons et du pignon

Goupille de blocage

e ) Complétez le tableau suivant en indiquant dans chaque colonne les quatre caractéristiques des liaisons présentées. Liaison entre les blocs formant la crémaillère et la porte

Liaison entre la manivelle et le pignon

Liaison entre la porte et les glissières

























f ) Complétez le tableau ci-dessous. 1) Dans la première colonne, identifiez quatre pièces de l'enclos qui sont soumises à un guidage. 2) Dans la deuxième colonne, indiquez ce qui assure le guidage de chacune de ces pièces. 3) Dans la dernière colonne, dites de quel type de guidage il s’agit : en translation, en rotation ou hélicoïdal? Organe guidé

472

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

Qu’est-ce qui assure le guidage ?

Type de guidage

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3

L’illustration suivante montre quelques-unes des pièces d’une scie sauteuse.

Manivelle dentée Moteur

Coulisseau

Pignon moteur

Bride Lame Pignon moteur

Moteur Manivelle dentée Galet Coulisseau

a ) Le mécanisme illustré inclut un système de transmission du mouvement. De quel type de système s’agit-il ? 1) Roues de friction

4) Chaîne et roues dentées

2) Courroie et poulies

5) Roue dentée et vis sans fin

3) Roues dentées (engrenage) b ) Quels sont l’organe menant et l’organe mené dans le système de transmission du mouvement que vous avez identifié en a ? Identifiez les pièces en utilisant les termes inscrits sur la figure ci-dessus. Organe menant :

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Organe mené :

Chapitre 12 L’ingénierie mécanique

473

c ) Le mécanisme illustré inclut un système de transformation du mouvement. De quel type de système s’agit-il ? 1) Pignon et crémaillère

3) Bielle et manivelle

2) Vis et écrou

4) Manivelle et coulisse

5) Came et tige guidée

d ) Quels sont l’organe menant et l’organe mené dans le système de transformation du mouvement que vous avez identifié en c ? Servez-vous des termes inscrits sur la figure de la page précédente pour répondre. Organe menant :

Organe mené :

e ) Sur la vue éclatée de la page précédente, encerclez les deux pièces qui servent à guider le coulisseau en translation. f ) Le pignon moteur compte 8 dents. La manivelle dentée en compte 50. Si le moteur tourne à 18 750 tours par minute, combien de tours par minute la manivelle dentée effectue-t-elle ?

g ) En vous basant sur les données de la question f et sur votre réponse à cette même question, dites combien d’allers-retours complets en translation sont effectués par la scie en une minute. 1) 1 500

2) 3 000

h ) En vous basant sur les informations données dans l’illustration ci-contre, dites quelle est l’amplitude du mouvement vertical de la lame (distance entre le point le plus haut et le point le plus bas atteints par l’extrémité de la lame).

i)

474

1) 7 mm

4) 18 mm

2) 9 mm

5) 32 mm

3) 16 mm

6) 64 mm

3) 6 000

4) 18 750

Manivelle dentée Maneton Axe de rotation de la roue

Galet

STE Quelle est l’utilité du galet ? (Pourquoi ne place-t-on pas la manivelle dentée en contact direct avec le coulisseau ?)

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chapitre

13

L’INGÉNIERIE ÉLECTRIQUE

L’ingénierie électrique, aussi appelée « génie électrique », traite des multiples applications de l’électricité. Les ingénieurs électriciens travaillent aussi bien sur les circuits des grands réseaux de distribution d’électricité que sur ceux des composantes électroniques miniatures des ordinateurs. Ils s’intéressent aux ensembles structurés de composantes qui ont chacune une fonction précise. Dans ce chapitre, vous découvrirez certaines fonctions des composantes d’un circuit électrique ou électronique.

SOMMAIRE 13.1 La fonction d’alimentation  476 13.2 Les fonctions de conduction,

d’isolation et de protection  480 13.3 La fonction de commande  486 13.4 La fonction de transformation de l’énergie  490 13.5 La fonction de régulation STE  494

Un circuit électrique est un ensemble de composantes électriques reliées en boucle et parcourues par un courant. Chaque composante d’un circuit a une fonction. Dans les pages qui suivent, vous verrez les fonctions des composantes les plus usuelles.

13.1 La fonction

d’alimentation Pour que les charges électriques circulent dans un circuit et créent ainsi un courant électrique, il faut leur fournir de l’énergie. La fonction d’alimentation est assurée par toute composante d’un circuit dont le rôle est de fournir l’énergie nécessaire au passage du courant électrique dans ce circuit (voir le tableau 1). Il y a deux types de sources d’alimentation : • les sources de courant continu, qui fournissent de l’énergie en continu à un rythme régulier ; • les sources de courant alternatif, dont la polarité oscille dans le temps.

TABLEAU 1

Quelques types de sources d’alimentation et leurs caractéristiques Source d’alimentation

Pile Appareil transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique. Batterie Ensemble de piles reliées en série ou en parallèle.

476

Caractéristiques Les piles et les batteries produisent un courant continu. Elles permettent d’alimenter les circuits des appareils portatifs, mais elles doivent être remplacées ou rechargées après un certain temps.

Génératrice Appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique.

Les génératrices de type « dynamo » produisent un courant continu. Celles de type « alternateur » (voir ci-contre) produisent un courant alternatif. L’énergie mécanique qui est transformée en énergie électrique provient par exemple d’un moteur à essence, de la turbine d’une centrale hydroélectrique ou des pales d’une éolienne.

Prise de courant Dispositif relié au réseau électrique et destiné à alimenter les appareils qui y sont branchés.

Au Québec, l’énergie fournie par les prises de courant domestiques provient du réseau d’Hydro-Québec. Elle est produite par des génératrices de courant alternatif, souvent dans des centrales hydroélectriques. Les prises de courant fournissent un courant alternatif d’une fréquence de 60 Hz (sa valeur oscille 60 fois par seconde).

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Ut 13.1

13.1.1

Les condensateurs

STE

Parfois, on souhaite utiliser une très grande quantité de charges électriques à un rythme plus rapide que celui d’une pile ou d’une batterie. Dans de telles situations, on doit employer des appareils qui comportent des composantes dont le rôle est de stocker lentement des charges électriques (on dit alors que l’appareil « se charge »), puis de les libérer rapidement au moment voulu (on dit alors que l’appareil « se décharge »). De telles composantes se nomment « condensateurs » (voir la figure 1). Un condnsu est un dispositif qui a la capacité d’emmagasiner des charges électriques (voir la figure 2). Dans plusieurs circuits, les condensateurs ont une fonction d’alimentation différée. Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices séparées par une mince couche isolante.

Fgu 1 Dns ls cs d cs cdqu, ls mbulncs ulsn un défbllu of lmné  un b ou f ss un coun nns à vs l cg ocqu d l vcm. Comm l ym uqul ls cgs dovn ê débés s bucou lus gnd qu clu qu l b u foun, l défbllu s mun d condnsus.

Fgu 2 L symbol nomlsé ou ésn un condnsu.

Activités 13.1 1

Associez chacune des descriptions de la colonne de gauche au type de courant auquel elle correspond dans la colonne de droite. a ) Type de courant fourni par une source de tension constante b ) Type de courant fourni par une source de tension dont la polarité et l’intensité oscillent continuellement dans le temps c ) Type de courant fourni par les prises électriques

1) Courant continu

2) Courant alternatif

d ) Type de courant fourni par une pile

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Chapitre 13 L’ingénierie éLectrique

477

2

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche au type de source d’alimentation qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) La source d’alimentation d’un téléviseur b ) La source d’alimentation d’une montre c ) La source d’alimentation d’une lampe de poche manuelle (actionnée en tournant une manivelle) d ) La source d’alimentation du système d’allumage d’une automobile e ) La source d’alimentation d’appoint utilisée par un hôpital en cas de panne dans le réseau d’Hydro-Québec

3

1) Une pile 2) Une batterie 3) Une génératrice de type « dynamo » 4) Une génératrice de type « alternateur » 5) Une prise électrique

Lisez les trois textes suivants. Répondez ensuite à la question qui accompagne chacun d’eux. a)

Les thermo-électrogénérateurs

La sonde spatiale New Horizon a pour mission d’étudier le système plutonien et la ceinture de Kuiper. Elle est alimentée par un thermo-électrogénérateur.

Pour réduire la consommation d’essence des automobiles, on se servira peut-être un jour des thermo-électrogénérateurs. En effet, comme une grande partie de l’énergie consommée par un moteur à explosion est perdue sous forme de chaleur, il serait intéressant qu’un appareil puisse récupérer cette chaleur pour produire de l’électricité. C’est ce que fait un thermo-électrogénérateur. Ce dispositif convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique. Son fonctionnement est basé sur l’effet thermoélectrique, grâce auquel un courant électrique apparaît à la jonction de deux semi-conducteurs qui sont à des températures différentes.

À l’heure actuelle, les générateurs thermoélectriques sont trop coûteux pour être introduits dans les produits de consommation de masse. On les utilise donc seulement dans certaines technologies de pointe comme les sondes spatiales, où la chaleur provient de la désintégration d’isotopes radioactifs. Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

478

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Ut 13.1

b)

Ls clluls phoovolaïqus U cllul phoovolaïqu s u dsposf qu è u coua lcqu quad l s xpos à la lumè. Losqu la lumè fapp la cllul, ll asfè d l’ aux lcos d so qu cas so jcs. U coua s c alos das l ccu auqul s aach la cllul. Ls paaux solas so  fa ds assmblas d clluls phoovolaïqus. Ds clluls oovolïqus.

Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

c)

Ls assos Ls assos so ompss das ls mcopocssus ds odaus. Ls pucs ds odaus co plusus mllos (vo ds mllads) d assos mcoscopqus.

Un mcoocssu. Ss ccus comn ds mllons d nssos.

Qu’s-c qu’u asso ? C’s u p dsposf sm-coducu qu a  bloqua ou  lassa pass l coua, à l’sa d’u ob qu pm d’ouv ou d fm u codu d’au. S u coua s applqu à la bas du asso, clu-c lass ccul l’lcc. S, au coa, aucu coua ’s applqu, l passa d l’lcc s ompu. L’coda d l’fomao sous fom ba, pcp d bas d l’fomaqu, pos su c pop ds assos.

Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

4

STE

Quel est le principe de fonctionnement d’un condensateur ?

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Chapitre 13 L’ingénierie éLeCtriQUe

479

5

STE

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

Le condensateur

Le circuit (simplifié) du flash d’un appareil photo.

L’utilisation du flash d’un appareil photo nécessite de transformer rapidement une quantité importante d’énergie électrique en énergie lumineuse. L’énergie doit être libérée beaucoup plus rapidement que ne pourrait le faire la pile de l’appareil. Pour cette raison, le flash d’un appareil photo est muni d’un condensateur. Ce condensateur est branché en série avec une pile.

Quand on appuie sur le déclencheur de l’appareil pour prendre une photo avec le flash, un interrupteur bascule, débranchant le condensateur de la pile et le branchant plutôt à l’ampoule du flash. Le condensateur se décharge alors rapidement à travers l’ampoule. Vous prenez une photo de vos amis en utilisant le flash de votre appareil. Puis, vous tentez immédiatement d’en prendre une seconde, mais le flash ne se déclenche pas. Pourquoi ? a ) Parce que si on pouvait prendre une deuxième photo sans attendre, l’énergie, qui circulerait très vite dans le circuit, entraînerait une surchauffe, ce qui ne serait pas sécuritaire. b ) Parce que le condensateur emmagasine l’énergie électrique seulement au rythme où la pile la lui transfère. Ainsi, l’accumulation d’une quantité suffisante d’énergie dans le condensateur prend un certain temps. c ) Parce que les personnes qui seraient photographiées seraient éblouies et que cela empêcherait de prendre de bonnes photos.

13.2 Les fonctions

de conduction, d’isolation et de protection L’énergie électrique libérée par la source d’alimentation d’un circuit fait en sorte qu’un courant circule dans ce circuit. Ce courant circule dans les parties du circuit qui ont une fonction de conduction, mais pas dans celles qui ont une fonction d’isolation. Par ailleurs, certains circuits sont dotés d’éléments de protection qui visent à limiter les effets négatifs associés à des problèmes de fonctionnement.

13.2.1

La fonction de conduction

Les composantes qui ont une fonction de conduction doivent être fabriquées avec des matériaux conducteurs (qui ont une bonne conductibilité électrique), comme les métaux. 480

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.2

La foncon d conducon est assurée par toute composante d’un circuit qui permet le passage du courant. Les fils électriques, qui sont souvent en cuivre, sont un exemple de composante ayant une fonction de conduction. La conductibilité d’une composante conductrice dépend de quatre facteurs (voir le tableau 2). TABLEAU 2

Les principaux facteurs qui ont une influence sur la conductibilité d’une composante électrique Facteur

Influence

Le matériau

Les métaux sont de bons conducteurs.

La section transversale

Un fil de grand diamètre laisse passer le courant plus facilement qu’un fil de faible diamètre (tout comme un tuyau de grand diamètre laisse passer l’eau plus facilement qu’un tuyau de faible diamètre).

A Bo od

B Mos bo od

La température

Les atomes ou les molécules d’une composante chaude possèdent plus d’énergie cinétique que ceux d’une composante plus froide. Leur mouvement rend le passage des électrons de conduction plus difficile, ce qui diminue la conductibilité.

La longueur

Le courant circule moins bien dans une composante longue que dans une composante semblable mais plus courte, car la plus longue est plus difficile à parcourir pour les électrons.

A Bo od

Fgu 3 La gan qu nou ls fls élcqus pm d ls manpul n ou sécué.

B Mos bo od

13.2.2

La fonction d’isolation

Les composantes qui assurent la fonction d’isolation, les isolants, sont de très mauvais conducteurs d’électricité. Les isolants sont souvent en plastique ou en céramique. La foncon d’solaon est assurée par toute composante d’un circuit qui empêche le passage du courant. Les fils électriques métalliques sont enveloppés d’une gaine de plastique qui a une fonction d’isolation. Cette gaine fait en sorte que l’on peut manipuler le fil parcouru par un courant sans s’électrocuter (voir la figure 3). Elle évite également les courts-circuits en empêchant le courant de passer entre deux fils qui se touchent (voir la figure 4).

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Fgu 4 Pou banc dux fls élcqus nsmbl, l fau d’abod  la gan solan qu ls couv. Aucun couan n do ccul dans ls fls duan c opéaon.

ChAPitre 13 L’ingénierie éLectrique

481

13.2.3

La fonction de protection

Un circuit électrique n’est jamais à l’abri d’une défaillance telle qu’une surcharge ou un court-circuit.

Figure 5 Ce panneau avertit du risque d’électrisation. Disjoncteur principal Disjoncteurs secondaires

Figure 6 Dans un panneau de distribution, le disjoncteur principal contrôle tous les circuits et peut couper tout le courant. Les disjoncteurs secondaires contrôlent chacun un circuit. TABLEAU 3

Une surcharge se produit lorsque l’intensité du courant dépasse le maximum que peut supporter le circuit. La surcharge risque d’entraîner une surchauffe et, en conséquence, un incendie. Un court-circuit se produit quand le courant emprunte un chemin imprévu parce que deux conducteurs qui ne sont pas censés être en contact sont connectés. Le court-circuit peut entraîner une surcharge ou même l’électrisation ou l’électrocution d’une personne (voir la figure 5). Une personne est électrisée lorsqu’un courant électrique traverse son corps, ce qui peut entraîner des brûlures internes ou une fibrillation cardiaque (un dérèglement du rythme du cœur). Quand l’électrisation cause la mort de la personne, on parle d’électrocution. La fonction de protection est assurée par toute composante d’un circuit électrique dont le rôle est de couper le passage du courant lorsque le circuit ne fonctionne pas normalement. Il y a deux principaux types de systèmes de protection : les fusibles et les disjoncteurs (voir le tableau 3).

Deux types de composantes qui assurent la fonction de protection Fusible

Disjoncteur

Description Petit tube ou bouchon isolant dans lequel une lamelle ou un fil de métal est inséré.

Description Interrupteur mécanique qui peut être déclenché manuellement, ou par un dispositif magnétique ou thermique.

En temps normal… Le courant traverse le fusible.

En temps normal… Le courant traverse le disjoncteur (l’interrupteur est fermé).

Si le courant devient trop grand… L’énergie électrique qui traverse le fil le fait fondre. Il se rompt : cela empêche le courant de passer.

Si le courant devient trop grand… L’interrupteur s’ouvre et coupe le courant.

Désavantage d’un fusible Une fois qu’il est grillé, un fusible doit être remplacé.

Avantage d’un disjoncteur Une fois que le problème qui a causé le déclenchement est réglé, il suffit d’actionner l’interrupteur manuellement. Aucune pièce n’a à être changée.

Les disjoncteurs ont aujourd’hui remplacé les fusibles dans les bâtiments (voir la figure 6). On trouve cependant toujours des fusibles dans certains appareils (comme les cuisinières) et dans les voitures. 482

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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UT 13.2

FLASH

TECHNO

Ls disjocs d fi à la 

Das ls salls d bai,  pafois pès ds vis d cisi, ls piss lcis so mis d’ disposiif appl « disjoc d fi à la  ». C disposiif vis à limi ls iss accs d’lcocio  ps cs lix  aiso d la psc d’a. Ls disjocs d fi à la  compa l coa i so d la pis à cli i y o apès avoi avs l’appail lci i y s bach ( sèch-chvx, pa xmpl). Si l coa i o das la pis s ifi a coa i  so, cla siifi ’ pai ds chas lcis « fi », c i s aomal. Il s p  ff  cs chas soi  ai d avs l cops d la pso i s s d l’appail. Das  l cas, l disjoc d fi à la  cop immdiam l coa.

Activités 13.2 1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez ceux qui sont faux. a ) Deux fils électriques faisant partie de deux circuits différents peuvent se toucher sans problème s’ils sont gainés d’un isolant.

b ) Un disjoncteur se déclenche quand la tension électrique à ses bornes dépasse une certaine valeur.

c ) Quand un disjoncteur se déclenche, la lamelle de métal qui est en son cœur fond, ce qui bloque le passage du courant.

d ) Dans un matériau conducteur, les électrons de conduction se déplacent facilement. Dans un matériau isolant, ils se déplacent difficilement et lentement.

e ) Le fer, le nickel et le cobalt sont de bons conducteurs tandis que l’aluminium et le zinc sont des isolants.

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CHApiTrE 13 L’IngénIerIe éLeCtrIque

483

2

La photographie ci-contre montre l’intérieur d’une fiche électrique. Pour chacune des parties pointées, dites si sa fonction en est une de conduction ou d’isolation. A

B

C

D

A

B

C

D

E

E

Conduction Isolation

3

Pourquoi les fils électriques sont-ils reliés aux pylônes électriques par des raccords de porcelaine ou de verre, comme on le voit sur la photographie ci-contre, plutôt que d’être fixés directement aux pylônes ?

Raccord

4

Pour vérifier la qualité de l’eau d’un puits, les hydrogéologues évaluent sa salinité à l'aide d'un conductivimètre. Cet appareil possède deux électrodes que l’on plonge dans l’eau. Elles sont reliées à une pile et à un ampèremètre, comme on le voit ci-contre. a ) Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes pour compléter le texte ci-dessous. Le courant circule entre les deux électrodes en passant dans l’eau qui les sépare. Étant donné que l’eau très salée est meilleure – moins bonne

conductrice que

l’eau peu salée, le courant mesuré par l’ampèremètre sera d’autant plus

petit – grand

que la salinité de

l’eau sera élevée. b ) Complétez les deux énoncés suivants en entourant la bonne réponse. 1) Les conductivimètres sont des appareils généralement petits, ce qui fait que les électrodes sont souvent assez proches l’une de l’autre. Si on augmentait la distance entre les électrodes, le courant enregistré… i) augmenterait.

ii) diminuerait.

iii) resterait le même.

2) Quand l’eau devient plus chaude, le courant enregistré… i) augmente.

484

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

ii) diminue.

iii) reste le même.

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Ut 13.2

5

STE

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

Le  mpm Po fabe des appaels leoes, o assemble de ombeses omposaes das  espae ese, ps o les oee les es ax aes pa des bahemes. Das e oexe, le baheme à l’ade de fls lees sea appop. E effe, ela omplea la fabao e se des s, e eas ès pes fls se dbaheae vableme à l’oaso. Po ve e poblème, o emplae les fls pa de mes pses de ve, fxes e des, es pa phooave s e ae de plase. Les omposaes leoes so sodes a veso de la plae. Le «  mpm » fooe de la même maèe ’  odae. Les aes s leselles so mpms les s so aleme fxes das des boîes de plase. O ove des s mpms das os les appaels leoes : allaes, balades mes, lphoes, odaes, e. a ) Dans un circuit imprimé, qu’est-ce qui assure la fonction de conduction ?

b ) Dans un circuit imprimé, qu’est-ce qui assure la fonction d’isolation ?

6

Une bricoleuse possède une vieille maison dont les circuits électriques sont munis de fusibles. a ) Après une surcharge, l’un de ces fusibles grille et elle décide de le remplacer. Pour retirer l’ancien fusible, elle utilise une paire de pinces métalliques. Pourquoi est-ce une très mauvaise idée ?

b ) Plus tard la même année, un autre fusible fond. Comme la bricoleuse n’a plus de fusible de rechange, elle met à la place un simple morceau de papier d’aluminium de même taille. Le circuit fonctionne ensuite normalement. Pourquoi cette solution est-elle malgré tout très mauvaise ?

c ) Nommez un avantage qu’il y aurait à remplacer le panneau de distribution à fusibles par un panneau à disjoncteurs.

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Chapitre 13 L’ingéniEriE éLEctriquE

485

13.3 La fonction

de commande Pour que le courant puisse circuler dans un circuit, il faut que celui-ci forme une boucle fermée. Un tel circuit est qualifié de « circuit fermé ». À l’opposé, un « circuit ouvert » comprend au moins une ouverture (un « trou ») ; le courant ne peut donc pas y circuler. La fonction de commande est assurée par toute composante d’un circuit qui permet d’ouvrir ou de fermer le circuit de façon à bloquer ou à laisser passer le courant. Un interrupteur est l’un des dispositifs qui peuvent assurer la fonction de commande dans un circuit. La figure 7 illustre un circuit dont l’interrupteur est fermé, puis le même circuit avec l’interrupteur ouvert. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, un interrupteur en position « marche » est fermé, alors qu’un interrupteur en position « arrêt » est ouvert.

A

B

Figure 7 Dans un circuit, l’interrupteur remplit la fonction de commande. A Un circuit dont l’interrupteur est fermé (marche). B Un circuit dont l’interrupteur est ouvert (arrêt).

FLASH

TECHNO

Les claviers et les écrans tactiles

Chacune des touches du clavier d’un ordinateur fonctionne comme un petit interrupteur, qui ferme un circuit quand on appuie dessus. Ce signal indique au processeur la touche qui a été enfoncée. Les écrans tactiles remplissent la même fonction qu’un clavier. Certains de ces écrans doivent absolument être touchés à mains nues ou à l’aide d’un matériau conducteur pour fonctionner. Ils maintiennent en permanence une petite quantité de charges à leur surface. Quand ils sont touchés par un conducteur, certaines des charges fuient vers celui-ci. Le processeur de l’écran est en mesure de détecter cette fuite et d’évaluer avec précision où elle s’est produite, c’est-à-dire de savoir exactement où l’écran a été touché.

486

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.3

13.3.1

Les types d’interrupteur

Le tableau 4 présente différents types de mécanismes d’interrupteur. TABLEAU 4

Le mécanisme de différents interrupteurs

Type d’interrupteur

Exemple

Schémas de principe du mécanisme Fermé (marche)

Ouvert (arrêt)

À levier Le mouvement d’un levier entraîne la fermeture ou l’ouverture du circuit. Interrupteur à couteau

Interrupteur mural À bouton-poussoir Selon que le boutonpoussoir est enfoncé ou non, le circuit se ferme ou s’ouvre.

À bascule Le mouvement d’un levier à plat entraîne la fermeture ou l’ouverture du circuit.

À commande magnétique Certains interrupteurs de ce type sont fermés en présence d’un champ magnétique et ouverts en son absence (comme celui ci-contre). D’autres fonctionnent à l’inverse.

Aimant

Interrupteur

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Chapitre 13 L’ingénierie éLectrique

487

13.3.2

Le rôle et la structure des différents interrupteurs STE

On peut classer les interrupteurs en fonction de leur mécanisme, mais également en fonction de leur rôle (unidirectionnel ou bidirectionnel) et de leur structure (unipolaire ou bipolaire) (voir le tableau 5). Un interrupteur unidirectionnel peut ouvrir ou fermer un circuit, mais, lorsqu’il est fermé, il dirige toujours les charges dans la même direction. Un interrupteur bidirectionnel peut ouvrir ou fermer un circuit, mais, lorsqu’il est fermé, il peut diriger les charges vers deux circuits différents. Un interrupteur unipolaire contrôle un seul circuit à la fois. Un interrupteur bipolaire contrôle deux circuits à la fois. TABLEAU 5

Le rôle et la structure de différents interrupteurs

Type d’interrupteur

Symboles Fermé (marche)

Ouvert (arrêt)

Exemple de circuit

Unidirectionnel unipolaire

Bidirectionnel unipolaire

A

Position 1

Position 2

Note : Certains interrupteurs bidirectionnels ne peuvent pas être mis en position ouverte.

B

L’ampoule A est allumée, alors que l’ampoule B est éteinte.

Unidirectionnel bipolaire

488

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.3

Activités 13.3 1

Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes pour compléter le texte suivant. Pour allumer la lampe, on doit mettre l’interrupteur en position

marche – arrêt . Ce faisant, on

ouvre – ferme le circuit : cela permet à la lame de l’interrupteur d’établir le contact entre les deux bornes de l’interrupteur. Ainsi, le courant commence à – cesse de circuler dans le circuit, y compris dans l’ampoule, qui s’allume. 2

À quel type d’interrupteur les mécanismes décrits ci-dessous appartiennent-ils ? a ) On emploie souvent ce mécanisme pour les interrupteurs d’arrêt d’urgence, qui doivent être très simples et que l’on doit pouvoir manipuler avec un minimum d’attention. On trouve aussi ce mécanisme dans les interrupteurs des tableaux de bord des automobiles. Comme il n’est généralement pas facile de dire si les interrupteurs de ce type sont en position « marche » ou « arrêt », on leur adjoint souvent un voyant lumineux. 1) À levier

2) À bouton-poussoir

3) À bascule

4) À commande magnétique

b ) C’est le mécanisme le plus répandu pour les interrupteurs, car il est très robuste et très fiable. Il comporte un levier à plat qui bascule selon la position de l’interrupteur. Toutefois, il n’est pas toujours simple de savoir si ces interrupteurs sont en position « marche » ou « arrêt ». 1) À levier 3

2) À bouton-poussoir

3) À bascule

4) À commande magnétique

La photo ci-dessous illustre un système d’alarme qui se déclenche quand on ouvre la porte.

A

B

L boî

A

, fx a chambal d la po, fm  ama.

L boî B , fx s la po, fm  cc coôl pa  p à commad ma. C cc co alm l ha-pal d l’alam   pl po l’alm. L’p à commad ma s  poso ov  psc d’ champ ma.

À l’aide des symboles ci-dessous (au besoin), dessinez le schéma d’un circuit qui pourrait être contenu dans le boîtier B lorsque la porte est ouverte.

Interrupteur à commande magnétique – Ouvert

Interrupteur à commande magnétique – Fermé

Haut-parleur

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Chapitre 13 L’ingénierie éLeCtrique

489

4

STE

Quel type d’interrupteur choisiriez-vous dans chacun des cas suivants ?

a ) Selon la situation, l’interrupteur doit permettre d’alimenter soit une ampoule rouge, soit une ampoule verte, lesquelles se trouvent dans le même circuit. 1) Unidirectionnel

Bidirectionnel

2) Unipolaire

Bipolaire

b ) L’interrupteur doit permettre d’allumer ou d’éteindre une ampoule qui se trouve dans un premier circuit en même temps qu’un élément chauffant qui se trouve dans un second circuit.

5

1) Unidirectionnel

Bidirectionnel

2) Unipolaire

Bipolaire

STE Dans l’encadré ci-dessous, dessinez un schéma représentant des circuits munis d’un interrupteur bidirectionnel bipolaire. Utilisez les symboles appropriés.

13.4 La fonction

de transformation de l’énergie La fonction de transformation de l’énergie est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (voir le tableau 6 à la page suivante). 490

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.4

TABLEAU 6

Différents types de transformation de l’énergie Transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse

• L’électricité est transformée en lumière.

Une dode éleco­ lumnescene (DEL).

Une moule à ncndescence.

Un écn à csux lqudes.

Transformation de l’énergie électrique en énergie thermique • L’électricité est transformée en chaleur. Quand on fait passer un courant dans un matériau qui résiste à son passage, une partie de l’énergie électrique se transforme en chaleur. Ce phénomène est souvent indésirable, mais, quand on le recherche, on dit que la composante responsable assure la fonction de transformation de l’énergie.

L’moule logène nfouge d’une lme cuffne.

L’élémen cuffn d’un fou glle­n.

Transformation de l’énergie électrique en énergie magnétique • L’électricité est transformée en magnétisme.

Un el d’mgee  ésonnce mgnéque.

Un élecomn de levge.

Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique • L’électricité est transformée en mouvement (visible ou non). La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique se fait souvent en utilisant des électroaimants : le magnétisme n’est alors qu’une étape intermédiaire entre l’électricité et le mouvement.

Un moeu élecque (fonconne à l’de d’un élecomn).

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Un u­leu (fonconne à l’de d’un élecomn).

Un vesseu sonoe ézo­ élecque, d’un fou à mco­ ondes,  exemle (fonconne sns élecomn).

ChapitrE 13 L’ingénierie éLectrique

491

Activités 13.4 1

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à la fonction de transformation de l’énergie qu’il assure, dans la colonne de droite. a ) Une ampoule à incandescence

1) Transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse

b ) L’élément chauffant d’une bouilloire électrique c ) Le flash d’un appareil photo

2) Transformation de l’énergie électrique en énergie thermique

d ) Un ventilateur électrique e ) Un tube fluorescent f ) Un écran cathodique

3) Transformation de l’énergie électrique en énergie magnétique

g ) La cloche d’un système d’alarme contre l’incendie h ) Le moteur d’un rasoir électrique

4) Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique

i ) Un électroaimant 2

Quand le vent fait tourner les pales d’une éolienne, leur mouvement entraîne celui d’une bobine conductrice plongée dans un champ magnétique. La rotation de cette bobine produit un courant électrique.

Bobine

Générateur

Pales

Une éolienne a-t-elle une fonction de transformation de l’énergie électrique ? Pourquoi ?

492

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.4

3

a ) Nommez deux pièces d’un téléphone intelligent qui ont une fonction de transformation de l’énergie électrique.

b ) Quelles formes d’énergie produisent les pièces que vous avez nommées dans la question a ?

4

a) Nommez une pièce d’automobile qui transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.

b ) Nommez une pièce d’une automobile (équipée d’un moteur à combustion) qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique.

5

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions qui suivent.

L crsal d uarz Ls mors  ls horlos à uarz foco râc aux proprs pzolcrus du crsal d uarz. La pzolc rc s la propr ds maraux do l pol lcru var uad ls subss u cora mcau. Rcproum, cs maraux s dform lorsu’ls so soums à u polarsao lcru. Brach à la pl d l’horlo, l crsal d uarz vbr à u fruc rulèr rès prcs. Cs oscllaos mcaus cr à lur our ds varaos rapds d la so. U crcu lcrou comp cs oscllaos d la so   dmu la fruc pour rr u mpulso lc ru à chau scod. Cs mpulsos alm su u mour lcru u fa ourr ls aulls.

Pile

Solénoïde

Cristal de quartz piézoélectrique

Aimant

Moteur électrique

Microprocesseur Circuit électronique

Ls ècs d’un olog à quz.

a ) Quelles pièces de l’horloge assurent une fonction de transformation de l’énergie électrique ? 1) Le cristal de quartz

3) Le moteur électrique

2) Le microprocesseur

4) La pile

b ) En quel type d’énergie les pièces que vous avez nommées en réponse à la question a transforment-elles l’énergie électrique ?

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Chapitre 13 L’ingénieRie éLeCtRiqUe

493

6

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions.

PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’énergie Comme la population mondiale augmente sans cesse et que les gens consomment de plus en plus, les besoins en matière d’énergie ne cessent de croître. Or, les ressources exploitées pour produire l’énergie que nous utilisons ne sont pas inépuisables. De plus, même l’exploitation de ressources renouvelables a des conséquences négatives sur l’environnement. Dans ce contexte, il est primordial d’utiliser les ressources qui sont à notre disposition à bon escient, en tentant de limiter les pertes et le gaspillage. L’une des causes importantes des pertes d’énergie est associée aux transformations de l’énergie d’une forme à une autre. Par exemple, une ampoule à incandescence ne transforme que 5 % de l’électricité qui lui est fournie en lumière. Dans

ces conditions, le développement et l’utilisation de technologies écoénergétiques doivent rester au cœur des préoccupations de l’humanité ! Au Canada, pour pouvoir afficher le symbole international ENERGY STAR®, les produits doivent respecter de rigoureuses exigences sur le plan du rendement énergétique imposées par le gouvernement du Canada.

Le symbole international ENERGY STAR®.

a ) Expliquez sommairement le lien existant entre le symbole international ENERGY STAR ®, la fonction de transformation de l’énergie et la protection de l’environnement.

b ) Au Québec, étant donné que l’énergie provient surtout de l’hydroélectricité, une source d’énergie renouvelable, est-il juste de dire qu’il n’est pas nécessaire d’économiser l’énergie électrique ?

13.5 La fonction

de régulation

STE

Les résisteurs et les diodes remplissent souvent une fonction de régulation de la tension dans un circuit. La fonction de régulation est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à maintenir le fonctionnement de ce circuit.

494

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.5

13.5.1

Les résisteurs

La éssnc est la propriété physique des composantes d’un circuit qui dissipent l’énergie électrique, ce qui limite le passage du courant tout en produisant de l’énergie thermique. Un éssu est une composante conçue pour limiter le passage du courant dans un circuit (voir la figure 8). Un résisteur se caractérise par la grandeur de sa résistance, que l’on mesure en ohms (Ω). Plus la résistance est grande, plus le courant dans le résisteur sera limité. Sur un résisteur, la valeur de la résistance est souvent codée avec quatre ou cinq anneaux de couleur (voir la figure 9).

Fgu 8 L symbol nomlsé ou ésn un éssu.

Les résisteurs assurent une fonction de régulation. Par exemple, un résisteur pourra limiter le courant dans un circuit où se trouve une diode qui ne peut pas supporter un fort courant.

76 × 103 Ω ± 5 %, soit 76 000 Ω ± 5 % 7 6 103

5%

Un résisteur dont la résistance a une tolérance supérieure ou égale à 2 % est codé avec quatre anneaux.

Couleur

1er anneau

2e anneau

3e anneau

Multiplicateur

Tolérance

Noir

0

0

0

100

Brun

1

1

1

101

±1%

Rouge

2

2

2

102

±2%

Orange

3

3

3

103

Jaune

4

4

4

104

Vert

5

5

5

105

± 0,5 %

Bleu

6

6

6

106

± 0,25 %

Violet

7

7

7

107

± 0,10 %

Gris

8

8

8

Blanc

9

9

9

± 0,05 %

Or

10–1

±5%

Argent

10–2

± 10 %

Un résisteur dont la résistance a une tolérance inférieure ou égale à 1 % est codé avec cinq anneaux. 4

3 2

100 ± 1 %

432 × 100 Ω ± 1 %, soit 432 Ω ± 1 %

Fgu 9

L cod ds coulus ulsés su ls éssus.

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Chapitre 13 L’ingénierie éLectrique

495

13.5.2

Les diodes

Une diode est une composante électronique qui permet le passage du courant dans un seul sens (voir la figure 10).

Figure 10 Le symbole normalisé pour représenter une diode.

Les diodes ont des applications très variées, mais plusieurs remplissent une fonction de régulation. On emploie les diodes pour protéger les composantes électroniques fragiles d’un courant qui y circulerait dans le mauvais sens, par exemple si une personne plaçait les piles à l’envers. En effet, comme les diodes laissent passer le courant dans une seule direction, l’énergie électrique ne circulera pas si les piles sont à l’envers (voir la figure 11). Par ailleurs, certains appareils électroniques alimentés par des piles comportent une protection mécanique : on ne peut insérer les piles à l’envers dans leur logement à moins d’exercer une force excessive. Dans ce cas, les diodes ne sont pas nécessaires.

Figure 11 Un circuit dans lequel une diode assure la fonction de régulation. A La pile est branchée avec une polarité telle que la diode laisse passer le courant. B La pile est branchée avec une polarité telle que la diode bloque le courant. Il n’y a aucun courant dans le circuit.

A

Activités 13.5 1

B

STE

La figure ci-dessous illustre quatre résisteurs. a ) Pour chacun d'eux, donnez la valeur de la résistance ainsi que la tolérance de cette valeur.

1)

2)

3)

4)

b ) Dans lequel de ces résisteurs y aura-t-il le plus de courant si on les branche à une pile de 9 V ?

496

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

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Ut 13.5

2

Une technicienne conçoit un petit appareil. L’un des circuits comporte un résisteur dont la résistance doit absolument être supérieure à 950 Ω, sans quoi il risque d’y avoir surcharge. La technicienne dispose du résisteur illustré ci-contre. Peut-elle utiliser ce résisteur ou doitelle en commander un autre ? Expliquez votre réponse.

3

Qu’est-ce qu’une diode ?

4

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

La dode lectolmescete Totes les dodes pemettet le passae d coat das  sel ses. Totefos, cetaes dodes ot alemet la popt d’mette de la lmèe. Ces dodes sot appeles « dodes lecto lmescetes » (DEL). Ces pettes ampoles cosommet beacop mos d’ee lecte pa att d’ee lmese podte e les ampoles à cadescece o les tbes floescets. Cela est dû a fat e la lmèe dae pa e DEL s’accompae selemet de tès fables petes sos fome d’ee theme. E ote, les DEL sot pls Un dod élcolumnscn  l dables e les ampoles à cadescece o floescetes, et symbol nomlsé ou l ésn. la lmèe est podte dès e le coat passe das la dode, ce  ’est pas le cas des tbes floescets. Deps eles aes, o emploe des DEL dtes « oaes » po fabe des cas de tlvse tès mces et de ade alt.

a ) Quelle est la fonction assurée par une DEL dans un circuit ? 1) Fonction de conduction

3) Fonction de transformation de l’énergie

2) Fonction de protection

4) Fonction de régulation

b ) La DEL illustrée ci-dessous s’allumera-t-elle ? Oui Non

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Chapitre 13 L’ingéniEriE éLECTriquE

497

CONSOLIDATION DU ChApITre 13 1

Le schéma suivant présente les principales fonctions remplies par les différentes composantes d’un circuit électrique. À l’aide de la liste de mots fournie, complétez ce schéma.

Liste de mots • à bascule • à bouton-poussoir

Les différentes fonctions d’un circuit électrique

• à commande magnétique • à levier • bipolaire STE • contrôler le passage du courant par l’ouverture ou la fermeture du circuit • des fils électriques

Fournir l’énergie nécessaire à la circulation du courant

est remplie par

Fonction de conduction

est généralement remplie par

• énergie lumineuse • énergie magnétique • énergie mécanique • fonction d’alimentation

Empêcher le courant de passer

est généralement remplie par

• fonction de protection • fonction de régulation STE • fonction d’isolation • interrupteur bidirectionnel STE

Protéger les autres composantes du circuit en cas d’anomalie

est remplie par

• laisser passer le courant • la longueur • la température

Fonction de commande

• le matériau

est remplie par

• transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie • un condensateur STE • un disjoncteur • une batterie • une diode STE

Fonction de transformation de l’énergie par exemple en

• une génératrice • une prise de courant • un fusible • un interrupteur • unipolaire STE • un résisteur STE

498

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

Maintenir le circuit en état de fonctionnement

est remplie par

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une pile : appareil transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique : appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique : dispositif qui emmagasine de l’énergie électrique pour la libérer ensuite : ensemble de piles reliées en série ou en parallèle : dispositif relié au réseau électrique destiné à alimenter les appareils qui y sont branchés dont la conductibilité dépend des facteurs suivants :

la section transversale

certains plastiques céramique

qui comporte un mécanisme

de bloquer le courant ou de le diriger vers un seul parcours (interrupteur unidirectionnel) STE dont le rôle est de bloquer le courant ou de le diriger vers l’un ou l’autre de deux parcours (

)

énergie thermique (contrôle un seul circuit) dont la structure est (contrôle deux circuits)

qui limite le passage du courant

qui permet le passage du courant dans un seul sens

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Chapitre 13 L’ingénierie éLectrique

499

2

a ) Quelle est la différence entre un courant alternatif et un courant continu ?

b ) Nommez deux sources de courant alternatif et deux sources de courant continu. 1) Sources de courant alternatif :

2) Sources de courant continu :

3

STE

Identifiez chacune des composantes du circuit schématisé ci-dessous.

4

STE

Dans les encadrés ci-dessous, dessinez …

a ) un résisteur de 700 Ω avec une tolérance de 5 %.

500

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

b ) un résisteur de 320 Ω avec une tolérance de 0,25 %.

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INDEX Les termes en caractères bleus correspondent aux concepts des programmes. Ils apparaissent également ainsi dans l’une des pages indiquées, accompagnés de leur définition. Les numéros en caractères gras réfèrent aux pages où le concept ou le sujet est le plus détaillé.

A Abondance relative, 22, 357 Accélération, 5 Acide, 29, 81-84, 96-98, 129-131, 269, 284, 289, 293, 313, 342, 424 aminé, 384 désoxyribonucléique (voir ADN) ribonucléique (voir ARNm) Adénine, 382 Adhérence, 425, 450, 451 ADN (acide désoxyribonucléique), 334, 335, 338, 381, 382, 383, 384, 388, 398 Agriculture biologique (voir Agroécologie) intensive, 295 Agroécologie, 296 Aimant, 234-236, 242, 487, 489 Alcaline (solution) (voir Base) Alcalino-terreux (famille des), 30, 31, 32 Alcalins (famille des), 30, 31, 32, 39 Alimentation (électrique), 203-204, 219, 449, 476, 480, 488, 491, 497 Allèle, 388, 389, 394 dominant et récessif, 388 Alliage (matériau), 235, 407, 424 Alpha (voir Particule alpha, Rayonnement alpha) Altitude, 286, 310, 348 Ampère, 62, 204, 214, 227 Ampèremètre, 205, 206-207 Amplitude (des marées), 258 Ampoule, 77, 81, 182, 203, 205-206, 214, 217-220, 223, 230, 444, 480 Anion, 45-46, 52, 130 Anticyclone, 264, 265 Arbre (guidage en rotation), 449 Argile, 420 Aristote (384-322 av. J.-C.), 4 ARNm (acide ribonucléique messager), 383, 384 Atmosphère, 135, 255, 269, 270, 271, 274, 284, 300, 309, 319, 330-331, 335, 336, 338 Atome (voir aussi Modèle atomique), 3-8, 15-16, 20-22, 32, 39-40, 44-46, 50, 52-53, 60, 62-65, 77, 84-85, 107, 112, 137-138, 176, 190, 192, 256, 269, 371, 481 Autotrophe (organisme), 365 Avogadro, Amadeo (1776-1856), 64 Axe de rotation (de la Terre), 256 Azote (voir aussi Cycle de l’azote, Diazote), 30,

60, 125-126, 140, 255, 269, 270, 314-315, 334-335, 338

B Balancement d’équations chimiques, 111 Banquise, 270, 287, 308, 310, 311 Barrage, 320 Base, 30, 76, 83, 84, 96, 97, 129-130 Base azotée, 382 Bassin versant, 304 Becquerel, Henri (1852-1908), 4, 140 Bêta (voir Particule bêta, Rayonnement bêta) Béton, 141, 420 Bielle, 462 Bioaccumulation, 373 Bioamplification, 373 Bioaugmentation, 291 Bioconcentration, 373 Biodégradation des polluants, 290 Biodiversité, 357 Biome aquatique, 345-346, 348 Biome d’eau douce, 345-346 Biome marin, 345-346 Biome terrestre, 341-342, 348 Biorestauration, 290-291 Biostimulation, 291 Biotechnologies, 290, 398 Bohr, Neils (1885-1962), 5-7 Bois (matériau), 141, 407, 408, 420, 424, 444 Boucle (d’un circuit électrique), 203, 219-222, 476, 486 Boues (primaires et secondaires), 315-316 Boussole, 236, 239

C Calcul stœchiométrique, 115-117 Came, 463 Capacité biologique (de la Terre), 375 Capacité limite du milieu, 361 Capacité tampon du sol, 289, 290 Capacité thermique massique, 176, 177 Caractère, 381, 387, 388, 389, 394 Carbone (voir aussi Cycle du carbone), 21, 60, 62, 63, 65, 107, 108, 116, 132-133, 135, 138, 140, 141, 151, 269, 270, 271, 291, 330-331, 338, 407, 420 Cation, 45-46, 52 Cellule humaine, 381, 383, 384, 388, 398

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sexuelle (voir Gamète) végétale, 132 Centrale électrique, 289, 320, 476 à réservoir, 320 au fil de l’eau, 320 géothermique, 300-301, 324 marémotrice, 320, 321-322 nucléaire, 144, 289, 294, 298, 300 thermique, 269, 298, 299 Céramique, 420, 421, 424, 426, 428, 429, 430, 481 Chadwick, James (1891-1974), 5, 15 Chaîne alimentaire, 313, 321, 365, 370-371, 373 Chaleur (voir aussi Énergie thermique), 7, 125, 131, 176-177, 181-182, 255, 256, 261, 270, 298, 299, 300, 309, 310, 371, 418, 420, 421, 478, 491 Champ électrique, 5, 190, 197 Champignon, 290, 335, 346, 365, 371, 424 Champ magnétique, 235 Changement chimique, 106 Changement de vitesse, 455-456 Changements climatiques, 135 Charge électrique, 6, 15, 45, 46, 141, 190, 192, 197 Charge ionique, 28 Chaulage, 129 Chlorophylle, 132 Chromosome, 379, 381, 388 Ciment, 420 Circuit électrique, 203, 214, 476, 482 en parallèle, 205, 207, 218-220, 221-222, 476 en série, 205-206, 218-221, 476 Circuit imprimé, 485 Circulation atmosphérique, 262, 263 Circulation océanique, 309 Circulation thermohaline, 310-311 Cisaillement (contrainte de), 414 Clonage, 398-399 naturel, 398 artificiel, 398 Coefficient, 111-112, 115 Comburant, 130, 133 Combustible, 125, 130, 133 fossile, 129, 135, 263, 270, 298, 324, 331 Combustion, 106, 107, 111, 115, 116, 129, 130-131, 132, 135, 143, 154, 270, 298, 299, 331 Commande (fonction de), 486, 487 Commensalisme, 362 Communauté, 356, 357 Compétition, 362

INDEX

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502

Composé, 30, 51, 52, 53, 60, 63 Composite (voir Matériaux composites) Compression (contrainte de), 414, 417 Concentration, en grammes par litre (g/L), 87-88 en parties par million (ppm), 87, 88, 89 en pourcentage (%), 87-88 molaire, 82, 89, 97 Condensateur, 477, 480 Condensation, 261 Conducteur (électrique), 29, 82, 154, 191, 203, 241, 480, 481, 482 Conductibilité électrique, 38, 77, 79, 82, 84, 407, 418, 420, 480-481 Conduction (électrique), 480-481

Curie, Marie (1867-1934), 285 Curie, Pierre (1859-1906), 285 Cycle biogéochimique, 330 Cycle biologique, 361 Cycle de l’azote, 334-335

Configuration électronique, 6, 7, 15, 30, 31, 32, 39, 44, 50, 51 Consommateur, 308, 330, 335, 339, 365, 371 Contaminants, 373 atmosphériques, 269 de l’hydrosphère biologiques, 313 chimiques, 295, 313 physiques (des sols), 313 inorganiques, 289 organiques, 289 radioactifs, 289, 294, 300 Contamination atmosphérique, 269 Contamination de l’hydrosphère, 313 Contamination des sols, 289, 295, 299 Contrainte, 409, 414, 417, 493 Convection, 255, 262, 265, 309, 310 Corail, 345, 346 Coriolis Gaspard-Gustave (1792-1843), 263 effet de, 262, 263, 264, 309 Corrosion, 126, 129, 131, 418, 420, 424 Couche d’ozone, 256 Couche électronique, 6, 7, 15, 30, 32, 39, 44-45, 50-52 Coulisseau, 462 Coulomb (C), 190, 204 Loi de, 190, 196 Courant (électrique), 77, 81-82, 203-204, 205, 206, 218, 239, 241-242, 273, 476, 478, 479, 481, 482, 483 Courant de convection, 262 Courants marins, 263, 309, 321 de profondeur, 309 de surface, 309 Courroie (système), 443, 454, 455 Cours d’eau, 289, 299, 300, 301, 304, 308, 313, 330, 346, 366 Court-circuit, 482 COV (composés organiques volatils), 269 Crémaillère, 443, 461 Croisement, 394, 399 Croissance (d’une population), 361 Croûte terrestre, 284 Cube de projection, 407, 408

Déchets radioactifs, 140, 143, 300 Décomposeur, 286, 290, 314, 335, 339, 346, 365, 371 Décomposition, 285, 290, 335, 338, 339 Défi énergétique (voir Énergie) Déforestation, 295, 296, 304, 366 Dégradation (d’un matériau), 424-425 Degrés de liberté, 445 Delta, 346 Démocrite (460-370 av. J.-C.), 4 Dénitrification, 335 Densité (d’une population), 356 Déplacement, 158-159, 163, 176 Désert, 342, 362 Désertification, 296 Dessin d’ensemble, 408 d’ensemble éclaté, 409 technique, 408, 409, 412

INDEX

Cycle du carbone, 330-331 Cycle du phosphore, 338 Cyclone, 264-265 Cytosine, 382

D Dalton, John (1766-1844), 3, 4 Déchets, 289, 290, 299, 331, 338, 339, 375 Déchets électroniques, 379

Détritivore (organisme), 365 Deutérium, 144 Diazote (voir aussi Tension électrique), 52, 111, 125-126, 135 Différence de potentiel (voir aussi Tension électrique), 204 Dilution, 76, 87 Diode, 491, 494, 495, 496, 497 Disjoncteur, 482 de fuite à la terre, 483 Dissociation électrolytique, 77-78, 81, 82, 97 Dissolution, 46, 76, 78, 87, 125 ionique (voir Dissociation électrolytique) moléculaire, 77 Distribution des biomes, 348 d’une population, 356 Division cellulaire, 381 Doublet (d’électrons), 52 Ductilité (des matériaux), 417 Dureté (des matériaux), 407, 417, 418, 420 Dynamique des communautés, 362 Dynamique des écosystèmes, 365 Dynamique des populations, 361

E Eau douce, 284, 305, 308, 309, 310, 311, 345, 346 Eau potable, 88, 89, 129, 305, 308 Eau saumâtre, 305, 346 Eaux usées, 314, 315-316 Échelle (dessin technique), 408 Échelle pH, 96, 97 Échiquier de croisements, 394 Écologie, 356, 357 Écosystème, 286, 304, 313, 321, 322, 357, 361, 365, 366, 370, 371, 373 Écotoxicologie, 373 Effet de serre, 135, 263, 270, 287, 299, 331 Élasticité (des matériaux), 407, 417, 421 Élastique déformation, 417, 425 liaison, 443, 444 Électricité, 7, 77, 79, 81-82, 205, 269, 271, 274, 298, 299, 300, 320, 478, 479, 481, 491, 493, 494 Électricité statique, 191, 192 Électrisation, 191-192 par conduction, 191-192 par frottement, 191-192 par induction, 191-192 Électroaimant, 242, 491 Électrode, 77, 79, 424 Électrolyte, 77-78, 81-82, 83-85, 97 Électron, 4, 5, 6, 7, 15-16, 20, 21, 30-32, 39, 44-46, 131, 137, 138, 140, 190, 191, 192, 203, 204, 479, 481 de valence, 30, 31, 39-40, 44, 50-52 Électronégativité, 40 Élevage, 135, 304, 399 Empreinte écologique, 375 Énergie, 154, 166 chimique, 125, 132, 154, 163, 371 cinétique, 164, 165, 166, 167, 481 électrique, 154, 204-205, 214, 219, 220, 230-231, 274, 476, 478, 480, 482, 490, 491, 495, 496, 497 éolienne, 274 fossile, 263 géothermique, 298, 300-301 hydroélectrique, 320 lumineuse, 371, 480, 491, 497 marémotrice, 320, 321, 322 mécanique (voir aussi Énergie cinétique, Énergie potentielle gravitationnelle), 154, 155, 163, 164, 166, 167, 320, 476, 491 nucléaire, 140, 141, 143-144, 289, 294, 298, 300 potentielle gravitationnelle, 165, 166, 167 rayonnante (du Soleil), 132, 154, 255, 256, 270, 273, 274, 336, 345, 348 renouvelable, 274, 299, 321 solaire, 125 thermique, 125, 154, 176, 177, 182, 274, 478, 491, 495, 497

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Engrais, 289, 291, 295, 299, 304, 308, 313, 314, 335 Engrenage, 454, 455 Éolienne, 274, 321, 324, 476 Épuisement des sols, 295

magnétiques), 234 Force nucléaire, 137-138 Forces d’attraction et de répulsion (électriques, magnétiques), 137, 196, 234-235 Foret (perçage), 428

Indice Humidex, 261 Industrie agroalimentaire, 289, 313 Insolation, 256, 262, 348 Intensité du courant, 242, 482 Interaction (entre les espèces), 361-362

Équation squelette, 111-112 Érosion, 285, 286, 295, 299, 338, 371, 418 Espèce, 287, 296, 297, 304, 311, 314, 338, 348, 355-357, 361-362, 365, 381, 384, 394, 398, 399 Estuaire, 305, 346 Étalement urbain, 295 Étude des populations, 355-356, 357 Eutrophisation, 289, 313-314, 315, 339

Forêt, 131, 331, 341-342, 357, 366 boréale (voir Taïga) tempérée, 341-342 tropicale, 341-342, 357 Formule chimique, 46, 82, 84, 85 Fosse septique, 319 Foudre, 191 Fragilité (des matériaux), 417 Franklin, Benjamin (1706-1790), 191

Évaporation, 87 Excentrique, 463 Exothermique (réaction), 125, 126

Front, 261 Frottement, 166, 182, 191, 192, 450-451, 461 Fusible, 458 Fusion nucléaire, 143, 144

Interrupteur bidirectionnel, 488 bipolaire, 488 unidirectionnel, 488 unipolaire, 488 Ion, 44, 45, 46, 50, 51, 52, 63, 77-78, 81-82, 83, 84, 89, 96-97, 129-130, 290 Ionisation, 45 Ion polyatomique, 46 Irradiation (voir aussi Radioactivité), 294

F Fabrication, 408, 409, 412, 414, 417, 424, 426, 427, 485 Facteur écologique abiotique, 366, 370 biotique, 366, 370 Facteurs influençant la distribution des biomes, 348 Famille (tableau périodique), 30 Famille chimique, 30-32, 39, 45-46, 387 Ferromagnétique, 235, 242 Fibre de renfort, 245, 420 de carbone, 420 de verre, 420 Filetage, 429 Filière, 429 Fission nucléaire, 143, 294, 300 Fixation de l’azote, 335 Flexion (contrainte de), 414 Flux de la matière, 370 de l’énergie, 371 Flux d’énergie émis par le Soleil (voir aussi Énergie rayonnante), 256 Fonction d’alimentation, 203, 476, 477 de commande, 486 de conduction, 480, 481 de guidage, 443, 449 de liaison, 443, 444, 445 de protection, 480, 482 de transformation de l’énergie, 490, 491, 494 d’isolation, 480, 481 Force (mécanique) (voir aussi Adhérence, Frottement), 320 Force des électrolytes, 81, 82 Force efficace, 159 Force gravitationnelle, 155, 165, 255, 257 Force magnétique (voir aussi Forces d’attraction et de répulsion électriques,

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Isolant électrique, 421, 477, 481 Isolation (électrique), 480, 481 Isotope, 21, 22, 62, 137, 138, 141, 144, 478

G

L

Gamète, 381, 394, 398 Gamma (voir Rayonnement gamma) Gaz à effet de serre, 135, 263, 270, 287, 331 Gaz inertes (famille des), 30, 32, 39, 44, 50-51 Gène, 381, 388, 389, 390 Génératrice, 271, 274, 287, 299, 476 Génétique, 289, 300, 381, 388, 390, 394, 398, 399 Génotype, 389, 394 Géothermie, 294, 295 GES (voir Gaz à effet de serre) Glacier, 270, 284, 308, 310, 311

Lac, 129, 263, 289, 304, 313, 314, 346 Lavoisier, Antoine Laurent de (1743-1794), 107 Liaison chimique, 50, 53, 371 covalente, 52 ionique, 50-51, 52 Liaison mécanique, 444-445 Ligne de crête, 304 Ligne de partage des eaux (voir Ligne de crête) Lignée pure, 389 Lignes de champ, 197, 235-236, 239, 242 Limaille de fer, 235 Lithosphère, 284, 285, 298, 330, 335, 338

Guanine, 382 Guidage en rotation, 449 en translation, 449 hélicoïdal, 449 Gulf Stream, 310

H Habitat, 296, 304, 355 Halogènes (famille des), 30-31, 32 Haut-parleur, 467 Hélicoïdal (guidage), 449 Hérédité, 387 Hétérotrophe (organisme), 365 Hétérozygote, 388, 389, 394 Homozygote, 388, 389, 394 Horizons du sol, 285-286, 291 Hybride, 389, 394 Hydrosphère, 284, 303, 310, 313, 320, 330, 335, 338

I Inclinaison (de la Terre) (voir Axe de rotation de la Terre) Indicateur, 96

Loi de Coulomb, 190, 196 Loi de Kirchhoff, 218-220 Loi de la conservation de la masse, 107-108, 111, 112 Loi de la conservation de l’énergie, 166, 220 Loi de la gravitation universelle, 257 Loi des boucles, 219, 220 Loi des nœuds, 218 Loi d’Ohm, 214-215, 220 Lubrifiant, 451, 454, 455, 461, 462 Lune, 257

M Malléabilité, 417 Manivelle, 462 Marée, 256, 257, 258, 321 Marée noire, 313 Masse, 87, 88, 89, 107-108, 111-112, 116, 126, 140-141, 155, 164, 165-166, 176-177, 371 Masse atomique, 20, 22, 27, 28, 65 Masse atomique relative, 20-21, 22 Masse d’air, 255, 261, 265 Masse molaire, 28, 64-65, 89, 116 Masse volumique, 262, 284, 305, 309, 418 Matériaux, 407, 414, 417, 418, 420, 424, 425,

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426, 427-428, 451 composites, 420-421 de construction, 420 ferromagnétiques, 235 organiques, 284 Matière plastique, 418, 420, 421, 481 Matrice (d’un matériau composite), 420, 421 Méiose, 381, 394 Mélange hétérogène, 420 homogène, 407 Mendel, Gregor Johann (1822-1884), 388, 390 Mendeleïev, Dimitri I. (1834-1907), 27 Mesurage et traçage, 427-428 Métal (matériau), 50-53, 203, 235, 242, 414, 424, 481-482 Métalloïdes (catégorie des), 28, 29, 32 Métaux (catégorie des), 28, 29-30, 32, 84, 126, 129, 131 Métaux lourds, 289, 291, 313 Minerai, 285, 304 Minéral, 285 Minéraux (voir aussi Sels minéraux), 284, 285, 286, 290, 295, 297, 305 Mitose, 381, 398 Modèle atomique (Antiquité grecque, Dalton, Thomson), 3-4 Modèle atomique de Rutherford-Bohr, 5 Modèle atomique simplifié, 15-16, 137 Modes de reproduction, 394, 398 Mole, 62-65, 89, 115-116, 126 Molécule, 44, 46, 50-52, 63-64, 65, 77-78, 82, 107, 111-112, 115-116, 192, 330, 334, 381, 382, 383, 384, 388, 420, 450, 481 Moteur électrique, 469 Mouvement (d’une pièce), 443, 444-445, 449, 461 Moyeu, 449 Mutation, 289, 313, 384 Mutualisme, 362

N Neutralisation acidobasique, 84, 108, 129-130 Neutron, 5, 15-16, 20, 21, 22, 137, 138, 143, 144 Nitrate, 46, 88, 125, 314, 335 Nitrification, 335 Nitrite, 46, 335 Niveau trophique (voir aussi Relation trophique), 365, 371 Nœud (d’un circuit électrique), 218-219 Nombre d’Avogadro (voir aussi Mole), 62, 63, 64 Nombre de masse, 16, 21, 22, 28, 141 Nomenclature chimique, 60, 163 Non-métaux (catégorie des), 28, 29, 32, 52 Notation de Lewis, 39, 52 Noyau atomique (voir aussi Nucléon), 6, 8, 15-16, 20, 21, 39, 44, 137, 138, 140, 141, 300

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Noyau cellulaire, 381, 383, 384, 388, 399 Nucléon, 15, 16, 21, 137, 138, 140 Nucléotide, 382, 383 Numéro atomique, 6, 16, 21, 27, 28, 38, 138, 141

O OGM (organisme génétiquement modifié), 401 Ohm (voir Loi d’Ohm) Onde électromagnétique, 141, 154, 255, 256 Organe (mécanique) de guidage, 443, 449 de liaison, 443, 444 menant, 443, 461, 463 mené, 443, 455, 461 moteur (menant), 443, 461, 463 Organisme (autotrophe, hétérotrophe), 365 Ouragan, 265 Oxydation, 126, 129, 131, 132, 424 Oxyde, 60, 131 Ozone stratosphérique, 256 troposphérique, 269

P Parasitisme, 362 Particule alpha, 5, 140, 144 bêta, 5, 140 élémentaire (voir Proton, Neutron, Électron) Perçage, 427, 428, 429 Pergélisol, 286, 287, 324 Période (du tableau périodique), 32, 38 Périodicité des propriétés, 27, 38 Perturbation (des communautés), 366, 373 Pesticide, 289, 314 pH (voir aussi Échelle pH), 96-97, 129, 130 Phénotype, 389 Phosphate, 46, 314, 338, 339, 366, 382 Phosphore (voir aussi Cycle du phosphore), 314, 315, 338, 339 Photosynthèse, 125, 129, 132, 330, 345, 348, 370 Photovoltaïque (cellule), 273, 274, 479 Phytoremédiation, 290, 291 Pied à coulisse, 430, 431 Pignon, 443, 461 Pile, 203-205, 219-222, 476, 477, 480, 493, 496 Plaques tectoniques, 300, 331, 339 Plastique (façonnage), 418, 429, 430 Plastique (matériau) (voir Matière plastique) Pluies acides, 97, 129, 289, 299, 313 Poids (voir aussi Relation entre la masse et le poids), 155 Point de fusion, 38 Point d’ignition, 130 Polarité, 476, 496 Pôle magnétique, 234-236, 242

Polymère, 417, 420, 421 Population, 308, 311, 355, 356-357, 361-362, 375 Potentiel hydrogène (voir aussi Échelle pH), 97 Poulies, 443, 454, 455 Pouvoir tampon (voir Capacité tampon du sol) Prairie tempérée, 342 Précipitations (climat), 261, 265, 341, 342 Prédation, 362 Presse à plier, 429 Pression atmosphérique, 262, 264 Problématiques environnementales, 135, 152, 296, 308, 379, 494 Processus (du cycle du carbone) biochimiques, 330-331 géochimiques, 330-331 Producteur, 365, 371 Production alimentaire, 401 Productivité primaire, 370 Profil (des filets), 429 Projection axonométrique, 407, 409 Projection orthogonale à vues multiples, 407, 408 Propriétés caractéristiques, 79, 83 chimiques, 27, 29-30, 38, 39 des solutions, 77 physiques, 27, 29-30, 38, 77 Propriétés mécaniques (des matériaux), 407, 417 Protection (électrique), 480, 482 (des matériaux), 424-425 Protéine (voir aussi Synthèse des protéines), 334, 335, 382, 383, 384, 388 Proton, 5, 6, 15-16, 20, 21, 27, 39, 45, 52, 137, 138, 140, 190 Puissance électrique, 230 Punnett (échiquier de), 394

Q Quartz, 493

R Radiation (voir aussi Radioactivité), 294, 300 Radioactivité (voir aussi Contaminants radioactifs), 4, 8, 140, 285, 289, 294 Rapports molaires, 116-117 Rayon atomique, 38-39 Rayonnement alpha, 5, 140-141 bêta, 5, 140-141 gamma, 5, 140-141, 384 Rayonnement solaire (voir Énergie rayonnante) Réacteur nucléaire, 294, 300 Réaction de combustion, 130 de synthèse (voir Photosynthèse) d’oxydation, 131

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Réaction à des indicateurs, 96 Réaction en chaîne, 143 Réaction endothermique, 125 Réaction exothermique, 125, 126 Récessivité (allèle récessif), 388, 389

Roulements (à billes, à cylindres, à cônes), 450 Rutherford, Ernest (1871-1937), 5, 8

Réchauffement climatique, 135, 287, 311, 346 Récifs coralliens (voir aussi Corail), 345, 346 Recuit, 412 Recyclage chimique, 370-371 Règle de la main droite, 239, 242 Règle de l’octet, 45, 50 Règles d’écriture (des composés binaires), 60 Règles de nomenclature (des composés binaires), 60

Saison, 256 Salinité (de l’eau), 305, 309, 311, 345, 366 Savane tropicale, 341-342 Sédimentation, 315, 331, 339 Sédiments, 284, 339 Sels, 31, 83, 84, 96 Sels minéraux, 305 Semi-conducteur, 478, 479 Seuil de toxicité, 374

Relation entre la masse (m) et le poids (w ou Fg), 155 Relation entre l’énergie cinétique (Ek), la masse (m) et la vitesse (v), 164 Relation entre l’énergie potentielle (Ep), la masse (m), l’accélération (g) et le déplacement (h), 165 Relation entre l’énergie thermique (Q), la capacité thermique massique (c), la masse (m) et la variation de température (Δt), 176-177 Relation entre le travail (W) et l’énergie (E), 163 Relation entre le travail (W), la force (F) et le déplacement (d), 158 Relation trophique (voir aussi Niveau trophique), 365 Rendement énergétique, 181, 182, 274, 494 Reproduction, 381, 398, 399 Résilience, 407, 417, 420 Résistance électrique, 214-215, 220, 221, 222, 495 équivalente, 220 Résisteur, 203, 206-207, 214-215, 219-222, 230, 494, 495 Respiration, 331, 348 Respiration cellulaire, 129, 131, 132-133 Ressort, 417, 463 Ressources énergétiques de la lithosphère, 298 de l’atmosphère, 274 de l’hydrosphère, 320 Revenu, 426 Richesse spécifique, 357 Roche calcaire, 331 carbonatée, 331 mère, 284, 285, 286 Röntgen, Wilhelm (1845-1923), 4 Rotation (de la Terre), 256, 258, 262, 263, 309 (guidage en), 445, 449 Roue de friction, 454, 455 dentée, 455, 456, 461 menée, 454, 455, 456 Roue dentée et vis sans fin, 455

Smog, 263, 269 Sol (voir Horizons du sol, Contamination des sols, Épuisement des sols, Capacité tampon du sol) Soleil (voir aussi Flux d’énergie émis par le Soleil), 132, 143, 255, 256, 258, 270, 273, 274, 348, 371, 424 Solénoïde, 241, 242, 493 Solstice, 256 Solution aqueuse électrolytique (voir Électrolyte) Sous-bassin versant (voir Bassin versant) Stabilité nucléaire, 137-138 Stœchiométrie, 115, 116, 126 Surcharge, 458 Symbiose (voir aussi Photosynthèse), 335 Synthèse des protéines (voir aussi Protéine), 383, 384, 388 Système de transformation du mouvement, 443, 461-462 à bielle, manivelle, 462 à came et tige guidée, 462 à pignon et crémaillère, 443, 461 à vis e