Objectif général
L’objectif de ce programme est de donner les bases d’une culture chimique actualisée, indispensable à une poursuite d’études des étudiants de la filière post-BTSA-BTS-DUT. Une démarche analytique accompagne l’acquisition des connaissances afin de constituer un socle de compétences transférables.
Pour chaque thème traité, quand cela est possible, on s’appuie sur l’analyse de résultats expérimentaux et on suscite la réflexion sur des applications dans le domaine de la chimie du vivant et de l’environnement. Le choix des illustrations est laissé libre.
PROGRAMME |
RECOMMANDATIONS ET NIVEAU D’EXIGENCE |
PARTIE A : chimie structurale |
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Objectif : acquérir les connaissances nécessaires à la compréhension de la structure d’une molécule. |
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1. L’atome |
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- structure de l’atome: noyau et cortège électronique (nombres quantiques, géométrie des orbitales atomiques s et p, configuration électronique) ; - classification périodique des éléments : construction des deux premières lignes, notions d’électronégativité et de polarisabilité. |
Le but de cette étude est d’acquérir les règles permettant de relier la structure électronique des atomes et la place des éléments dans la classification périodique. |
2. La liaison covalente |
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- orbitales moléculaires sigma et pi; - formule de Lewis ; - géométrie de quelques molécules : méthode VSEPR ; - moment dipolaire : définition, lien avec la structure de la molécule. |
La liaison covalente est présentée comme un recouvrement d’orbitales atomiques. On se limite à une description qualitative des orbitales moléculaires. On illustre sans calcul la notion de moment dipolaire par l’étude de quelques molécules simples. |
3. Les liaisons intermoléculaires |
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- forces de Van der Waals ; - liaison hydrogène. |
La présentation reste qualitative. On souligne leur importance dans la géométrie des biomolécules. On illustre par l’observation de la structure de macromolécules (ADN, micelles, double couche phospholipidique...) |
PARTIE B : cinétique |
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Objectif : caractériser la vitesse d’une réaction ; identifier les facteurs cinétiques ; mettre en lien vitesse de réaction et mécanisme réactionnel |
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1. Cinétique chimique |
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- vitesse volumique de réaction globale à volume constant en système fermé ; - facteurs cinétiques : température (loi d’Arrhénius), concentration ; - étude des réactions du premier et du second ordre dans des proportions stœchiométriques. |
La mise en place d’un TP ou d’un TP cours pour obtenir ou exploiter les résultats expérimentaux d’une cinétique de réaction est nécessaire. On aborde les notions d’avancement et de tableau d’avancement. On se limite à l’étude des vitesses de réaction à volume constant en système fermé. |
2. Mécanismes réactionnels |
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- acte élémentaire ; - diagramme énergétique microscopique ; - règle de Van’t Hoff ; - principe de Bodenstein (AEQS). |
On se limite au maximum à deux intermédiaires réactionnels. |
3. Catalyse |
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- catalyse homogène ; - catalyse enzymatique à un seul substrat : équation de Michaelis-Menten, représentation de Lineweaver-Burk et interprétation. |
La présentation de la catalyse enzymatique est coordonnée avec l’enseignant de biologie. La démonstration de l’équation de Michaelis-Menten vient comme une illustration des notions vues au sujet des mécanismes réactionnels (AEQS, loi de Van’t Hoff).Toute forme d’inhibition est hors programme. |
PARTIE C : thermodynamique chimique |
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Objectif : appliquer le premier et le second principe de la thermodynamique à une réaction chimique |
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1. Application du premier principe à la réaction chimique |
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- enthalpie de réaction ; - chaleur dégagée lors d’une réaction à pression constante ; - enthalpie standard de réaction. |
Les calculs d’enthalpie de réaction ne sont pas exigibles. |
2. Application du second principe à la réaction chimique |
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- enthalpie libre, enthalpie libre standard, critère d’évolution d’un système siège d’une réaction chimique ; - équilibre chimique: loi d’action des masses, activité, application aux équilibres homogènes et hétérogènes ; - influence de différents paramètres sur le déplacement de l’équilibre : température, pression, ajout de composants actifs ou inertes à volume constant. |
Les exercices portent uniquement sur la loi d’action des masses et les déplacements d’équilibre. On peut utiliser le quotient de réaction. |
PARTIE D : chimie des solutions |
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Objectif : mettre en œuvre les lois régissant la chimie des solutions Les exemples illustrant la chimie des solutions sont pris aussi bien en chimie organique qu'en biologie ou en agronomie. |
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1. Acides - bases (théorie de Brönsted) |
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- la molécule d'eau : caractère polaire, dissociation ; - couples acide-base, pKa dans l'eau, diagramme de prédominance à 10% ; - pH de solutions aqueuses : définition, détermination du pH d’une solution en utilisant la méthode de la réaction prépondérante ; - solutions tampon. |
On se limite aux cas des monoacides et des polyacides dont le ΔpKa est supérieur ou égal à 3. D’autre part, les exemples traités sont choisis en fonction des difficultés calculatoires : les résolutions se bornent à celles d’équations au maximum du second degré. Aucune notion quantitative n’est exigible. On souligne leur importance dans les milieux biologiques. |
2. Complexes |
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- définitions : complexes, ligands ; - constante de formation globale et constantes de formation successives. |
La géométrie et les propriétés optiques des complexes ne sont pas abordés. On note la constante de formation globale βi , i indiquant le nombre de ligands et les constantes de formation successive Kj, j indiquant le rang de fixation du ligand. Les exemples sont pris dans la chimie des sols, en oenologie ou en biochimie. |
3. Solubilité des solides ioniques |
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- définition ; - produit de solubilité ; - influence des paramètres extérieurs : température, effet d’ions communs. |
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4. Oxydoréduction |
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- notions d’oxydants, de réducteurs et de couples oxydant / réducteur ; - formule de Nernst : potentiel standard, potentiel apparent ; - influence de la complexation ; - diagrammes potentiel-pH ; - exploitation qualitative de diagrammes potentiel-pH. |
La formule de Nernst est introduite sans démonstration. Seuls les diagrammes potentiel-pH des couples de l’eau sont construits. L’exploitation des courbes porte sur la stabilité des espèces et la prévision des réactions. |
5. Dosages acidobasiques, d'oxydoréduction et de complexation |
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- dosages par titrage direct ou indirect ; - méthodes utilisées : o pH-métrie ; o potentiométrie ; o indicateur de fin de réaction. |
On met en exergue les contraintes thermodynamiques et cinétiques nécessaires dans le choix des réactions utilisées dans les dosages. Les résultats expérimentaux sont interprétés, notamment grâce à une étude thermodynamique. Aucune étude quantitative de l’équation des courbes n’est attendue, mais il est demandé de relier repérage de l’équivalence et aspect thermodynamique. On peut prendre comme exemple des dosages avec déplacement d’équilibre ou avec compétition. |
PARTIE E : chimie organique |
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Objectif : identifier la géométrie des molécules de chimie organique et décrire les grands types de réaction mis en jeu lors d’une synthèse chimique Les principales fonctions présentées s’appuient sur des molécules rencontrées en biologie et en biochimie. La nomenclature est développée au fur et à mesure des besoins. L’écriture topologique des molécules (représentation sans les atomes d’hydrogène des chaînes carbonées) est également présentée. La chimie organique est traitée suivant une approche mécanistique décrivant les grands types de réaction. Les effets inductifs et mésomères sont des outils transversaux qui seront utilisés lors des différents développements. Les termes de nucléophilie et d’électrophilie sont définis soigneusement. |
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1. Représentation spatiale des molécules |
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- modes de représentation : Cram, Fischer, chaise, Haworth ; - conformation ; - configuration : o énantiomérie et diastéréoisomérie ; o nomenclature R-S et Z-E; o isomérie cis-trans (cycles disubstitués) ; o pouvoir rotatoire et loi de Biot ; - utilisation de spectres de RMN du proton pour l’identification de molécules organiques à l’aide : o du déplacement chimique ; o de l’intégration ; o de la multiplicité du signal. - utilisation de spectres IR (infrarouge). |
Les représentations "chaise" et "Haworth" sont limitées aux molécules de glucopyranose a et b, de fructofuranose et de fructopyranose.On ne va pas au-delà des conformations des hétérocycles à 6 atomes. On peut présenter l’enchaînement des hétérocycles dans les molécules de cellulose et d’amidon. Le principe de fonctionnement n’est pas exigible. On se limite au couplage vicinal. Le principe de la spectroscopie infrarouge n’est pas exigible. |
2. Les grands types de réaction |
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Cette partie peut être introduite par la présentation de processus biologiques (cycle de Krebs, cycle de l’urée...). On fait appel à l’étude de protocoles expérimentaux. En séance de travaux pratiques, on pourra présenter les techniques de chauffage à reflux, de distillation fractionnée, de lavage, d’extraction, de purification par recristallisation et de caractérisation (température de fusion, d’ébullition, indice de réfraction). Cette approche permet d’aborder les modifications fonctionnelles et de faire le lien avec la synthèse organique. Les réactions étudiées dans cette partie peuvent être suivies par comparaison des spectres RMN et IR des réactifs et des produits. La réactivité est présentée à l’appui de grands types de réaction en fonction des mécanismes. |
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2.1 Les réactions de substitutions nucléophiles - cas limites SN1 ou SN2 et mécanismes réactionnels. 2.2 Les réactions d’élimination - cas limites d’élimination E1 et E2 et mécanismes réactionnels. 2.3. Les réactions d’additions électrophiles - additions sur les doubles liaisons carbone-carbone des hydracides HX et de l'eau H2O et mécanismes réactionnels ; 2.4. Les réactions d’additions nucléophiles - réactions des organomagnésiens mixtes sur les aldéhydes, les cétones et le dioxyde de carboneet mécanismes réactionnels ; - aldolisation, cétolisation et crotonisation en milieu acide et basique et mécanismes réactionnels ; - hémiacétalisation, acétalisation et mécanisme réactionnel. 2.5. Les réactions d’additions-éliminations - formation de la liaison peptidique des polypeptides et des protéines ; - estérification à partir d'un acide carboxylique et hydrolyse de l'ester, saponification et mécanismes réactionnels ; - réactions des organomagnésiens mixtes sur les chlorures d’acyle et les esters. 2.6. Les réactions d'oxydation et de réduction en chimie organique - oxydation des alcools et des aldéhydes ; - réduction des groupes carbonyles ; - addition du dihydrogène sur une double liaison ; - ozonolyse suivie d’une hydrolyse en conditions réductrices. |
L’aspect stéréochimique est étudié par exemple sur R-X L’aspect stéréochimique est étudié. Dans le cas des dérivés halogénés d’alcane, la règle de Zaïtsev n’est pas justifiée. On peut traiter la déshydratation d'un alcool. La règle de Markovnikov est justifiée par l’étude de la stabilité des carbocations susceptibles d’être formés. La labilité de l’atome d’hydrogène en a est justifiée. On peut aussi citer la cyclisation du glucose Les techniques de chauffage à reflux et de filtration sur büchner sont exigibles. On peut prendre comme exemple d’estérification la formation de l’acétate d’éthyle dans un vin. La saponification peut être illustrée par celle des triglycérides. On définit ce type de réaction sans utiliser les échanges d’électrons. L’aspect stéréochimique est précisé sans justifications. |
3. Exemple de synthèses organiques |
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On prolonge la présentation des fondements de chimie organique par l’étude de synthèses multi-étapes appliquées aux domaines de la biologie, de la santé, de la chimie verte… |
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