I- Les atomes et les ions monoatomiques.

1)-  Constitution d’un atome.

-   Un atome est une entité constituée d’un noyau chargé positivement

-   et d’électrons chargés négativement en mouvement dans le vide autour du noyau.

-   Une représentation d’un atome :

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a)- Le noyau :

-   Le noyau est constitué de particules appelées nucléons.

-   Les nucléons sont de deux types : les protons et les neutrons.

-   Caractéristiques du proton : il est chargé positivement

-   Masse : m_p = 1,67265 x 10 ^{– 27 kg}

-   Charge : + e = 1,602189 x 10 ^{– 19 C}

-   Symbole du Coulomb unité de charge électrique : C

-   Caractéristiques du neutron : il est électriquement neutre

-   Masse : m_n = 1,67496 x 10 ^{– 27 kg}

-   Charge : nulle

-   Remarque : e représente la charge élémentaire.

-   Toute charge électrique s’exprime en un nombre entier de charges élémentaires :

-   Q = n . e

-   La masse du neutron est voisine de celle du proton : m_p ≈ m_n

b)- Caractéristiques de l’électron : il est chargé négativement

-   Masse : m_e = 9,10953 x 10 ^{– 31 kg} 

-   Charge : – e = – 1,602189 x 10 ^{– 19} C

-   Mouvement des électrons autour du noyau :

-   Les électrons d’un atome se déplacent à grande vitesse et à grande distance autour du noyau.

-   Ils n’ont pas de trajectoire bien définie.

-   C’est pour cela que l’on parle de nuage électronique.

-   On peut délimiter une région de l’espace autour du noyau ou la probabilité de trouver l’électron est maximale.

2)-  Dimension d’un atome.

-   L’ordre de grandeur du rayon d’un atome est de : 10^–10 m

-   L’atome appartient au domaine de l’infiniment petit.

-   Le plus petit des atomes : atome d’hydrogène : r_H ≈ 52,9 pm.

-   L’un des plus gros : atome de Césium : r_Cs ≈ 265 pm

-   Le rayon des atomes est de l’ordre de 100 pm : 1 pm = 10^–12 m

-   L’ordre de grandeur du noyau d’un atome est de 10^–15 m

-   Le rayon de l’atome est 100 000 fois plus gros que celui du noyau.

-   Entre les électrons et le noyau, il n’y a que le vide.

-   L’atome a une structure lacunaire.

3)-  Symbole du noyau d’un atome.

a)- Grandeurs caractéristiques d’un atome ou du noyau d’un atome :

-   Le nombre de nucléons est noté A, on l’appelle aussi le nombre de masse.

-   Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z.

-   On l’appelle aussi le numéro atomique ou le nombre de charge.

-   Les deux nombres A et Z suffisent pour caractériser un noyau.

-   L’atome étant électriquement neutre, le nombre d’électrons d’un atome est égal au nombre de protons.

-   On dit que l’électroneutralité est vérifiée pour tout atome.

b)- Représentation symbolique :

-   Les atomes sont représentés par des symboles :

-   En général, la première lettre du nom écrite en majuscule.

-   On rajoute parfois une deuxième lettre écrite en minuscule pour éviter les confusions.

-   On trouve les symboles de tous les atomes dans la classification périodique que l’on étudiera plus tard.

-   Le symbole du noyau s’obtient à partir du symbole de l’atome correspondant.

-   Exemple :

-   Symbole de l’atome d’hydrogène : H,

-   Symbole du noyau de l’atome d’hydrogène :

-   Nombre de protons : 1        

-   Nombre de neutrons : 1      

-   Nombre d’électrons : 1

-   Formule générale du noyau d’un atome :

-   Exemple : symbole du noyau de l’atome de cuivre.

-   L’atome de cuivre est constitué de 29 protons, 34 neutrons et 29 électrons.

-   Un atome comprend :

-   Z protons,

-   Z électrons, et

-   (A – Z) neutrons.

-   Les deux grandeurs A et Z permettent de caractériser un noyau ou un atome.

c)- Masse des atomes :

-   Atome le plus léger : atome d’hydrogène : m_H = 1,67 x 10 ^{– 27 kg}

-   L’un des plus lourd : atome d’uranium : m_U = 3,95 x 10 ^{– 25 kg}

-   Il est environ 240 fois plus lourd.

-   La masse d’un atome est essentiellement concentrée sur son noyau car la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons : 

-   m_p ≈ 1846 m_e–

-   La masse d’un atome de nombre de masse A :

-   m_Atome ≈ A . m_H ≈ A . m_p ≈ A . m_n

4)-  Ions monoatomiques.

-   Un ion monoatomique provient d’un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

-   Un anion (ion chargé moins) résulte de la capture d’un ou plusieurs électrons.

-   Un cation (ion chargé plus) résulte de la perte d’un ou plusieurs électrons.

-   Exemples d’ions monoatomiques :

-   Cℓ ^– : L’ion chlorure provient d’un atome de chlore ayant gagné 1 électron.

-   On peut dans ce cas écrire :         

Cℓ    +   e ^–    →   Cℓ ^–

-   Na : L’ion sodium provient d’un atome de sodium ayant perdu 1 électron.

-   On peut donc écrire dans ce cas :                

Na   →   Na ⁺    +   e ^–

-   Lors du passage d’un atome à un ion monoatomique, seul le nombre d’électrons change, le noyau lui n’est pas affecté.

-   Exemples :

II- L’élément chimique.

1)-  Exemple de l’élément cuivre :

-   L’élément cuivre représente ce qui est commun au cuivre métal et à tous ses composés.

-   Le cuivre métal, l’ion cuivre II, l’oxyde de cuivre II, l’hydroxyde de cuivre II contiennent l ‘élément cuivre.

-   Les atomes ou les ions monoatomiques ayant le même nombre de protons dans leur noyau correspondent au même élément chimique

2)-  Le numéro atomique :

-   Le numéro atomique Z caractérise un élément chimique.

-   Tous les représentants (atomes ou ions) d’un élément ont un noyau comportant Z protons.

-   Tous les atomes d’un même élément ont le même cortège électronique et des propriétés chimiques identiques.

3)-  Conservation de l’élément chimique.

-   Au cours des réactions chimiques, les différents éléments se conservent.

-   Les réactions chimiques n’affectent pas les noyaux.

-   Les éléments présents avant la transformation sont présents après la réaction.

III- Du microscopique au macroscopique.

1)-  Entité chimique et espèce chimique :

-   Une entité chimique peut désigner un atome, une molécule ou un ion (ou un ensemble d’ions) qui constitue la matière à l’échelle microscopique.

-   Une espèce chimique est un ensemble d’un nombre très grand d’entités chimiques identiques.

-   Exemple :

2)-  Cas des espèces chimiques ioniques :

-   La matière étant électriquement neutre, les espèces chimiques ioniques sont constituées d’au moins deux types d’entités :

-   Des anions et des cations.

-   D’autre part, les espèces ioniques étant globalement électriquement neutre, elles possèdent autant de charge positives que de charges négatives.

-   Dans le cas du chlorure de sodium, le cristal contient autant d’ions chlorure (Cℓ ^–) que d’ions sodium (Na⁺).

-   Exemple : dans le cas de l’iodure de fer III qui contient les ions iodure (I^–) et des ions fer III (Fe³⁺).

-   Dans le cristal, il faut 3 ions chlorure pour 1 ion fer III.

-   En conséquence dans le cas d’une espèce chimique ionique, il faut que les anions et les cations soient dans des proportions telles que le cristal soit électriquement neutre.

IV- Applications.

1)-  Formule des composés ioniques :

-   Comment écrire la formule d’un solide ionique et le nommer ?

-   Tableau : formules et applications de quelques ions :

a)- Règles pour la formulation d’un cristal ionique :

-   Un solide composé d’ions est toujours électriquement neutre.

-   Dans la formule d’un solide ionique, le cation est toujours écrit en premier.

-   Dans le nom, c’est en revanche l’anion qui est écrit en premier.

-   Dans la formule du cristal ionique, les charges des ions n’apparaissent pas.

-   La formule d’un cristal ionique est une formule statistique

-   Elle indique la nature et la proportion des ions présents dans le cristal sans mentionner les charges.

-   Par convention, on choisit les plus petits indices qui assurent l’électroneutralité du cristal ionique.

b)- Le nigari : Retrouver la formule et le nom de quelques solides ioniques

Tests d’identification des ions en solution.

-   Le nigari est un solide ionique naturel commercialisé sous forme de paillettes.

-   Son nom est dérivé du mot japonais signifiant amer.

-   Il sert de coagulant du lait de soja pour préparer le tofu.

-   Ce sel marin cristallisé est une source pure de magnésium.

-   Il est soluble dans l’eau.

-   Pour connaître les ions présents dans le cristal ionique de nigari, on prépare une solution aqueuse en dissolvant quelques paillettes de nigari dans de l’eau distillée.

Premier test :

-   On verse 2 mL de solution de nigari dans un tube dans un tube à essai.

-   On ajoute quelques gouttes de solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (soude)

-   Il se forme un précipité blanc.

-   Ce test est caractéristique des ions magnésium

Deuxième test :

-   On verse 2 mL de solution de nigari dans un tube dans un tube à essai.

-   On ajoute quelques gouttes de nitrate d’argent.

-   Il se forme un précipité blanc qui noircit à la lumière.

-   Ce test est caractéristique des ions chlorure.

-   Quels sont les ions présents dans la solution aqueuse de nigari.

-   Le premier test met en évidence la présence d’ions magnésium Mg²⁺ dans la solution de nigari.

-   Le deuxième test met en évidence la présence d’ions chlorure Cℓ ^– dans la solution de nigari.

-   Le nigari contient les ions chlorure Cℓ ^– et les ions magnésium Mg²⁺.

-   Déterminer le nom et la formule chimique du nigari.

-   Nom : Chlorure de magnésium et formule du cristal ionique MgCℓ ₂

-   En déduire quelles peuvent être ses applications.

-   Les applications possibles :

-   Apport de magnésium, pour participer à la formation des os et des dents.

-   Faire coaguler le lait de soja pour faire du tofu grâce aux ions chlorure Cℓ ^–.

-   Remarque :

-   Le nigari est composé à 95 % de chlorure de magnésium.

-   Les 5 % qui restent sont principalement du sulfate de magnésium.

c)- Nom de quelques solides ioniques :

-   Décrire la méthode permettant de trouver le nom et la formule d’un solide ionique connaissant les ions qui le constituent.

-   Tableau : Compléter le tableau suivant

2)-  QCM :

Les atomes, les ions monoatomiques,

l’élément chimique et

du microscopique au macroscopique

Sous forme de tableau

3)-  Exercices :