Chim. N° 01 L'atome, cours, Seconde

- Le Grec DÉMOCRITE (460 – 370 av. J.-C) a l’intuition que la matière est constituée de petits « grains » indivisibles, qu’il appelle atomes (du grec atomos, qui signifie « insécable »).

- Il imagine les atomes pleins et immuables.

► Vers 350 ans av. J.-C.

- ARISTOTE (384 – 322 av. J.-C) ne croît pas à l’existence des atomes.

- Pour lui, la matière est pleine et est constituée d’un mélange de quatre « éléments » : le feu, l’air, la terre et l’eau.

- Son prestige est tel que le modèle de DÉMOCRITE est abandonné.

- Il faudra attendre près de vingt siècles pour que la notion d’atome soit réhabilitée.

► 1805.

- L’anglais John DALTON (1766 – 1844) reprend l’hypothèse de DÉMOCRITE.

- Selon lui, l’atome est une sphère pleine de matière, semblable à une boule de billard.

► 1904.

- En 1897, le physicien John Joseph THOMSON (1856 – 1940) découvre l’un des composants de l’atome : l’électron, particule chargée négativement.

- En 1904, il propose un modèle dans lequel les électrons sont plongés dans une sphère chargée positivement, comme des prunes (plum en anglais) dans un pudding.

- Dans ce modèle, les électrons dispersés au sein de l’atome équilibrent la charge positive de la sphère.

- L’ensemble est électriquement neutre.

► 1909.

- Le physicien et chimiste britannique Ernest RUTHERFORD (1871 – 1937) bombarde une feuille d’or très fine avec des particules α, bien plus petites que les atomes d’or et chargées positivement.

- Il observe qu’une tache fluorescente intense apparaît au centre de l’écran et que quelques taches fluorescentes apparaissent à la périphérie de la tache centrale.

- Schéma de l’expérience de RUTHERFORD :

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

- Vidéo :

► 1911.

- Cette expérience a conduit Ernest RUTHERFORD à proposer, en 1911, un nouveau modèle :

- Un atome est constitué d’un noyau central très petit autour duquel des électrons chargés négativement sont en mouvement, comme les planètes autour du Soleil :

- L’atome est constitué essentiellement de vide.

- Modèle planétaire de l’atome :

- Ernest RUTHERFORD a mis en évidence la structure lacunaire de l’atome : l’atome est essentiellement fait de vide.

► Un modèle toujours en évolution.

- De nombreux scientifiques (N. BOHR en 1913, E. Schrödinger en 1926, J. CHADWICK en 1932, etc…) ont enrichi la description de l’atome :

- L’atome est constitué :

- D’un noyau et d’électrons en mouvement autour du noyau.

- Le noyau est constitué de particules : les protons et les neutrons.

- Les neutrons ne sont pas chargés.

- La charge portée par un proton est exactement l'opposée de celle portée par un électron.

- L’atome est électriquement neutre.

- Le noyau concentre la plus grande partie de la masse de l’atome.

- Le modèle actuel de l’atome, appelé modèle probabiliste, fait intervenir la physique quantique.

- Cette théorie établit que les électrons n’ont pas d’orbite définie, mais permet de déterminer leur « probabilité de présence » autour du noyau.

- Modèle probabiliste :

► Pour aller plus loin :

- Les nucléons de sont pas des particules élémentaires.

- Ils sont constitués de particules : les quarks.

- Les briques fondamentales de la matière sont donc :

- Les quarks qui sont les constituants des protons et des neutrons.

- Et les électrons.

- Les protons et neutrons du noyau sont composés de 3 quarks.

- On étudie au CERN les interactions entre quarks pour découvrir comment les particules se sont formées dans les premiers instants de l'Univers.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

II- Structure de l’atome.

1)- Structure.

- Un atome est une entité constituée d’un noyau et d’électrons en mouvement dans le vide autour du noyau.

- Le noyau :

- Le noyau est constitué de particules appelées nucléons.

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

Caractéristiques du proton
	Masse	m_p = 1,67265 × 10^–27 kg
	Charge	+ e = 1,602189 ×10^{– 19 C}

- C est le symbole du Coulomb unité de charge électrique

Caractéristiques du neutron
	Masse	*m_n* = 1,67496 × 10^{–27 kg}
	Charge	nulle

- Remarque :

- e représente la charge élémentaire.

- Elle s’exprime en coulomb (symbole C)

- La charge élémentaire a pour valeur : e = = 1,602189 × 10^{– 19} C

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

2)- Les électrons.

Caractéristiques de l’électron
	Masse	*m_e* = 9,10953 × 10^{– 31 kg}
	Charge	- e = - 1,602189 × 10^{– 19} C

- Les électrons constituent le cortège électronique de l’atome.

- 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.

- Un électron porte une charge électrique négative opposée à la charge du proton.

- La masse du proton est environ 1846 fois celle de l’électron.

3)- 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.

- La charge positive du noyau, notée Q, est égale à la charge des Z protons qui le constituent :

Q = Z . e

4)- Symbole des atomes.

- 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 :

- 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 Z= 29 protons, A – Z = 34 neutrons et Z = 29 électrons.

- Un atome comprend : Z protons et Z électrons, et A – Z neutrons.

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

5)- Masse de l’atome.

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}

- 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_p ≈ m_n = m_nucléon

m_Atome ≈ A. m_H

m_Atome ≈ A. m_nucléon

6)- Dimension des atomes.

- On représente les atomes par des sphères.

- Le diamètre d’un atome est de l’ordre 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.

- 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.

III- L’élément chimique.

1)- Les isotopes.

- Des atomes sont isotopes si leurs noyaux possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons.

- Exemple : On considère les nucléides (Z, A) suivants : (6,12), (6,13), (6,14).

- On remarque que Z = 6.

- Cette valeur de Z caractérise l’élément carbone de symbole C.

			Atomes isotopes
98,9 %	1,1 %	Traces	Composition d’un morceau de graphite

- pour les nommer, on ajoute à leur nom le nombre de nucléons de leur noyau : on parle de carbone 12, de carbone 13 et de carbone 14.

2)- Les ions.

- Un ion provient d’un atome ou d’un groupement d’atomes 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 :

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

- Un anion est un ion qui a une charge négative.

- Un cation est un ion qui porte une charge positive.

- 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 :

Formule

de l’ion

Charge

de l’ion

Symbole

du noyau

Nombre

de protons

Nombre

de neutrons

Nombre

d’électrons

Ion chlorure

Cl^–

- e

Ion cuivre II

Cu²⁺

+ 2 e

3)- L’élément chimique.

a)- Conservation de l’élément cuivre : TP Chimie N° 05 Notion expérimentale d’élément chimique.

- 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.

- 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.

- Conservation de l’élément chimique.

- Au cours des réactions chimiques, les noyaux n’étant pas modifiés, les différents éléments se conservent.

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

b)- Conservation de l’élément fer.

► Formation des ions fer II : Fe²⁺ (aq)

- Des ions fer II, Fe²⁺ (aq), se forment lorsque l’on verse une solution d’acide chlorhydrique (H⁺ _(aq)+ Cl^– _(aq)) dans un tube à essais contenant du fer en poudre.

- On observe aussi un dégagement gazeux de dihydrogène.

2 (H⁺ _(aq)+ Cl^– _(aq)) + Fe _(s)→ H₂ _(g)+ Fe²⁺_(aq)+ 2 Cl^– _(aq)

- Le gaz obtenu provoque une légère détonation en présence d’une flamme.

► Formation de l’hydroxyde de fer II : Fe(OH)₂(s)

- Les ions fer II, Fe²⁺ (aq), réagissent avec les ions hydroxyde, HO^– (aq), d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (soude : {Na⁺ (aq) + HO^– (aq)}).

- On obtient un précipité vert pâle d’hydroxyde de fer II : Fe(OH)₂(s).

Fe²⁺ (aq) + 2 HO^– (aq) → Fe(OH)₂(s)

► Oxydation de l’hydroxyde de fer II : Fe(OH)₂(s)

- Au contact de l’oxygène de l’air, l’hydroxyde de fer II (précipité vert pâle) se transforme spontanément en hydroxyde de fer III (précipité rouille).

4 Fe(OH)₂ (s) + 2 H₂O (ℓ)+ O₂ (g) → 4 Fe(OH)₃(s)

→

- Après déshydratation, l’hydroxyde de fer III, donne de l’oxyde de fer III (solide de couleur rouille).

2 Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃ (s) + 3H₂O (g)

► Cycle du fer :

c)- Conclusion.

- Un élément chimique est ce qui est commun à un corps simple et à tous ses composés.

- Il est défini par son nombre de charge Z.

IV- Applications.

1)- QCM :

QCM sous forme de tableau 01

QCM sous forme de tableau 02

QCM 01 Questy pour s'auto-évaluer

QCM 02 Questy pour s'auto-évaluer.

2)- Exercices : Exercices : énoncé avec correction

a)- Exercice 2 : Déterminer un numéro atomique :

b)- Exercice 7 : Déterminer la formule d’un ion :

c)- Exercice 8 Déterminer la charge d’un ion :

d)- Exercice 10 Identifier des noyaux isotopes :

e)- Exercice 11 : Chercher la composition d’un noyau ou d’un ion.

f)- Exercice 15 : Composition chimique du Soleil de la Terre et du corps humain.

g)- Exercice 16 : établir une notation symbolique :