Chim. 01 Structure des Atomes Cours Exercices Correction

I- Existence des atomes.

II- L’atome d’hydrogène. 1)- Structure. 2)- Mouvement des électrons autour du noyau. 3)- Caractère lacunaire de la matière.

III- La structure des autres atomes. 1)- Dimension des atomes. 2)- Masse des atomes. 3)- Structure des atomes. 4)- Représentation d’un atome.

IV- Les ions.

V- L’élément chimique. 1)- Exploitation du TP chimie N° 1. 2)- Définitions. 3)- Le symbole des éléments chimiques. 4)- Définition de l’élément chimique. 5)- Représentation du noyau d’un atome ou de l’atome. 6)- Isotopie. 7)- Principe de conservation.

VI- Applications. 1)- Abondance relative des éléments dans l’Univers. 2)- Exercices :                  Correction a)- Exercices 4 et 5 page 259. b)- Exercice 15 page 260 c)- Exercices 9 et 10 page 269. d)- Exercice 11 page 270. e)- Exercice 15 page 270.

I- Existence des atomes.

-  Toute substance, vivante ou inerte, est constituée à partir d’atomes.

-  Ils sont le plus souvent associés les uns aux autres pour former des assemblages plus ou moins complexes.

-   Ils peuvent former des réseaux cristallins (les métaux) ou des molécules (la molécule d’eau).

II- L’atome d’hydrogène.

1)- Structure.

-  L’atome d’hydrogène est formé d’un noyau chargé plus et d’un électron chargé moins.

-  Le noyau de l’atome d’hydrogène est formé d’un proton chargé positivement.

►   Caractéristiques du proton :

-   Masse :          m_p = 1,67 × 10^–27 kg                        

-   Charge :        + e = 1,6 × 10^–19 C               

-  La lettre C est le symbole du coulomb, unité de charge électrique

►   Caractéristiques de l’électron :       

-   Masse :          m _e = 9,11 × 10^–31 kg

-   Charge :        – e = – 1,6 × 10^–19 C                        

-  e  : représente la charge élémentaire.

►   Conséquences :

-  L’atome d’hydrogène est électriquement neutre.

-  L’électron et le proton portent des charges électriques opposées.

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

-  La masse de l’atome d’hydrogène est pratiquement égale à celle du noyau.

-  On peut négliger la masse des électrons devant celle du noyau.

-   La masse d’un atome est pratiquement égale à celle du noyau.

2)- Mouvement des électrons autour du noyau.

-  L’électron de l’atome d’hydrogène se déplace à grande vitesse et à grande distance autour du noyau.

-  Il n’a 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.

3)- Caractère lacunaire de la matière.

-  L’atome d’hydrogène est assimilable à une sphère de rayon :

-   r_H ≈ 52,9 pm

-   r_H est appelé rayon de BOHR.

-  Le proton est assimilable à une sphère de rayon :

-   r_p = 1,2 × 10^–3 pm.

-  Si l’on compare ces deux valeurs, on remarque que l’atome est environ 50000 fois plus grand que le proton c’est-à-dire que le noyau.

-  En le proton et l’électron, il n’y a que le vide.

-  On dit que l’atome d’hydrogène a une structure lacunaire.

-   La matière est essentiellement faite de vide.

III- La structure des autres atomes.

1)- Dimension des atomes.

-  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.

2)- Masse des atomes.

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

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

-  Il est environ 240 fois plus lourd.

3)- Structure des atomes.

►   Un atome est formé :

-  D’un noyau central très petit chargé plus

-  Entouré d’un nuage électronique chargé moins.

►   Le noyau est formé de nucléons :

-  Les protons chargés plus

-  Les neutrons dont la charge globale est nulle

-  La masse des protons est voisine de celles des neutrons.

►   Remarque importante :

-   Un atome est toujours électriquement neutre : nombre de protons = nombre d’électrons

4)- Représentation d’un atome.

►   Deux nombres suffisent pour caractériser un atome ou le noyau d’un atome.

-   Le nombre de charge ou numéro atomique est noté Z .

-  Il représente le nombre de protons contenus dans le noyau.

-   Le nombre de masse ou nombre de nucléons est noté A .

-  Il représente le nombre de neutrons et de protons contenus dans le noyau.

-   En conséquence le nombre de neutrons que contient le noyau est donné par la relation A – Z .

-   Le noyau contient A – Z neutrons.

-  Par convention la structure d’un atome est représentée par la notation suivante :

-   

►   Pour un atome :

-  Z représente le nombre de protons

-  A représente le nombre de nucléons

-  A – Z le nombre de neutrons

-  Z le nombre d’électrons.

    En conséquence, les deux nombres Z et A suffisent pour caractériser le noyau d’un atome ou l’atome.

   L’ensemble des atomes dont le noyau possède le même couple ( Z , A ) est appelé Nucléide.

   Soit l’atome de numéro atomique Z.

-   La charge électrique portée par le noyau est + Z . e.

-   La charge électrique portée par le nuage électronique est – Z . e

IV- 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 :

-   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.

V- L’élément chimique.

1)- Exploitation du TP chimie N° 1.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

-   Le cuivre métal est un corps pur simple,

-  alors que l’oxyde de cuivre II (CuO), l’hydroxyde de cuivre II (Cu(OH)₂ ), ... sont des corps purs composés.

2)- Définitions.

-  Un corps simple n’est constitué que d’un seul élément chimique.

-  Un corps composé est constitué d’au moins 2 éléments chimiques.

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

-  Exemple :

-   L’élément carbone C.

-   Le graphite : formule C.

-   Le monoxyde de carbone CO.

-   Le dioxyde de carbone CO₂.

-   Les ions carbonate CO₃^2–.

-   L’élément carbone est ce qui est commun au graphite (corps simple) et aux corps composés.

3)- Le symbole des éléments chimiques.

-  On dénombre actuellement une centaine d’éléments chimiques.

-  Ils sont représentés par des symboles :

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

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

-  Exemples :

-   Hydrogène H  ; Hélium He  ; Carbone C  ; Chlore Cl  ;

-   Calcium Ca  ; Cuivre Cu  ; Césium Cs  ; Cérium Ce

-  Exceptions :

-   Azote N (nitrium) ; sodium Na (natrium) ; potassium K (kalium) ; tungstène W (wolfram)

-  O r Au (aurum) ; étain Sn (stannum).

-  Cu représente aussi bien l’élément cuivre que le cuivre métal.

4)- Définition de l’élément chimique.

-  Un élément chimique est défini par son nombre de charge, c’est-à-dire par son nombre de protons.

-  Exemple :

-  Un atome isolé, de numéro atomique 29, représente l’élément cuivre sous la forme atomique.

-  Un ion ayant 29 protons dans son noyau représente l’élément cuivre sous sa forme ionique.

-   Un atome ou un ion possédant un nombre de masse différent de 29 n’appartient pas à l’élément cuivre.

5)- Représentation du noyau d’un atome ou de l’atome.

-  Notation conventionnelle :

-   Exemples :

6)- Isotopie.

a)-   Définitions :

b)-  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.

7)- Principe de conservation.

-  Au cours des réactions chimiques, l’élément chimique se conserve.

-   Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.

-  Les éléments présents dans les formules des réactifs doivent se retrouver dans les formules des produits.

-  Il faut placer des coefficients devant chaque formule afin qu’il y en ait le même nombre de part et d’autre de la flèche.

-   Ces coefficients sont appelés : coefficients stœchiométriques.

VI- Applications.

1)- Abondance relative des éléments dans l’Univers.

-   Le nombre total d’atomes de l’Univers est estimé à10 ⁷⁸.

-  Abondance des principaux éléments :