Atomes et molécules, chapitre 1 (première partie)/1

14/11/21

Atomes et molécules

Chapitre 1

Atomes et classification périodique des éléments

I - Notion d’élément chimique I.1 Bref historique de la découverte des éléments

• Mot de vocabulaire très important, qu’il faudra utiliser à bon escient : l’élément

De tout temps, on a cherché à savoir de quoi était composée la matière. Donc on a essayé de la décomposer...

L’idée derrière la notion historique d’élément est qu’il s’agit de matière qu’on ne peut plus décomposer.

• Historique de la découverte des éléments.

Document 1

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Dans l’Antiquité, beaucoup considéraient l’eau, la terre, l’air et le feu comme des éléments...

En fait, on connaissait de nombreux éléments au sens moderne du terme (atomes de même numéro atomique…), mais sans savoir que c’en était !

Quels sont les corps simples connus depuis l’antiquité ?

Les 7 métaux de l’antiquité… alors qu’on connaissait 7 astres « mobiles » dans le ciel !

Quelques autres éléments ont été découverts au Moyen Âge ou à la Renaissance (parfois par les alchimistes, comme Brandt, qui a découvert le phosphore en 1669 en calcinant de l’urine)

Contribution majeure d’Antoine de Lavoisier (1743-1794), qui a décomposé et recomposé de nombreux corps (époque de la découverte des éléments H, N et O en isolant les gaz correspondants) et a surtout fait des bilans de masses.

Lavoisier est considéré comme le père de la chimie moderne. Ses travaux, ses méthodes expérimentales, vont conduire pendant le siècle qui va suivre à l’explosion du nombre d’éléments identifiés, à l’attribution de leurs masses relatives, à l’étude rigoureuse de leurs propriétés (notamment la valence = en quelles proportions les éléments se combinent entre eux)…

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Le 19ème siècle : explosion du nombre d’éléments découverts, classification de Mendeleïev et développement de la théorie atomique

- 1869 : Mendeleïev publie la première version de son célèbre tableau périodique

Document 2 : un tableau périodique moderne

Quelles sont les informations les plus importantes qui figurent dans chaque case du tableau ?

Mais de quoi sont constitués ces corps non décomposables que l’on appelle « éléments » ?

- La controverse atomiste : « les atomes existent-ils ? » agite la communauté scientifique tout au long du 19ème siècle/

Elle est définitivement tranchée par Jean Perrin (1870-1942), jansonnien ! … prouve définitivement en 1905 l’existence de l’atome, en déterminant la valeur du nombre d’Avogadro par plusieurs expériences de nature très différentes mais qui aboutissent toutes à la même valeur (prix Nobel de physique 1926).

- Au début du 20ème siècle, on découvre peu à peu les particules constitutives de l’atome

Électron : Thomson en 1897 (Jean Perrin y a contribué en 1895)

Noyau : Rutherford en 1911 (bombardement feuille d’or)

Notion d’isotopes : Aston vers 1920

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Proton : Rutherford en 1919

Neutron : Chadwick en 1932

- On cherche à décrire l’atome avec les lois de la physique

Le premier modèle est un modèle planétaire (Rutherford), auquel Bohr ajoute la notion de quantification.

Mais la physique connue au début du 20ème siècle (mécanique newtonnienne, électromagnétisme de Maxwell) se révèle incapable de décrire correctement les atomes.

Avènement de la physique quantique, vers 1920-1940, pour décrire correctement l’atome, les interactions entre ses particules constitutives…

Parmi les plus célèbres noms associés à la physique quantique : Planck, Einstein, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger…

Le développement de la physique quantique a permis de faire des avancées majeures dans la compréhension du monde atomique ; on peut dire qu’elle a donné naissance à la chimie moderne !

I.2 Constitution d’un atome

Document 3 : ce qu’il faut absolument savoir sur les atomes…

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Le numéro atomique, noté 𝒁, est le nombre de protons dans le noyau et d’électrons dans l’atome (neutre) : c’est le paramètre essentiel quant à la réactivité chimique de l’atome.

On appelle élément chimique l’ensemble de tous les atomes comportant le même numéro atomique.

À chaque élément chimique est associé un nom et un symbole.

Notion d’isotope

Deux atomes dont les noyaux ont même numéro atomique 𝑍 mais un nombre de neutrons 𝑁 différent sont appelés des isotopes. Ce sont des représentants du même élément chimique.

Le nombre total de nucléons (protons et neutrons), noté 𝐴 = 𝑍 + 𝑁, est appelé nombre de masse.

On utilise la notation Y!" pour désigner un isotope de l’élément de symbole Y et de numéro atomique 𝑍, possédant un nombre de masse 𝐴.

Abondance isotopique des éléments trouvés sur Terre

D’où proviennent les atomes que l’on trouve sur Terre ?..

- la majorité sont là depuis la formation de la terre ; ils ne sont pas radioactifs, ou alors avec une demi-vie extrêmement longue, se comptant par exemple en milliards d’années…

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Leur répartition dans la nature est appelée l’ « abondance isotopique naturelle » :

- certains sont produits par des réactions nucléaires :

Ils peuvent être naturels (consécutives au rayonnement cosmique, par exemple le C!" dans l’atmosphère, radioactif de demi-vie environ 5700 ans ; ou produits par la désintégration radioactive d’autres éléments comme l’uranium)

… ou artificiels (dans des réacteurs nucléaires ou des laboratoires de physique nucléaire utilisant des accélérateurs de particules…), comme les éléments transuraniens.

Document 4 : stabilité des isotopes, diagramme de Segré

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Remarques diverses :

- existence d’une vallée de stabilité… à quoi correspond-elle ?

Que peut-on dire de la proportion de protons et de neutrons dans les noyaux stables ?

- les éléments deviennent particulièrement instables à partir de 𝑍 = 93 (« transuraniens ») ; ils sont généralement fortement radioactifs alpha...

Lire le document 5 sur les « éléments superlourds » qui sont des éléments artificiels.

I.3 La mole et la masse molaire (document 6)

a) Concept de mole, nombre d’Avogadro

Historiquement, le concept de mole a pour but de relier le gramme, unité macroscopique, à un nombre d’atomes.

Pour simplifier, la mole répond à la question : « combien de nucléons faut-il pour obtenir 1 gramme de matière ? ».

Cette question est plus complexe qu’il n’y paraît… et se heurte à de nombreuses difficultés qu’on n’abordera pas dans le cadre de ce cours (bien que ce soit un sujet passionnant !)

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Définition officielle :

La mole est un nombre d’entités exactement égal à 6,02214076 × 10#$.

Ce nombre est appelé nombre d’Avogadro.

On appelle constante d’Avogadro :

𝑁% = 6,02214076 × 10#$mol&!

Il n’est bien sûr pas nécessaire de retenir tous ces chiffres significatifs, mais il faut connaître la valeur approchée :

b) Masse molaire d’un isotope

De la définition historique de la mole découle la relation approchée pour tous les isotopes :

𝑀4 X' 5 ≈ 𝐴g⋅mol&!

Validité de cette approximation (voir bas du document 6)

Conclusion à retenir :

La masse molaire d’un isotope de nombre de masse 𝐴 vaut :

𝑀4 X' 5 ≈ (𝐴 ± 0,1)g⋅mol&!

c) La masse molaire d’un élément

La masse molaire d’un élément est la moyenne des masses molaires des isotopes de cet élément pondérées par l’abondance naturelle.

Exemple : masse molaire du chlore (abondances lues dans le document « constitution d’un atome »)

𝑀(Cl) =75,78100

𝑀4 Cl$( 5 +24,22100

𝑀4 Cl$) 5 = 0,7578 × 35,0 + 0,2422 × 37,0

= 35,5g⋅mol&!

Application : exercice 1

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II - Configuration électronique II.1 La structuration du cortège électronique des atomes

a) Notion d’orbitale atomique (O.A.)

En physique quantique, l’électron est décrit par une onde qui se développe autour du noyau.

Pour calculer l’expression mathématique de cette onde (sa valeur en fonction des coordonnées de l’espace et du temps), on doit résoudre l’équation fondamentale de la physique quantique, qui s’appelle l’équation de Schrödinger (équation 1926, prix Nobel de physique 1933).

Une orbitale atomique (OA) est une fonction mathématique solution de l’équation de Schrödinger, qui décrit l’état d’un électron en physique quantique, c’est-à-dire toutes ses propriétés, notamment de localisation.

L’existence de ces différentes OA est à l’origine de la structuration du nuage électronique des atomes en couches et sous-couches.

Exemple : les deux premières couches électroniques, document 7

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Que signifient de tels dessins ?..

À connaître : donner la structuration des quatre premières couches d’électrons en termes d’orbitales atomiques :

b) Configuration électronique des atomes isolés

Vous devez pouvoir donner le nom, le symbole et la configuration électronique des 18 premiers éléments de la classification (𝒁 = 𝟏 à 𝒁 = 𝟏𝟖) :

𝑍 = 1 à 2 :

𝑍 = 3 à 10 :

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𝑍 = 11 à 18 :

… et que se passe-t-il ensuite ?..

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c) Classification périodique des éléments

Les deux principes fondateurs :

1)Lesélémentssontclassésparnuméroatomique𝒁croissant.2)Onplacedansunemêmecolonnelesélémentsdepropriétéschimiquessemblables(constitutiondefamilles),ayantlemêmenombred’électronsdevalenceetuneconfigurationélectroniqueexterneidentique(=seterminantparlemêmenombred’électronsdanslemêmetyped’OA)

On complétera le document 8 en répondant aux questions suivantes :

- placer les numéros atomiques et symboles des 18 premiers éléments.

- à quoi correspondent les « blocs » du tableau périodique ? Combien de colonnes comporte chaque bloc ?

- les familles d’éléments à connaître :

Colonne 1 (sauf H) :

Colonne 2 :

Colonne 17

Colonne 18 (incluant He) :

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II.2 Électrons de cœur et de valence

- Les électrons de valence : ce sont les électrons les plus éloignés du noyau, ceux qui confèrent à l’atome ses propriétés chimiques.

- En électrons de cœur : tous les autres… Ce sont les électrons de couches complètes, proches du noyau, ne participant pas à la réactivité de l’atome dans les conditions usuelles.

Il est fondamental de pouvoir déduire de la position d’un atome dans la classification périodique son nombre d’électrons de valence.

Les électrons de valence sont toujours ceux de la couche la plus élevée qui accueille des électrons

… et s’y ajoutent les électrons d’éventuelles sous-couches incomplètes de couches inférieures.

Le nombre d’électrons de valence est donc directement lié à la configuration électronique externe, qui est la même dans une colonne du tableau périodique. Autrement dit :

Tous les éléments d’une même colonne du tableau périodique ont le même nombre d’électrons de valence.

Inscrire le nombre d’électrons de valence que comporte les atomes dans chaque colonne du tableau périodique en complétant le document 8.