Chapitre 2 : Atomes, ions et conduction...
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Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
Chapitre 2 : Atomes, ions et conduction électrique
1/ Tous les solides sont-ils conducteurs ?
A/ TP
1/ Ce que je vais faire pour tester la conductivité des matériaux (tableau Q3) ….
Je vais réaliser un circuit électrique avec une lampe, un générateur, des fils électriques et des pinces
croco. Si la lampe s’allume, le courant circule et le solide testé est conducteur.
Liste du matériel Schéma du circuit électrique
Fils électriques
Lampe Générateur
Pinces crocodiles
2/ Je réalise mon expérience… dans le calme. ( appelle le professeur)
Et je complète le tableau de la question 3/ en même temps
3/ Ce que j’observe…
Matériau Fer Cuivre Zinc Aluminium Bois Plastique Verre Sel de
cuisine
Sucre
Eclat de la
lampe
Oui Oui Oui Oui Non Non Non Non non
Conducteur
ou isolant ?
C C C C I I I I I
4/ Ce que je conclus : a/ Les conducteurs du tableau ont tous un point commun. Lequel ? Ce sont des métaux.
b/ Complète le texte :
Points communs
entre ces objets ?
Points communs
entre ces objets ?
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
Tous les matériaux solides ne conduisent pas le courant électrique. Les matériaux qui laissent passer le courant électrique sont dits (conducteurs/isolants) Les matériaux qui ne laissent pas passer le courant électrique sont dits (conducteurs/isolants). Tous les métaux sont des conducteurs électriques.
B/ Conclusions du TP
Tous les métaux conduisent le courant électrique : ce sont des conducteurs électriques.
Certains solides comme le verre, le bois, le plastique ne conduisent pas le courant : ce sont des
isolants.
Si tous les métaux conduisent le courant, cela signifie qu’ils ont une propriété commune qui leur
permet de conduire le courant. Pourtant, tous les métaux sont différents.
Il va falloir regarder au niveau microscopique pour comprendre la conduction
Atome en classe de 4ème Atome en classe de 3ème
2/ L’atome
A/ Activité : Histoire de l’atome
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
Démocrite (-460 / -370), philosophe
grec.
Empédocle et Aristote (-384 -322),
physiciens grecs.
La matière est composée de minuscules et in(di)visibles particules qu’il nomme atomes.
(du grec atomos : indivisibles).
John Dalton (1766 - 1844), physicien
anglais.
L'Univers est formé de quatre éléments: la terre, l'eau, l'air et le feu.
Cette théorie des 4 éléments dure jusqu’à la fin du 18ème siècle.
Démontre l’existence de l’électron, particule chargée négativement dans l’atome.
Enonce la théorie du « Plum pudding ».
JJ. Thomson
(1856 - 1940),
physicien
anglais
Il découvre le noyau de l’atome, chargé positivement.
Il démontre que les électrons « gravitent » autour du
noyau et qu’il existe du vide entre les électrons et le noyau
Enonce sa théorie du modèle planétaire de l’atome.
En 1916, découverte du proton.
Ernest Rutherford
(1871-1937),
physicien Anglais
Il confirme la théorie de Démocrite par des expériences.
La matière est composée de particules indivisibles et massiques appelées atomes.
Niels Bohr
(1885/1960),
physicien
Danois.
Fonde une théorie nouvelle et approfondie basée sur celle de Rutherford
Nouvelle théorie : la théorie quantique.
Le noyau baigne dans un nuage d’électron.
C’est un modèle probabiliste.
-430avt JC
-350avt JC
1808
1891
1911
1913
1925
QUI ? + Date de naissance et
de mort + nationalité
QUOI ? QUAND ?
Erwin Schrödinger
(1887/1961),
physicien
autrichien.
Werner Heisenberg,
(1901-1976),
physicien allemand
Une longue période s’écoule.
La théorie des 4 éléments
règne !
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
B/ Résumé du travail des chercheurs
L’atome étant très petit, invisible à l’œil nu et ayant
un comportement très complexe, les chercheurs ont
ressenti le besoin de le modéliser.
Un modèle est une représentation simplifiée
de la réalité construite pour expliquer des
phénomènes observables.
Même si le modèle planétaire de Rutherford est faux,
il est suffisant, au niveau de la 3ème, pour expliquer
la conduction électrique.
L’atome est donc constitué :
Taille Masse Charge
électrique Composition Remarques
D’un noyau 1 fm = 10-15 m 10-27 kg positive Proton +
neutron
Le proton est chargé
positivement. Le neutron
n’est pas chargé.
Des
électrons
Occupent un
espace de 10-
10 m
1 électron
pèse 10-30 kg négative
Les électrons ont une masse
négligeable.
L’atome est électriquement neutre : il contient autant de charges positives (dans le noyau) que de charges négatives portées par les électrons
L’atome est 105 fois = 100 000 fois plus grand que le noyau. Quasiment toute la masse de l’atome est concentrée dans le noyau.
L’atome est essentiellement constitué de vide : il a une structure lacunaire comme l’univers.
Pour se donner une idée du vide entre le noyau et les électrons : (voir CPS « voyage au
cœur de la matière »)
Le noyau d’un atome peut être représenté par un pois chiche au milieu d’un terrain de football.
Si on supprimait l’espace entre les atomes, la Terre pourrait rentrer dans un cube de 100 m de côté.
Démonstration :
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
VTerre = 4/3 x π x R3 = 4/3 x π x 6380 = 1,088 x 10
12 km
3 = 1,088 x 10
21 m
3
En supprimant le vide entre les atomes, le volume est divisé par 100 000
3
VTerre (sans vide) = 1,088 x 10
21 / 100 000
3 = 1,088 x 10
6 m
3
Ce qui fait, en prenant la racine cubique, l’équivalent d’un cube de : Rcube = 1,088 x 10
6 m
3 = 102,8 m de côté
Autres exemples d’atomes: Le carbone et l’hydrogène :
On donne aussi des symboles aux atomes :
Atome
Symbole
de
l’atome
Composition Atome
Symbole
de
l’atome
Composition Atome
Symbole
de
l’atome
Composition
Aluminium Al 13 + et 13 - Zinc Zn 30 + et 30 - Chlore Cl 17 + et 17 -
Fer Fe 26 + et 26 - Cuivre Cu 29 + et 29 - Sodium Na 11 + et 11 -
Carbone C 6 + et 6 - Hydrogène H 1 + et 1 - Oxygène O 8 + et 8 -
3/ L’Origine de la conduction électrique se trouve dans l’atome
Il est impossible de regarder les atomes avec la lumière du soleil (lumière visible). Les scientifiques
utilisent donc des microscopes à effet tunnel. Voici les photographies
des surfaces de différents métaux :
On peut s’apercevoir que chaque métal est constitué d’atomes bien rangés (2D).
En 3D, un métal est empilement régulier d’atomes (spécifique aux métaux) : c’est ce que l’on appelle
un cristal.
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
Un courant électrique est un déplacement de charges électriques.
Tous les métaux conduisent le courant électrique car ils possèdent des charges électriques capables de se
déplacer librement à sa surface : Les électrons libres (électrons périphériques)
Cela est dû au fait que les atomes d’un métal sont empilés et rangés régulièrement.
Un isolant ne conduit pas le courant électrique car il ne possède pas d’électrons libres
La conduction électrique est le mouvement d’ensemble des électrons libres dans le métal.
Remarque n°1: Pourquoi les isolants ne conduisent-ils pas le courant électrique ?
Si on étudie l’intérieur d’un matériau isolant, on remarque aussi des atomes à peu près bien rangés, des
électrons qui tournent autour des noyaux mais qui sont solidement attachés à leur noyau et qui ne peuvent
pas se balader. Il n’y a pas d’électrons libres dans les matériaux isolants.
Remarque n°2 : A votre avis les électrons se déplacent-ils rapidement ?
Interrupteur fermé :
le courant circule
Les électrons libres se déplacent de façon
tous dans les même sens : du - vers le +
Les électrons se déplacent donc dans le
sens inverse du sens conventionnel du
courant
On peut dire : « Les électrons, c’est comme
les saumons, ça remonte le courant. »
Interrupteur ouvert=
pas de courant
Les électrons libres se déplacent
de façon aléatoire autour du noyau.
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
La conduction est un mouvement d’ensemble des électrons libres. La vitesse des électrons due au courant
est de l’ordre de 0,0021 km/h. La vitesse des électrons du à la simple agitation thermique est de 340 000
km/h !
Comparaison : Des centaines d’hommes se trouvent debout sur des chaises, les uns à côté des autres. Dès
qu’un homme change de chaise, il pousse celui qui est sur cette chaise qui doit lui-même changer de chaise
et ainsi de suite. En conséquence, quand un électron libre saute sur l’atome suivant, il pousse un autre
électron libre et tous se mettent à bouger ensemble. C’est une réaction en chaîne et le courant s’établit
immédiatement.
Mouvement aléatoire des électrons libres Mouvement du « – » vers les « + » des électrons
libres
4/ Toutes les solutions conduisent-elles le courant électrique ?
Solvant : Liquide dans lequel on peut dissoudre
+
Soluté (solide ou gaz) : matière que l’on dissout dans le solvant.
=
SOLUTION Si le solvant est l’eau, alors on parle de solution aqueuse.
TP :
1/ Notre corps est-il conducteur d’électricité ? Donne un exemple pour justifier.
Notre corps est conducteur. Tous les jours, ce n’est pas moins de 200 personnes qui
meurent électrocutées en France.
On peut essayer de répondre aux 2 questions suivantes :
Mort de Claude François : Le 11 mars
1978 dans son bain.
« Geste qui a causé sa mort »
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
1/ Ce que je vais faire pour tester la conductivité des solutions (tableau Q3)
Je vais réaliser un circuit électrique avec une DEL (ou petite lampe) + ampèremètre en série + fils de
connexions + générateur + électrodes plongées dans les solutions afin de tester la conductivité. Si la DEL ou
lampe s’allume, alors la solution est conductrice.
Liste du matériel Schéma du circuit électrique test
(on peut remplacer la DEL par une lampe)
Fils électriques
Electrodes Solutions à tester Lampe (ou DEL)
ampèremètre
2/ Je réalise mon expérience… dans le calme. ( appelle le professeur)
Et je complète le tableau de la question 3/ en même temps
3/ Ce que j’observe…
Solution Eau sucrée Eau salée Eau minérale Eau pure
déminéralisée
Eclat de la lampe Eteinte Allumée Faiblement allumée Eteinte
Intensité (en mA) 0,00 1,3 0,30 0,00
Conductrice ou
isolante ? Isolante Conductrice Conductrice Isolante
4/ Ce que je conclus :
Les solutions conductrices sont dites IONIQUES , car elles contiennent des IONS
Les solutions non conductrices ne contiennent pas d’IONS . Elles ne peuvent donc pas conduire le
courant électrique.
A/ L’eau du robinet est une eau minérale, conductrice. Elle contient des ions. L’électrocution de Claude
François a donc été facilitée car elle a rendu la surface de son corps plus conductrice.
B/ Notre corps est constitué d’ions baignés dans l’eau (notre corps contient 65 % d’eau): il est donc
conducteur.
Si tu as fini : Refais le même circuit électrique avec un bécher d’eau pure déminéralisée dans lequel tu verseras,
petit à petit, une pincée de sel. Regarde l’effet.
Le sel ne conduit pas mais l’eau salée conduit.
Explication : L’eau casse le cristal de sel et libère les ions sodium Na+ et chlorure Cl- dans l’eau.
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
Composition (aide à l’exploitation du TP)
solution eau distillée eau salée eau sucrée Eau minérale
composition
chimique
- molécules
d’eau H2O
seulement
- molécules d’eau
H2O
- ions chlorure Cl-
- ions sodium Na+
- molécules d’eau
H2O
- molécules de
glucose C6H12O6
- molécules d’eau H2O
- pleins d’ions (H+, Na+,
SO42-, F-, HCO3- , Ca2+,
Mg2+…)
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
5/ Les ions : l’origine de la conduction
Tony Leparoux, professeur de physique-chimie
A/ Définition et formation des ions
Définition : Atome ou groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Il existe 2 types d’ions :
Ion positif (CATION) : Atome ou groupe d’atomes qui a perdu des électrons.
Exemples : Fe2+, Fe3+, Na+ , K+, Cu2+, Zn2+
Ion négatif (ANION) : Atome ou groupe d’atomes qui a gagné des électrons. Exemples : Cl-, F-, SO4
2-.
Formation des ions Chlorure et sodium à partir sur chlorure de sodium solide (sel de cuisine).
L’électroneutralité est toujours respectée. S’il se forme un ion positif, alors il se forme en même
temps un ion négatif dans la solution.
Formation d’un ion positif Formation d’un ion négatif
L’atome de sodium, symbole Na, possède Z = 11
charges positives (protons) et 11 électrons.
Il perd un électron chargé négativement : il contient
donc 11 charges positives et 10 charges négatives.
Il devient donc Na+
pour signifier le déficit
d’électrons.
L’atome de chlore , symbole Cl, possède Z = 17 charges
positives (protons) et 17 électrons.
Il gagne un électron chargé négativement : il contient donc 17
charges positives et 18 charges négatives.
Il devient donc Cl- pour signifier l’excédent d’électrons.
Les solutions dites moléculaires (qui ne contiennent pas d’ions) ne conduisent pas le courant.
En revanche, toutes les solutions ioniques conduisent le courant électrique : le passage du courant est dû au
déplacement des ions , chargés + ou -
Les ions + se déplacent vers le pole - du générateur et les ions – vers le pôle -
On peut résumer sous forme du tableau :
Solutions aqueuses
Conductrices ioniques Ions + molécules d’eau
Isolantes moléculaires Que des molécules
B/ Expérience : Migration des ions dans un circuit électrique.
On dépose des gouttes de solutions aqueuses colorées sur une plaque imbibée de liquide conducteur incolore
(nitrate de potassium (K+ + NO3–)).
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Les deux solutions sont :
Solution de permanganate de potassium de formule chimique K+ + MnO4- (la coloration violette
est due aux ions MnO4-)
Solution de sulfate de cuivre Cu2+ + SO42- (la coloration bleue est due aux ions Cu2+)
Observation : La tâche bleue migre vers le pôle négatif du générateur et la tâche violette migre vers le pôle
positif du générateur.
Interprétation : Les ions Cu2+ migrent vers le pôle négatif du générateur. Les ions MnO4- migrent vers le pôle
positif du générateur.
Les ions incolores « spectateurs » migrent aussi : Les ions K+ migrent vers le pole négatif et les ions SO42-
migrent vers le pôle positif.
Bilan : « Les opposés s’attirent et les semblables se repoussent ». Dans une solution
aqueuse, le courant électrique est dû à la double migration simultanée des ions : les
ions positifs se déplacent vers la borne (–) du générateur, dans le sens conventionnel
du courant et les ions négatifs se déplacent vers la borne positive (+) du générateur,
dans le sens inverse conventionnel du courant.
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C/ Quelques exemples d’ions
Nom (ion…) Formule chimique de l’ion Perte ou gain d’e- nb de charges « + » nb de charges « - »
aluminium (III) Al3+ perte de 3 e- 13 10
fer(III) Fe3+ perte de 3 e- 26 23
fer (II) Fe2+ perte de 2 e- 26 24
zinc (II) Zn2+ perte de 2 e- 30 28
cuivre (II) Cu2+ perte de 2 e- 29 27
sodium Na+ perte d’ 1 e- 11 10
argent Ag+ perte d’ 1 e- 47 46
hydrogène H+ perte d’ 1 e- 1 0
potassium K+ perte d’1 e- 19 18
chlorure Cl- gain d’ 1 e- 17 18
hydroxyde HO-
nitrate NO3-
permanganate MnO4-
sulfate SO42-
En plus :
1. Toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes / de cellules / de briques.
2. Vu au microscope à effet tunnel, un atome ressemble à une boule / une pyramide / un cône.
3. La tail le d'un atome est de 10-10
cm / m / mm.
4. Une molécule est composée de plusieurs cellules / briques / atomes.
5. Dans l 'univers i l existe une dizaine / vingtaine / centaine d'atomes.
6. La théorie des atomes crochus (Antiquité grecque) appartient à Démocrite / Platon / Aristote.
7. La théorie des 4 éléments appartient à Démocrite / Platon / Aristote.
8. L'atome est composé d'un noyau et d'électrons / de protons et de neutrons.
9. Le noyau est composé d'électrons et de protons / de protons et de neutrons.
10. Il y'a autant de protons que d'électrons / neutrons que de protons.
chargés «
+ »
=>
cation
s
chargés «
- »
=>
anio
ns
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11. Le nombre de protons / neutrons différencie les types d'atomes (hydrogène, oxygène, uranium...).
12. Si l 'atome faisait la taille d'un terrain de football / pétanque, le noyau serait grand comme un joueur / ballon / pois chiche et
les électrons ne seraient pas plus gros que des grains de sable / grains de sel / poussières.
13. Un atome est essentiellement constitué de vide / particules.
14. Les protons possèdent une charge électrique négative / nulle / positive.
15. Les électrons possèdent une charge électrique négative / nulle / positive.
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